基于有限元的五轴非正交摆头结构分析优化

基于非正交摆头结构的特点以及有限元软件,采用复杂结构简化及等效原则创建摆头结构的有限元模型,通过模型仿真计算出摆头的变形量和最大应力,找出刚度最小及应力集中的薄弱环节,并对其结构进行优化并分析验证。结果表明优化后的刚度提高及重量有很大的减轻,对整机的静态特性影响显著,实现了结构的设计优化及实际应用提供指导依据。     

基于线性互补理论的可展开索-桁架结构静力学分析

空间可展开索-桁架结构具有折展比大、重量轻、刚度高的优点,广泛应用于天线、太空望远镜、太阳翼等大型航天器关键部件中。在统一框架内进行了梁单元和索单元的刚度矩阵集成,建立了包含柔性绳索和杆件的可展开索-桁架结构刚度模型。基于线性互补理论,提出了一种反应绳索真实张紧、松弛状态的结构受力变形计算方法,得到了准确的结构受力与节点位移的映射关系。最后以剪叉机构单元和圆柱面可展开结构为例,验证了所提出方法的有效性,并分析了绳索分布对结构变形的影响。该分析方法可扩展应用于各类索-桁架结构的受力变形计算。     

光学元件挠性支撑结构广义建模及优化设计

建立了挠性支撑结构的力学模型及优化设计模型,以使光学元件挠性支撑结构同时满足元件定位的刚度要求和温度适应性的柔度要求,同时给出了相应的建模方法。考虑挠性支撑结构是由圆周对称分布的挠性单元组成的,故将挠性单元简化为超静定梁结构,应用虚功原理推导了挠性单元的径向及切向刚度。然后,假设光学元件为刚性体,根据力平衡条件及变形协调条件,推导了挠性支撑结构的整体刚度,并引入修正因子补偿了刚体假设带来的误差。最后,以挠性支撑结构总变形能为目标函数,推导了同时考虑挠性支撑结构几何构形及参数的协同优化设计模型,通过引入了整型变量将结构整体刚度简化为整型变量和离散刚度的线性组合,从而使优化模型中不含有谐波函数项。基于数值仿真和实验对结构刚度模型进行了验证,结果显示:实验、仿真和理论计算结果一致。此外,以透镜支撑为例,验证了挠性支撑结构的优化设计方法,有限元分析结果表明,透镜面形精度较初始设计提高了23%。     

超越离合器保持架定位装置设计

超越离合器是装载机传动系统中的重要部件,其质量要求近乎苛刻.以超越离合器保持架为研究对象,针对现有超越离合器保持架在正常工况下的常见失效形式,对其结构进行了改进设计,并利用有限元软件ANSYS对改进后的结构进行了相关分析验证.计算结果表明,该结构可有效减小保持架自身的变形,该改进设计不仅有利于提高保持架的工作平稳性,而且有利于提高装载机变速箱超越离合器的工作寿命与可靠性,从而为后续设计提供了有益的参考.     

考虑轴承刚度耦合性和非线性的多支撑轴系有限元分析方法

针对多支撑轴系分析的难点,提出一种考虑轴承刚度耦合性和非线性的有限元计算方法。建立一种轴承单元,考虑了轴承刚度的耦合性和非线性及轴承预紧、滚子锥角等细节因素,推导得到了轴承单元刚度矩阵的解析表达式。采用考虑了剪切变形的欧拉梁单元建立轴模型,将轴与轴承模型进行组合得到系统计算模型,并采用NR法进行求解。通过算例验证,所提出的方法能够准确地计算出给定外载荷下多支撑轴系中各轴承各方向的载荷和系统的变形,且具有较高的计算效率,适用于多支撑轴系问题的分析计算。     

一种螺栓结合部刚度四点等效方法

螺栓结合部是机床结构中应用最普遍的固定结合部之一,直接影响着机床整机性能。应用有限元软件分析机床整机结构性能时,为了保证计算精度,需要精细划分螺栓结合部网格,导致计算规模大、耗时,因此探索简单有效的机床螺栓结合部有限元模型的处理方法具有重要意义。基于实验获取结合面基础特性参数,通过解析方法得到螺栓结合部中每个单元螺栓结合部的六项刚度,然后基于刚度等效原则将每个单元螺栓结合部等效成对称分布的四个弹簧单元,给出了等效弹簧刚度及位置的计算方法,在机床整机结构有限元分析时,以等效弹簧单元代替单元螺栓结合部,直接将其等效刚度代入有限元模型求解,可大大简化有限元计算模型。实验验证该等效方法是可行的。     

金属波纹管刚度的简化有限元分析

金属波纹管广泛应用于机械密封系统,而刚度是金属波纹管设计的主要性能参数。介绍了利用ANSYS软件的Matrix27刚度单元模拟金属波纹管的方法,通过建立的简化有限元模型分析了金属波纹管的轴向刚度和扭转刚度。相较于波纹管实体模型,简化模型的规模和计算量大幅度减少,计算效率得到提高。将简化有限元模型计算所得刚度结果与有限元实体模型计算结果及EJMA工程实际经验公式计算值进行了比较,并利用已有的实验结果进行了验证。其结果吻合良好。该简化模型在研究含有波纹管的整体系统时尤其方便,如对基于整体系统响应的各类波纹管的结构参数优化等具有通用意义,并能有效提高有限元建模及分析效率。     

保持架的改进设计及其基于ANSYS的强度分析

为了得到某型号坦克用滚针保持架组合件轴承合理的结构并提高其强度,对该滚针轴承保持架的兜孔和内径进行了改进设计,使其满足了滚针保持架组合件轴承的基本运动规律,并通过ANSYS软件对保持架进行了有限元分析,得出模型的应力分布及大小,验证了改进的合理性。     

斜齿面齿轮齿面接触问题的有限元-线性规划解法

提出了一种基于有限元及线性规划计算斜齿面齿轮齿面接触区域载荷分布及啮合刚度的方法。建立了斜齿面齿轮齿面的数学模型,基于matlab实现其齿面及接触轨迹的可视化;基于有限元思想,并结合线性规划改进的单纯形算法,得到齿面接触区域各点载荷分配;根据接触区域平均变形量和载荷计算了啮合齿对的啮合刚度;计算了接触区域最大压应力,并与Hertz理论的计算结果进行对比,验证该线性规划算法的有效性。     

Bézier单元刚度映射下的高效多重网格等几何拓扑优化方法

等几何拓扑优化方法采用CAD的B样条或者NURBS作为CAE未知物理场的形函数,有效避免了传统有限元拓扑优化由于拉格朗日基函数C⁰连续所带来的低精度问题。多重网格等几何拓扑优化技术可通过优化域的层间继承显著提高等几何拓扑优化的计算效率,但存在单元刚度矩阵消耗内存空间及预处理时间过长等问题。针对上述问题,研究了基于Bézier单元刚度映射的多重网格等几何拓扑优化方法,采用标准Bézier单元刚度矩阵与相应的Bézier提取矩阵进行任一层级任一B样条单元刚度矩阵的等效表达,进而实现多重网格等几何拓扑优化数据存储结构和预处理过程的优化。数值算例结果表明,相比于传统多重网格等几何拓扑优化模型,所提方法具有相同的优化收敛过程和优化结果,并显著地减小B样条单元刚度矩阵的存储空间并缩短预处理时间,验证了所提方法的有效性。