横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件，提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而，形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析，因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法，以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入，采用基于各向异性径向基函数网格变形方法，并结合骨架内嵌空间，可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例，采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状，可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型，并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示，构件耐撞性获显著提高，验证了所提参数化变形方法的有效性，展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

基于塑性铰理论的车身概念设计正碰分析与优化方法

在概念设计阶段,车身碰撞安全性能评价是一个难点问题,需要详细的结构模型,本文基于塑性铰理论提出采用梁单元简化模型对框架车身进行概念设计阶段的耐撞性评估和优化设计方法。首先,介绍了关于箱型截面薄壁梁弯曲特性研究的理论模型与计算过程,接着赋予梁单元塑性铰的特性,模拟薄壁梁变形,再对框架车身进行了碰撞仿真。将仿真结果与详细模型对比,以分析简化模型的精度及可靠性。最后,以此为基础对框架车身进行耐撞性优化。结果表明,该简化模型易于创建,且有较高的精度,可用于概念设计阶段梁结构的设计工作。     

具有恒定冲击载荷的梯度泡沫金属材料设计

多胞材料可通过大变形大量地吸收冲击能量，引入密度梯度可进一步提高其耐撞性。梯度多胞材料的宏观力学响应对材料密度分布极为敏感，不同类型的细观构型的影响也极为不同。已有的研究工作主要局限在对给定的密度梯度分析其动态响应，较少对耐撞性设计方法进行研究。本文针对梯度闭孔泡沫金属材料，基于非线性塑性冲击波模型发展了耐撞性反向设计方法，以维持冲击物受载恒定为目标，运用级数法获得了简化模型和渐近解。利用变胞元尺寸法构建了连续梯度变化的三维Voronoi细观有限元模型，并利用ABAQUS/Explicit有限元软件对理论设计进行数值验证。结果表明，反向设计理论简化模型的渐近解对于梯度闭孔泡沫金属材料的耐撞性设计是有效的，所提出的耐撞性设计方法在控制冲击吸能过程和冲击物受载方面具有指导意义。     

基于物理的变形曲线在结构形状优化中的应用

用各向异性模型定义NURBS曲线的变形能,基于所提出的变形能模型,用有限元法对NURBS曲线表达的设计边界进行模态计算,然后,将设计边界用模态向量的线性组合参数化表示。将这种基于边界特征向量的几何形状表示方法应用于优化参数定义．提出了一种适用于结构形状优化的自适应几何精化方法,它有效地将户型有限元分析、优化方法和设计边界的形状表达集成在一起。     

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

复合材料波纹梁盒段耐撞性的数值模拟

运用MSC/DYTRAN有限元软件,结合参数等效的方法对复合材料波纹梁盒段的碰撞过程进行了数值模拟,获得了波纹梁盒段碰撞时的破坏过程、载荷-时间曲线、能量吸收能力等数据,将计算结果与M.A.McCarthy的试验结果进行对比,可以发现两者比较吻合。从而说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐坠撞性设计中需要的数据。     

船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究

在分析显式非线性有限元基本理论和关键技术的基础上 ,探讨了船舶动力学过程的数值仿真方法 ,并对碰撞过程中船体的力学性能进行了分析 ,获得并讨论了碰撞力、能量吸收和损伤变形的时序结果 ,所得结论具有一般性。碰撞仿真分析中 ,被撞船的舷侧受撞区域和撞击船的首部区域作为可变形结构处理 ,而其余区域则视为刚体。被撞船周围的水划分成Euler有限体积网格 ,船体结构则划分成Lagrange有限元网格 ,并采用耦合技术将它们联系在一起。撞击船周围的水的影响采用附连水质量进行处理。     

考虑桥面板空间组合作用的组合空腹夹层板桥刚度研究

针对组合空腹夹层板桥的刚度计算,基于实体单元模型的参数化分析结果,提出了采用刚度放大系数来修正杆系模型结果的实用方法.推导了考虑剪切变形的简支钢空腹梁的等代抗弯刚度,并乘以刚度放大系数来分析混凝土板对结构的影响;与已有试验进行对比,验证壳-实体有限元建模方法的正确性,进一步分析了混凝土板和钢空腹梁截面参数对刚度放大系数...     

基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计

建立了薄壁构件的结构耐撞性优化模型，通过试验设计在设计空间中选择少量样本获得设计的响应特性，建立响应面模型，并应用Pareto遗传算法进行结构耐撞性的优化设计。     

空间桁架结构等效连续体建模及固有特性分析

针对空间桁架天线的结构特点，基于能量等效原理分别建立了不带底板和带底板的空间桁架结构的等效梁连续体模型。将胞元横截面上任意点的位移用横截面中心处的位移分量线性表示，求得胞元的应变能和动能；基于能量等效原理利用哈密顿原理建立桁架天线结构的等效连续体动力学方程，求解得到等效连续体模型的固有频率和振型表达式；利用有限元方法对桁架结构进行仿真分析，并将仿真结果与等效连续体模型计算结果进行对比分析。结果表明，等效模型结果具有较好的精度，从而验证了等效连续体梁模型的正确性。研究结果可为大型空间可展桁架结构的动力学设计提供论支撑。     

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。     

某型飞机机翼前缘抗鸟撞结构设计与试验验证

针对某型飞机机翼前缘抗鸟撞性能不满足适航要求的问题，采用"数值仿真-试验验证-再仿真"的研究思路，对该结构进行了抗鸟撞优化设计。首先，通过有限元数值仿真，分别对具有三角板结构和前墙结构的两种新型前缘结构抗鸟撞能力进行了分析。仿真结果表明:具有前墙结构的机翼前缘抗鸟撞能力优于原始结构和带三角板结构的机翼前缘；在鸟撞过程中，这种具有前墙结构的机翼前缘通过利用破损蒙皮继续变形吸能的方式提高了结构的抗鸟撞性能。基于此，对带前墙结构的机翼前缘进行了抗鸟撞试验，一方面验证了数值模拟方法的准确性，另一方面验证了前墙结构的抗鸟撞效果。最后，采用数值仿真方法对带前墙结构的机翼前缘结构进行了参数分析，得到了前缘蒙皮厚度和前墙厚度与结构抗鸟撞性能的关系，并基于结构承载和抗鸟撞能力的综合要求，确定了最终结构参数。分析表明，优化后的机翼前缘结构不仅满足抗鸟撞要求，而且实现结构减重30%。     

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。     

空心率对中空夹层钢管混凝土组合柱耐撞性能影响

以外层为不锈钢的中空夹层钢管混凝土柱为研究对象,采用有限元分析软件,模拟该类构件在低速横向冲击下的动力响应,讨论空心率对其耐撞性能的影响,并提出稳固性因数来评估结构的耐撞性能,同时展开3组实验对有限元模拟典型算例进行校正。试件的耐撞性能主要从抗冲击能力与冲击过程中结构的稳固性方面讨论。研究结果表明:空心率在0~0.73范围内,其对冲击力平台值影响不明显,试件抗冲击能力没有明显变化;空心率大于0.73,冲击力平台值明显下降,试件抗冲击能力明显减弱。空心率在0~0.6范围内,试件冲击过程中的结构稳固性因数保持在一个较高水平;空心率0.6~1.0范围内,试件冲击过程的结构稳固性因数明显降低,且呈单调下降趋势。     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.     

考虑嵌入移动孔洞的多相材料布局优化

工程结构设计问题中经常需要预先嵌入一个或多个固定形状的孔洞以满足某些功能性或者制造性设计要求.为了有效求解这种带有嵌入可移动孔洞的多相材料连续体结构布局优化问题,通常需要同时优化这些嵌入孔洞的位置和方向及多相材料结构的拓扑构型,以改善结构的整体性能.为此,本文采用参数化的水平集函数描述嵌入孔洞的几何形状,并将定义多相材料结构拓扑的材料密度以及描述嵌入孔洞的位置和方向的几何参数视为所考虑优化问题的设计变量.为了避免由于孔洞移动造成的重新划分网格的繁琐及改善计算效率,使用平滑化的Heaviside函数将所有嵌入孔洞映射为固定网格上的密度场.同时,提出了一种在有限元水平上调用的类SIMP材料插值格式,用于优化问题的材料参数化,进而实现多相材料结构拓扑构型和嵌入孔洞位置和方向的同步优化.这种材料插值格式便于几何变量的解析灵敏度分析,使得当前的优化问题可以用基于梯度的优化算法求解.优化算例证明所提方法可以有效地处理带有多个嵌入孔洞的多相材料结构布局优化问题.      

基于三维接触有限元分析的管片等效抗弯刚度和错台研究

针对盾构隧道管片接头等效抗弯刚度预测研究中，对梁-弹簧与三维模型整体等效性考虑的不充分，以三维接触有限元计算结果作为测量信息，借助基于挠度等效的反问题求解，提出了一种确定管片接头等效抗弯刚度的新方法；并利用不同轴力-偏心距组合下的反演结果，建立了基于Kriging代理模型的轴力-弯矩-等效抗弯刚度的非线性关系，提出了由此关联的管片结构非线性问题的数值求解方法。与三维有限元结果相比，所提方法可较为准确地预测管片结构的内力和变形，表现出良好的整体等效性。此外，借助三维接触有限元分析，进一步深入探讨了螺栓孔间隙与衬垫本构关系对管片纵向错台量的影响。     

开口厚壁截面短构件的约束扭转

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明:开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转(弯曲)中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

开口厚壁截面短构件的约束扭转1）

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明：开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转（弯曲）中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.