悬臂薄壁短圆柱壳的高阶模态特性研究

采用传递矩阵方法研究了悬臂薄壁短圆柱壳的高阶模态振动特性。首先基于Love薄壳理论建立了薄壁短圆柱壳的动力学模型,根据壳体截面上的状态向量,利用传递矩阵方法推导了1阶状态微分方程组,然后采用高精度的精细积分方法进行求解,计算得到了高阶固有频率,绘制了三维模态振型,最后通过有限元法进行了比较。结果表明,通过传递矩阵方法可以对悬臂薄壁短圆柱壳的高阶固有频率进行精确求解,得到的三维模态振型与有限元结果具有较好的一致性。     

不同体积分数的SiCp/Al复合材料回转体薄壁件模态分析

运用ANSYS软件对不同体积分数的SiCp/Al复合材料薄壁圆柱壳进行模态分析,得出了工件前20阶固有频率及各阶振型,研究了不同体积分数对工件固有频率的影响。结果表明:SiCp/Al复合材料薄壁圆柱壳各阶固有频率均较高,随着SiC体积分数的增加,各阶固有频率总体呈上升趋势,1阶和3阶固有频率随着体积分数的增加上升的趋势不太明显。该分析结果可为SiCp/Al复合材料薄壁圆柱壳零件的结构设计及切削参数的选择提供理论依据。     

复合材料薄壁圆柱壳热振动特性分析

采用有限元软件ANSYS参数设计语言（APDL）实现复合材料薄壁圆柱壳结构在线性分布温度场作用下的非线性热振动特性分析。计算不同约束条件、不同铺层方式和铺层层数的复合材料薄壁圆柱壳在线性温度场作用下的各阶固有频率，分析边界约束、铺层角度及铺层层数对结构热振动频率的影响。结果表明，温度效应、边界约束、铺层层数显著影响结构的固有频率，适当的铺层角度会改变结构的固有频率，不同的铺层方式对结构固有频率影响程度不同。这些结论将对复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。     

复合材料层合薄壁短圆柱壳动力学相似模型几何适用区间确定方法

针对旋转复合材料层合薄壁短圆柱壳结构的相似试验模型设计问题,提出一种不完全几何相似(畸变)模型的几何尺寸区间确定方法。用动力学平衡方程分析与敏感性分析相结合,建立层合薄壁短圆柱壳模型与原型间的相似关系,通过对导出的三种固有特性相似关系进行修正,得到层合圆柱壳动力学相似关系。以一种常用复合材料层合薄壁短圆柱壳为例,在深入研究使模型与原型在固有特性相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时,畸变模型的几何尺寸适用区间确定方法的基础上,利用数值分析方法,最终得到复合材料层合薄壁短圆柱壳模型和原型在不同阶次下,固有特性相似的畸变模型几何结构适用区间及其边界函数的确定方法。该研究结果为旋转层合薄壁短圆柱壳的动力学相似模型设计问题奠定了理论基础。     

不同边界条件下旋转薄壁短圆柱壳的强迫振动响应计算

为计算不同边界条件下旋转薄壁短圆柱壳的强迫振动响应特性,在总结前人所提出的两端简支边界条件下旋转有限长圆柱壳自由振动和谐波激励响应计算方法基础上,基于梁函数法,在位移函数的轴向引入含有不同边界条件特征的模态函数,从而得以求解。基于Love壳体理论,利用Harnilton原理建立了旋转薄壁短圆柱壳的振动微分方程,并利用Galerkin法进行离散简化为常微分方程。以简谐激励为例给出了一种以广义坐标形式表示的响应求解方法,由此求解出不同边界约束的旋转薄壁短圆柱壳的响应问题。通过试验对所提出响应计算方法的正确性进行了验证。     

篦齿对旋转态薄壁圆柱壳行波特性的影响研究

采用传递矩阵法研究了篦齿结构对旋转态薄壁圆柱壳行波特性的影响。在悬臂边界条件下,首先基于Love壳体理论,建立了带篦齿旋转态薄壁圆柱壳的动力学方程,通过传递矩阵法和高精度的精细积分法对行波特性进行了求解,得到了随转速变化的前后行波频率,讨论了篦齿布置形式、篦齿高度和篦齿道数对悬臂薄壁圆柱壳行波特性的影响规律。结果表明,传递矩阵法适合于求解带篦齿悬臂薄壁圆柱壳的行波振动特性,篦齿布置形式、篦齿高度和篦齿道数对旋转态薄壁圆柱壳的行波特性均有较大影响。     

篦齿对悬臂薄壁圆柱壳振动响应的影响研究

采用有限元方法和实验方法研究了篦齿结构对悬臂薄壁圆柱壳响应特性的影响。首先,在悬臂边界条件下,通过有限元法建立了带周向篦齿结构的三维薄壁圆柱壳模型,采用谐响应分析中的模态叠加法对受到单点谐波激振力时的响应行为进行了求解,得到了受迫响应的幅频特性曲线和悬臂端周向节点的响应特征,并通过试验测试对结果进行了验证,最后比较了带有不同的篦齿布置形式、篦齿高度和篦齿道数时薄壁圆柱壳构件的响应特性。分析结果表明,通过有限元方法和试验测试得到的悬臂薄壁圆柱壳的响应特征一致,在共振激励时的响应行为与圆柱壳结构的模态相关,由于悬臂边界条件和篦齿对整体结构刚度的作用,篦齿结构的布置形式、高度和道数对薄壁圆柱壳构件的响应特性均有较大影响。     

薄壁圆柱壳振动应力间接测量方法研究

为了进一步了解薄壁圆柱壳的振动特性,提出了一种间接测试薄壁圆柱壳振动应力的方法。首先利用谐响应分析方法计算获得了结构在不同基础激励幅度下的振动应力和响应;然后通过最小二乘法得到"振动应力-响应"关系曲线,建立了两者的数值表达式,明确了间接测试其振动应力的理论基础。最后通过实例对此方法进行了验证,结果表明此间接测试方法具有较好的测试精度。提出了薄壁圆柱壳振动应力间接测量的方法及流程,并对其中的关键环节,如Rayleigh阻尼的确定以及基于实验数据的有限元模型的修正方法进行了详细论述,可以为薄壁圆柱壳振动应力的测试问题提供一种新思路。     

圆柱壳自由振动的有限元分析

以位移模型为基础,用有限元中的分离变量法的理论,求解了圆柱壳自由振动的固有频率,计算结果与壳体解析解相一致。本方法具有节省内存,减少计算工作量的优点,是利用微机解决复杂结构计算的有效途径。     

基于初始缺陷敏感性的轴压薄壁圆柱壳屈曲分析研究进展

屈曲是轴压薄壁圆柱壳结构最主要的失效模式之一。围绕轴压下薄壁圆柱壳结构的承载能力对初始缺陷具有高度敏感性这一问题,系统回顾半个多世纪以来国内外学者在考虑初始缺陷对轴压薄壁圆柱壳屈曲临界载荷影响方面所做的理论、试验以及数值模拟等工作。研究表明,目前已形成了两类等效考虑初始缺陷影响的方法,即：基于数值模拟的确定性分析方法和基于概率统计的不确定性分析方法。其中,前者主要针对初始几何缺陷,而后者则还包括非传统初始缺陷,如材料、厚度及加载缺陷等。两类方法在开展轴压薄壁圆柱壳屈曲载荷预测和设计方面各具特点和优势,相较于试验结果,多点扰动载荷法和单边界扰动法的预测精度最高,两者均能达到90%以上的预测精度且同时具有一定的安全裕度。最后展望未来基于初始缺陷敏感性的轴压薄壁圆柱壳屈曲研究方向和亟待开展的研究工作,为相关研究的开展提供了一定的参考和指导。     

薄壁液压管道声振耦合分析

薄壁液压管道中,由于液体中声场和管道结构中振动波场的相互耦合作用而使得液体中的声能量通过管道损失。为了分析圆柱形液压管中的这种能量损失机理,本文基于阻抗导纳法研究液压管的声振耦合现象。从声波波动方程和圆柱壳的结构动力学方程出发推导了薄壁液压管的声振耦合方程。推导圆柱壳结构动力学方程时考虑了横截面的变形,这一点不同于以往的液压管的研究。为了验证推导的基于阻抗导纳法的声振耦合控制方程,用有限元方法和推导的阻抗导纳法模型分别计算了充满液体的圆柱壳的声振耦合响应,结果吻合较好,证明了推导的方法的合理性。     

含初始几何缺陷薄壁圆柱壳屈曲载荷的数值模拟方法研究

对3个薄壁圆柱壳试件进行了轴压屈曲试验,得到了屈曲临界载荷值和屈曲变形。基于试验结果,比较了弧长法、非线性稳定算法和显式动力算法3种有限元数值模拟方法的差异,其中非线性稳定算法的模拟结果与试验结果吻合最好,该方法可以比较准确地计算轴压屈曲临界载荷,误差在6.0%以内,且屈曲变形与试验吻合得较好。试验表明,初始几何缺陷的存在大幅降低了薄壁圆柱壳的屈曲临界载荷,试验值仅为理论值的42%左右。     

横向冲击载荷下的车身薄壁梁结构截面内力特性仿真分析方法

薄壁梁结构内力变化是车身结构碰撞分析中的重要特性。以几种常见的圆柱碰撞工况为例,应用一种基于壳单元有限元模型的薄壁梁结构截面内力特性计算方法,分析了横向冲击载荷下的结构内力响应特性。分析内容包括薄壁梁结构的截面内力和内力矩的变化、内力功率和能量传递特性等。研究表明,圆柱冲击结构和结构冲击圆柱两种基本碰撞类型的能量传递方式分别是扩散型和汇聚型,结构形式与载荷工况共同决定了主要承载方式和能量传递的主要途径。结构内力特性仿真分析揭示了薄壁梁结构碰撞响应的力学本质特征———载荷与能量变化特性,为车身结构设计分析提供了重要方法。     

基于子模型法的大型薄壁结构有限元分析

对于大型薄壁结构的有限元计算,一般采用壳单元。但是大量的实例和标准表明,对于结构交叉部位的应力计算精度较低。为对比计算结果,利用Solid186单元和Shell93单元分别建立旋风轴流器实体和壳有限元模型。由计算结果可知,实体和壳单元在喇叭筒体处的最大应力分别为52.3 MPa和47.3 MPa,其应力误差超过10%,而其他部位的应力误差都在5%以内。为提高计算精度,采用壳到实体子模型技术,与实体模型相比,子模型相应部位应力为53.8 MPa,其应力误差在3%以内。所以,对于分析大型薄壁结构,壳到实体子模型技术能够有效解壳单元计算的准确性,提高计算精度,并能节省计算资源和计算时间。     

考虑翘曲影响的Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合振动

通过直接求解均匀薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动偏微分方程，推导其自由振动时的精确动态传递矩阵。采用考虑翘曲影响的Bernoulli-Euler梁理论，且假定薄壁梁单元的横截面是单对称的。动态传递矩阵可以用于计算薄壁梁集合体的精确固有频率和模态形状。针对两个薄壁梁算例，采用自动Muller法和结合频率扫描法的二分法求解频率特征方程，并讨论翘曲刚度对弯扭耦合：Bernoulli-Euler薄壁梁固有频率的影响。数值结果验证了本文方法的精确性和有效性，并指出翘曲刚度可以显著改变薄壁开口截面梁的固有频率。     

加肋圆柱壳参数化建模与稳定性分析

加肋圆柱壳是鱼雷以及水下航行器较常采用耐压壳体形式。壳体除需满足一定的强度要求外,稳定性也是十分重要的一个方面。本文采用参数化建模的方法,利用ANSYS中的梁、壳单元,使用组合建模的方法进行加肋圆柱壳的建模,在保证足够精度的同时简化了建模减小了计算量。使用APDL语言编制了加肋圆柱壳的非线性屈曲分析程序,对稳定性进行了分析,并与理论计算的结果进行了比较。结果显示此方法具有较高的精度,具有实际应用价值。     

带肋各向异性薄壁耐压壳体的有限元仿真和试验验证

随着复合材料工艺的日益成熟,复合材料在工程领域的应用越来越广泛,薄壁耐压壳体开始大量采用复合材料制作。复合材料的力学特性不同于传统的金属材料,具有各向异性,采用传统的计算方法很难实现对复合材料的结构进行力学特性分析。基于ANSYS的有限元法能很好的模拟复合材料的结构形式,准确地对复合材料的结构进行有限元仿真计算。以两个缩比的带肋各向异性薄壁耐压壳体为模型,通过ANSYS有限元软件计算和试验验证,对比ANSYS有限元软件计算结果和试验结果。     

薄壁圆柱壳楔环连接结构优化设计

文中针对薄壁圆柱壳楔环连接结构,开展了基于参数化模型和有限元法的楔环连接结构优化研究,建立了以楔环连接结构的主要几何参数为设计变量、楔环连接结构的附加面积为目标函数的优化模型,采用组合优化策略进行了优化分析。数值算例的结果表明:在组合优化策略的控制下,通过调整设计变量,合理地提升结构应力水平,获得满足尺寸要求、结构承载力要求和附加面积最小的设计方案,使材料性能得到更有效的利用。文中的研究工作为薄壁圆柱壳楔环连接结构设计提供了理论基础,有助于楔环连接结构的设计应用。     

薄壁结构数值计算中的壳单元标定技术

机身等薄壁结构冲击、坠撞的数值仿真中大量地采用壳单元进行计算,壳单元是一类高效的计算单元,在大型有限元数值模拟中,选择壳单元计算,可适度减少问题的分析规模,节约计算资源。针对壳单元计算中的网格尺度效应,本文提出了壳单元标定技术、介绍了该技术的实现过程,并通过数值算例验证了壳单元标定技术的有效性和可靠性。壳单元标定技术的实现为提高薄壁结构数值计算效率提供了有益的参考,为解决工程应用中有限元数值仿真的计算效率与精度的矛盾提出新的思路和方法。     

评定含局部减薄缺陷圆柱壳的新公式及其应用

应用实验数据,选用能自动识别区域的简单函数,分区域拟合含缺陷圆柱壳的鼓胀系数M1,建立了计算含矩形缺陷圆柱壳剩余强度系数(RSF)的新公式,其计算精度高于或相当于API 579 1级评定和BS 7910中相应的计算公式；采用鼓胀系数M1,给出了2级评定相应的计算公式；应用20段评定法分别建立了轴向含三角形、椭圆形和圆弧形凹坑圆柱壳的剩余强度系数计算公式,计算了含三角形和椭圆形凹坑圆柱壳的RSF1值,并用表格列出了能直接用于工程评定的RSF1值.