结构优化中的建模方法概述

建立优化模型是结构优化前的最佳选择. 由于工程实际问题的复杂性, 很难建立显式表达的模型, 即使少数问题能够建立显式表达的模型, 也难以求解. 因此需要借助近似方法建立模型, 为了便于求解或提高求解效率, 通常还要对模型进行变换. 文中列举了结构优化中常用的近似建模方法, 并根据建立近似显式的途径和敏度分析的方法对其进行分类, 详细介绍了近几年来广泛应用的样本点构造方法, 然后描述了它们在结构优化中的应用和具体实现过程, 分析了它们的优缺点和应用范围, 指出了结构优化建模方法今后的发展方向.      

含裂纹体结构分析中的再造核质点法(RKPM)

应用再造核质点法(RKPM)进行了结构裂纹计算问题的研究。将不连续处理技术一可视准则和衍射方法应用于RKPM来模拟裂纹附近场函数，实现二维和三维裂纹体的分析。避免了有限元方法中裂纹附近复杂的网格剖分工作。应用面向对象技术在计算程序中实现了二维和三维裂纹体的应力场计算分析，并且将结构离散工作和裂缝网格构造工作分离，从而提高计算效率。简单的算例表明应用RKPM方法在二维和三维含裂纹结构计算是有效的。     

有理逼近和Pad\'e逼近的高阶紧致型方法

对高阶紧致(high order compact)方法进行了详细的讨论和简洁的评述. 这就是: 回顾了方法的发展历史, 指出了方法优点, 分析了方法的基本特征、构造方式和应用现状, 预示了它的近期发展和研究形势. 特别地, 就方法的数学基础------有理逼近和Pad\'e逼近进行了归纳. 在文章中提供了丰富的方法信息和大量的有关公式.      

结构可靠度分析的改进BP神经网络响应面法

对功能函数不能明确表达即具有隐式功能函数的问题进行可靠度分析,常采用响应面法。其中二次多项式响应面法应用较为广泛,采用与此方法相同的思路,人们提出了BP神经网络响应面法。在此基础之上,笔者提出了改进的BP神经网络响应面法。对以上方法计算效果,通过算例进行了对比分析,其中改进BP神经网络响应面法计算精度较好,进行有限元分析次数较少。该方法用于大型复杂结构的可靠度分析,可相应提高工作效率和解题质量,具有一定实际应用价值。     

扫描电镜下的数字散斑相关方法及其应用

对数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM)在扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)下的应用进行了研究。将DSCM与带电液伺服试验系统的SEM结合起来,对二者结合的过程进行了分析,实现了SEM下细微观变形场的测量,扩展了DSCM和SEM的应用范围。为了定量地把握SEM在扫描图像时放大倍数的不稳定性、非线性和内部噪声对DSCM的影响,还对SEM下的DSCM精度和误差进行了实验分析。统计结果表明,SEM下应用DSCM进行变形场的测量,其位移测量误差最大可达2像素,其精度可以满足一般变形场测量的需要。作为应用实例,对混凝土试件在SEM下的断裂行为进行了研究,得到了混凝土试件表面随着载荷的变化而变化的表面细观变形场。     

高强度钢板热成形技术及力学问题研究进展

高强度钢板热成形技术是将传统的热处理技术(淬火)与冷冲压技术相结合的最新制造工艺,可以成形强度超过1 600 MPa的超高强度钢板.本文首先介绍了热成形技术的原理、一次及多次成形工艺和热成形过程中的核心制造技术;随后分析了热成形过程中材料的微观组织及力学性能变化,包括成形前、成形中及成形后材料性能的演变,介绍了与温度、马氏体转变速率相关的高温奥氏体材料模型,指出了其在热成形过程中的应用方法;研究了高强度钢板热成形材料的成形性能:分析了硬化指数n值对材料高温成形性的影响,并给出了最佳n$值温度区间;介绍了材料初始轧制各向异性对材料性能的影响,实验结果说明在热成形温度下晶格的各向异性将消失.对热成形过程中材料的本构关系进行了介绍:重点介绍了热、力及相变耦合本构模型;对热成形过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析的混合定律进行了说明;介绍了相变体积应力及相变塑性应力等新概念;随后对热成形数值模拟技术进行了介绍:重点介绍了自主开发的KMAS(King-Meshanalysis sytem)热成形软件的动力显示、静力显示算法及温度场模拟技术;说明了将材料的高温性能引入接触与摩擦模型的接触控制参数的概念;随后基于车身碰撞力学的分析,介绍了热成形钢板在车身中应用的设计方法.最后对热成形技术今后的研究作出了展望.      

应用响应面方法结合空间映射方法的可靠性评价

应用响应面结合空间映射方法,在第1次迭代拟合极限状态函数,其它迭代 应用映射技术在第1迭代响应面基础上映射调整得到新的极限状态函数,并进行可靠性分析. 这样就改变了序列响应面方法评价可靠性时需要反复对模型进行试验设计、分析并拟合极限状 态函数的执行过程,从而大大降低了模型分析的计算量.     

对压力容器部件构形优化方法的探讨

本文探讨了压力容器部件的构形优化方法.文中采用有限元进行结构分析,以解析方式计算应力梯度,应用 RQP 方法求解非线性规划.针对结构中存在多个应力水平相近的区域的情形,提出了应力梯度迭加方案以求改善收敛性.     

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.      

Lattice-Boltzmann方法在求解钝体绕流非定常尾迹中的应用

应用Lattice- Boltzmann方法计算了水平通道内方柱绕流,分析了不同时刻方柱后尾迹的旋涡结构和发展过程,得到了合理的结果;并进一步对Re=100时的圆柱绕流进行了计算,计算得到的升力系数、脱落频率、圆柱表面的压力系数的分布与他人的计算比较吻合。     

离散滑模变结构控制在磁悬浮球系统中的应用

磁悬浮球实验装置是典型的非线性系统,该装置提供了常规PID控制,但难以达到理想的控制效果,由此提出采用离散滑模变结构控制来研究该系统。文中首先分析了离散滑模切换面和趋近率,然后设计了存在系统干扰和抖动情况下的离散滑模控制器,并研究了其收敛性,在此基础上提出了克服干扰和抖动的积分补偿离散滑模控制器,最后将所提出的控制方法在磁悬浮球实验装置上进行验证。试验验证结果表明,系统响应时间由PID控制的15 s减小到5 s,控制偏差也有所减小,控制效果优于PID控制,适合磁悬浮球系统的控制,为该实验装置提供了一套新的实验方法。     

Chaotic response of a large deflection beam and effect of the second order mode

This study intends to investigate the dynamic behavior of a nonlinear elastic beam of large deflection. Using the Galerkin principle, the dynamic nonlinear governing equations are derived based on the single and double mode methods. Two different kinds of nonlinear dynamic equations are obtained with the variation of the dimension and loading parameters. The chaotic critical conditions are given by Melnikov function method for the single mode model. The chaotic motion is investigated and the comparison between single and double mode models is carried out. The results show that the single mode method usually used may lead to incorrect conclusions in some conditions, and instead the double mode or higher order mode method should be used. Finally, the applicable condition of the single mode method is analyzed.     

考虑不确定因素的结构损伤定位方法

将应变模态作为实测资料应用概率方法进行结构损伤定位.采用的模态误差考虑了建模误差和测量误差等不确定因素,避免了测量自由度与模型自由度不匹配的问题.研究了损伤状态搜索策略,并对应变模态和位移模态分别作为实测资料的定位结果进行了比较,表明采用应变模态具有更高的定位精度.     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程，对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6（2007）规范，给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法；基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟，得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷，结果表明，受压球壳对缺陷较敏感，承载能力随缺陷值增大而降低；一致缺陷模态法计算便捷，在工程应用上具有合理性，N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型，结果更加全面，可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

伪可变复杂系统的计算机识别方法

伪可变体系是介于常可变与不变体系间的一种结构，通常其识别较为复杂。本文基于计算机分析方法，讨论了伪可变复杂系统的两种判别程序。首先给出仅有一个自内力模态下，简单情形的识别过程。然后分析迭代判别法在判定伪可变复杂系统中的应用。最后提出多阶段自内力模态识别法，结果表明这一方法通常要比迭代法简便得多。本研究结果有助于对现代预应力结构体系的研究．     

Geometric nonlinear formulation and discretization method for a rectangular plate undergoing large overall motions

In the present paper, the geometric nonlinear formulation is developed for dynamic stiffening of a rectangular plate undergoing large overall motions. The dynamic equations, which take into account the stiffening terms, are derived based on the virtual power principle. Finite element method is employed for discretization of the plate. The simulation results of a rotating rectangular plate obtained by using such geometric nonlinear formulation are compared with those obtained by the conventional linear method without consideration of the stiffening effects. The application limit of the conventional linear method is clarified according to the frequency error. Furthermore, the accuracy of the assumed mode method is investigated by comparison of the results obtained by using the present finite element method and those obtained by using the assumed mode method.     

用光弹性法测定复合应力强度因子

工程结构裂纹尖端应力强度因子(SIF)由于形状、荷载的复杂性及边界条件的不确定性,难以用解析法得到,数值计算也有困难,而光弹性法弥补了上述方法的不足。本文用环氧树脂制作圆轴模型,采用机加工的方法制作圆轴模型裂纹,然后将加载模型进行应力冻结,通过光弹性实验研究分析了圆轴裂纹尖端应力分布。由于带环形裂纹的圆轴在弯扭组合变形时,离中性轴最远的裂纹尖端处于复合裂纹状态,而三维光弹性应力冻结法是测定复杂三维问题复合裂纹的有效方法。本文用双参数法测定I型应力强度因子,用切片逐次削去法测定Ⅲ型应力强度因子,实验误差较小。     

基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模与仿真

研究了基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模和仿真问题. 针对多杆空间链式柔性机器人系统,采用假设模态法、有限元法、Bezier 插值方法和B 样条插值方法对柔性杆变形场进行描述,构造统一形式,运用Lagrange 方法,结合4×4 齐次变换矩阵,在计入柔性杆横向弯曲变形引起的纵向缩短的情况下,推导得到多杆空间柔性机器人动力学方程,并编制基于4 种变形场不同离散方法的多杆空间链式柔性机器人仿真软件.通过仿真算例对柔性机器人系统的动力学问题进行研究. 仿真结果表明:有限元法的计算效率较低;假设模态法在处理较大变形问题时其精度低于Bezier 插值方法和B 样条插值方法的精度;作为新的变形体离散方法,Bezier 插值方法和B 样条插值方法可以有效地描述柔性杆的变形场,并能运用到多杆空间柔性机器人动力学建模中.      

基于摄动原理的复杂土层地震反应分析的子结构法

把约束子结构模态综合法与直接模态摄动法相结合,建立复杂场地三维地震反应等效线性化分析计算方法.应用直接模态摄动原理,可简化各子结构模态分析过程,将特征值求解问题转化为线性代数方程组的求解,从而可有效提高计算效率.算例表明,该方法在提高大规模复杂场地地震反应分析计算效率方面优势明显.     

Experimental Validation of Reduction Methods for Nonlinear Vibrations of Distributed-Parameter Systems: Analysis of a Buckled Beam

An experimental validation of the suitability of reduction methods for studying nonlinear vibrations of distributed-parameter systems is attempted. Nonlinear planar vibrations of a clamped-clamped buckled beam about its first post-buckling configuration are analyzed. The case of primary resonance of the nth mode of the beam, when no internal resonances involving this mode are active, is investigated. Approximate solutions are obtained by applying the method of multiple scales to a single-mode model discretized via the Galerkin procedure and by directly attacking the governing integro-partial-differential equation and boundary conditions with the method of multiple scales. Frequency-response curves for the case of primary resonance of the first mode are generated using both approaches for several buckling levels and are contrasted with experimentally obtained frequency-response curves for two test beams. For high buckling levels above the first crossover point of the beam, the computed frequency-response curves are qualitatively as well as quantitatively different. The experimentally obtained frequency-response curves for the directly excited first mode are in agreement with those obtained with the direct approach and in disagreement with those obtained with the single-mode discretization approach.