周期性格栅加筋结构的拓扑优化设计

应用拓扑优化技术研究了蒙皮厚度、加筋高度以及周期性格栅数对格栅加筋结构优化性能的影响。首先分析了不同蒙皮厚度和加筋高度组合下格栅优化构型的变化趋势,发现不同材料用量下具有最佳结构效率的优化结构拥有相同格栅构型。其次比较了周期性格栅数对单层和双层格栅加筋结构优化结果的影响,结果表明随着周期性格栅数的增加,结构优化性能逐渐趋于一个极限值,单刚度目标下周期性格栅数的奇偶性显著影响格栅优化构型,而刚度和频率多目标下周期性格栅数大于7×7后其对格栅优化构型的影响消失。研究结果对格栅加筋结构的格栅构型设计与选择具有指导意义。     

构型参数对格栅圆柱壳侧压稳定性影响研究

基于有限元参数化建模方法,开展了受侧压格栅圆柱壳的稳定性分析。在总体积相同情况下,以正交格栅、正交各向异性格栅、等格栅圆柱壳为研究对象,分析了圆柱壳包含不同体胞数、不同体胞构型以及给定体胞数时蒙皮厚度、筋骨尺寸变化对结构临界屈曲载荷、失稳模式的影响。计算结果表明:等体积下,格栅圆柱壳存在最佳匹配的体胞构型和体胞数来最大化临界屈曲载荷;侧压圆柱壳最大临界屈曲载荷发生在局部失稳与整体失稳的过渡区。     

基于多折叠单元理论的蜂窝纸板面外压缩数值模拟

通过原纸拉伸试验获取蜂窝纸板的材料参数，建立蜂窝纸板的有限元简化模型(Y单元模型),采用有限元方法对该模型进行准静态加速压缩模拟，并与蜂窝纸板的面外准静态压缩试验结果进行对比；采用该模拟方法研究蜂窝孔边长、纸板厚度和胞壁厚度对Y单元折叠模式的影响。结果表明：Y单元模型经准静态加速压缩模拟得到的形貌与试验结果相吻合，压缩应力-应变曲线中平台应力的模拟结果与试验结果的相对误差为3.87%,验证了该模型的可靠性；不同规格的Y单元模型在压缩后共出现3种折叠模式，蜂窝孔边长和纸板厚度是影响Y单元折叠模式的2个关键因素。1/2蜂窝孔边长与一次折叠褶皱波长的比值会影响Y单元的一次折叠模式，而双层胞壁与单层胞壁的厚度差是导致多折叠模式发生的主要原因。     

大型客车紧急制动强度分析

在大量调研的基础上,结合全承载式客车的特点,建立了某款双层客车车体结构的有限元模型和这种钢板弹簧悬架客车在制动载荷时的模拟.紧急制动是客车常见的工况,利用有限元分析方法,对双层客车在紧急制动和静态弯曲工况下的车身骨架强度进行了详尽的分析比较,为了确定客车应力分布情况,同时得出了制动载荷对车体强度的影响因素.     

变壁厚双层罩形成聚能射流的数值模拟

针对等壁厚药型罩利用率低的问题,结合变壁厚与双层药型罩形成射流的优点,本文设计一种变壁厚双层药型罩结构。运用AUTODYN软件仿真分析了变壁厚双层药型罩形成射流的过程,与等壁厚双层罩形成的射流进行了对比,阐明了变壁厚双层药型罩的优势。具有变壁厚双层药型罩结构特征的药型罩可以明显提高射流头部速度与药型罩利用率;仿真分析了装药结构参数对聚能侵彻体成型的影响,获得了药型罩底部铝厚度和顶部铝厚度占总厚度的比对侵彻体成型性能的影响。     

圆管状三维编织复合材料多尺度耦合分析

在建立圆管状三维编织复合材料多尺度模型基础上,对其多尺度耦合进行数值分析。通过对微、细观单胞的分析,逐级得到纤维束的平均弹性常数和编织复合材料的平均弹性常数。然后由相反方向建立应力之间的传递,选取一种有代表性的宏观圆管结构进行载荷和应力分析,估计出结构中关键部位微、细观的应力状态,为编织复合材料的强度和损伤分析提供参考。     

蜂窝纸板冲击压缩的试验研究和有限元分析

环境湿度和几何参数对蜂窝纸板的力学性能具有重要影响。应用试验方法和有限元技术研究和分析蜂窝纸板的动态冲击压缩过程,研究不同湿度下不同厚跨比的蜂窝纸板的冲击承载能力和能量吸收能力。单层瓦楞原纸和双层蜂窝胞壁的弹性模量和屈服强度均随湿度的增加呈指数下降,纸管胶粘合后的双层蜂窝胞壁的弹性模量和屈服强度明显高于单层瓦楞原纸。试验和有限元分析均显示蜂窝纸板冲击压缩过程与金属蜂窝板冲击压溃过程类似,是一个从顶部到底部的渐进规律叠缩压溃过程。当环境湿度增加和厚跨比减少时,蜂窝纸板冲击压缩时的初始峰值应力、平台应力和吸能性能均明显下降。给出的不同环境湿度下不同厚跨比的蜂窝纸板冲击压缩能量吸收曲线对产品缓冲包装设计有重要的参考价值。     

胞元尺寸对六边形聚氨酯蜂窝结构泊松比和吸收能量的影响

采用有限元模型对热塑性聚氨酯弹性体蜂窝结构的压缩过程进行了模拟,并用试验进行验证。采用该模型研究了胞元凹角、宽度和壁厚对蜂窝结构泊松比和吸收能量的影响。结果表明:该模型能较准确地模拟蜂窝结构的压缩过程,试验和模拟峰值应力的相对误差在10%以内;凹角为负时,蜂窝结构具有负泊松比性质,其吸收能量较凹角为正的蜂窝结构的大;胞元宽度越小、壁厚越大,蜂窝结构的吸收能量越多;胞元凹角为-30°、宽度为1 mm、壁厚为1 mm时蜂窝结构的吸能效果最好;凹角大小对蜂窝结构的泊松比和吸收能量的影响最大。     

面向精密抛光的聚氨酯磨具研究及其特性分析

为了提高回转类零件轮廓曲面精度和抛光效率,提出了一种聚氨酯磨具抛光的新方法,结合层间力学性质分析,讨论双层弹性体中的力传递问题,建立表层单颗磨粒的切削力学模型,对抛光过程进行仿真分析,得到应力、应变分布规律,以及下压量对接触区应力的影响,为聚氨酯磨具抛光机理研究和工艺优化提供了理论依据和方法,通过聚氨酯磨具抛光试验,验证了聚氨酯磨具拥有较高材料去除率,同时得到较好的表面粗糙度。     

饲料冷却器格栅的有限元分析与优化设计研究

饲料冷却器是降低热饲料温度的一种换热器,格栅作为饲料冷却器中的主要结构,主要起到支撑冷却器以及排料的作用。在饲料的生产加工过程中发现,由于饲料冷却器三层格栅的变形不匹配,容易导致冷却器中的饲料发生卡料现象。通过对饲料冷却器的现场测试,获得了各层格栅的变形及平均应力分布情况。根据测试得到的数据,运用ANSYS有限元程序反推格栅各层的载荷分布规律。在此基础上,对格栅结构进行了改进设计,改善了饲料冷却器的卡料问题。     

民机地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠性能的影响研究

为了确保乘员在可生存事故中存活,民机结构必须具备适坠特性。复合材料结构坠撞后的材料破坏形式与常规的金属材料破坏有所不同,复合材料民机的适坠性设计需要对地板以下结构参数变化对复合材料机身适坠特性的影响进行深入的评估。这里对某金属材料民机典型机身结构通过刚度等代设计得到复合材料机身简化模型,利用LS-DYNA3D建立了1/4缩比动力学仿真模型,利用该模型考察了行李舱支柱位置、角度、刚度及行李舱高度变化对复合材料机身适坠性能的影响。仿真结果表明地板以下结构参数变化对复合材料机身和金属机身坠撞响应的影响是不同的,考察的参数中行李舱支柱角度、刚度是影响坠撞响应的关键因素。     

SiC_p/Al复合材料铣削残余应力的有限元分析

SiC_p/Al复合材料属于典型难加工材料,大量Si C颗粒离散分布其中,导致在铣削加工高体积分数SiC_p/Al复合材料时,加工表面容易出现应力分布不均现象,严重影响材料的稳定性。为了研究SiC_p/Al复合材料加工表面残余应力,通过ABAQUS有限元分析软件建立了SiC_p/Al复合材料三维铣削有限元模型,并分析了切削工艺参数对残余应力的影响。结果表明:切削速度对残余应力变化影响较小,每齿进给量对残余应力变化影响较大,所得结果与经验计算值吻合较好。     

Influence of strut cross-section of stents on local hemodynamics in stented arteries

Stenting is a very effective treatment for stenotic vascular diseases, but vascular geometries altered by stent implantation may lead to flow disturbances which play an important role in the initiation and progression of restenosis, especially in the near wall in stented arterial regions. So stent designs have become one of the indispensable factors needed to be considered for reducing the flow disturbances. In this paper, the structural designs of strut cross-section are considered as an aspect of stent designs to be studied in details. Six virtual stents with different strut cross-section are designed for deployments in the same ideal arterial model. Computational fluid dynamics(CFD) methods are performed to study how the shape and the aspect ratio(AR) of strut cross-section modified the local hemodynamics in the stented segments. The results indicate that stents with different strut cross-sections have different influence on the hemodynamics. Stents with streamlined cross-sectional struts for circular arc or elliptical arc can significantly enhance wall shear stress(WSS) in the stented segments, and reduce the flow disturbances around stent struts. The performances of stents with streamlined cross-sectional struts are better than that of stents with non-streamlined cross-sectional struts for rectangle. The results also show that stents with a larger AR cross-section are more conductive to improve the blood flow. The present study provides an understanding of the flow physics in the vicinity of stent struts and indicates that the shape and AR of strut cross-section ought to be considered as important factors to minimize flow disturbance in stent designs.     

Macro-architectured cellular materials: Properties,characteristic modes,and prediction methods

Macro-architectured cellular (MAC) material is defined as a class of engineered materials having configurable cells of relatively large (i.e., visible) size that can be architecturally designed to achieve various desired material properties. Two types of novel MAC materials, negative Poisson’s ratio material and biomimetic tendon reinforced material, were introduced in this study. To estimate the effective material properties for structural analyses and to optimally design such materials, a set of suitable homogenization methods was developed that provided an effective means for the multiscale modeling of MAC materials. First, a strain-based homogenization method was developed using an approach that separated the strain field into a homogenized strain field and a strain variation field in the local cellular domain superposed on the homogenized strain field. The principle of virtual displacements for the relationship between the strain variation field and the homogenized strain field was then used to condense the strain variation field onto the homogenized strain field. The new method was then extended to a stress-based homogenization process based on the principle of virtual forces and further applied to address the discrete systems represented by the beam or frame structures of the aforementioned MAC materials. The characteristic modes and the stress recovery process used to predict the stress distribution inside the cellular domain and thus determine the material strengths and failures at the local level are also discussed.     

考虑不完美维修的随机退化设备剩余寿命自适应预测方法

在现有考虑不完美维修的随机退化设备剩余寿命预测研究中,通常仅考虑维修活动对退化状态或退化速率的单一影响,仅有考虑二者双重影响的研究,忽略了退化设备的个体差异性。鉴于此,提出一种基于多阶段扩散过程的自适应剩余寿命预测方法,同时考虑不完美维修活动对设备退化状态和退化速率的影响,并利用随机游走模型描述退化速率随观测数据的更新过程以表征设备的个体差异性。基于历史退化数据,利用极大似然估计法得到退化模型参数的初值;基于状态观测数据,利用卡尔曼滤波算法和期望最大化算法自适应的更新模型参数。利用卷积算子和蒙特卡洛方法推导得到了首达时间意义下设备剩余寿命的概率密度函数。最后,通过仿真算例和陀螺仪的实例研究验证了所提方法的有效性和优越性。     

ANALYSIS OF THERMAL-ELASTIC STRESS OF WHEEL-RAIL IN ROLLING-SLIDING CONTACT

A coupling thermo-mechanical model of wheel/rail in rolling-sliding contact is put forward using finite element method. The normal contact pressure is idealized as the Hertzian distribution, and the tangential force presented by Carter is used. In order to obtain thermal-elastic stress, the ther-mal-elastic plane stress problem is transformed to an elastic plane stress problem with equivalent fictitious thermal body force and fictitious boundary distributed force. The temperature rise and ther-mal-elastic stress of wheel and rail in rolling-sliding are analyzed. The non-steady state heat transfer between the contact surfaces of wheel and rail, heat-convection and radiation between the wheel/rail and the ambient are taken into consideration. The influences of the wheel rolling speed and wear rate on friction temperature and thermal-elastic stress are investigated. The results show the following: ① For rolling-sliding case, the thermal stress in the thin layer near the contact patch due to the friction temperature rise is severe. The higher rolling speed leads to the lower friction temperature rise and thermal stress in the wheel; ② For sliding case, the friction temperature and thermal stress of the wheel rise quickly in the initial sliding stage, and then get into a steady state gradually. The expansion of the contact patch, due to material wear, can affect the friction temperature rise and the thermal stress during wear process. The higher wear rate generates lower stress. The results can help under-stand the influence of friction temperature and thermal-elastic stress on wheel and rail damage.     

基于协同仿真环境的腹撑支杆有限元分析

以有限元静态分析理论为基础,将Proe和ANSYS10.0协同仿真环境(AWE)结合运用,完成了从腹撑支杆三维建模到有限元分析的整个过程,得出了腹撑支杆在5种典型工况下的应力场和位移场,并对其进行了强度和刚度的校核。在此基础上,研究了腹撑支杆关键尺寸的改变对支杆应力分布和变形结果的影响,并提出了改进措施。结果表明,腹撑支杆满足设计要求。     

运载器准三维着陆动力学与极限工况缓冲性能研究

为满足垂直降落重复使用运载器多工况着陆分析时模型精度与求解效率相兼顾的需求,搭建了对称着陆模式下的准三维动力学模型,模型中考虑了运载器主体平面运动、足垫空间运动及支柱侧向载荷,同时基于集中参数法建立了油液缓冲力模型,并引入了含Stribeck效应的滑移-粘滞摩擦力及非线性接触力来构建地面作用力模型。在此基础上,开发出运载器着陆动力学分析程序,结合径向基函数代理模型与模拟退火优化方法给出了以着陆倾角、结构过载、缓冲行程、支柱载荷及反弹高度为指标的七种极限着陆工况,分析了各工况下的缓冲性能及着陆稳定性能,得到了不同冲击条件对运载器着陆动力学行为的影响规律。研究表明：在四腿同时触地时运载器过载峰值大,在2-2着陆模式下运载器姿态易倾斜,在1-2-1着陆模式下先触地支腿受载恶劣且主体易反弹。     

进口探针支杆诱发压气机转子叶片振动的流固耦合研究

针对某压气机试验中发现进口探针支杆的引入导致下游转子叶片发生振动失效的问题开展数值计算研究,采用MPCCI把Numeca和ABAQUS联合起来构建成流固耦合计算平台,数值分析了试验故障工况条件下有/无探针支杆对压气机转子叶片振动特性的影响。结果表明:无探针支杆时转子叶片振动收敛,有探针支杆时不同转子叶片的振动特征不同,至少存在一个转子叶片的振动位移及应变发散,对应于叶片振动失效。     

含多粗糙峰涂层等效应力的有限元分析

研究刚性平面与含粗糙峰涂层在二维与三维模型下的弹性接触问题,采用有限元法分析涂层弹性模量比、涂层厚度、粗糙峰间距、刚性平面压下深度对涂层粗糙峰表面、涂层/基体界面分布及基体等效应力分布的影响。计算结果表明压下深度对三维涂层粗糙峰表面最大应力的影响最大,涂层厚度、涂层/基体弹性模量比、粗糙峰间距的变化对应力值影响逐渐减小;增大涂层厚度、减小压下深度和粗糙峰间距、降低弹性模量比会使得三维接触模型最大等效应力值显著降低;增加涂层粗糙峰数和涂层厚度、同时降低涂层弹性模量有助于提高涂层/基体界面结合强度。相对于二维接触模型来说三维接触模型在粗糙峰表面的等效应力增大,造成这种变化的主要原因是由于涂层表面粗糙峰之间的等效应力叠加引起的。该研究为涂层粗糙峰及涂层/基体界面强度的应力分析提供依据。