基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析

基于遗传算法及一阶剪切理论, 提出一种弹性地基上加肋板肋条位置优化的无网格方法. 首先, 通过一系列点来离散平板及肋条, 并用弹簧模拟弹性地基, 从而得到加肋板的无网格模型; 其次, 基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似原理导出位移场, 求出弹性地基加肋板总势能; 再次, 根据哈密顿原理导出结构的弯曲控制方程, 并通过完全转换法处理边界条件; 最后, 引入遗传算法和改进遗传算法, 以肋条的位置为设计变量、弹性地基板的中心点挠度最小值为目标函数, 对肋条位置进行优化达到地基板控制点挠度最小的目的. 以不同参数、载荷布置形式的弹性地基加肋板为例, 与ABAQUS有限元结果及文献解进行比较. 研究表明, 采用所提出的无网格模型可有效求解弹性地基上加肋板弯曲问题, 结果易收敛, 同时基于遗传算法与改进混合遗传算法所提出的无网格优化方法均可有效优化弹性地基加肋板肋条位置, 后者计算效率相对较高, 只进行了三次迭代便可获得稳定的最优解, 此外在优化过程中肋条位置改变时只需要重新计算位移转换矩阵, 又避免了网格重构.      

基于无网格及混合遗传算法的矩形加肋板肋条布置优化

将加肋板看作板与梁的结合体,基于无网格法并结合遗传算法,对矩形加肋板的肋条布置位置开展了优化,使加肋板在横向荷载的作用下中心点挠度最小。相较于传统有限元方法,利用本文的无网格法对加肋板进行肋条位置优化分析不需要对网格进行重构,离散在板与肋条上的节点始终不需要发生改变。本文在遗传算法的基础上加入了约束随机方向法形成混合遗传算法,使收敛速度加快,计算的重复率降低,遗传算法计算代数明显降低至两三代便可以得到较好的结果。     

基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析

基于遗传算法及一阶剪切理论,提出一种弹性地基上加肋板肋条位置优化的无网格方法.首先,通过一系列点来离散平板及肋条,并用弹簧模拟弹性地基,从而得到加肋板的无网格模型;其次,基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似原理导出位移场,求出弹性地基加肋板总势能;再次,根据哈密顿原理导出结构的弯曲控制方程,并通过完全转换法处理边界条件;最后,引入遗传算法和改进遗传算法,以肋条的位置为设计变量、弹性地基板的中心点挠度最小值为目标函数,对肋条位置进行优化达到地基板控制点挠度最小的目的.以不同参数、载荷布置形式的弹性地基加肋板为例,与ABAQUS有限元结果及文献解进行比较.研究表明,采用所提出的无网格模型可有效求解弹性地基上加肋板弯曲问题,结果易收敛,同时基于遗传算法与改进混合遗传算法所提出的无网格优化方法均可有效优化弹性地基加肋板肋条位置,后者计算效率相对较高,只进行了三次迭代便可获得稳定的最优解,此外在优化过程中肋条位置改变时只需要重新计算位移转换矩阵,又避免了网格重构.     

矩形加肋板线性弯曲分析的移动最小二乘无网格法

提出了一种求解矩形加肋板线性弯曲问题的移动最小二乘无网格法。将矩形加肋板模拟成平板与肋条组成的复合结构。先基于一阶剪切变形理论,由移动最小二乘近似建立板和肋条的位移场,再利用板与肋条叠合处的位移协调条件,推导肋条与板的节点参数转换方程,最后利用此方程将板与肋条的应变能叠加,推导出整个加肋板的刚度方程。由于本文提出的加肋板无网格模型中不涉及到网格,肋条不必像有限元那样必须沿网格线布置,肋条位置的改变也不会导致板网格的重新划分。文末算例表明由本文方法得到的解与采用实体单元得到的ANSYS有限元解吻合良好,证明了本文方法的准确性。     

弹性地基上矩形加肋板自由振动分析的无网格法

应用移动最小二乘无网格法研究弹性地基上矩形加肋板的自由振动问题。假设弹性地基与加肋板紧密接触,以弹簧模拟弹性地基,将弹性地基上的加肋板视为板与肋条组合的结构。基于一阶剪切理论,用无网格伽辽金法推出了板和肋条各自的动能与势能;再通过位移协调条件将两者的能量叠加,得到了弹性地基上整个加肋板的动能与势能。由Hamilton原理导出了弹性地基上加肋板自由振动的控制方程。采用完全转换法引入边界条件,求解自由振动方程,并编制了计算程序,给出了算例。将算例与ABAQUS有限元解及已有文献结果进行了比较分析,其相对误差均在5%以内,验证了该方法计算弹性地基上矩形加肋板结构自振频率的有效性。     

基于无网格法的弹性地基加肋斜板频率数值解

为了给实际地基工程中的经济效益提供技术指标参考,应用无网格法计算加肋斜板在地基上的自由振动行为,应用移动最小二乘近似MLS和一阶剪切变形原理描述加肋斜板的位移场,分别建立斜板与肋条的势能泛函,使用Winkler弹性地基模型处理加肋板与地基之间的接触势能。通过斜板与肋条的位移协调关系寻找斜板和肋条节点参数转换公式,确立加肋斜板的自由振动控制方程。本文运用了无网格法的优势,即使肋条位置改变也不需重置网格。与有限元解的对比验证了本文方法的有效性和精确性。     

基于无网格法的弹性地基加肋斜板频率数值解

为了给实际地基工程中的经济效益提供技术指标参考，应用无网格法计算加肋斜板在地基上的自由振动行为，应用移动最小二乘近似MLS和一阶剪切变形原理描述加肋斜板的位移场，分别建立斜板与肋条的势能泛函，使用Winkler弹性地基模型处理加肋板与地基之间的接触势能。通过斜板与肋条的位移协调关系寻找斜板和肋条节点参数转换公式，确立加肋斜板的自由振动控制方程。本文运用了无网格法的优势，即使肋条位置改变也不需重置网格。与有限元解的对比验证了本文方法的有效性和精确性。     

四边固定加劲板的非线性自由振动

针对工程中常用的加劲板, 研究了非线性振动的求解方法与振动特性. 将加劲板分为板与加劲肋两个部分考虑, 其中板视为考虑几何非线性的大挠度板, 加劲肋视为Euler梁. 假定加劲板的位移, 利用Lagrange方程结合系统能量和振型叠加推导了加劲板的动力平衡方程. 运用椭圆函数及摄动法计算加劲板非线性振动的单模态解, 多模态解则通过增量迭代法进行求解. 最后, 结合有限元软件ANSYS对一个四边固定且不可移动的加劲板进行分析, 讨论解的收敛性, 并分析两个方向设置不同数量加劲肋的情况下非线性自振频率与振幅的关系, 得到了一些加劲板非线性振动特性.      

矩形板非线性蠕变损伤屈曲特性分析

基于Von Karman非线性板理论和Kachanov-Rabotnov损伤理论,建立了在横向和面内载荷共同作用下考虑蠕变损伤效应的矩形板的非线性控制平衡方程,采用有限差分法和时间增量算法对未知变量进行离散,对整个问题进行迭代求解,分析了几何非线性、荷载等因素对板非线性蠕变损伤特性的影响。     

考虑几何与压电非线性行为压电层合轴对称圆板的精确解

研究可移简支及夹支边界条件下,轴对称压电层合圆板在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形.考虑电致伸缩的非线性压电效应及几何非线性的影响,导出轴对称压电层合圆板的控制方程.通过调整坐标轴的位置对控制方程进行简化,得到关于挠度和径向力的4阶非线性控制方程.再通过简单的积分并引入无量刚变量将控制方程等价地化为2阶非线性耦合微分方程组.利用幂级数法得到可移简支及夹支边界条件下强电场和均布荷载共同作用时的挠度、径向力及径向位移的幂级数精确解.通过对双、单压电晶片执行器的数值计算及分析,得到电场、外载对于位移、径向力的影响关系.     

弹性地基加肋功能梯度板自由振动分析的无网格法

基于一阶剪切变形理论和移动最小二乘近似研究Winkler弹性地基上加肋功能梯度板的固有频率。假设功能梯度板的材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化,基于物理中面和移动最小二乘近似分别推导功能梯度板和肋条的动能和势能,再通过引入位移协调条件,建立板和肋条节点参数转换关系,叠加两者的总能量,然后利用Hamilton原理推导加肋功能梯度板自由振动控制方程。采用完全转换法施加边界条件。通过将本文的计算结果与有限元以及文献的结果对比,验证方法的收敛性以及准确性。     

冰载荷下不锈钢复合板挠度特性分析

以复合板中面的挠度响应作为不锈钢复合板抗冲击性能的评价指标,基于能量法和经典层合板理论,考虑层间结构参数设计,通过横向载荷下的弯曲平衡微分方程,建立冰载荷下不锈钢复合板挠度响应简化解析模型。该分析模型将整个动态响应分析过程分为冰载荷计算分析和动力学方程求解两个阶段。分析了冰载荷模型的面倾角、冲击速度和碰撞位置对冰载荷的影响,确定极端工况参数,汇总接触面的节点力数据;分析了层厚比对挠度响应的影响规律;基于LS-DYNA有限元仿真以及数值算例分析,对比挠度响应仿真结果和解析计算值,验证了本文简化解析模型的准确性,研究结果对不锈钢复合板抗冲击性能分析和评估具有一定的参考价值。     

基于无网格法的非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与固有频率分析

采用基于移动最小二乘近似的无网格方法并结合一阶剪切变形理论,分析了非均匀弹性地基上变厚度加筋板的弯曲和固有频率问题.首先,用节点对变厚度板和筋条分别进行离散,导出变厚度板和筋条的势能;其次,利用筋条与变厚度板之间的位移协调条件将筋条的节点参数转换为板的节点参数,再将两者的势能进行叠加得到变厚度加筋板的总势能,并根据能量法得到其动能;最后,利用最小势能原理及Hamilton原理分别得到弯曲控制方程与振动控制方程.由于采用的方法不能直接施加位移边界,故采用完全转换法处理位移边界.本文先计算变厚度板的弯曲及非均匀弹性地基板的固有频率,与文献对比验证方法的有效性;然后对非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与 自由振动进行了计算,并将计算结果与有限元结果进行了对比.结果表明,本文方法计算所得结果与文献解及有限元结果之间的误差均小于5％,验证了该方法在计算非均匀弹性地基上变厚度加筋板弯曲与固有频率问题的有效性.     

Stability and dynamic analysis of partially cracked thin orthotropic microplates under thermal environment: an analytical approach

Abstract

An analytical model is proposed to analyze the vibration and buckling problem of partially cracked thin orthotropic microplate in the presence of thermal environment. The differential governing equation for the cracked plate is derived using the classical plate theory in conjunction with the strain gradient theory of elasticity. The crack is modeled using appropriate crack compliance coefficients based on the simplified line spring model. The influence of thermal environment is incorporated in governing equation in form thermal moments and in-plane compressive forces. The governing equation for cracked plate has been solved analytically to get fundamental frequency and central deflection of plate. To demonstrate the accuracy of the present model, few comparison studies are carried out with the published literature. The stability and dynamic characteristics of the cracked plate are studied considering various parameters such as crack length, plate thickness, change in temperature, and internal length scale of microstructure. It has been concluded that the frequency and deflection are affected by crack length, temperature, and internal length scale of microstructure. Furthermore, to study the buckling behavior of cracked plate, the classical relations for critical buckling load and critical buckling temperature is also proposed considering the effect of crack length, temperature, and internal length scale of microstructure.     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

Analysis of clamped parallelogrammic panels with variable thickness

A simple polynomial form is chosen to represent the deflection configuration of clamped parallelogrammic panels with variable thickness. Galerkin's variational procedure is then used to yield an approximate solution to the governing differential equation of such panels under uniform lateral load. A fair agreement is shown between the theoretical results and those found from tests on a Plexiglas plate model.     

Effects of thermo-magneto-electro nonlinearity characteristics on the stability of functionally graded piezoelectric beam

Due to the increasing interests in using functionally graded piezoelectric materials(FGPMs) in the design of advanced micro-electro-mechanical systems, it is important to understand the stability behaviors of the FGPM beams. In this study, considering the effects of geometrical nonlinearity, temperature, and electricity in the constitutive relations and the effect of the magnetic field on the FGPM beam, the Euler-Bernoulli beam model is adopted, and the nonlinear governing equation of motion is derived via Hamilton's principle. A perturbation method, which can decompose the deflection into static and dynamic components, is utilized to linearize the nonlinear governing equation. Then,a dynamic stability analysis is carried out, and the approximate analytical solutions for the nonlinear frequency and boundary frequencies of the unstable region are obtained.Numerical examples are performed to verify the present analysis. The effects of the static deflection, the static load factor, the temperature change, and the magnetic field flux on the stability behaviors of the FGPM beam are discussed. From the proposed analytical solutions and numerical results, one can easily and clearly find the effects of various controlled parameters, such as geometric and physical properties of the system, on the mechanical behaviors of structures, and the conclusions are very important and useful for the design of micro-devices.     

考虑材料非线性的两端固支柱后屈曲载荷优化算法

针对满足Ramberg-Osgood本构关系的6082-T6铝合金固支柱的后屈曲问题进行了研究。利用泰勒展开式得到了用于计算横截面上弯矩的应力显式表达式，并通过弯矩-曲率关系导出了用剪力表示的控制方程。由于同时考虑材料非线性和几何非线性，此时控制方程为二阶非线性微分方程，本文提出了求解包含屈曲载荷的控制方程的优化算法。以屈曲载荷和固支端处的曲率为设计变量，以固支柱中点处的转角和挠度形成目标函数。利用进退法和黄金分割法改变设计变量的值，通过程序中包含的R-K法输出不同的结果，然后将输出的结果代入到目标函数中进行比较，获得包含目标函数极小值的最小区间，最终实现了对满足计算精度的设计变量值的确定。相较于打靶法复杂的分析过程，该优化算法优化过程简单，计算速度较快。为了验证本文算法的正确性，与两端固支6082-T6铝合金柱后屈曲时的数值解进行了对比。