单层柱面网壳强震失稳分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究

在进行单层柱面网壳强震失稳分析时,采用能考虑球节点轴向刚度和弯曲刚度耦合的壳单元精细化模型固然好,但是壳单元模型的单元数目太多,相对于一般的梁单元简化模型的计算量是非常大的。然而,一般简化模型由于不考虑节点刚度的影响,强震下地震响应分析的结果误差又较大。因此,在简化网壳模型的基础上建立了能等效精细化网壳模型的相对简化模型,此模型在节点区域用梁单元代替空心球节点,通过减小节点区杆件的刚度,可以明显改善模型的分析精度,而且采用模型后计算量增加不大,所以此模型更适合进行此类结构的强震失稳分析。     

锁定状态下一维可展桁架球铰连接刚度识别

针对某一维可展桁架的球形铰链连接,利用动力学模型修正方法识别了其连接刚度特性。将可展结构进行简化处理,使其处于展开锁定状态,单独考虑铰链刚度。对锁定后的展开单元进行精细化有限元建模,利用接触分析方法,得到球铰连接等效线性刚度初值。建立展开单元的参数化模型,并采用六向刚度弹簧单元对球铰连接进行等效线性处理。对锁定状态下的可展开结构单元进行模态测试,利用试验模态参数识别球铰的连接刚度。将识别的连接刚度值带入由三个展开单元组成的一维可展桁架,通过与试验模态数据对比验证了识别结果的准确性。研究结果表明,利用该基于动力学模型修正的空间可展开结构球铰连接刚度识别方法,能够准确识别球铰连接刚度,建立准确的动力学分析模型。     

基于模态试验的对接圆柱壳结构有限元模型修正EI北大核心CSCD

壳体组合结构广泛应用于船舶、土木和航空航天等工程领域。为获得精确的对接圆柱壳结构动力学模型,采用基于数学模型的响应面法对有限元模型多个参数进行优化,实现有限元模型修正。通过模态试验获得对接圆柱壳结构的试验模态参数,采用模态置信度检验模态试验结果。利用ANSYS有限元软件对结构进行有限元模态分析,提取整体模态。通过中心复合设计方法获取样本点构造多项式响应面模型,采用决定系数和均方根误差检验响应面的拟合精度。响应面模型计算结果与试验结果的误差构造目标函数,多目标遗传算法用于优化响应面参数,最终将修正后的参数代入有限元模型得到修正模型。对比修正前后的模态频率,结果表明修正后得到的有限元模态频率与实测模态频率间相对误差明显减小,进而验证了基于响应面方法在对接圆柱壳有限元模型修正中的有效性。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识EI北大核心CSCD

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

焊接球节点单层球面网壳精细化动力分析

单层球面网壳几何非线性影响较为明显,强烈地震作用下有发生动力失稳破坏的可能,节点和杆件在强震作用下会发生较大塑性变形和损坏,从而影响整体结构的抗震能力,因此网壳结构引入节点建模的精细化动力分析尤为重要。而传统单层网壳的分析常把焊接球节点假设为完全刚性节点,未考虑节点弯曲刚度、轴向刚度以及扭转刚度的影响,会过高的估计结构抗震承载力,使结果偏于不安全。采用ANSYS软件中的SHELL181壳单元建立了一个跨度为6 m的K6(2)型包含焊接空心球节点的精细化网壳模型,研究了网壳的频谱特性、水平和三向地震作用下的承载力,以及节点壁厚变化对动力极限承载力的影响。结果表明,节点的塑性发展会影响网壳的动力稳定性,在满足节点壁厚与杆件壁厚比大于1.5时,节点刚度变化对动力极限承载力影响较小。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

一种海洋平台广义模型修正方法的研究

针对导管架式海洋平台结构的广义模型修正问题，提出了先修正模态振型后修正模态频率的试验方法。首先利用损伤检测方法识别出试验模型中与初始有限元模型有刚度偏差的杆件单元并采用反复迭代修正的方法进行了有限元模型模态振型的修正；然后将地基模拟为三维弹性支承并对其进行优化设计来实现有限元模型模态频率的修正；通过力锤激励下海洋平台的模型试验验证了此方法的可行性，为长期服役且原型结构未测的海洋平台的损伤检测、安全评估研究提供了基础。     

复合材料板壳结构的杂交/混合有限元分析

本文建立了一个9节点Lagrange退化壳杂交/混合有限元模型,以用于复合材料板壳结构的有限元分析。该有限元模型基于修正的Hellinger-Reissner原理,位移和应力均采用分离法思想,使得这一单元不仅具有下列优点:1.位移和应力计算精度都比较高;2.消除了多余零能变形模式;3.具有厚薄通用性;4.具有几何不变性,并且较之一般杂交/混合单元计算工作量进一步降低。单元还考虑了横向剪切影响。计算实例表明,本单元关于复合材料浅壳和深壳的解都与参考解吻合很好,且收敛很快。      

螺栓连接框架结构的有限元模型修正

综合运用有限元仿真、试验模态测试和模型修正技术,对一个由螺栓连接的三层框架结构进行了动力学特性分析和响应预测,并对其中涉及到的相关问题进行了讨论。首先,采用不同类型单元分别建立结构的实体有限元模型、板-梁有限元模型以及三自由度集中参数模型,并进行模态计算。然后,对实际结构进行模态测试,并将三类模型的计算结果与测试数据进行对比,分析不同类型单元所建立模型的异同以及由螺栓连接的复杂性、加工装配的误差和材料参数的不准确等不确定因素对建模及计算误差所造成的影响,从而确定合理的修正参数。接着,用模态测试数据对模型参数进行修正,使得修正后的模型能够准确反映实际结构的固有频率和振型。最后,将测试获取的阻尼参数加到修正后的模型上,进行冲击激励下的响应预测,并与实际结构的测试结果进行对比,取得了满意的结果。     

基于非均匀分布复弹簧单元的螺栓连接薄板结构动力学有限元建模

在创建螺栓连接结构动力学模型时,如何有效地模拟螺栓影响区对结构动力学特性的贡献至关重要。提出用非均匀分布复弹簧单元来模拟螺栓影响区力学特性,在此基础上针对一种螺栓连接薄板结构建立有限元模型并对其进行线性动力学分析。在确定螺栓影响区面积的基础上,分别假定了三种刚度非均匀分布的复弹簧单元来模拟螺栓结合部的力学特性,并提出用反推辨识技术确定复弹簧单元刚度及阻尼参数的方法。通过自编有限元程序创建了螺栓连接薄板结构线性动力学分析模型,重点描述了将非均匀分布复弹簧单元引入连接薄板动力学方程的方法。最后,以一个具体的螺栓连接薄板结构为对象进行了实例研究,结果表明:用所创建的有限元模型计算获得的固有频率、模态振型以及频响函数值与实测值均较为接近,从而证明了用非均匀分布复弹簧单元模拟螺栓影响区进而实施有限元建模可实现较高的仿真计算精度。     

基于RBF神经网络的复合材料层合壳荷载识别

针对有限元逆分析方法进行荷载识别的大计算量的缺陷,以及鉴于传统的BP网络的速度慢和局部极小值问题,该文提出了将有限元方法与径向基函数(Radial Base Function,简记为RBF)神经网络结合对受集中载荷作用的壳体结构进行荷载识别。通过有限元方法计算出压电元件的集聚电荷,以该电荷来构建训练样本对网络进行训练,再将没有进行训练的电荷数据送入到训练好的RBF神经网络进行预测,实现对壳体结构荷载的作用位置和大小的评估。最后给出了对壳体结构荷载识别的算例,结果表明该方法计算速度快、精度高、具有较好的应用前景。     

基于子结构和遗传神经网络的递推模型修正方法

根据实际动力响应对结构有限元模型进行修正,是实现损伤识别和健康监测的必要前提。针对基于神经网络的模型修正方法的不足,选用均匀设计法构造样本从而有效减少所需样本数量,而且计算效率高。采用遗传算法优化神经网络权值,提高了运算速度。基于上述研究,提出了基于子结构和神经网络的递推模型修正方法。该方法将结构分解成多层次的子结构,选取适当的损伤因素逐步实现逐级的修正。应用该方法对一网壳结构进行了模型修正,修正中首先采用固有频率作为损伤因素,结果表明遗传算法明显地提高了神经网络的计算速度,最后的递推修正效果令人满意;其次提出了采用小波包频带能量作为损伤因素的修正方法,该方法同样准确有效,并且不再依赖传统的模态分析技术,更为实用便捷。     

基于响应面方法的支架结构模型修正研究

为减小有限元建模中不可避免的误差,以支架结构模型为研究对象,选取结构不同部件的三个弹性模量和三个密度参数作为设计变量。根据中心复合设计,建立试验样本空间,利用样本参数的显著性分析结果筛选修正参数。结合线性回归方法,建立支架模态频率与修正参数的二阶多项式。以试验模态分析结果为依据,完成支架结构模型修正。响应面方法修正后的模态频率与试验模态频率具有一致性,且避免重复调用有限元模型,大大提高修正效率,具有修正响应快速性和工程实用性。     

频响函数残差法在有限元模型修正中的应用

准确的有限元模型能够真实有效地反映实际结构的动态信息,为缩小结构建模中的误差极有必要对结构有限元模型进行修正。目前,基于模态频率、振型和频响函数的模型修正方法应用最广。其中基于频响函数的修正方法避免了模态参数识别过程的误差,且不受测试自由度数限制,与模态频率和振型的模型修正方法相比更具有优势。基于频响函数的修正方法按目标可分为频响函数相关性法和频响函数残差法。频响相关性法立足于形状和幅值相关性与参数灵敏度的关系,与频响函数残差法相比,丧失了频响函数与设计参数的直接关联,导致在部分结构模型修正中出现振荡不收敛现象。为此,基于实际测试结构对比研究两种方法在有限元模型修正中的应用,并分析频率点数和频带范围对基于频响函数残差法的模型修正的影响。结果表明频响函数残差法能够稳定收敛且具有高效性;同时,合理的频率点数和较宽频带范围有利于提高频响函数残差法的修正效率。     

基于遗忘因子和LMBP神经网络的混合试验在线模型更新方法

目前将神经网络应用于混合试验的在线模型更新是一个重要的研究方向,如何提高神经网络在线模型更新算法的自适应性、稳定性和抗噪声能力是一个关键问题,提出了一种基于遗忘因子和LMBP神经网络的混合试验在线模型更新方法,即每时步利用试验子结构的历史试验数据形成带有遗忘因子的动态窗口样本,并采用增量训练方式训练LMBP神经网络,同步预测具有相同本构模型的数值子结构的恢复力。对一个两自由度非线性结构进行模型更新混合试验数值模拟,数值子结构恢复力预测值的RMSD最终为0.0230。结果表明,基于遗忘因子和LMBP神经网络的混合试验在线模型更新方法具有良好的自适应性、稳定性和抗噪声能力。     

混合有限元法分析带纵肋钢箱构件的受力

根据平截面假定推导了杆系单元和板壳单元在交界面上的约束方程,形成了混合有限元方法。利用该方法可以十分方便将整体杆系结构计算的内力作为外荷载施加到单个构件上,并对构件进行局部的受力分析。以带纵肋箱形构件为例,用混合有限元方法对该类构件进行了局部应力分析和局部板件稳定分析,总结了在混合有限元模型中板壳部分所需的长度及其合理的设置位置。     

Consistent coupling of beam and shell models for thermo‐elastic analysis

In this paper, the finite element formulation of a transition element for consistent coupling between shell and beam finite element models of thin‐walled beam‐like structures in thermo‐elastic problems is presented. Thin‐walled beam‐like structures modelled only with beam elements cannot be used to study local stress concentrations or to provide local mechanical or thermal boundary conditions. For this purpose, the structure has to be modelled using shell elements. However, computations using shell elements are a lot more expensive as compared to beam elements. The finite element model can be more efficient when the shell elements are used only in regions where the local effects are to be studied or local boundary conditions have to be provided. The remaining part of the structure can be modelled with beam elements. To couple these two models (i.e. shell and beam models) at transitional cross‐sections, transition elements are derived here for thermo‐elastic problems. The formulation encloses large displacement and rotational behaviour, which is important in case of thin‐walled beam‐like structures. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

High performance 3D-analysis of thermo-mechanically loaded composite structures

This paper considers the analysis of composite structures, simultaneously loaded by mechanical and thermal loads, as often found in aerospace applications. Typically a thermal analysis providing the temperature field must precede the stress analysis, which has to account for thermal as well as for additional mechanical loads. Presently, thermal analyses are mostly carried out by finite difference methods or by 3D finite elements, whereas the stress analysis is usually performed by the use of shell elements. Thus, the temperature field has to be transferred from a finite difference or 3D finite element model to a shell finite element model. This process often requires lots of manual user interaction and can get very time consuming. The paper suggests an integrated analysis process which uses a shell finite element model throughout. Thermal lamination theories and related finite elements developed by the first author are used for the 3D thermal analysis. This leads to a reduction of the computing time by two orders of magnitude as compared to 3D finite elements whereas the accuracy of the results is nearly unaffected. The stress analysis is carried out using the same geometry model but with different mesh density. Interpolation between the different meshes can be accomplished automatically since both discretizations are defined on the same geometry. Standard shell elements based on the First order shear deformation theory (FSDT) provide the three in-plane stress components. A novel postprocessing scheme is adopted for determining all transverse stress components from the in-plane stresses and the temperature field. The postprocessing methodology is based on the extended 2D-method which utilizes the material law for transverse shear and the 3D equilibrium conditions. It is computationally very efficient and can be applied in conjunction with any standard finite element package. The interaction of thermal and stress analysis is demonstrated by the example of a composite wing box for a future large airliner.     

薄壁扁球壳结构在撞击载荷下的变形控制方法研究

对薄壁扁球壳结构撞击刚性板的变形特性和控制方法进行了研究。使用LS—DYNA软件建立了薄壁扁球壳结构撞击刚性板的有限元模型，并通过试验结果对模型的有效性进行了验证。利用数值仿真方法，对薄壁球壳结构撞击刚性板的变形特性和动态响应特点进行了分析。针对薄壁扁球壳结构一种典型撞击性能的要求，利用变形控制和局部弱化等方法得到了符合要求的变形模式和加速度响应曲线。最后的试验结果验证了设计结构方案的正确性．该变形控制方法可应用于工程实际。     

结构有限元模型修正的自适应响应面方法

针对结构有限元模型修正可能陷入局部最优点的问题,提出了基于具有全局收敛特性的自适应响应面的结构有限元模型修正方法,模型修正过程中在全局最优解附近不断收缩参数设计空间,重构更为精确的响应面模型,同时,由于采用了拉丁超立方设计选择样本点,具有一定的遗传性,在使用过程中可以有效减少样本点总数。通过实例计算表明,传统的有限元模型修正方法很可能陷于局部最优,而利用该方法进行有限元模型修正时,可以有效避免陷入局部最优点,只需较少样本点便可收敛于全局最优解,有效的进行有限元模型修正。