单工况下桁架结构应力比法的收敛性证明及收敛解的若干性质

本文研究单工况下桁架结构的满应力设计,主要结果如下:(i)证明了应力比法在任意初值下的收敛性。(ii)给出了实现非退化满应力设计及收敛解是最小重量解的充要条件。(iii)提出了一种新的应力比法公式。     

满应力法与规划法的关系及拟乘子法的实现

本文是文献[1]的继续和发展,讨论二个问题:1)证明满应力法是规划法的近似算法,为满应力法的使用提供了依据;2)讨论拟乘子法在大型结构优化设计中具体实施的步骤。使拟乘子法在结构优化设计中取得较好的效果。优化过程是完全自动化的。文中也提出并使用了满应力因子的概念和处理松约束的方法。     

多工况下结构拓扑优化设计

考虑单元删除和增加对结构应力约束的影响，提出了一种新的多工况下结构的双方向渐进优化方法．首先，基于在结构孔洞或边界周围附加人工材料的思路，建立了结构优化模型和应力灵敏度公式．然后，结合结构应力和应力灵敏度，给出了多工况静力载荷下考虑静应力约束的结构优化准则和算法．开展了结构仿真设计，结果表明给出的方法是正确和有效的，并具有较好的工程应用价值．     

板壳结构满应力设计及在MSC/Nastran软件上的实现

根据满应力准则和板壳结构的应力与内力的关系,推导了求解板壳结构满应力设计的迭代关系式。采用无量纲设计变量实现变量连接,一个设计变量可以控制多个不同厚度的单元,扩大了程序的适用范围。在MSC/Nastran软件的基础上开发了适用于多工况、多变量的板壳满应力优化程序。利用Nastran的开放性,借助Pat-ran提供的PCL(Patran Command Language)开发环境,程序完全和Patran及Nastran融为一体。首先在Patran中建立有限元模型,利用Nastran进行有限元分析,按照满应力准则对设计变量调整,然后再次利用Nastran进行分析,这样反复迭代直到结构重量收敛。数值算例表明算法的可靠性、精确性和高效性,程序能够满足工程实际需要。     

形状优化设计的一个方法—带参数的状态空间可行方向法

本文用状态变量描述结构的性态约束,用参变量描述结构几何区域由形状设计变量的变化所产生的增量场,提高了敏度分析的计算效率,弥补了用有限差分法计算敏度的不足,构造了带参数的状态空间可行方向法,用来解平面应力(应变)结构形状优化设计问题,对所算例题,只要一、二次迭代分析,就可取得满意结果,附录给出了几个导数的表示。     

基于ICM方法的刚架拓扑优化

将ICM(独立、连续、映射)优化方法应用于刚架结构，建立了以重量为目标函数、考虑多工况下应力和位移约束的刚架结构拓扑优化模型。借助于磨光函数和过滤函数，实现了离散变量和连续变量之间的相互转换。考虑多工况应力拓扑解之间、应力和位移约束下拓扑解之间的协调，得到了合理的结果。文中给出的刚架结构拓扑优化算例表明，刚架结构的拓扑结构不同于桁架或连续体。     

锗硅缓冲双轴应变硅材料ε-Si/Ge_(0.3)Si_(0.7)/Ge_xSi_(1-x)/C-Si内部残余应力的显微拉曼实验分析

应变硅技术是一种被称为延续摩尔定律的技术,是集成微电子技术的热点之一。本文以锗硅缓冲双轴应变硅材料(ε-Si/Ge_(0.3)Si_(0.7)/Ge_xSi_(1-x)/C-Si)为研究对象,采用显微拉曼光谱技术,开展了该多层半导体异质结构内部残余应力的实验力学分析。这是面向多层结构残余应力与表/界面力学行为的多尺度实验力学分析,本文首先简述了该应变硅的制造工艺和超低粗糙度横截面样品的加工方法,并推导了针对锗硅合金拉曼-力学测量修正关系,进而对应变硅样品的表面和横截面进行了显微拉曼力学测量实验,给出了多层异质结构内部的残余应力分布,并以此为基础讨论了多层界面的力学行为。     

具有频率约束的结构最轻重量设计

本文给出了具有最低两阶振动频率约束的结构最轻重量设计的最优准则,并建立了相应的迭代公式.优化中,同时考虑了应力约束及侧面约束,优化参数除构件尺寸以外,包括结构几何图形(节点坐标).寻优中采用了频率修正步与重量减轻步,保证了稳定的收敛.文中给出的多个数值计算的实例,表明此法能获满意的结果.     

三维热权函数法和多虚拟裂纹扩展技术

热权函数法直接利用温度场与热权函数的乘积的积分来求应力强度因子(SIF)的过渡过程，它可以免除对每一时刻进行热弹性力学有限元或边界元应力分析，计算效率大大提高。本文给出了三维热权函数法的基本方程，并提出了求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE法)。在MVCE法中，可以引入无穷多个虚拟裂纹扩展模式；虚拟裂纹扩展模式与应力强度因子的插值直接相联系，所得到的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵，具有良好的计算性能。它对于裂纹前缘SIF分布急剧变化的情况，有良好的数值模拟能力。实例计算表明，MVCE法具有权高的计算效率，并具有很高的计算精度。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

结构设计的两相优化法

本文在所给的结构最优位移状态及其相对稳定性概念的基础上,提出了一个结构优化设计的新途径。在设计的第一阶段,首先以性态变量(结点位移)为基本未知数(性态相),利用最大总应变能准则和线性规划求出结构的最优位移状态或其搜索域。在设计的第二阶段,以结构设计变量(截面面积)为基本未知数(结构相),利用线性规划或直接搜索法求出结构的最轻或近似最轻设计。这个方法适用于具有应力、位移、几何等种类约束的桁架型结构(包括平面应力膜式构件)的优化设计,在很多情况下不需要反复迭代和结构重分析,大大减少了计算工作量。本文还提出了“最小最大总应变能准则”用来优选结构形式(布局)。     

结构优化半解析灵敏度分析的改进算法

提出了结构半解析灵敏度分析的改进算法,该算法实现简便,对于设计变量摄动步长具有极佳的数值稳定特性。首先,从总体角度推导静力问题半解析法灵敏度分析新算法,提出了位移与应力灵敏度列式,并给出了算法实施途径;然后,将此思路推广于自振频率、屈曲临界荷载和瞬态响应等多种问题,提出了相应的计算步骤。以梁单元与壳单元等典型结构为例,开展了多个算例测试。测试表明,改进算法计算精度和效率均有提升,特别是设计变量步长有更大的数值稳定区域,为复杂工程结构形状优化的灵敏度分析提供了新途径。     

基于位移和应力灵敏度的结构拓扑优化设计

针对仅有应力约束以及含位移和应力约束的重量最小结构拓扑优化问题,基于ICM(独立、连续、映射)方法和渐进结构优化方法的思路,提出了一种结构拓扑优化方法. 在优化迭代循环的每一轮子循环迭代求解开始时,通过形成和引进新的位移和应力约束限, 自动构建设计变量移动限.将结构应力约束归并为几个最可能的有效应力约束,大大减少了应力灵敏度的分析量. 另外,建立了单元删除阈值和几轮迭代循环的单元删除策略. 为了确保优化迭代中结构非奇异和方法具有增添单元的功能,在结构孔洞和边界周围引入了一层人工材料单元,构建了其等效的优化模型. 结合位移和应力灵敏度分析,形成了一种新的连续体结构的拓扑优化方法. 给出的算例验证了该方法的正确性和有效性.      

比较基于化整交融应力拓扑优化诸解法的效果

由于单元应力属于局部性能约束,导致相应的结构拓扑优化存在难以承受的大量约束条件;尽管化整方法极大地减少了约束数量,但是优化结果中有少数应力超限现象.为此,本文在应力约束的结构拓扑优化中,瞄准克服应力超限和提高求解效率两个目标,进行了探索.提出了乘子法及序列二次规划(SQP)法两种解法,首先在化整交融(即化整-集成)解法...     

基于IGA-SIMP法的连续体结构应力约束拓扑优化

建立了一种IGA-SIMP框架下的连续体结构应力约束拓扑优化方法。基于常用的SIMP模型,将非均匀有理B样条(NURBS)函数用于几何建模、结构分析和设计参数化,实现了结构分析和优化设计的集成统一。利用高阶连续的NURBS基函数,等几何分析(IGA)提高了结构应力及其灵敏度的计算精度,增加了拓扑优化结果的可信性。为处理大量局部应力约束,提出了基于稳定转换法修正的P-norm应力约束策略,以克服拓扑优化中的迭代振荡和收敛困难。通过几个典型平面应力问题的拓扑优化算例表明了本文方法的有效性和精确性。应力约束下的体积最小化设计以及体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的算例表明,基于稳定转换法修正的约束策略可以抑制应力约束体积最小化设计中的迭代振荡现象,获得稳定收敛的优化解;比较而言,体积和应力约束下的柔顺度最小化设计的迭代过程更加稳健,适合采用精确修正的应力约束策略。     

结构分析中的刚体有限元法

本文给出了KAWAI教授的RBSM(刚体-弹簧模型)的数学解释。传统的以位移法为基础的有限元数值解中,其应力精度低于位移精度,而这里的刚体有限元法(RBFEM)给出的应力精度不会低于甚至高于位移精度,此外,RBFEM大大地减小了总刚的半带宽及体积,因而大幅度地降低了计算量。本文用刚体有限元法进行了静力分析、热应力分析、极限分析和安定分析,得到了相当满意的结果。刚体有限元法以其缩减的计算量及提高的应力精度,可以有利于结构分析,特别是非线性问题的数值解。     

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法. 常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization, BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题. 引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价. 采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足. 而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性. 为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较. 结果表明, 改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.      

基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化

工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法.常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization,BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题.引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价.采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足.而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性.为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较.结果表明,改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.     

航空涡轮盘多轴蠕变-疲劳寿命预测及对比研究

针对几种经典和新发展的蠕变-疲劳寿命模型开展综述介绍,并建立预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下蠕变-疲劳行为的数值流程,对某型航空涡轮盘的蠕变-疲劳损伤和寿命进行预测和对比．结果表明：等效应变法与临界平面法得出的疲劳损伤差距较小,等效应变法由于数值计算简单,工程适用性更强．寿命-时间分数(TF)法由于无法考虑应力松弛效应,给出了最为保守的蠕变损伤预测,其对盘体应力三轴度引起的损伤不敏感;延性耗竭法(DE)法仅以蠕变应变率作为损伤因素,虽考虑多轴蠕变因子的影响,但是给出的蠕变损伤过小;修正应变能密度耗竭(MSEDE)法综合考虑蠕变应变与应力松弛,并且考虑多轴蠕变因子与弹性跟随效应的影响,结合疲劳损伤模型可以给出合理的蠕变、疲劳损伤比例,其预测结果更加合理．     

含裂纹粘接结构的边界元应力分析

本文采用子域法和直接应力奇异单元法求解二维粘接结构中的裂纹问题。子域法把粘接结构划分为三个子域,根据每个子域的边界积分方程和子域间的界面条件,可以建立粘接结构的边界积分方程组。直接应力奇异单元能够在整个单元长度上反映裂纹端部的1/r~(1/2)奇异性,在计算时可以通过坐标变换消除奇异单元积分中的奇异性,直接计算出应力强度因子。含裂纹多层结构的数值示例和粘接补强单边裂纹板的应力测试和疲劳试验结果证实了本文方法的有效性。