基于有限质点法的三维固体弹塑性问题求解

有限质点法是一种新型的数值方法,可有效求解结构或机构的大变位、大变形及其相互耦合等复杂行为,目前已经应用于无穷小机构、可展结构、接触碰撞、结构倒塌破坏、结构屈曲、索杆结构、平面固体、膜结构的找形及褶皱、结构多尺度、结构精细化等方面的研究,均取得了较好的效果。为形成从平面固体到三维固体及弹塑性等问题的完整研究体系,该文基于有限质点法推导了一种适用于三维固体非线性问题分析的四面体固体元,并将其应用于弹塑性问题的求解。通过自编程序,分别计算静力,动力等经典算例,并将该方法的计算结果和有限元法及试验结果进行了对比。结果表明,该方法能够有效地求解三维固体的弹塑性等静动力问题。     

铆接界面端三维奇异性应力场的研究

针对铆接结构的特点,应用特征函数扩展技术分析柱坐标下接触界面端的应力奇异性问题。建立了柱坐标下圆柱体端面接触边缘附近的三维渐近位移场和应力场渐近表达式,并根据铆钉/被铆接件接触界面端的位移和应力边界条件,建立一个非线性特征方程组。据此方程组可求解界面端邻域的应力奇异性指数、位移和应力角分布函数的数值解。通过与有限元方法计算结果相对比,验证了该方法的有效性。分析了平头、沉头以及半圆头铆钉构成的铆接结构的应力奇异性问题,考察了铆钉材料、几何形式和摩擦系数对接触界面端应力奇异性指数和应力场角分布的影响。     

基于接触协同作用结构非线性屈曲分析

工程结构中结构或构件之间存在接触摩擦现象是较为普遍的,接触协同作用使得结构非线性屈曲问题的数值求解变得困难。该文从这一实际问题出发,采用子结构凝聚自由度的有限元方法得到基于接触界面问题的非线性有限元平衡方程,通过增广拉格朗日乘子法对接触问题的约束条件进行处理,并与柱面弧长法结合,对非线性屈曲问题进行全过程跟踪求解。算例结果表明接触协同作用对结构的非线性屈曲过程影响明显,有必要在实际工程结构设计中考虑接触协同作用的影响。     

三峡永久船闸全衬式闸室衬砌墙锚杆设计优化研究

本文采用考虑三维接触非线性的结构温度徐变仿真计算方法。     

楔环连接结构有限元建模与模态分析

建立楔环连接结构的三维摩擦接触有限元模型,基于实验模态和计算模态对结构参数的敏度分析修正结构有限元模型,利用ANSYS有限元模态分析程序求解自由与固支状态下楔环连接结构的频率与振型,考察了楔环连接结构模态频率之间的内共振.     

非线性干摩擦阻尼结构叶片系统动力学研究现状

综述了非线性干摩擦阻尼结构叶片系统的动力学研究现状.引述国内外大量文献,对非线性干摩擦阻尼结构叶片系统动力学研究中的5个主要问题进行了讨论,它们是干摩擦阻尼结构叶片非线性动力学方程的求解方法、界面摩擦模型简化、接触运动学模型、叶片主结构模型的简化、摩擦约束叶片系统的非线性动力学行为.阐述了常用的各种模型及求解方法的优缺点,最后并提出了该领域值得进一步研究的几个关键问题.     

基于ABAQUS的凸轮式响应放大黏滞阻尼器消能体系抗震性能分析EI北大核心CSCD

针对所提出的凸轮式响应放大黏滞阻尼器(cam response amplification viscous damper,CRAD-VD),基于ABAQUS软件开发CRAD-VD耗能单元,编制相应消能体系非线性有限元分析的显式求解程序;将单自由度减震体系的ABAQUS计算结果与MATLAB程序分析结果进行对比,验证所开发CRAD-VD耗能单元及求解程序的准确性;进而开展装配式消能体系三维非线性模型的抗震性能分析。结果表明:开发的CRAD-VD耗能单元及求解程序可准确计算三维结构模型;三维结构体系串联小吨位黏滞阻尼器就可以得到直接安装大吨位阻尼器相似或更好的响应控制效果,有效降低装配式框架梁柱的损伤程度,体现出CRAD的响应放大效应;串联阻尼器的位移幅值始终等于预设偏心距,可避免阻尼器在极罕遇地震下位移超限而失效的问题。     

一种适用于求解大规模结构的分步接触算法及其工程应用

大规模结构接触非线性问题的求解是当前工程界研究的热点和难点。该文基于传统的Lagrange乘子法提出了一种新的分步接触算法。该算法的基本原理是将接触问题分两步求解,第一步求解由整体系统力系平衡方程构成的控制方程,第二步求解接触局部区域的约束方程。该算法利用Lagrange乘子来精确模拟接触约束条件,同时对传统的Lagrange乘子法进行了解耦降维处理,所需存储量小、易于实现并行化,且通过引入缩放因子进一步提高了其求解效率,故非常适合高效求解大规模结构的接触问题。经典Hertz接触算例和平面双缝坝算例的结果验证了该算法的正确性,考虑内外衬接触非线性的穿黄隧洞整体模型工程应用算例说明了该算法的有效性。     

利用频域求解器模拟计算谐振腔的谐振特性

以“通过法测品质因数”的冷测实验为理论基础,通过理论分析、数值模拟和冷测实验证明了利用三维电磁仿真软件的频域求解器也能模拟获得涂覆衰减材料的谐振腔本征模的谐振特性.对同一个涂覆衰减材料的谐振腔,该方法的计算结果和JDM本征模求解器的计算结果一致,并经冷测实验验证,计算精度很高,最重要的一点是该方法计算速度很快,解决了JDM本征模求解器因考虑损耗降低仿真速度的问题.     

三维冲击-动力接触问题数值分析的一种高效算法

本文要二维冲击－动力接触问题^[3]和三维弹性接触有限元混合法的基础上,给出了三维冲击－动力接触问题的有限元混合算法,该方法将整个系统的等效刚度议程凝缩到接触边界,建立关于接触面的等效柔度方程,在采用Newmark直接积分法求解动力接触问题时必须作适当修正,本文给出了修正方法,由于用直接积分法进行每一时间步动力接触爱代计算时,只震反复求解接触面有效柔度议程,因此具有很高的计算效率。     

大展弦比夹芯翼大攻角颤振分析

首先导出大展弦比复合材料梁弯扭耦合模态的半解析解，对具有NACA0012翼型的大展弦比的夹芯翼，在模态空间内建立了运动方程。然后采用半经验的ONERA非线性气动力模型描述空气动力，形成了对大展弦比夹芯翼大攻角气动弹性问题的描述。通过结构求解器和空气动力求解器联合求解来完成非线性颧振边界的计算。为了验证非线性颤振边界的求解方法，还利用ONERA气动力模型中的线性部分建立了夹芯翼的线性颤振方程。结果表明：零翼根攻角时，线性颤振速度与用非线性颧振边界求解方法得到的颧振速度完全一致；颤振速度随翼根攻角的增加而迅速减小；复合层铺设方式对颤振速度有较大影响。     

Scaling law and enhancement of lift generation of an insect-size hovering flexible wing

We report a comprehensive scaling law and novel lift generation mechanisms relevant to the aerodynamic functions of structural flexibility in insect flight. Using a Navier–Stokes equation solver, fully coupled to a structural dynamics solver, we consider the hovering motion of a wing of insect size, in which the dynamics of fluid–structure interaction leads to passive wing rotation. Lift generated on the flexible wing scales with the relative shape deformation parameter, whereas the optimal lift is obtained when the wing deformation synchronizes with the imposed translation, consistent with previously reported observations for fruit flies and honeybees. Systematic comparisons with rigid wings illustrate that the nonlinear response in wing motion results in a greater peak angle compared with a simple harmonic motion, yielding higher lift. Moreover, the compliant wing streamlines its shape via camber deformation to mitigate the nonlinear lift-degrading wing–wake interaction to further enhance lift. These bioinspired aeroelastic mechanisms can be used in the development of flapping wing micro-robots.     

复合材料加筋板屈曲/后屈曲分析的应用

研究了复合材料加筋板翼面结构稳定性问题,分析了加筋板在压缩和剪切等载荷作用下的稳定性安全裕度。利用计算复合材料加筋板屈曲及后屈曲承载能力的方法,验证复杂受载情况下结构的稳定性。验证对象是一个优化后的满足强度、刚度和工艺制造要求的复合材料机翼。该机翼在各种载荷工况下的内力分布情况由MSC.NASTRAN分析得到,通过本文提出的方法得到每块蒙皮的稳定性承载能力。然后给出复合材料层合板在复杂载荷下的屈曲及后屈曲安全裕度的计算准则,验证优化后的机翼加筋板是否满足稳定性设计要求。该方法可作为约束集成到结构优化系统平台中。     

Analyse technologisch bedingter Spannungen und Verzerrungen in dünnwandigen Bauteilen aus verstärkten Kunststoffen

During technological processes the stress and strain states in structural elements are changing. Such process is the autoclave manifacturing of thinwalled elements made from composites. With respect to the assumed geometrical form (shells of revolution) a contact problem of two coaxial shells will be analysed, one shell is the structural element, the second – the metallic form. The shell theory formulation is based on geometrical nonlinear equations including the transverse shear. In addition, the results of the non-stationary thermal contact problem are taken into account. The solution algorithm allows the calculation of the technological stresses and strains and the prediction of the geometrical variations.     

Analyse technologisch bedingter Spannungen und Verzerrungen in dünnwandigen Bauteilen aus verstärkten Kunststoffen

During technological processes the stress and strain states in structural elements are changing. Such process is the autoclave manifacturing of thinwalled elements made from composites. With respect to the assumed geometrical form (shells of revolution) a contact problem of two coaxial shells will be analysed, one shell is the structural element, the second — the metallic form. The shell theory formulation is based on geometrical nonlinear equations including the transverse shear. In addition, the results of the non-stationary thermal contact problem are taken into account. The Solution algorithm allows the calculation of the technological Stresses and strains and the prediction of the geometrical variations.     

A local thermomechanical model of friction for computing structures under extreme loading conditions

A multiscale thermomechanical model of friction is proposed for metallic interfaces submitted to extreme loading conditions with large sliding velocities ( [v] > 100 ms^?1) and high contact pressures (P > 1 GPa). This model decomposes the friction problem into a global multidimensional structural problem and a local interface subproblem. At global scale, the structure behavior is governed by an elastoplastic model in large strains, and thermal conduction is neglected. The local model describes the micrometric scale and the underlying thermomechanical mechanisms: mechanical hardening, frictional heating, and plastic work. Using dimensional and asymptotic analysis, the corresponding set of equations at local scale is simplified and reduces to a one‐dimensional quasistatic thermoelastoplastic friction model. It is solved locally at each global point by a finite differences subgrid model using a nonlinear time‐implicit solver. This solver is coupled to a time‐explicit Lagrangian hydrocode used at the global structural scale. The coupling strategy between the solvers is force‐based: the frictional stress is evaluated at the local scale by our multiscale friction model and transferred to the global model that can then predict local velocity corrections. This coupling strategy has been successfully tested on real‐life cases. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

移动式架车机伸缩托头-托架接触的有限元分析

采用基于接触对的非线性接触分析处理接触问题时,其分析结果更接近工程应用实际，但计算成本比较高且存在不收敛的情况。而自由度节点耦合分析不但能降低计算成本，而且能够保证一定精度。为了探究在一定误差范围内选用自由度节点耦合分析来替代基于接触对的非线性接触分析的可行性，以举升重量为15 t的移动式架车机为研究对象，在ANSYS软件中建立伸缩托头-托架的接触模型与节点耦合模型，在举升高度最大且伸缩托头完全伸出的工况下进行有限元分析，考虑接触刚度系数与摩擦因数对有限元分析结果的影响，分析了2种模型各接触区域等效应力的区别。通过比较2种模型的有限元分析结果可知，2种模型各接触区域的等效应力值存在一定的相对误差，且接触区域内2个接触面的相对滑动程度决定了接触分析的精度。对于精度要求不高的机械结构，可以考虑用自由度节点耦合分析来替代基于接触对的非线性接触分析。     

ODE求解器求解高层双肢剪力墙结构稳定特征值问题

本文在用连续介质法推导出高层双肢剪力墙结构稳定特征方程的基础上，用常微分方程（简称：ＯＤＥ──ＯｒｄｉｎａｒｙＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＥｑｕａｔｉｏｎ）求解器研究该结构的稳定特征值问题。首先，将该特征值问题归结为标准的非线性ＯＤＥ边值问题；然后用ＯＤＥ求解器求解这一等价的非线性问题。得到的结果与加权余量法和有限差分法结果进行比较，吻合得很好，表明稳定特征值问题能够凭借ＯＤＥ求解器的功效得以精确、可靠、方便地求解。     

ㄇ形梁剪力滞效应的解析解

精确分析ㄇ形梁在纵横向荷载共同作用下,其横断面上正应力分布规律对于计算其有效宽度有重要意义,应用力法原理,先将ㄇ形梁和翼板截开成矩形截面梁和平面应力板,在截面上代之以赘余的分布剪力,对于平面应力板,通过利用板变形的对称性来简化其边界条件,然后假设一个满足板的控制方程的Airy应力函数求得板的应力和位移,再利用Timoshenko梁理论求得梁的挠度和转角,根据截面上梁与板的纵向位移相等的变形协调条件便可最终确定截面上的分布剪力,给出的数值算例验证了方法的有效性,并与铜陵长江公路大桥主梁的模型有限元结果和试验结果作了对比,解析解法还可用来检验其他各种数值计算方法的精度,并可推广到其他多跨薄壁结构梁桥的膜应力分析中。     

无轨伸缩式门式起重机接触部位的有限元分析

非线性接触分析在处理接触问题时可以更加接近工程实际,但在实际应用中,接触参数设置复杂、计算效率低以及计算收敛性难以保证等因素制约了它的实用性。节点耦合分析是不存在收敛问题的线性分析,计算成本比接触分析低。为了探讨2种模型在应用中的差异,研究节点耦合线性分析代替非线性接触分析的可行性,以起重量为12 t的无轨伸缩式门式起重机为例,在有限元分析软件ANSYS中分别构建其接触模型和节点耦合模型,考虑接触刚度和摩擦系数对计算结果的影响,在伸缩支腿全伸的工况下比较2种模型下无轨伸缩式门式起重机各接触部位等效应力值的差异。通过对比计算结果发现：2种模型中,最大等效应力均出现在车架施加起升载荷处,计算值相差1.3%,结果差异不大。由于节点耦合分析忽略了摩擦系数,所以2种模型中各接触部位等效应力值存在差异,根据接触部位的相对滑动,在接触模型中选择合适的摩擦系数可减小此差异。研究结果表明：考虑接触区域相对滑动对计算结果的影响,节点耦合分析能较好地模拟接触分析,对于精度要求不高或接触区域基本无相对滑动的模型,可采用节点耦合分析这种简化方式来代替接触分析,以提高计算效率。