大型商用飞机撞击刚性墙及核电屏蔽厂房的撞击力分析

建立一个综合考虑了真实质量分布、刚度分布和材料模型的Boeing767-200ER模型,利用LS-DYNA程序对其撞击刚性墙进行数值模拟,获得了飞机撞击荷载时程曲线,并分析了不同初始速度及内部结构对飞机撞击力的影响;将该飞机有限元模型用于撞击核电站屏蔽厂房的数值模拟中,分析了靶体形状及相对刚度对飞机撞击力的影响,为飞机撞击核电站问题的深入研究奠定了基础。     

Q235钢单层板对平头刚性弹抗穿甲特性研究

采用撞击实验和理论模型对单层金属板的抗侵彻性能进行了研究,分析了靶体厚度对抗侵彻性能的影响。通过对比撞击实验和理论模型计算结果,验证了理论模型和参数的有效性。结果表明,采用合适的理论模型能够有效地预测靶板在弹体撞击下的弹道极限。此外,分析了靶体在弹体撞击下的塑性变形总耗能,包括靶板局部变形和整体变形的耗能,同时考虑了靶体材料的应变率效应。在平头弹撞击厚靶的工况中,引入了一个修正函数对靶体厚度进行修正。     

弹体高速侵彻陶瓷复合厚靶的计算模型研究

针对平头弹高速撞击陶瓷复合厚靶的问题,以集中质量法为基础并考虑靶体的内摩擦效应对Fellows模型加以改进,建立侵彻过程的理论计算模型并利用Matlab编程求得不同撞击速度下弹体侵彻复合靶体的侵彻深度,模型得到了试验结果和数值计算结果的验证。参数分析的结果表明,陶瓷厚度的增加可提高复合靶体的抗侵彻能力,但随着初始撞击速度的提高,弹体的侵彻深度增长曲线趋于平缓。     

简支梁受摆杆撞击时的动荷系数研究

从工程实用的角度对简支梁受摆杆撞击的过程进行了分析,将此种撞击按非完全弹性碰撞考虑,根据能量守恒的原理,应用撞击物——摆杆撞击简支梁试样前后的重力势能之差,给出了此种撞击形式的动荷系数计算公式。通过改装的冲击试验机和所配置的瞬态动应力测试记录系统,对简支梁试样受摆杆撞击时的动荷系数进行了测试。试验测取的动荷系数值与所给出的公式计算值得到较好的吻合,所给公式可以应用于此种形式撞击问题的动应力分析。     

层合中厚浅球壳受撞击时的非线性动力响应分析

建立了正交铺设层合中厚浅球壳在任一位置受撞击载荷作用的非线性运动微分方程,根据Hertzian定律,考虑撞击物与浅球壳之间的弹性接触效应,确定了壳体在其接触处所承受的冲击力。对此非线性动力问题,采用有限差分法与时间增量法求解。算例中,讨论了撞击物的速度、壳体中曲面曲率半径及接触点位置对壳体所受冲击载荷及其位移响应的影响。     

正交各向异性CFRP材料的本构关系及其在平板撞击模拟中的应用

碳纤维增强树脂基类复合材料通常具有力学性能的正交各向异性,因此在对该类材料的动态力学性能研究中,其本构关系及物态方程必须考虑正交各向异性的修正。从经典的正交各向异性弹性本构方程出发,以某型碳纤维增强酚醛树脂材料为研究对象,引入Tsai-Hill准则描述材料的塑性行为,采用Grüneisen物态方程描述压力与体应变之间的非线性关系,建立了正交各向异性材料的三维弹塑性本构模型。并采用显式有限元方法,对三维条件下平板撞击问题中的应力波传播过程进行了模拟。研究表明,所建立的三维本构模型能够合理呈现出材料的各向异性力学特性。对于靶板中平台压力,由于广义体积模量及正交各向异性修正项的引入,得到的压力相对于各向同性模型偏低。设定飞片以100～3 000 m/s的速度撞击静止靶板,对计算结果的数值分析发现随着飞片速度上升,正交各向异性模型中修正项对压力的贡献减小。最终正交各向异性模型趋近于各向同性模型。     

应力状态在球形弹丸撞击6061-T6铝薄靶弹道行为数值预报的作用

针对部分金属材料延性断裂、应力三轴度及Lode参数同时相关问题,将两个含Lode参数影响的断裂准则写入有限元程序ABAQUS,用于1.6 mm厚6061-T6铝合金靶板在7.9 mm直径球形弹丸撞击下断裂行为及弹道极限数值预报。为揭示应力状态影响,用两种不考虑Lode参数影响的断裂准则进行有限元计算,并与试验对比。结果表明,引入Lode参数可提升6061-T6铝合金靶板断裂行为及抗侵彻性能的数值预报效果。     

超高车辆-桥梁上部结构碰撞荷载精细有限元模拟与简化计算

近年,超高车辆撞击桥梁上部结构问题成为城市交通安全的重要威胁。为减少超高车辆撞击桥梁上部结构造成的损失,关键是准确计算撞击荷载。该文首先基于精细有限元,对超高车辆-桥梁上部结构碰撞过程进行了模拟,对影响撞击的主要参数进行了分析。进而通过忽略次要影响因素,对车辆、桥梁受力行为进行合理简化,建立了超高车辆-桥梁上部结构碰撞的简化计算模型。简化模型与精细有限元模型的撞击力时程结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

单层金属板对刚性弹体抗撞击特性的影响因素研究

利用38Cr Si高硬度弹体对Q235钢和45钢的单层靶进行撞击实验,研究单层金属板对刚性弹体抗撞击特性的影响因素,揭示靶体材料特性、靶体厚度及弹体头部形状对靶体抗撞击特性的影响,分析不同撞击条件下靶体主要失效特性的过渡及条件。实验结果表明,弹体头部形状对其弹道极限的影响与靶体厚度、靶体材性力学特性相关。对于薄板,弹体头部形状对低强度材料更为敏感。但是,对于厚板,弹体头部形状对高强度材料更为敏感。靶体的弹道极限随其厚度增加而增加,靶体厚度对卵形头弹的弹道极限影响最大,依次是半球形头弹和平头弹。此外,高强度靶体的弹道极限高于低强度靶体的弹道极限,其中靶体强度对卵形头弹的弹道极限影响最大。     

系杆拱桥拱脚连接结构受力性能分析的多尺度有限元建模方法

拱脚连接结构是系杆拱桥的关键局部结构,构造复杂且局部边界条件不明确,该文引入多尺度有限元建模方法研究其受力性能与传力特征,针对以往研究中采用传统局部精细有限元方法存在的不足,引入弹性边界的概念,将系杆拱桥整桥通过合理的连接方式统一到拱脚连接结构精细模型中以替代局部精细模型中的刚性边界条件假定,并通过全桥精细有限元进行验证。以大连某钢管混凝土系杆拱桥为工程背景,基于提出的系杆拱桥拱脚连接结构多尺度有限元建模方法,建立了多尺度模型。同时,根据传统局部精细及全桥精细有限元建模方法,分别建立了局部精细与全桥精细模型作为对比、验证模型。详细的对比研究表明,局部精细模型分析结果受失真区影响较显著,且失真区范围不能通过本模型定量确定,导致传统建模方法科学性降低、计算结果可信度下降,或通过精细有限元试算、全桥精细有限元检验确定失真区范围,带来繁重的精细有限元建模、计算、数据处理工作。应用弹性边界条件,该文提出的拱脚连接结构多尺度有限元建模方法可以较好地模拟局部结构的复杂边界条件,较精确地预测拱脚连接结构的受力行为,且不受失真区影响,计算结果与全桥精细有限元吻合良好。     

任意随机激励下结构随机振动分析的一种数值方法

应用复化Cotes数值积分方法改进精细积分方法,建立一种新的高效的精细积分方法：C-PTSIM,并基于有限元理论讨论了此方法在任意随机激励下线性结构随机动力响应的应用。采用复化Cotes积分方法计算结构动力响应状态方程一般解的积分项,推导出随机激励下结构动力响应的显式表达式,利用一阶矩和二阶矩运算规律计算结构响应的均值和方差。C-PTSIM方法避免了精细积分过程中系数矩阵求逆问题,有效改善了精细积分在时间步长内载荷线性化假设带来的误差,在不改变时间步长时采用高次数复化积分时获得与更精细步长时同样精度的结果,表明该方法对时间步长的弱敏感性,并能节省大量的计算时间。基于此方法给出结构随机振动响应分析算例,并与其他方法对比,说明了该方法的高效率和高精度。     

弹头高速撞击的有限元分析

弹丸高速撞击是武器设计中的重要研究课题。本文系统地阐述了Lagr-ange有限元方法的守恒方程、本构方程。在空间上采用四节点二维等参元网格离散化,在时间积分上采用显式中心差分法,并引入了抗沙漏节点力来控制弹塑大变形中的沙漏现象,碰撞接触面采用Wilkins滑移面技术。计算结果表明有限元数值分析是高速撞击领域内较有效的工具之一。     

非线性动力方程的精细时空有限元方法

根据Hamilton变作用定律构造了时空有限元矩阵;并根据传递矩阵原理,利用时间的一维性将时空有限元矩阵变换为时间方向的传递矩阵,将初值问题转化为一般矩阵相乘问题以方便求解。为了保证计算的稳定性,参考了精细积分的思想提出精细时空有限元方法,并给出线性问题在时间级数荷载作用下的计算式。数值分析结果证明该方法在线性问题分析上非常准确并可以推广到非线性动力方程的求解;只需将非线性解看作初始解和增量解的叠加,通过精细时空有限元线性求解方法计算增量解,逐步修正后即可得到非线性解。结果表明该方法是一个有效的求解非线性动力方程的方法。     

一种单自由度体系解析解及其在车桥动力分析中的应用

假定相邻时刻之间荷载线性变化,推导出低阻尼单自由度振动体系的解析解,在此基础上给出了相应的车桥动力相互作用系统建模及求解流程。系统模型分解为车辆、桥梁两个子系统,基于部件刚体假定和达朗贝尔原理推导车辆子系统运动方程,采用有限元法建立桥梁子系统模型;借助于振型叠加法将两个子系统运动方程解耦,车辆子系统非正交阻尼部分的影响以及两个子系统间的动力相互作用均按非线性虚拟力处理;以一节4轴客车匀速通过32 m简支梁为例,分别采用提出的解析解法、Newmark-β法以及高斯精细积分法进行动力分析。结果表明,相对于Newmark-β法和高斯精细积分法,解析解法不仅具有高精度特点,能显著提高计算收敛的积分步长,同时又能避免计算复杂的指数矩阵,具有良好的工程适用性。     

Interval finite element method for dynamic response of closed‐loop system with uncertain parameters

In practical engineering, it is difficult to obtain all possible solutions of dynamic responses with sharp bounds even if an optimum scheme is adopted where there are many uncertain parameters. In this paper, using the interval finite element (IFE) method and precise time integration (PTI) method, we discuss the dynamic response of vibration control problem of structures with interval parameters. With matrix perturbation theory and interval arithmetic, the algorithm for estimating upper and lower bounds of dynamic response of the closed‐loop system is developed directly from the interval parameters. Two numerical examples are given to illustrate the application of the present method. The example 1 is used to show the applicability of the present method. The example 2 is used to show the validity of the present method by comparing the results with those obtained by the classical random perturbation method. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于浮置板轨道的轮轨振动仿真分析

计算分析浮置板参数对噪声和振动的关系,为浮置板参数的工程设计提供参考.以考虑不平顺度的轮轨振动模型为基础,采用ANSYS有限元分析软件,模拟列车动载荷作用下浮置板轨道结构的瞬态响应.分别对不同的浮置板隔振器刚度和阻尼进行计算分析,确定其参数对振动和噪声的影响.计算分析表明,浮置板轨道结构对减小振动和噪声十分有效,其刚度和阻尼参数对减小轨道振动和基础反力有不同的效果.     

基于精细Runge-Kutta混合积分法的车桥耦合振动非迭代求解算法

针对结构非线性问题,采用4阶Runge-Kutta法展开精细积分法中响应状态方程的Duhamel项,构造了一种既可以避免迭代又具有较高精度的精细Runge-Kutta混合积分方法,在此基础上提出了适用于车桥耦合振动高效求解的分析框架。车桥耦合系统由车辆、桥梁子系统组成,均采用有限元建模,其中车辆子系统采用部件刚体假定,而桥梁子系统借助于振型叠加法缩减自由度数目;两个子系统内部非线性作用以及系统间的相互作用通过非线性的虚拟力表达。以一节4轴客车匀速通过32m简支梁为研究对象,分别采用分析框架法、Runge-Kutta法进行动力分析。数值结果对比表明：相对于Runge-Kutta法,精细Runge-Kutta混合法能够显著提高计算收敛的积分步长;分析框架可以应用到实际工程中。     

行波效应对大跨越输电塔－线体系纵向地震响应影响

由于特高压大跨越输电塔－线体系塔身高跨度大,仅考虑单塔及塔－线体系的一致地震输入是远远不够的。本文考虑地震波沿大跨越线路传播时引起的地震行波效应,建立了特高压大跨越输电塔-线体系精细的三维空间有限元模型,运用几何非线性动力时程分析方法研究了纵向地震作用下大跨越输电塔－线体系的地震响应特性,并和一致地震动输入下的反应进行了对比。结果表明：行波效应既可以增加又可以减小塔身的地震响应,主要与地震动作用于大跨越两端输电塔的相位差有关;行波效应对导线跨中竖向位移响应影响十分明显,但对导线内力响应影响很小     

基于试验/计算混合模型的动力传动装置混合建模与仿真

为实现高效率、高精度地进行针对复杂结构的动态分析,从子结构的基本思想出发,提出了采用试验模态分析与有限元分析相结合的混合仿真的构想,并在Virtual.Lab平台上实现了该方法。以基于试验测试的柴油机模型和基于有限元分析的传动箱模型为例进行验证,结果表明,该方法与组合级的动力传动装置有限元计算精度基本一致,但规模和效率却远远优于后者。因而,该方法能用较少的计算次数和较短的时间得到较精确的动特性参数。     

CLASSICAL SOLUTION SHAPE FUNCTIONS IN THE FINITE ELEMENT ANALYSIS OF CIRCULAR AND ANNULAR PLATES

The objective of this work is to present a new method for the dynamic and static analysis of thin, elastic, isotropic, non-uniform circular and annular plates. The method is a combination of plate theory and finite element analysis. The plate is divided into one circular and many annular finite elements. The displacement functions are derived from Sanders' classical plate theory. These displacement functions satisfy the convergence criteria of the finite element method. The matrices for mass and stiffness are determined by precise analytical integration. A computer programme has been developed, the convergence criteria have been established, and the natural frequencies and vibration modes have been computed for different cases. The results obtained reveal that the frequencies calculated by this method are in good agreement with those obtained by other authors. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.