热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

垂直热发射过程弹架耦合作用研究

研究裸弹垂直热发射过程系统的动态响应及其对导弹运动的影响。对车载导弹发射系统进行了简化和等效建模,进行了导弹起飞过程的理论分析,基于动力学和有限元软件建立了系统刚柔耦合多体动力学模型,对发射过程展开了动力学仿真与分析,并进行了多刚体与刚柔耦合两类模型计算结果对比。数值模拟结果表明,导弹起飞过程与发射车的耦合作用明显,系统振动对导弹起飞姿态产生影响,发射车振动衰减特性良好,柔性发射台模型能够较好反映发射过程系统动态响应以及弹架耦合特性。     

空间热载荷作用下星载天线耦合动态影响分析

为了研究空间热载荷对星载天线刚柔耦合多体系统的扰动,根据抛物反射面几何特征,采用壳体单元有限元离散化法,并考虑壳体厚度方向上的温度变化,建立了有限元列式的热传导方程;引入与应变能有关的耦合项,利用拉格朗日法推导了星载天线系统的大范围刚柔耦合动力学方程,研究了温度载荷对星载天线多体系统的动力学特性影响。仿真结果表明:空间热效应引起了动态的温度载荷,与结构变形发生耦合,诱发耦合颤振,加剧柔性反射面的弹性振动,造成卫星姿态和天线指向的扰动,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

多体动力学热-结构耦合圆管单元及其应用

航天器柔性附件在突加太阳辐射热载荷作用下的热诱发振动会严重影响航天器的正常工作。航天器是典型的多体系统;部件间的相互作用会严重影响航天器的热诱发振动响应,因而有必要使用多体系统动力学的方法对此进行研究。该文在柔性多体系统动力学框架内,推导建立了一种考虑辐射换热的热-结构耦合圆管单元。温度变化会使圆管单元产生轴向伸缩和横向弯曲;同时,在给定辐射热流作用下,圆管单元受热条件与其姿态和变形相关。使用该圆管单元、刚体单元和柔性体单元可以实现多体系统动力学热-结构耦合分析。该文的方法首先用于哈勃太空望远镜太阳能电池板简化模型的热诱发振动分析,所得结果与文献结果吻合良好。然后,该文研究了由本体、动量轮、柔性支撑杆和端部质量组成的航天器在突加辐射热流作用下的振动响应。结果表明:各部件间的相互作用会对航天器的热诱发振动响应产生显著影响。     

一类考虑温度效应的截面插值梁模型

提出了一种截面插值梁模型,利用该模型求解梁在非均匀热载荷作用下的动静态响应,解决了传统梁理论无法处理受不均匀温度场的梁的问题。利用拉格朗日插值函数对梁单元的截面和轴向分别插值,构造梁的位移场。将位移场代入热弹性动力学方程,得到单元应变和应力,再依据虚功原理推导出单元刚度矩阵、质量矩阵以及等效节点载荷列阵,求解得到热应力。利用热应力的横向剪切力更新单元刚度矩阵,计算梁在热载荷作用下的振动特性。计算结果表明,该方法得到的结果与实体单元模型结果吻合,并且更易于处理受非均匀热载荷作用的细长结构,同时能很好地反映截面的形状、受载及响应结果。     

敷设覆盖层圆板水下爆炸响应理论计算方法研究

为研究敷设覆盖层圆板水下爆炸响应,提出一种理论计算方法。敷设覆盖层对圆板水下爆炸响应影响包括两方面:一为对冲击载荷的影响,二为在冲击载荷作用下对响应的影响。该理论计算方法运用波在多层介质传播理论得到湿表面压力,并积分得到冲量,运用等效均一化理论得到覆盖层与钢板整体结构的等效参数,根据圆板振动理论得到圆板真空振动方程,通过考虑水附加质量的影响修正圆板振动频率,最后根据初始条件得到圆板的响应。将理论方法的结果与有限元结果通过实例进行对比,证明该理论计算方法可以很好地预测圆板振动的位移响应。     

柔性连接钢框架简化分析的等效代替框架法

本文用变刚度的螺旋弹簧模拟钢框架梁柱节点柔性连接的弯曲特性,推导了柔性连接钢框梁单元的转角位移方程。通过引入横梁修正线刚度,将等效代替框架法推广应用于柔性连接钢框架的结构分析,其计算十分简便。     

大型可展开天线与卫星的热致耦合动力学分析

以带有大型环形可展开天线的航天器为研究对象,采用有限元法,对大型可展开天线进行了在轨进出阴影区的瞬态温度求解;并基于卫星-天线刚柔耦合动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到天线上,对整星系统的热致耦合动力学响应进行了数值模拟。结果表明,天线进出阴影期间,自身温度梯度主要存在于迎光侧与背光侧之间,并基于此可估算出天线的热响应特征时间;时变热载荷会导致天线结构和卫星姿态发生明显的振动响应,天线结构振动响应主要集中在第一、二阶固有模态上,卫星则会发生低频姿态振荡运动;该方法可以合理地预测大型可展开天线系统的热致耦合动力学响应。     

基于改进型GDQ法FGM纳米梁的热-机耦合振动及屈曲特性分析

基于Eringen非局部线弹性理论,采用n阶广义梁理论(GBT),应用改进型广义微分求积(MGDQ)法数值研究了初始轴向机械力及热载荷共同作用下功能梯度材料(FGM)纳米梁的耦合振动及耦合屈曲特性。考虑了材料性质的温度相关性,且温度沿梁的厚度方向按不同类型稳态分布,采用Voigt混合幂率模型表征FGM纳米梁的材料属性。在Hamilton体系下统一建立描述结构耦合振动及屈曲问题力学模型的控制微分方程。通过引入梁边界条件控制参数,实施了3种典型边界FGM纳米梁耦合振动响应MGDQ法求解的MATLAB统一化编程。基于屈曲与振动这两类静动态响应之间的二元耦联性,通过编写相应循环子程序用来获得屈曲静态响应。与已有研究结果对比表明:该分析方法切实可行、行之有效,极大地提高了计算效率。最后,分析了梁理论、边界条件、尺度效应非局部参数、初始轴向机械力、温度分布、升温、热-机耦合效应、材料组分梯度指标、跨厚比等诸多参数对FGM纳米梁振动及屈曲特性的影响。     

动力设备荷载模拟及设备－桩基体系非线性动力分析

采用人工模拟设备动力荷载对桩基和上部设备协同工作体系进行了非线性振动时程分析。在分析过程中,针对设备振动荷载不易确定的特点,根据实测的荷载时程曲线,以及设备的极限荷载,按平稳高斯过程三角级数模型构造人工荷载时程曲线,将其作为设备的外部施加动荷载。在设备－桩基体系协同工作有限元模型中,采用粘滞边界模拟承台周边的地基土,地基弹簧弹性系数采用粘-弹性半空间法计算,使得整个体系的计算规模得到简化。利用模态叠加法对该体系进行动力时程分析。将上述方法应用到常州盘固水泥厂水泥立磨设备基础分析,并与实测结果进行对比,验证了该方法的计算精度。     

A topological optimization approach for structural design of a high‐speed low‐load mechanism using the equivalent static loads method

In high‐speed low‐load mechanisms, the principal loads are the inertial forces caused by the high accelerations and velocities. Hence, mechanical design should consider lightweight structures to minimize such loads. In this paper, a topological optimization method is presented on the basis of the equivalent static loads method. Finite element (FE) models of the mechanism in different positions are constructed, and the equivalent loads are obtained using flexible multibody dynamics simulation. Kinetic DOFs are used to simulate the motion joints, and a quasi‐static analysis is performed to obtain the structural responses. The element sensitivity is calculated according to the static‐load‐equivalent equilibrium, in such a way that the influence on the inertial force is considered. A dimensionless component sensitivity factor (strain energy caused by unit load divided by kinetic energy from unit velocity) is used, which quantifies the significance of each element. Finally, the topological optimization approach is presented on the basis of the evolutionary structural optimization method, where the objective is to find the maximum ratio of strain energy to kinetic energy. In order to show the efficiency of the presented method, we presented two numerical cases. The results of these analyses show that the presented method is more efficient and can be easily implemented in commercial FE analysis software. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析

本文提出了考虑土-结构相互作用计算大型机器基础动力反应的三维有限元方法.该方法将动力机器基础与周围地基作为一个完整的研究对象,将基础作为粘弹性体反映基础变形,建立粘-弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼和远场地球介质的弹性恢复性能,并通过构造等效弹簧实体元使这一人工边界在商业有限元程序中实现。文中进一步将上述方法用于分析燕化高压聚乙稀装置压缩机基础的动力反应，并通过数值试验定量讨论了影响大型机器基础动力反应的主要因素，得出了一些有用的结论。     

动载荷激励下板壳结构加筋自适应成长方法

自适应成长法是基于自然界分支系统形态形成机理的一种高效结构拓扑优化设计方法。通过引入等效静态载荷法理论,运用自适应成长法解决板壳加筋结构在承受动载荷激励下的动态响应拓扑优化设计问题。根据板壳结构所受的动载荷边界条件,构建以动柔度为目标的优化数学模型,推导迭代公式,使板壳结构的加强筋从"种子"开始,沿着使结构最佳力学性能方向成长,从而形成最优加强筋分布形态。研究在简谐载荷和冲击载荷作用下的板壳结构加强筋设计例,并与静态载荷作用下的设计结果进行比较。研究结果表明,板壳结构在动态载荷作用下,其主加强筋布局形态和在静态载荷作用下相同,但在靠近载荷作用点附近出现与主加强筋平行的截面积较小的加强筋,以增加抵抗动态载荷的作用;而冲击载荷作用下的加强筋与一般简谐载荷作用下的加强筋相比,多出一层较复杂的框型筋板抵抗瞬时冲击力。     

The lateral load-deformation response of RC walls with a consideration of the height–length ratio

Reinforced concrete (RC) walls play an important role in resisting earthquakes, so understanding the lateral load-deformation response of an RC wall subjected to an axial load, shear, and moment is essential to nonlinear structural analysis. In this study, the moment-bending deformation response of an RC wall under an axial load and moment is obtained from moment–curvature analysis using the wall’s proper plastic hinge length. Furthermore, modified compression-field theory, adjusted according to the height–length ratio of the wall, is used to calculate the shear–shear deformation response of the wall under an axial load and shear. By integrating the moment-bending deformation and the shear–shear deformation responses, the lateral load-deformation response of the RC wall under axial load–moment–shear interaction can be reasonably determined. To confirm the reliability of the proposed method, experimental results for 67 RC walls are compared with analysis results from the proposed method. The statistical results show that the proposed method accurately predicts the lateral ultimate load but somewhat underestimates the lateral ultimate deformation. Finally, this paper gives an example using an equivalent column to simulate an RC wall using SAP2000 pushover analysis.     

垃圾填埋场的地震响应特性分析

采用二维等效线性有限元程序对典型山谷型填埋场进行非线性动力分析。综合考虑了地基刚度、动荷周期、幅值及填埋体的刚度对填埋场顶部加速度响应特性的影响,从地基基本周期 、地震卓越周期 和填埋场的基本周期 三者相互关系的角度得出了填埋场地震响应的普适性规律：各种影响因素都是通过改变这三个周期的相对大小关系来改变填埋场的响应情况。当 ＝ ＝ 时,填埋场顶部的响应达到最大;如果 ＝ 或者 ＝ ,则填埋场的动力响应值中等;三个周期相差甚远时,填埋场的响应值最小。通常情况下 较大, 较小,对于压得很密实或者填埋时间长久的填埋场,剪切波速增加使 减小;地震幅值的增加,由于材料的非线性使得 和 增加,从而容易使周期接近,而激发较大响应。该结果对填埋场抗震设计有指导意义。     

屋盖结构背景响应等效风荷载的一种简化算法

屋盖结构以非共振响应为主,因此适用于共振响应的阵风荷载因子法已不再适用,而LRC法由于具有计算繁琐、与响应位置和类型有关等不足而难于应用。提出以最大(小)升力为目标的荷载升力相关(LLC)法,分析其原理,并给出具体的计算步骤。当风压为全相关时,LLC法得到的等效风荷载即为屋面的脉动风压,因而LLC法将用于结构整体计算和围护结构计算的风荷载公式相统一。通过两个实例检验LLC法计算低层房屋屋盖结构等效风荷载时的合理性。     

Dynamic response of prismatic metallic sandwich tubes under combined internal shock pressure and thermal load

This paper presents an analytical model for the transient thermomechanical response in the sandwich tube subjected to internal shock pressure and thermal load. A sandwich model (3-layers model) and a multilayer model for predicting transient temperature are proposed, and the effective thermal conductivities in each layer are obtained by the analytical method based on the Fourier law of conduction. The analysis of dynamic response is conducted by using the high order sandwich shell models, considering the shear deformation and compressibility of the core. Moreover, several numerical simulations are carried out by finite element (FE) analysis, which are compared with the results obtained by using analytical models. The slight discrepancies between the numerical simulations and analytical results indicate that the sandwich model (3-layers model) can predict the transient temperature in the sandwich tube correctly, and the thermomechanical response obtained by the high order sandwich shell model is within acceptable accuracy. Thermal stresses are strongly dependent on temperature gradient in the sandwich wall. The dynamic resultant forces with large amplitudes will induce structural fatigue, which is harmful to the structural life and reliability. Therefore, the thermal stresses should be considered for the design of sandwich tubes or pipes subjected to thermomechanical load.     

Dynamic response of prismatic metallic sandwich tubes under combined internal shock pressure and thermal load

This paper presents an analytical model for the transient thermomechanical response in the sandwich tube subjected to internal shock pressure and thermal load. A sandwich model (3-layers model) and a multilayer model for predicting transient temperature are proposed, and the effective thermal conductivities in each layer are obtained by the analytical method based on the Fourier law of conduction. The analysis of dynamic response is conducted by using the high order sandwich shell models, considering the shear deformation and compressibility of the core. Moreover, several numerical simulations are carried out by finite element (FE) analysis, which are compared with the results obtained by using analytical models. The slight discrepancies between the numerical simulations and analytical results indicate that the sandwich model (3-layers model) can predict the transient temperature in the sandwich tube correctly, and the thermomechanical response obtained by the high order sandwich shell model is within acceptable accuracy. Thermal stresses are strongly dependent on temperature gradient in the sandwich wall. The dynamic resultant forces with large amplitudes will induce structural fatigue, which is harmful to the structural life and reliability. Therefore, the thermal stresses should be considered for the design of sandwich tubes or pipes subjected to thermomechanical load.     

分层土中单桩和群桩的水平动力阻抗计算

采用文克尔地基梁模型,在各分层土中建立单桩水平振动微分方程,利用各分层土之间桩的连续性条件和桩顶、桩底边界条件,求解单桩振动方程。结合单桩动力阻抗和相互作用因子求解群桩水平动力阻抗。根据能量守恒原则,利用桩的水平静载变形曲线求取分层土等效为均匀土层的参数,提出将分层土等效化为均匀土近似计算单桩和群桩水平动力阻抗的方法,通过算例分析,得到一些有意义的结论。