基于部分参数显式化格式的缩减基快速计算方法及应用

提出了基于部分参数显式化格式的缩减基快速计算方法,实现了大规模结构的快速计算。该方法通过计算结构的不同总成设计参数对结构刚度的敏感度,并依此将结构划分成敏感和非敏感两类总成,然后将敏感总成设计参数部分显式化,而非敏感总成使用初始设计参数进行叠加。按照一定采样方式构建减基空间,再利用减基空间对原系统进行减缩实现快速计算。通过数值算例验证,此方法并不影响结构响应的计算精度,同时还可以提高计算效率、节省计算机内存空间。     

基于分级自适应技术车身结构多参数大规模问题快速计算方法研究

提出一种基于分级自适应技术的车身结构多参数大规模问题快速计算方法。该方法可以在保证数值稳定性的基础上得到较高的计算精度;在单元水平上对结构的刚度矩阵进行参数化分解,得到显式表达的参数化有限元格式;将该有限元格式通过事先构造的近似子空间进行缩减,得到快速计算模型。通过对比贪婪算法和直接正交法在构造近似子空间上的数值计算特性,提出分级自适应子空间构造技术。该计算方法是减基法在结构分析领域的扩展,可以大幅度提高多参数条件下大规模问题反复计算的效率。     

基于减基法的有阻尼结构谐响应快速分析方法

通过减基法研究了有阻尼线弹性结构的谐响应。首先,把特定的载荷频率范围离散成有限点,并通过对数采样法进行预采样。然后,引入贪婪算法对样本进行自适应训练,得到一组向量,用施密特正交化方法进行正交归一化,构造一个最优减基空间,通过伽辽金映射把原运动方程中的矩阵映射到其中,得到一个减缩系统。最后,将原问题的减缩解映射回原空间,在保证了效率和精度的前提下得到了原系统的近似解。算例表明,减基法有效提高了有阻尼结构谐响应分析的效率。     

动力响应问题的摄动Riccati传递矩阵方法

基于Riccati传递矩阵法,给出了一维不确定参数结构系统动力学响应问题的二阶摄动计算方法。该方法在用于一维结构系统动力响应问题的摄动分析时,不需要按振型展开,避免了基于有限元的矩阵摄动方法所带来的模态截断误差问题,提高了分析结果的精度。以多跨转子——轴承系统为模型,导出了动力响应问题摄动R iccati传递矩阵法的具体计算公式,并编制了相应的计算分析程序。算例对弹性支承的等截面梁的动力响应问题进行了摄动分析,摄动计算结果和精确计算结果吻合良好。     

基于减基法的结构快速设计方法及其应用研究

针对基于有限元方法的结构优化设计计算效率较低的问题,将减基法与有限元方法结合,对结构进行快速计算,从而实现结构的快速设计。以某型赛车车身结构设计为研究对象,主要考虑减基法在静力学和模态动力学中与有限元的混合数值方法,在保证精度的前提下,提高单次静力学和动力学的计算速度。该方法通过构建合理的解空间,将原设计空间缩减为较精简的设计空间,从而提高计算效率。在该空间基础上,以轻量化为目标,对该赛车车身结构进行设计。结果表明,在典型工况下该方法能够在节约计算成本的同时取得较好的优化效果。     

一种基于Galerkin映射减基法的结构参数反求方法

针对结构特性参数识别问题,提出了一种基于Galerkin映射减基法的参数反求方法。采用该方法对结构进行有限元建模,在观测点位置通过对向量子空间的夹角进行评判,构造出非奇异的观测点基矩阵及相应的整体基矩阵。通过使向量离散L2范数最小化途径构建结构参数的减基识别模型,进而利用信赖域优化技术求解得出问题的结构参数。算例表明,该方法在反求精度和总体计算效率方面优于传统方法。     

基于能量变分形式的频响系统的设计灵敏度分析

复杂结构系统的设计灵敏度分析及其优化是工程结构设计中的重要问题之一。利用连续介质动力学理论，得到基于能量变分法的设计灵敏度方程。以浮筏隔振系统为对象，计算动态频率响应对筏体厚度的灵敏度系数。首先采用有限元分析程序计算得到初始结构和伴随结构的动态响应，然后在后处理过程中，通过数值积分得到对结构位移的设计灵敏度。计算结果表明相对于中心差分法，用伴随变量法计算精度高，且克服了传统方法中需要计算质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵偏导的缺点。     

数控机床主轴系统热模型参数多目标修正方法

为使数控机床主轴系统热模型更为准确,混合响应面模型和多目标遗传算法,提出一种多参数、多目标热模型修正方法。该修正方法根据热平衡试验所获得的数控机床主轴系统热态特性(温升、热变形等)数据,采用中心复合设计的试验设计方法,在设计空间抽取样本点进行数值模拟,建立了由多个有限元热模型设计参数所决定的主轴系统热态特性的二阶响应面模型,利用多目标遗传算法对响应面模型进行循环逼近优化,取得Pareto最优解集,提高原有限元热模型的准确度。最后,以某精密数控双磨头磨床主轴系统为例进行分析,结合热平衡试验的温升和热变形数据,并以此为目标对其有限元热模型的4个主要参数(1个热流密度,3个换热系数)进行了修正研究。结果表明:提出的基于近似模型的多参数、多目标修正方法,适用于机床主轴系统等复杂结构的模型修正,可以有效地利用试验数据,通过有限次的数值模拟计算获得需修正参数的最优解,减少了模型分析的计算误差,使得修正后的模型结果更为接近实际。     

基于响应面方法的多喷嘴引射器有限元模型修正

针对某多喷嘴引射器在脉动载荷作用下的动力学响应预测问题,对其有限元模型进行了修正,减少了材料属性、边界条件等对计算结果的影响。首先开展了引射器有限元模态分析,获得了初始模态分析频率;采用了多点激励多点响应锤击法进行了模态试验,获取了试验模态频率;基于有限元模型进行了误差分析,确定了材料密度、弹性模量、质量点质量等修正参数,通过中心复合设计方法确定了样本空间,构建了多目标响应面并对待修正参数进行了约束优化,得到了修正参数的最优解;最后,使用修正后的参数进行了有限元分析,获得了修正后的模态分析频率,并通过动力响应计算进行了模型确认。研究结果表明:修正后模态分析频率与模态试验频率(前三阶)误差均值由修正前的8.01%减小到2.81%,该修正方法能够显著提高有限元模态分析精度。     

基于响应面法的桁架结构优化设计

基于数学分析的结构优化设计方法是建立在数学优化算法、结构分析和计算机技术上的优化设计方法。文章采用响应面法(RSM)对桁架结构进行优化,以有限元软件ANSYS为计算平台,以最小质量为目标、最大变形为约束,通过试验设计软件Design-expert建立了挠度与结构质量的函数表达式,求得最优解,并对结果进行了有限元分析与验证。针对同一问题,又采用ANSYS自带的优化程序,采用一阶优化方法,同样得到了优化解。对两种优化方法取得的结果进行比较,表明了响应面法在桁架结构优化问题中有很好的应用价值。     

移动副驱动的Delta机构工作空间分析及机构优化研究

针对在给定的设计要求下,确定移动副驱动的Delta机构的最优结构参数的问题,对该机构的约束方程、位置正解反解、工作空间、机构的雅克比矩阵等方面进行了研究。在机构的结构分析的基础上,采用了解析法和搜索法对工作空间进行了研究,并取工作空间的内切圆柱体作为设计空间,推导出了工作空间的度量参数与结构参数的关系。然后通过支链矢量图推导出了该机构的雅克比矩阵,获得了该矩阵的条件数的分布情况,并通过取条件数在工作空间的积分来评价机构的操作性能。最后在给定设计要求下,通过进行机构优化确定了最优的结构参数。研究结果表明,可利用工作空间度量参数和雅克比矩阵的条件数积分进行机构优化以满足对该机构工作空间和操作性能的设计要求。     

动力响应问题的一阶摄动传递矩阵法

基于Riccati传递矩阵法，给出了一维不确定参数结构系统动力响应问题的一阶摄动计算方法。该方法在用于求解一维结构系统动力响应问题时，不需要按振型展开，因此，可以避免基于有限元法的矩阵摄动所带来的模态截断误差问题，从而提高分析结果的精度。算例对简支梁和锅炉给水泵转子的动力响应问题进行了一阶摄动分析；当ε较小时，一阶摄动计算结果和精确计算结果吻合良好。     

基于支持向量机的桥式起重机金属结构非概率可靠性分析

基于集合理论凸方法中的凸模型方法,对桥式起重机金属结构系统存在的不确定性,推导出其非概率可靠性指标。对DQ28.5m_75t_A6桥式起重机金属结构系统进行了有限元强度分析,获得了结构危险点的应力响应。通过试验设计方法获取结构危险点的应力与不确定参数的样本,并利用支持向量机技术得到了应力响应关于不确定系统参数的显式表达式,进而计算出此结构的非概率可靠度。结果表明:该方法成功的解决了金属结构的非概率可靠性分析问题。     

GTF减速器柔性传动轴的响应面设计

对GTF减速器的传动轴进行了响应面设计并最终确定了其最优几何参数。首先,使用Python语言在Abaqus平台上开发了柔性轴有限元模型的参数化计算程序。该程序能够自动实现有限元分析的全过程,从而提高了计算效率。其次,采用优化的拉丁超立方抽样方法在设计空间内得到60个采样点,调用参数化程序求得了所有采样点对应的传动轴上最大Von Mises应力值,并以该应力为目标函数建立了响应面优化模型。最后,将最优解反代入有限元模型中再次求解,所得结果验证了该响应面模型的正确性。同理,给出了以刚度为目标函数的响应面模型及其最优解。两种响应面设计方案为工程应用提供了理论依据。     

超声电机定子振动分析的模态选择方法

在超声电机定子振动模态有限元分析的基础上,对结构模态截断,仅保留特定的模态,实现了模型降阶。用APDL实现了从有限元分析结果中自动提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数。仿真计算了定子的机械和电学响应,与实验数据对比表明,减缩的低阶运动模型保持了原系统的主要特性。     

信息融合与响应面联合的渡槽结构模型修正

针对大型渡槽损伤诊断研究中有限元模型精度问题,提出一种基于信息融合与响应面法(response surface method,简称RSM)的有限元模型修正方法,能够兼顾优化目标和参数优化两个环节。以某灌区渡槽为研究对象,建立初始有限元模型,采用试验设计方法构建待修正参数与特征频率的设计空间,经过参数筛选后建立设计样本的响应面模型;引入自适应噪声的完整集成经验模态分解和奇异值分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise-singular value decompose,简称CEEMDAN-SVD)降噪方法联合方差贡献率数据级融合算法,对正常运行工况下覆盖三跨槽身振测信号进行多通道融合处理以获取完整有效的实测频率,并以此为目标值对响应面模型进行最优化求解,实现多跨渡槽有限元模型的参数优化。结果表明,修正后的有限元模型计算出的频率与实测频率吻合较好,最大误差为-4.38%,有效解决了大型渡槽结构有限元模型的精度问题,为后续结构损伤诊断等仿真研究提供基准模型。     

应用有限元技术进行气动与结构联动设计的方法研究——基于ANSYS的某导弹弹翼柔度系数矩阵计算

采用有限元技术,应用ANSYS仿真软件分析复合材料结构弹翼在单位载荷矩阵作用下的结构响应,通过建立计算模型,施加边界条件及多步载荷并进行求解,得到复材弹翼结构的位移情况,提取计算模型的节点位移值形成弹翼的柔度系数矩阵,该种计算方法能够充分考虑到复合材料结构特性为气动吹风试验设计与气动外形研究提供可靠的结构数据。实现了气动与结构的联动设计同步更新。     

一种新型大工作空间和解耦的微操作平台设计

为了实现空间微操作平台的大工作空间和解耦性,提出一种由差动式杠杆放大机构和导向机构组成的PPs运动支链,3个支链空间正交布置形成3维平动的3-PPs平台,并提出了一种能表征平台工作空间和解耦性的性能指标,采用响应面法对该性能进行优化。首先,采用有限元软件ANSYS建立参数化有限元模型,基于该模型得到平台的各性能指标值;然后,采用Plackett-Burman试验设计方法筛选对平台性能指标有较大影响的结构参数作为优化设计变量。采用中心组合设计方法选取试验样本点,计算各样本点对应的响应值,基于样本点建立反映各性能指标的响应面模型。反映响应面模型精度的评价指标R~2均接近于1,说明所建响应面模型能准确反映平台性能指标与参数之间的关系。最后,以平台解耦性能与工作空间为优化目标,强度为约束,建立其多目标优化模型,采用多目标遗传算法对其进行全局寻优得到Pareto解集。由Pareto解集可知,平台的解耦性与工作空间相互矛盾,权衡两个指标从Pareto解集中选取最优解。比较分析优化前与优化后的性能指标可知,平台解耦性指标减小了35.7%,工作空间增大了6.1%,说明所提出的性能指标和优化模型能满足空间微操作平台的设计要求。     

应用有限元技术进行气动与结构联动设计的方法研究——基于ANSYS的某导弹弹翼柔度系数矩阵计算

采用有限元技术,应用ANSYS仿真软件分析复合材料结构弹翼在单位裁荷矩阵作用下的结构响应,通过建立计算模型,施加边界条件及多步载荷并进行求解,得到复材弹翼结构的位移情况,提取计算模型的节点位移值形成弹翼的柔度系数矩阵,该种计算方法能够充分考虑到复合材料结构特性为气动吹风试验设计与气动外形研究提供可靠的结构数据.实现了气动与结构的联动设计同步更新.     

飞机结构载荷测量虚拟电桥应变计算方法

在应变法飞机结构载荷测量中,应变电桥在飞机结构上的布置方式是载荷准确测量的关键影响因素,但随新结构及新材料在飞机设计制造中的应用,采用飞行器结构力学方法对受载结构定性分析以确定应变电桥布置方案的方法难以满足载荷高效精准测量的要求。针对该问题,基于空间应变理论及有限元仿真方法提出了虚拟电桥应变计算方法,在飞机结构有限元模型上构建虚拟电桥,通过虚拟电桥应变响应对其进行受载响应特性评估,以保证真实条件下以该方式布置的电桥可准确反映待测载荷。采用该方法对某起落架结构载荷测量电桥进行计算,与试验结果对比表明,该方法计算结果准确,可为应变改装提供有效量化依据,提升载荷测量精度及效率。