用几何规划求解梁截面尺寸优化设计

梁的优化设计是一个非常复杂的问题,本文直接取截面尺寸为设计变量,用广义多项式处理方法化梁优化模型为符号几何规划,再用几何规划的切割平面法进行了求解,实现了多变量梁截面尺寸的优化设计,并用几个算例进行了验证。     

用分片合成法计算3点弯曲圆梁裂纹试样的柔度

本文用分片合成法计算了两种3点弯曲圆梁的柔度.这种方法将圆梁剖分成若干片,把每片当成矩形截面的3点弯曲梁,再将各片的柔度合成得到圆梁的柔度.计算结果颇佳.这种方法可以推广应用于其它构形复杂的裂纹试样.     

一种高灵敏度石英微机械陀螺敏感器件

针对石英晶体各向异性的特点,设计了一种驱动梁为双"W"截面形状的石英音叉微机械陀螺,通过在驱动梁表面凹槽两端设置深凹槽,有效提高了凹槽侧壁的陡直性,进而提高了驱动梁内部电场的激励效率和陀螺灵敏度。采用有限元仿真的方法,分析了不同截面形状的驱动梁压电激励力的相对大小,优化设计了陀螺芯片结构参数。依据陀螺芯片的结构,设计了合理的工艺方案并在3英寸石英圆片上制作出了三种驱动梁截面形状的陀螺器件,测试结果表明,相对于矩形驱动梁截面的陀螺芯片,双"W"形驱动梁截面的陀螺芯片的灵敏度提高约60%。     

屈曲载荷对梁与扭杆截面设计的限制

在材料力学中,梁的弯曲正应力与离开中性轴的距离成比例地增长,对给定的梁的横截面积,取高度方向狭长的截面形状时可提高梁的强度.对于扭转问题也有结论为:空心圆扭杆的剪应力沿截面呈线性分布,对给定的截面积,则使极惯性矩取大时可提高杆的抗扭强度.又我们从稳定理论知道:这种设计方法受到梁的侧向屈曲以及圆扭杆的扭转失稳的限制.在通常的材料力学教材中一般很少提及这种限 ...     

用奇异函数法求解某些变截面梁的变形

对于阶梯形及锥形等变截面梁,如果采用直接积分法分析其变形,则计算十分繁冗.因此,在目前各类材料力学教科书,手册及文献中,推荐采用能量法、力矩-面积法、叠加法、当量直径法、差分法及图解法等来解算变截面梁的变形.在这些方法中,前三种方法仅适用于求解梁上指定截面的变形,后几种方法则仅适用于近似计算.早在1944年,C.L.Brown 即已建议运用奇异函数法求解阶梯形梁的变形.利用奇异函数法可以     

用奇异函数法求解某些变截面梁的变形

对于阶梯形及锥形等变截面梁,如果采用直接积分法分析其变形,则计算十分繁冗.因此,在目前各类材料力学教科书,手册及文献中,推荐采用能量法、力矩-面积法、叠加法、当量直径法、差分法及图解法等来解算变截面梁的变形.在这些方法中,前三种方法仅适用于求解梁上指定截面的变形,后几种方法则仅适用于近似计算.早在1944年,C.L.Brown 即已建议运用奇异函数法求解阶梯形梁的变形.利用奇异函数法可以...     

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。     

变截面四节点梁元刚度矩阵及其在飞机结构分析中的应用

本文基于截面变形的平面假设和截面参数的逆线性假设,导出了计算梁腹钣剪切变形的小锥度变截面四节点梁元的刚度矩阵。从而,对多梁多肋的翼型,可把平盒式结构的三角形元素作蒙皮和梁元素为内部构件的这种理想化模型推广到斜盒式结构,使得这种结构理想化模型能方便地用于飞机结构分析。论证计算表明效果是良好的。     

薄壁截面梁的歪曲屈曲

本文在梁的整体屈曲分析中,废除了传统的刚性截面假定(刚周边假定),允许梁截面自由地歪曲,进而研究了薄壁截面梁的歪曲屈曲性能。分析中采用了样条有限条法,考虑了各种不同的荷载形式、支承条件和边界约束。这一方法与有限元法相比较,计算工作量大大地减少。数值计算结果表明,在梁长细比的较大范围内,歪曲屈曲模型对梁的设计起控制作用。     

轴向功能梯度Timoshenko变截面梁的屈曲分析

运用插值矩阵法研究了不同边界条件下轴向功能梯度材料变截面Timoshenko梁的屈曲性能问题。基于Timoshenko梁基本理论,将轴向功能梯度变截面Timoshenko梁临界荷载的计算转化为一组变系数常微分方程特征值问题,然后运用插值矩阵法可一次性地计算出轴向功能梯度变截面梁在不同边界条件下的屈曲临界荷载。当区间划分点数n为80时,在不同的边界条件下均质材料等截面Timoshenko梁量纲为一的临界荷载的本文计算值与解析解有7位有效数字相同,轴向功能梯度Timoshenko锥形梁量纲为一的临界荷载的本文计算值与已有文献计算结果有3~5位有效数字相同,数值计算结果表明了本文方法的有效性和较高的计算精度。同时,本文方法可获取相应的挠度模态函数,而且对于材料梯度函数和截面几何轮廓的具体形式无任何限制条件。     

复杂工程约束下基于NSGA-Ⅲ的车身梁截面优化设计

在汽车概念设计阶段,车身常由薄壁梁简化而成,其截面对轿车白车身刚度有直接影响。多室的薄壁梁截面极其复杂,在设计过程中不仅需考虑其力学性能,还需符合制造加工过程的各种工艺约束。本文基于薄壁梁截面设计的装配性与制造性等实际工程约束,提出一种梁截面形状控制方法以兼容多种工程约束。定义了梁截面多目标优化模型,以基于参考点的遗传算法NSGA-Ⅲ作为高维多目标优化问题算法,实现了相应的软件模块对截面惯性矩和扭转常量等参数进行优化。最终通过算例测试证明此方法的有效性。     

Analysis of curved beams using a new differential transformation based curved beam element

Differential transformation method is used to obtain the shape functions for nodal variables of an arbitrarily non-uniform curved beam element including the effects of shear deformation considering axially functionally graded material. The proposed shape functions depend on the variations in cross-sectional area, moment of inertia, curvature and material properties along the axis of the curved beam element. The static and free vibration of axially functionally graded tapered curved beams including shear deformation and rotary inertia are studied through solving several examples. Numerical results are presented for circular, parabolic, catenary, elliptic and sinusoidal beams (both forms—prime and quadratic) with hinged-hinged, hinged-clamped and clamped-clamped and clamped-free end restraints. Three general taper types (depth taper, breadth taper and square taper) for rectangular cross section are studied. Out of plane vibration is studied and the lowest natural frequencies are calculated and compared with the published results. Out of plane buckling is investigated for circular beams due to radial load.     

高效的三维曲梁单元

三维井眼中延伸数千米的三维细长圆截面钢钻柱应力分析问题是一个复杂的力学问题,通常使用有限元数值分析方法对其进行受力分析。而在进行有限元分析时,现有的圆弧曲粱单元和空间直粱单元在几何上都不能很好地模拟三维曲线形状的钻柱。为了确保计算精度．其单元划分势必不能过大,结果是计算时间长,收敛性差。为了解决这一问题,显然必须构建一种新的较有效的曲梁单元。基于自然坐标系,依据圆截面空间曲粱单元节点有6个自由度——3个线位移和3个角位移,利用包含全部刚体位移模式和常应变的形函数,忽略剪切变形,假设变形后的梁轴线的弯曲曲率改变为线性变化,建立起了保证收敛性的具有12个自由度的有初始曲率和挠率的圆截面空间曲梁的有限元模型。为了证明给出的有限元模型的高效性,分析了几个静态问题,并与现有文献中的解析解或数值结果进行了比较。基于所给出的结果,可望该有限元模型可以作为分析三维空间曲粱结构的有效工具。     

Stress resultants plasticity with general closest point projection

In this paper, general closest point projection algorithm is derived for the elastoplastic behavior of a cross-section of a beam finite element. For given section deformations, the section forces (stress resultants) and the section tangent stiffness matrix are obtained as the response for the cross-section. Backward Euler time integration rule is used for the solution of the nonlinear evolution equations. The solution yields the general closest projection algorithm for stress resultants plasticity model. Algorithmic consistent tangent stiffness matrix for the section is derived. Numerical verification of the algorithms in a mixed formulation beam finite element proves the accuracy and robustness of the approach in simulating nonlinear behavior.     

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采用谱单元方法推导带阻尼梁的传递函数矩阵. 采用一维连续梁的解析解作为动力形状函 数. 与有限元法相比,谱单元方法的自由度和单元数目小且计算精度高. 传递函数表示为梁 的几何和物理参数的超越隐函数,不同于用模态参数表示的传统传递函数. 提出了采用遗传 算法的结构物理参数识别方法. 以变截面悬臂梁为数值算例,显示该方法的有效性.     

拼接式组合扁梁受弯性能分析

本文提出了一种拼接式组合扁梁，对其进行了受弯性能分析．组合扁梁属于内嵌式组合梁，其组成部分较为复杂，传统承载力计算公式偏保守．为便于此类梁的设计，本文在等效应力法的基础上使用等效矩形应力图法，对拼接式组合扁梁的正截面抗弯承载力公式进行推导．使用ABAQUS有限元软件对组合方法公式的准确性进行验证，并与等效应力法公式进行对比，结果表明组合公式得到的数值更为精准．在相同截面高度和用钢量下设计了一个深肋组合扁梁和一个拼接式组合扁梁，并进行了受弯性能对比；同时对不同钢强度和翼缘厚度影响下的拼接式组合扁梁抗弯承载性能进行分析．使用换算截面法对其进行了弹性刚度的计算，并和有限元进行了对比，二者吻合较好，研究结果为拼接式组合扁梁的设计和优化提供了一定参考依据．     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

Inelastic axial-flexure–shear coupling in a mixed formulation beam finite element

In this paper a beam element that accounts for inelastic axial-flexure–shear coupling is presented. The mathematical model is derived from a three-field variational form. The finite element approximation for the beam uses shape functions for section forces that satisfy equilibrium and discontinuous section deformations along the beam. No approximation for the beam displacement field is necessary in the formulation. The coupling of the section forces is achieved through the numerical integration of an inelastic multi-axial material model over the cross-section. The proposed element is free from shear-locking. Examples confirm the accuracy and numerical robustness of the proposed element and showcase the interaction between axial force, shear, and bending moment.     

含双裂纹圆截面悬臂梁的损伤识别研究

裂纹的萌生和扩展直接影响构件的振动响应，对构件的安全可靠性具有重要影响．本文以圆截面悬臂梁为对象，结合转角模态振型和模态频率等高线，研究了一种双裂纹识别技术．首先，基于应力强度因子和卡氏定理推导了无裂纹梁单元和含裂纹梁单元的刚度矩阵；在此基础上，建立了含裂纹圆截面悬臂梁的有限元动力学方程；然后，结合裂纹对梁转角模态振型和模态频率的影响，提出了双裂纹识别策略．最后，通过算例讨论了双裂纹识别策略的可行性．结果表明，圆截面悬臂梁的模态转角在裂纹位置出现突变，裂纹深度越大转角突变值越大；将识别出的裂纹位置作为已知参数，通过模态频率等高线法，可以准确地识别出双裂纹的深度．     

多变量单元结构共振解耦动力优化设计方法

针对截面多变量单元结构的动力优化问题，建立了带频率约束的结构动力优化设计模型，对隐式非线性频率约束函数进行Taylor近似展开，给出了截面多变量单元频率梯度函数显式表达式，基于Kuhn-Tucker条件构建迭代算法，其中拉格朗日乘子通过建立联合方程组求解，形成了含多变量单元共振解耦优化设计方法。以矩形截面单元结构为算例的结果表明，所给单元多变量算法具有良好的准确性；截面变量对频率的贡献存在主次之分，区分指标可采用梯度值；次要变量的修正因子迭代中可采用定值，且其下限应尽可能降低，利于节约成本。本文工作对多变量复杂截面结构动力优化设计可提供理论指导，提高结构动力优化方法的适用性。