零弯矩型自由曲面结构找形方法

为获得受力合理且形式丰富的自由曲面结构,借鉴传统模型试验找形法的原理,提出基于动力松弛法和局部线性化法的零弯矩型自由曲面结构数值找形方法.该方法利用了零弯矩型薄壳结构与相同荷载与边界条件下的柔性膜结构具有相同形状的性质,通过膜结构来实现自由曲面结构的找形.首先采用动力松弛法确定柔性结构在不同驱动力作用下的平衡构形;然后利用局部线性化方法调整结构初始参数,实现对结构形状的精确调控,以满足建筑设计对控制点坐标的要求.利用所提方法分别对逆吊型、充气型和张拉型自由曲面进行了数值模拟分析.通过对Isler逆吊试验模型的模拟,并与实际模型的3D扫描结果进行比较,验证了方法的精确性;通过对一充气型自由曲面的模拟,证明通过多区域分步控制可实现复杂造型结构的多点精确控制;通过对一找形后的张拉型自由曲面结构进行受力分析,证明采用本文方法可获得受力合理的纯压结构.研究表明,本文方法的计算效率更高,适用范围更广,有助于实现建筑与结构设计的协调统一.     

索膜结构的动力松弛找形法参数简化

针对膜结构找形中最小曲面的确定问题,采用动力松弛法,对迭代参数进行分析和简化,使迭代参数的简化只跟时间步长有关.通过算例分析表明,参数简化正确实用,精度较高,适用于大跨度张拉索网、索膜结构的几何非线性分析.     

上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析与研究

作为索膜结构的一个工程实例,介绍了上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析理论和分析方法。包括计算模型的确定、单元的选取、找形分析过程和初始态的评价原则、荷载效应分析过程和荷载作用下膜面应力与变形的控制。分析结果表明,索膜结构找形分析的关键问题是如何确定索和膜的预应力大小,荷载效应分析的关键是如何控制膜面应力及位移。采用有限元法有效解决了本工程索膜结构找形和荷载效应分析问题。分析方法和过程可为类似结构分析设计提供参考。     

敞篷式体育场膜结构找形分析

采用基于非线性有限元理论的形态结合法对敞篷式膜结构进行了找形分析。首先介绍了相关理论和相应有限元计算公式,通过提升支座,得到膜面的初始曲面,即“形”;然后在此形状基础上,通过温度作用对膜施加真实的预应力,迭代计算得到了真实的膜面预应力分布,即“态”,实现了“形”与“态”的结合,得到了最终膜结构的形状;最后对郑州大学新校区综合体育场膜结构工程进行了找形分析。结果表明,该方法能够快捷、精确地得到敞篷式膜结构的曲面形状,对更加合理地设计膜结构具有重要意义。     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

能量优化法分析四边域膜结构初始形态

根据膜结构曲面的多样性,提出了描述膜曲面的三次准均匀B样条曲面方程.根据膜结构受力特点,结合其形与态建立总能量方程,通过数学规划求得曲面的控制点,从而求得具有最小变形能膜曲面.     

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构集膜结构、飞杆与张弦立体桁架等多种受力特性于一身.给出了带飞杆的膜结构找形分析时在ANSYS上的实现过程和关键处理,并以青海省西宁市亲水中心大厅屋盖为案例进行了找形.结果表明,找形形状接近建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.通过提升后与最终找形飞杆顶端节点的竖向坐标值对比,证实了带飞杆的膜结构找形时必须和弹性构件一起联合找形.张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析时可不考虑结构自重,但需要考虑张弦立体桁架支撑的协同作用.     

车辐式结构找形分析的逐点去约束法

车辐式结构是一种双层索系的柔性结构,需要通过找形分析确定结构的初始预应力态.与索膜、索网结构等柔性结构不同,车辐式结构的找形分析不是用给定的预应力值寻找结构位形,而是从给定的位形出发求解可能存在的预应力分布情况.目前已有的找形方法有平衡矩阵理论、力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等.除了非线性有限元法外,其他方法都难以直接通过通用有限元软件进行找形分析.本文在平衡矩阵理论的基础上,将车辐式结构整体找形问题转化为针对每个节点处3个索杆单元的计算.通过使每个节点在预应力作用下达到设计位形,求出结构初始应力态的预应力分布.这种方法不但能够直接用于有限元软件的计算,还能够判定结构的初始应力态是否存在.     

US-FE-LSPIM四边形单元的自由振动研究

为了提高在网格变形时的数值计算精度,基于非对称有限单元的概念,提出US-FE-LSPIM四边形单元.该单元是利用两种不同的形函数集合,即:传统的四节点等参形函数集和FE-LSPIM四边形单元形函数集分别作为检验函数和试函数构成.它能方便地施加整段长度的位移边界条件.通过研究该四边形单元在悬臂梁二维自由振动中的表现,表明该单元具有很高的计算精度;并且在变形网格下该单元结果优于QUAD4单元,对网格变形不敏感.     

劲性支撑穹顶结构找形分析

针对索垂度在施工成形过程中不可忽略的问题,采用悬链线单元模拟索,依据胡克定律、小应变假设和变形协调方程等条件,推导了索原长的计算公式,给出了一种已知任意一个正值求解索原长度的二分法。在正交索网结构中,采用该二分法求得的索原长与已知条件给出的索原长进行对比,其误差均不超过0.16%,且不同初始值计算得到的索原长差别不大。针对劲性支撑穹顶结构的找形分析问题,给出了一种FEDR法,即有限元动力松弛法,以期提高动力松弛法的计算精度和可靠性。给出了找形分析的求解策略,并通过FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制找形分析程序。对正交索网和跨度为71.2m设两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构进行找形分析,ANSYS有限元分析与FORTRAN语言找形程序求得的杆件内力进行对比,其误差均不超过0.42%。     

一种等张力空间索网结构找形方法

为设计出质量小、结构稳定的空间索网天线结构,给出了一种等张力索网结构找形的坐标迭代算法.将索网上的各节点看做只能在理想反射面上移动的点,并规定各段绳索中的张力是恒定的.各节点在合力的作用下运动,当作用在各节点上的合力逐渐减为零时,索网结构到达一种平衡状态,根据这一平衡状态可求出各段绳索的无应力长度.使用该算法对环形桁架索网天线计算模型进行了找形计算,并使用有限元法对找形得到的平衡状态进行验证,证明了该算法的正确性和可行性.同时将找形结果与极小范数法、等力密度这两种找形算法的结果进行了比较分析.分析结果表明,使用等张力找形算法得到的索网结构绳索张力的均匀性最好.文中所提的等张力找形算法可用于空间索网结构的找形.     

基于弹簧-质点系统的薄膜结构曲面展开算法

将用三角形描述的空间膜片映射到初始二维膜片上，并使初始二维膜片与被展空间膜片在参
数域与空间域具有相同的拓扑结构。描述空间膜片的三角形与描述平面膜片的三角形的边长存在差异，采
用单元节点力代替此差异，节点质量由节点周围的膜单元面积确定，得到了描述系统运动的拉格朗日方程
。在求解方程时，每个时间段迭代初始速度置为零，计算过程中节点匀速运动，从而有效地避免了振幅过
大和发散问题，收敛速度明显加快。平面膜片的局部精度通过弹簧弹性变形系数予以控制，能够满足膜片
边界要求。该曲面展开方法具有精度高、计算速度快和易收敛的特点。     

细长体出水过程中阻尼系数变化分析

针对细长体出水过程中黏性阻尼系数和兴波阻尼系数的变化,采用弹性体振动理论和流体势流理论相结合的方式对其进行研究．对于黏性阻尼项,建立简化的涡激振动模型,将涡激振动的阻力和升力项考虑到结构振动方程中,获得考虑涡激振动后的阻尼系数增量．对于兴波阻尼项,采用时域格林函数法,首先计算规则球体振动问题,并将计算结果与相关文献对比,发现二者吻合良好．在验证算法的基础上,采用细长体模型,分别计算不同振动频率和不同出水高度对于兴波阻尼系数的影响．计算结果表明：涡激振动引起的黏性阻尼增量随着洋流增大、波浪增高或者空泡长度减短而增加;兴波阻尼和细长体的出水高度、固有振型和振动频率密切相关,所对应的细长体在头部出水、振动频率0．5 Hz左右诱发的兴波阻尼最大．一阶和二阶弹性振动诱发的兴波阻尼系数较小,工程中可忽略．     

Machining Deformation Prediction of Thin-Walled Part Based on Finite Element Analysis

For the problems of machining distortion and the low accepted product during milling process of aluminum alloy thin-walled part, this paper starts from the analysis of initial stress state in material preparation process, the change process of residual stress within aluminum alloy pre-stretching plate is researched, and the distribution law of residual stress is indirectly obtained by delamination measurement methods, so the effect of internal residual stress on machining distortion is considered before finite element simulation.Considering the coupling effects of residual stress, dynamic milling force and clamping force on machining distortion, a three-dimensional dynamic finite element simulation model is established, and the whole cutting process is simulated from the blank material to finished product, a novel prediction method is proposed, which can availably predict the machining distortion accurately. The machining distortion state of the thin-walled part is achieved at different processing steps, the machining distortion of the thin-walled part is detected with three coordinate measuring machine tools, show that the simulation results are in good agreement with experimental data.     

基于嵌入空间变形体法的流固耦合网格更新

为解决在传统基于松耦合技术的流固耦合计算中由于单元类型和数量的不同,网格变形不协调、计算收敛困难以及计算误差大等问题,在进行流固耦合网格更新计算中引入了计算机图形学中基于自由变形（FFD）原理的嵌入空间变形体方法,通过将少量结构节点作为控制点来完成大量流体网格的高阶连续变形功能.计算中考虑了湍流来流边界条件的影响,与采用分区插值方法的计算结果进行了比较,并对流固耦合中的气动阻尼特性进行了分析.验证算例表明：该方法实现了高层建筑的任意复杂连续侧弯及扭转变形,且不受建筑外形复杂程度的影响|计算收敛性和精度更高,数值计算结果与风洞试验的结果吻合更好.     

基于子域重构的扫掠体六面体网格划分方法

针对扫掠体连接其他实体造成扫掠面结构网格划分困难,导致扫掠法无法在扫掠体内生成六面体网格的问题,提出针对扫掠体的六面体网格划分方法.该方法对扫掠面进行拓扑分解,依据结构网格节点的排列要求和分解域的连接关系综合计算棱边单元划分数.结合超限映射法在分解域内填充结构网格,依据扫掠法的基本步骤生成六面体网格;对不能采用结构网格填充的扫掠面子域进行重构以隔离非结构网格,对扫掠面子域边界外、内的网格区域先后进行扫掠生成最终六面体网格.实例表明,该方法稳定、可靠,可以处理复杂的2.5维实体六面体网格生成问题.     

无界问题自然边界元与有限元的迭代耦合

根据区域分解算法的思想,研究了自然边界元与有限元耦合法的D-N迭代原理,并编写了耦合法计算程序,求解了带方孔的无界平面弹性问题。算例计算结果表明：当计算半径R取为孔洞尺寸的1.2倍,耦合法网格划分时取144个节点即可较好的逼近收敛值,而相同收敛效果有限元网格划分时需取272个节点。并且,在迭代过程中,松弛因子的选取对迭代收敛速度的影响很大,当松弛因子取0.2时,迭代收敛速度最快。     

跨音速三维操纵面嗡鸣数值方法研究

在非结构化动态网格耦合欧拉方程求解跨音速非定常流场的基础上,考虑了翼面-操纵面系统的缝隙间网格运动问题。采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程。通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程。数值分析研究了NA SA三维操纵面嗡鸣标模算例——全翼展操纵面NA SP(N ationalA eroSpace P lane)基本型机翼-操纵面嗡鸣现象,并和风洞实验结果进行了对比,取得了一致的结果,说明了该方法的正确性。