基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

钢铝结构连接耦合损耗因子计算方法研究

统计能量法已广泛用于解决高频振动与噪声问题,耦合损耗因子是其关键参数之一。研究基于统计能量法、有限元法和功率输入法,提出一种钢铝连接耦合损耗因子数值计算方法,并运用MATLAB编写了计算软件。通过对含过渡接头的T型连接结构进行数值和实验研究,验证了该法的可靠性。这对提高钢铝混合结构的噪声预报精度及指导其结构声学设计具有重要意义。     

波轮式全自动洗衣机刚柔耦合模型的建立

摘要：刚柔耦合模型是波轮式全自动洗衣机结构设计的基础。为建立这一模型,首先在ANSYS中建立了盛水桶的有限元模型并进行模态分析,进而通过与实验结果的对比验证了有限元模型的正确性。采用修正的Craig-Bampton模态对盛水桶进行动力学建模,并与刚性模型进行耦合,推导得到系统整体的刚柔耦合模型。最后,采用 方法求解系统DAE方程组,得到了脱水过程中盛水桶的变形信息与载荷信息。将载荷信息反馈给ANSYS进行分析,其计算结果与本文结果进行了对比,验证了本文模型的有效性。     

基于温度体模型的动网格生成方法及在流固耦合振动中的应用

提出温度体模型动网格生成方法,并将其应用于流固耦合算法,生成物体振动过程中的动态网格。温度体模型动网格方法将运动边界的位移映射为求解域的温度边界条件,以流体能量方程或固体导热方程作为控制方程求解得到计算域内的温度分布,将求解得到的温度分布作为网格节点的动态位移。基于温度体模型的动网格方法物理意义清晰,算法实现简单,能够快速而有效地生成高品质的动态网格,特别在边界位移大的情况下与其他网格生成方法相比有较大的优势。最后采用流固耦合有限元算法求解了定浆式轴流泵强迫振动过程中连锁特性和柱体由于旋涡脱落诱发自激振动两个工程问题。其中流场采用基于特征线方程的分离算法进行求解,固体场采用Newmark方法进行求解,在计算过程中采用温度体模型生成动态网格。结果表明该发展的算法性能优异,能有效解决流固耦合中的振动问题。     

滚动轴承支承的齿轮传动轴-板耦合结构功率流传递特性研究

针对影响机械设备整机工作性能的齿轮箱系统动态特性,通过对齿轮箱系统振动噪声的产生机理及传递路径分析,建立轴系传动系统中典型组合结构—板-滚动轴承-齿轮轴-滚动轴承-板耦合系统的动力学模型,并应用子结构导纳法推导计算通过滚动轴承传递到箱板振动功率流的模态解。考虑到模态解的模态密集性,据统计能量分析原理,研究齿轮轴-滚动轴承-板耦合结构的耦合损耗因子的估算方法,统计能量分析与模态解的结果显示,吻合性较好。对振动能量通过滚动轴承传递的特性及影响因素进行研究分析,为齿轮箱系统减振降噪设计提供理论依据。     

基于能量有限元法的功能梯度梁振动分析

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于其优良的结构性能和重要的应用价值,近些年来得到了广泛的研究和关注。采用能量有限元法对功能梯度梁和耦合梁的弯曲振动特性进行研究,推导了功能梯度材料梁的能量密度控制方程、能量有限元矩阵方程以及耦合梁的能量有限元方程,从而得到梁中的能量密度和能量流。以一简支功能梯度梁为例,分别采用该方法和传统有限元法计算了梁弯曲振动时的能量密度,通过对比验证了能量有限元法求解的准确性。在此基础上进一步对耦合功能梯度梁结构的能量密度和能量流进行了求解,得到其能量分布特征。该研究为基于能量有限元法分析复杂功能梯度材料结构的振动特性提供了理论基础。     

机床电主轴多结构耦合损耗因子的试验研究

机床电主轴的精细化动力学建模是确保其高速高精且平稳运行的理论基础。电主轴结构复杂,而采用统计能量分析原理可以实现对复杂系统动力学模型的求解。针对统计能量分析研究模型中的关键参数,以耦合损耗因子为研究对象,建立了多结构的内损耗因子、总损耗因子、能量比及耦合损耗因子的试验理论模型;依据瞬态衰减法测试并通过数据处理获得了耦合子系统内损耗因子和总损耗因子,利用均值导纳法获取耦合子系统能量比,根据瞬态能量平衡方程计算了耦合损耗因子;通过与理论分析对比,验证了提出的瞬态激励试验实现耦合损耗因子的测量分析方法是正确的。该方法可实现快速高效的获取复杂动力学系统的耦合损耗因子。     

振动主动控制系统的统计能量分析

基于能量观点对振动主动控制系统进行了统计能量分析。首次推导出振动主动控制系统的统计能量关系式和耦合振子间耦合损耗因子的表达式,并通过实例研究了控制反馈系数对系统耦合损耗因子的影响,分析了阻尼对系统输入功率、子系统间传递功率流以及各子系统振动能量的影响。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

考虑裂纹表面摩擦阻尼的振动疲劳裂纹扩展分析

以含表面裂纹悬臂梁为研究对象,研究了裂纹面摩擦效应对裂纹疲劳扩展的影响。分析时,用双线性弹簧描述裂纹呼吸行为,用Galerkin方法把呼吸裂纹梁简化为单自由度系统,基于Coulomb摩擦模型和能量耗散理论推导了摩擦阻尼损耗因子,运用广义的Forman方程模拟疲劳裂纹扩展,通过振动分析与裂纹扩展计算同步进行的方法考虑振动与疲劳的耦合效应,探讨了摩擦阻尼对裂纹梁疲劳裂纹扩展寿命的影响。结论表明,摩擦阻尼损耗因子随裂纹扩展呈单调递增趋势,摩擦阻尼对振动疲劳裂纹扩展的影响不容忽视     

高铁高架车站候车环境噪声的数值预测

结合某实际高铁高架车站候车厅,分别建立候车厅的有限元、边界元模型与统计能量法模型,采用直接边界元法计算20～200 Hz范围内的低频噪声,用统计能量法计算200～2 000 Hz范围内的高频噪声。计算结果通过实测结果进行验证,结果表明模型能够较准确地预测出候车厅内的噪声水平。进一步对候车厅各部分进行声学板块贡献度分析以及声腔子系统的声学贡献度分析,结果表明候车厅建筑顶棚对于候车厅内噪声的贡献水平最大,为候车厅的降噪提供指导。     

自由阻尼处理结构的有限元建模及声辐射分析

用整体划分单元法建立了一种四节点20个自由度自由阻尼处理薄板结构的有限元模型，用能量法推导了单元的刚度和质量矩阵。在用有限元法计算结构的动态响应特性的基础上，将每个单元划分为很多个微元，利用有限元分析得到结构表面振动速度，通过单元的形函数，求出微元上几个点的平均速度，作为微元的振动速度。以每个微元为一单位，分别计算声压和声功率之后叠加起来，即得整个结构的声辐射。算例表明，用此方法分析计算表面阻尼处理结构的动态特性和声辐射是可行的。     

A novel hybrid FS‐FEM/SEA for the analysis of vibro‐acoustic problems

Predicting the frequency response of a complex vibro‐acoustic system becomes extremely difficult in the mid‐frequency regime. In this work, a novel hybrid face‐based smoothed finite element method/statistical energy analysis (FS‐FEM/SEA) method is proposed, aiming to further improve the accuracy of ‘mid‐frequency’ predictions. According to this approach, the whole vibro‐acoustic system is divided into a combination of a plate subsystem with statistical behaviour and an acoustic cavity subsystem with deterministic behaviour. The plate subsystem is treated using the recently developed FS‐FEM, and the cavity subsystem is dealt with using the SEA. These two different types of subsystems can be coupled and interacted through the so‐called diffuse field reciprocity relation. The ensemble average response of the system is calculated, and the uncertainty is confined and treated in the SEA subsystems. The use of FS‐FEM ‘softens’ the well‐known ‘overly stiff’ behaviour in the standard FEM and reduces the inherent numerical dispersion error. The proposed FS‐FEM/SEA approach is verified and its features are examined by various numerical examples. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

二维泊松方程问题Lagrange型有限元p型超收敛算法

该文针对二维泊松方程问题的Lagrange型有限元法提出了一种p型超收敛算法。该法受有限元线法对二维问题降维思想的启发,基于网格结点位移的天然超收敛性,通过从网格中取出一行对边相邻的单元作一子域,将子域内各单元另一对边解答取为原有限元解答,在子域上建立真解近似满足的局部偏微分方程边值问题,对该局部边值问题,沿对边方向单向提高单元阶次进行有限元求解获得单元对边上的超收敛解。单元另一对边上的超收敛解可通过另一方向的单元行类似获得。在单元边超收敛解的基础上,依次取出各个单元,以单元边位移超收敛解为Dirichlet边界条件,双向提高单元阶次对原泊松方程问题进行有限元求解即可获得全域超收敛解。数值算例表明,通过简单的后处理计算本法可显著提高解答的精度和收敛阶。     

A generalized finite element formulation for arbitrary basis functions: From isogeometric analysis to XFEM

Many of the formulations of current research interest, including iosogeometric methods and the extended finite element method, use nontraditional basis functions. Some, such as subdivision surfaces, may not have convenient analytical representations. The concept of an element, if appropriate at all, no longer coincides with the traditional definition. Developing a new software for each new class of basis functions is a large research burden, especially, if the problems involve large deformations, non‐linear materials, and contact. The objective of this paper is to present a method that separates as much as possible the generation and evaluation of the basis functions from the analysis, resulting in a formulation that can be implemented within the traditional structure of a finite element program but that permits the use of arbitrary sets of basis functions that are defined only through the input file. Elements ranging from a traditional linear four‐node tetrahedron through a higher‐order element combining XFEM and isogeometric analysis may be specified entirely through an input file without any additional programming. Examples of this framework to applications with Lagrange elements, isogeometric elements, and XFEM basis functions for fracture are presented. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Strain energy release rate determination of stress intensity factors by finite element methods

The determination of the Mode I stress intensity factors for selected crack configurations, using finite element methods and energy release rate principles, is the subject of this study. The crack configurations which were investigated are the double edge crack, the single edge crack and the center crack. The method of analysis utilized was the “Stiffness Derivative Method.” This approach relates the change in strain energy resulting from crack advancement, to the change in the stiffness matrix of the structure containing the crack. The results indicated that through mesh optimization and proper control of certain parameters including the crack advance increment, the crack tip element contour size and mesh refinement, an accurate solution can be calculated with a relatively coarse finite element mesh consisting entirely of contemporary elements. The numerically generated solutions are compared with analytical solutions with the results within 0.001% of each other for the double edge crack, 0.858% for the single edge crack and 2.021% for the center crack.     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

索杆结构中索滑移行为分析的有限质点法

索杆结构成形过程中,连续索在一些节点处能够相对滑移,索与节点间的连接不能按铰接简单处理,传统有限元对此类问题的求解多有不便。针对索在节点处的滑移问题,该文采用一种新型分析方法—有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点运动满足牛顿第二定律,索的滑移行为通过质点的运动来描述。该文推导了滑移索单元内力求解公式,提出了滑移索单元的判定方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了滑移索单元的正确性和合理性。