实用程序设计讲座(四)

第四讲.结构优化技术最优化技术是一个较新的科学分支,顾名思义,它所研究的问题是在众多的方案中,讨论什么样的方案最优和如何找出这个最优的方案。在日常生活和工程技术中这类优化问题是经常碰到的。例如,一座建筑物或在一个结构件,在保证满足主要技术要求的条件下,可以有多种设计方案,投资则会有很大的区别,对于大坝观测曲线的拟合,也有一个最优拟合曲线,这些问题,一般结构有很多种可供选择的方案,甚至有无数个方案。对这些方案要作出恰当的选择,首先要确定一个鉴别优劣的标准,然后在这个标准的衡量下、在技术条件允许     

分子动力学模拟单晶纳米铝丝的拉伸破坏

采用原子镶嵌势函数模拟单晶纳米铝丝在受单向拉伸时的变形破坏过程,分析了纳米铝丝的力学性能及微缺陷形成与演化过程。模拟表明纳米金属丝在无外载荷状态存在本征应力,原子缺陷从自由表面开始向内部扩展。自由表面发射位错,位错的移动消耗能量导致了纳米丝的塑性,自由表面原子的不稳定运动降低了纳米丝的强度。模拟得到单晶铝纳米丝的弹性模量和断裂强度,证明纳米丝的破坏从能量平衡角度符合Griffith断裂理论。     

三类镍单晶纳米材料的力学行为与性能

基于镶嵌原子势采用分子动力学方法研究了纳米镍单晶一维纳米丝、二维纳米薄膜和三维纳米固体的拉伸变形破坏过程和力学行为与性能,分析了3类典型纳米金属材料的本征应力、初始能量状态和变形机制以及破坏过程中的能量和应力变化,讨论了自由表面对纳米金属材料力学行为和性能的影响。模拟得到镍单晶纳米丝、薄膜和三维固体的弹性模量分别为145.45、186.6和122.03 GPa;断裂强度分别为22.293、21.08和19.98GPa;纳米丝和固体的破坏中出现短暂屈服,屈服强度分别为14.451和13.67 GPa,纳米薄膜的断裂无屈服。     

单晶镍纳米薄膜单向拉伸破坏的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了单晶镍纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程, 得出纳米尺度单晶镍薄膜的应力-应变关系、能量演化曲线和镍薄膜构型的变化及微损伤的形成和扩展过程. 模拟采用原子镶嵌势描述原子间作用, 得到镍单晶薄膜的弹性模量, 分析了拉伸过程中系统原子能量、应力变化和外荷载的关系. 结果表明: 纳米薄膜的自由表面影响拉伸过程中原子的运动和薄膜整体力学性能, 纳米薄膜破坏的几何特征是原子空位的连接和晶胞缺陷的扩展; 单晶的断裂接近脆性断裂, 模拟得到纳米薄膜的断裂强度符合Griffith脆性断裂的能量平衡理论.     

内压作用下压力容器封头局部屈曲分析

采用有限元法分析了蝶形封头压力容器在内压作用下封头过渡区局部塑性屈曲问题。通过在内压作用下周向呈受压状态的局部区域引入以静力位移为基础的初始几何缺陷,采用由位移控制的RIKS算法计算跟踪载荷—变形情况,从而分析屈曲载荷和屈曲形态。计算分析了初始缺陷的幅值对所求得的屈曲载荷的影响,结果表明对于所提出的问题,屈曲载荷对初始几何缺陷比较敏感。在屈曲发生后随着加载过程的继续,在过渡区内屈曲区将逐渐增加,即逐渐出现多处皱褶。同时分析了设置多个分布缺陷的情况,与仅有一个缺陷的情况相比,结果显示当缺陷密度不是很密时,从加载初期到初始屈曲发生后的一定范围内,屈曲发生处的变形状态在两种情况下几乎一致,表明初始屈曲非常局部化。     

钢箱-混凝土梁动力学非线性模拟仿真

为考察一种新型钢箱—混凝土结构进行非线性动力学分析。采用了有限元仿真模拟,在建模中考虑了混凝土材料非线性问题,计算方法采用Houbolt法直接积分。初步分析表明,新型钢箱—混凝土结构在同等条件性能优于普通钢筋混凝土结构,但必须避开结构的前两阶固有频率的10%左右才能保证结构的安全性。     

钢箱-混凝土组合梁承载能力的仿真模拟

对钢箱-混凝土组合梁的力学性能进行了有限元数值仿真模拟。计算结果表明,钢箱 -混凝土组合梁经合理设计能充分发挥钢和混凝土各自的力学性能优势,使其在受载时挠度减少约 1 /3,极大地提高梁的承载力,有较高的工程应用价值。     

高速宽叶风机叶片破坏的机理分析

在研制新型风机的中间试验过程中,当转速达到一定值时,宽叶片风机出现了叶片的失稳破坏,这种破坏形式还未曾见过报导,可能还只是首次发生。本文分析了破坏的机理,并提出了三种改进方案,使叶片的失稳破坏转速有较大提高;其中一种工艺方案比原制造工艺更为简单,且完全不影响风机的气动性能和效率。已被风机制造厂采纳,并通过了试验。     

氧气炼钢转炉托圈的优化设计

本文采用序列无约束优化技术(SUMT),对纯氧顶吹炼钢转炉的托圈进行优化设计。目标函数取为托圈的重量,截面尺寸(宽度、壁厚)取作设计变量,满足界限约束和应力约束。在无约束优化中,分别采用性态模型法和共轭方向法进行计算,并对这两个方法作了比较。计算结果表明:性态模型法所需的结构重分析次数比共轭方向法要少70%左右。在本文假设的荷载作用下,优化结果使托圈重量比原设计减少42%。     

高维动力系统在转子稳定性分析中的应用

研究了高维周期性变系数动力系统在转子稳定性分析中的应用，针对转子在有限元离散后产生的周期性高维动力系统，提出了一种新的稳定性分析方法.利用Floquet Lyapunov理论，通过求解Floquet乘子矩阵对数的方法，将周期性高维动力系统转换成等效的常系数动力系统.通过求解该等效系统的Lyapunov方程，判定原系统的稳定性.该方法避开了求解Floquet乘子矩阵全部特征值或最大特征值的难点，可用于分析实际工程中多转盘高速转子的稳定性.