大型空间结构的热-结构动力学分析

空间结构在辐射换热条件下的热诱发振动是导致空间结构失效的一种典型模式。弄清热诱发振动的机理是理解热诱发振动失效的基础。本文针对常见的空间薄壁杆件结构，提出了一种能够对复杂结构及加热条件进行比较准确的温度场和热诱发振动分析的有限元方法。首先利用一种Founer-有限元方法，同时考虑杆截面内平均温度和温差，求解了包含辐射非线性的瞬态热传导问题，并推荐了一种有效降低求解规模的减缩近似方法-Lanczos方法。在此基础上，用有限元法求解了杆件结构的热诱发振动问题，并就杆截面内平均温度和温差对结构振动的影响以及最大动静态响应的比值分别进行了讨论．合理地解释了一类常见的热诱发振动现象，本文的数值算例说明了这点。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

辐射换热下瞬态热一结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热一结构分析的空间薄壁杆单元，其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度，沿杆轴方向采用两结点线性插值，沿杆截面周向用三角函数展开，每结点含多个解耦的自由度，其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性，各谐摄动温度方程为线性，然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Bernoulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解，针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力，还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的粱单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例，并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

空间薄壁管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对于辐射换热的薄壁杆件航天结构，为分析其在太空中不同时刻的姿态下的温度场和热变形，构造了一种相对自由度矩形管单元。其基本思想是从2维非线性瞬态热传导方程出发，假设沿矩形管横截面上每边的温度为线性分布，用4个角点的平均温度和温差来表示矩形管横截面上的温度分布，构造了一种1维2结点温度杆单元，该单元每个结点包含平均温度，上下面温差，左右面温差3个自由度；在计算热变形时，此三个广义温度参数分别对应热轴力和2个热弯矩载荷。经与三维有限元计算结果的比较，证明用该单元计算的矩形管温度场和位移场是可靠的。利用这种新型的薄壁矩形管单元和本文作者在其他文章中提出的薄壁圆管单元，可以对非线性换热条件下的复杂空间结构进行比较准确的温度场和热变形有限元分析，最后本文计算了考虑遮挡的太阳能帆板的瞬态温度场和热变形以说明其应用价值。     

大型空间结构热?动力学耦合分析方法综述

近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热?动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.      

加强型薄壁杆件约束扭转数值分析

在航空、船舶、建筑、机械等各工程领域中,广泛应用由型钢或组合结构组成薄壁杆件.薄壁杆件按其截面力学特征,分开口截面及闭合截面两类.闭合截面远比开口截面具有强劲的抗扭刚度,为了提高开口截面薄壁杆件的抗扭承载能力,可在开口截面上沿杆长方向加设一系列横向联系杆(如板、管、型钢),这就形成第三种类型薄壁杆件,即称之为加强型薄壁杆件,...     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵

推导了薄壁空间梁单元刚度矩阵 ,考虑了双向弯曲及截面约束扭转对杆件轴向变形的影响 ;计算了截面的翘曲变形 ,以及二次剪应力对翘曲变形的影响 ,可适用于任意截面 (包括开口、闭口和混合剖面 )的薄壁杆件。计算结果表明 ,考虑约束扭转的薄壁梁单元刚度矩阵有相当好的精确度 ,可以用于薄壁杆件的静动力分析。     

A NEW SPATIAL THIN-WALLED BEAM ELEMENT INCLUDING TRANSVERSE AND TORSIONAL SHEAR DEFORMATION

基于Timoshenko梁及Benscoter薄壁杆件理论,建立了考虑剪切变形、弯扭耦合以及翘曲剪应力影响的空间任意开闭口薄壁截面梁单元. 通过引入单元内部结点,对弯曲转角和翘曲角采用三节点Lagrange独立插值的方法,考虑了剪切变形和翘曲剪应力的影响并避免了横向剪切锁死问题;借助载荷作用下薄壁梁的截面运动分析,在位移和应变方程中考虑了弯扭耦合的影响. 通过数值算例将该单元的计算结果与理论解以及商用有限元软件和其他文献中的数值解进行对比和验证,结果对比表明该薄壁梁单元具有良好的精度和收敛性.     

偏压薄壁杆稳定计算的有限杆元法

根据能量原理,综合三次B样条函数、有限单元法和经典Vlasov薄壁杆理论的优点,提出偏压薄壁杆稳定计算的有限杆元法．推导和求解过程中,同时考虑了截面扭转、翘曲和杆中面上剪应变的影响,可适用求解常用边界条件,任意截面形状的薄壁杆特征值问题．与经典方法比较显示着该文计算方法的有效性．     

引入Sierpinski层级特性的新型薄壁多胞管轴向冲击吸能特性

为提高薄壁结构的吸能能力，基于Sierpinski分形结构提出了一种具有层级特性的新型薄壁管，即Sierpinski层级管（Sierpinski hierarchical tube, SHT）。采用非线性有限元法对SHTs在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了数值分析，并与普通三角形薄壁管在轴向冲击载荷作用下的变形模式和能量吸收特性进行了对比。结果表明:SHTs的变形模式为轴对称渐进屈曲模式，在薄壁管中引入Sierpinski层级特性后，胞壁弯曲过程的半折叠波长减小，促使压缩过程中形成更多的塑性折叠单元，有利于提高薄壁结构能量吸收能力。进一步基于能量守恒理论和塑性铰理论对SHTs的轴向压缩应力进行理论求解，并通过有限元数值模拟验证其准确性。在相同的相对密度下，一阶、二阶及三阶SHTs的动态压缩应力较普通三角形薄壁管的动态压缩应力提高了85.8%、138.2%和183.8%。将Sierpinski层级特性引入薄壁管的设计中，能够有效提高薄壁管的耐撞性能。     

A Thermomechanically Consistent Constitutive Model for Polyoxymethylene

In this article tension, compression and torsion tests are presented using thin-walled tubes of polyoxymethylene (POM). These isothermal experiments show non-linear rate dependence, a tension–compression asymmetry and a pronounced relaxation behaviour. On the basis of the experiments carried out, a constitutive model of viscoplasticity with an equilibrium hysteresis in the small-strain regime is developed. Test calculations using finite elements based on the DAE approach show the capabilities of the thermomechanically consistent model. In particular, a very efficient stress algorithm can be derived which has no iteration on the element level. Moreover, it will be shown that time-adaptive finite elements could be of high importance if rate-dependent constitutive models are applied.     

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考虑共面载荷作用时薄壁蜂窝铝孔壁的弯曲、伸缩和剪切变形,基于Timoshenko粱理论精 确推导出了其共面弹性模量的计算公式,并利用壳单元设计了利用蜂窝铝特征单元来求共异 面弹性模量的有限元方法. 对厂家提供的两种蜂窝样品分别利用理论和有限元法进行了计算, 计算结果和实验数据相吻合,证明理论公式和有限元法的正确性. 最后就结构参数对蜂窝铝 各弹性模量相关材料效率的影响规律进行了分析.     

截锥型薄壁结构声振耦合动力特性分析

采用大型通用软件ANSYS,建立截锥型薄壁结构的实体有限元动力学模型,通过与相关实验数据的对比验证了模型合理性。据此,利用无限元模拟自由声场边界,建立声场-截锥型薄壁结构的直接耦合有限元动力学模型。通过数值仿真分析研究了声场中截锥壳结构的振动特性,并讨论了声振动对结构动力特性的影响。研究结果表明:数值仿真结果和截锥壳声振实验数据比较一致。在考虑声场影响后发现:结构位移共振频率值大多有所降低,结构位移共振频率数量显著增多;在低频下,结构位移响应峰值在声场的影响下明显增大;在高频下则明显减小。     

Geometrically nonlinear finite-element models for thin shells with geometric imperfections

A finite-element method to analyze the stress–strain state and stability of thin shells with geometric imperfections is proposed. An arbitrary curvilinear finite element with vector approximation of the displacement function is used. To solve the systems of nonlinear algebraic equations by iteration methods, linearized stiffness matrices of finite elements and residual and load vectors are formed. The stress–strain state of a thin-walled shell with real geometric imperfections under surface pressure and axial compression is analyzed. The effect of geometric imperfections on the critical combination of loads is evaluated     

New accurate efficient modeling techniques for the vibration analysis of T-joint thin-walled box structures

We propose new accurate efficient modeling techniques for the vibration analysis of T-joint thin-walled box structures. The essence of the present techniques is to use beam elements to model thin-walled members of the joint, but the elements are based on an eight-degree-of-freedom (8-DOF) beam theory capable of handling warping and distortion. Two approaches are considered to model the interfacing joint region connected to three adjacent thin-walled box structures: the first one is to model the joint region with plate elements and the second one is to use a joint element derived to be consistent with nearby 8-DOF beam elements. The efficiency of the present techniques comes from the use of beam elements to model the box structures while the accuracy comes from the use of the higher-order beam theory accounting for warping and distortion. The procedures to match the dissimilar elements and to develop the joint element are also presented in this work. The effectiveness of the present approaches is demonstrated by numerical examples.     

A lower bound on snap-through instability of curved beams under thermomechanical loads

A non-linear finite element formulation (three dimensional continuum elements) is implemented and used for modeling dynamic snap-through in beams with initial curvature. We identify a non-trivial (non-flat) configuration of the beam at a critical temperature value below which the beam will no longer experience snap-through under any magnitude of applied quasi-static load for beams with various curvatures. The critical temperature is shown to successfully eliminate snap-through in dynamic simulations at quasistatic loading rates. Thermomechanical coupling is included in order to model a physically minimal amount of damping in the system, and the resulting post-snap vibrations are shown to be thermoelastically damped. We propose a test to determine the critical snap-free temperature for members of general geometry and loading pattern; the analogy between mechanical prestress and thermal strain that holds between the static and dynamic simulations is used to suggest a simple method for reducing the vulnerability of thin-walled structural members to dynamic snap-through in members of large initial curvature via the introduction of initial pretension.     

Deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy under temperature gradient

The crystallographic constitutive model under temperature gradient is developed and introduced to study the deformation and failure mechanisms of single crystal superalloy. Tensile tests of thin-walled pipe specimen at different temperatures without cooled air flow were carried out. Based on the experimental results, the temperature dependence of constitutive model was studied and the basic parameters of constitutive model were obtained. To investigate the deformation and failure mechanisms, the thin-walled pipe specimen with cooled air flow under temperature gradient were tested. Considered the fluid-solid interface (FSI), a finite element method (FEM) was proposed to simulate the process of tension. In FEM, the activation rate of slip system was defined as the failure law of specimen under temperature gradient. The simulation result was in good agreement with the experiment result. Furthermore, the fracture surface of the specimen was observed by the scanning electron microscopy (SEM). The microstructure revealed that the slip deformation belonged to {1 1 1} crystalplane is a principal failure mechanism of single crystal superalloy under temperature gradient. The results of the SEM also implied that the proposed FEM method can be used to systemically study the deformation and failure behavior of single crystal superalloy cooled blade.     

开口薄壁杆件结构稳定分析的精确单元和两步求解算法

从控制微分方程的通解出发,构造受偏心压力作用开口薄壁杆件的精确形函数,建立用于开口薄壁杆件结构稳定性分析的精确有限元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,提出了计算给定区间内各阶临界荷载以及相应失稳模态的两步计算方法。计算结果表明,与常规单元相比,采用精确单元无需进行网格细分就可以获得精确的数值结果,结合本文的两步求解算法,可以准确获得给定区间内全部临界荷载和失稳模态。