变体分比功能梯度点阵结构两尺度拓扑优化设计

功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注，由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点，目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务。本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计。（1）结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化，获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区。（2）进行空间梯度变化点阵结构参数优化，进一步扩大设计空间，获得变体分比的结构设计。相较于单一点阵微结构设计，两步优化策略可以更为有效地实现材料利用，显著提高结构刚度，且该方法适用于不同微结构构型，数值算例验证了该方法的有效性。     

基于手性特征可调力学参数结构设计方法研究

针对航天航空及生物医学等领域对可变力学参数材料结构的需求,通过细观结构设计研究了实现材料宏观力学参数可调的方法。首先对可实现多种变形形式的四阶与反四阶手性负泊松比二维结构进行了不同组合;再基于能量原理理论研究了组成结构的平面弹性响应,得到理论表达式并分析了基元微结构构型变化及宏观力学响应的变化规律,进而探索变力学参数材料结构的设计方法。结果表明:手性特征的引入是实现力学参数可调的有效方法,通过改变表征手性特征的微结构参数,可以实现结构宏观力学参数的主动调控。在此基础上,通过对不同基元进行随机组合,得到了可以满足刚度动态可调的结构。本文提出的变刚度结构设计理论及方法可为变力学参数结构设计提供相应的理论依据及设计参考,对航空航天及生物医学等领域的各种变力学参数元器件的设计及应用具有一定的指导意义。     

基于加速度信号的柔性板的挠性参数辨识

以柔性板为对象,开展了结构挠性参数辨识技术的研究. 给出了一种基于加速度信号输出的特征系统实现算法的计算格式,基于粒子群优化算法给出了加速度传感器在柔性板上的优化位置. 仿真结果显示,粒子群方法能够有效地确定出传感器在板上的优化位置,特征系统实现算法能够有效地辨识出结构的挠性参数.      

基于加速度信号的柔性板的挠性参数辨识简

以柔性板为对象,开展了结构挠性参数辨识技术的研究. 给出了一种基于加速度信号输出的特征系统实现算法的计算格式,基于粒子群优化算法给出了加速度传感器在柔性板上的优化位置. 仿真结果显示,粒子群方法能够有效地确定出传感器在板上的优化位置,特征系统实现算法能够有效地辨识出结构的挠性参数.     

水泥水化的微结构与性能演化研究进展

水泥是一类重要的工程结构材料,其力学性能依赖于水泥的水化过程．综述了水泥水化的微结构和性能演化的研究进展;评述了研究水泥水化过程的实验方法和理论方法;详细介绍和评述了水泥水化的微结构仿真模型、力学分析模型以及建立微结构．性能关系的基本方法．分析和展望了未来水泥水化的主要问题和研究方向．     

一种基于加速度频响函数的动力学模型修正方法

提出了一种基于加速度频响函数的动力学模型修正方法,该方法应用试验测量和计算所得的加速度频响函数矩阵对动力学模型的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼系数进行修正,使修正后模型的加速度频响函数与试验测量所得的相一致．该法具有明确的物理意义,数值算例检验了方法的有效性和精度．     

管道联接件参数识别的行波法

基于结构振动的行波理论,提出了一种管道联接件物理参数识别的新方法.以未充液直管在平面内的弯曲振动为例,建立了入射波和出射波在联接件处的散射关系,并结合波模式幅值系数的识别,得到一组包含待识别参数的非线性方程组.在每一个频率下求解该方程组得到联接件的动刚度,最后采用最小二乘法一次识别得到联接件的物理参数.数值仿真结果表明,行波法在管道联接件参数辨识中,识别精度高,而且采用矩阵条件数小的传感器阵列,可以提高参数辨识的精度.     

一种交叉梁硅微加速度开关的设计

针对一种新型交叉梁硅微加速度开关的设计技术进行了研究,首先推导了结构的静态刚度,确定了一种敏感芯片结构尺寸,在此基础上利用有限元方法仿真计算不同方向加速度作用下的结构变形情况。从结构特点和加工方法出发,分析了可能影响精度的几种加工误差,并给%时,梁厚的误差要求。其分析计算结果可指导该种类型加速度开关的设计和加工。     

非匀质材料板的微结构优化设计

探讨具有微结构构造的非匀质材料构件在微结构层次上的优化设计,即寻求满足构件宏观性能要求的最佳微结构材料与构造参数。文中采用细观元法确定非匀质材料构件宏观性能与材料微结构参数间定量关系,建立起微结构优化设计数学模型,具体分析了复合材料板件满足强度、刚度要求的最佳微结构参数。有关方法可适用于复合材料、功能梯度材料、智能材料等新材料构件。     

微机械杠杆力放大效果的计算和提高

硅微谐振式加速度计是一种高精度的惯性传感器,它通过谐振梁刚度随惯性力的变化检测输入加速度的大小。为了得到较高的标度因数,国内外的研究机构普遍使用微机械杠杆机构来放大惯性力,但实验中微机械杠杆往往达不到理想的放大倍数,尤其是多级杠杆对力的放大作用非常有限。结合国内加工条件,微机械杠杆力放大机构的模型被合理简化,使用有限元分析运动模态的方法,分别计算微机械杠杆、检测质量支撑梁以及谐振梁的刚度,并按此仿真计算结果估算微机械杠杆的力放大倍数。通过理论推导、ANSYS仿真和对微机械杠杆实验的结果验证了这种方法的正确性。为分析微机械杠杆实际的力放大效果提供了一种实用方法,并基于此方法提出通过提高输出刚度来提高微机械杠杆力放大倍数的方法。通过对杠杆结构的优化,可将原有3.9倍的杠杆放大倍数提高到7.0倍。     

数值流形方法的粘性边界问题初探

在实际工程数值流形方法分析中,采用固定约束边界的方法处理无限域或者半无限域的情况,边界处应力波的反射造成模拟结果与实际情况不符.本文基于Lysmer等人提出的粘性边界理论,在边界上设置阻尼器,推导相应粘性边界条件下流形单元刚度矩阵的数值计算格式,经岩石长条中弹性波传播算例,并与有限元结果对比,验证了该粘性边界的有效性,有利于数值流形方法的工程中推广应用.     

THEORETICAL INVESTIGATION ON THE DYNAMIC PERFORMANCE OF CMUT FOR DESIGN OPTIMIZATION

Although many modeling approaches exist for analyzing the behavior of capacitive micro-machined ultrasonic transducers(CMUTs),the relation equation between the design parameters with input and output is still lacking.What there is can only be used to analyze the dynamic performance of CMUT indirectly and qualitatively,such as stiffness and sound pressure.A lumped-parameter theoretical model based on the dynamic theory is proposed in this paper.The relation equations between the design parameters with inputs and outputs are given.The results obtained by the proposed model agree well with those by finite element method(FEM)simulation.The dynamic and static behavior of CMUT can be clearly depicted,which is helpful for design and optimization iterations.This shows that the proposed model makes it easier to optimize the parameters of a CMUT with respect to output and bandwidth directly and to better understand the influence of each parameter.     

Comparison of linear spring and nonlinear FEM methods in dynamic coupled analysis of floating structure and mooring system

This paper compares the dynamic coupled behavior of floating structure and mooring system in time domain using two numerical methods for the mooring lines such as the linear spring method and the nonlinear FEM (Finite Element Method). In the linear spring method, hydrodynamic coefficients and forces on the floating body are calculated using BEM (Boundary Element Method) and the time domain equation is derived using convolution. The coupled solution is obtained by simply adding the pre-determined spring constants of the mooring lines into the floating body equation. In FEM, the minimum energy principle is applied to formulate the nonlinear dynamic equation of the mooring system with a discrete numerical model. The ground contact model and Morison formula for drag forces are also included in the formulation. The coupled solution is obtained by iteratively solving the floating body equation and the FEM equation of the mooring system. Two example structures such as weathervane ship and semi-submersible structure are analyzed using linear spring and nonlinear FEM methods and the difference of those two methods are presented. By analyzing the cases with or without surge-pitch or sway-roll coupling stiffness of mooring lines in the linear spring method, the effect of coupling stiffness of the mooring system is also discussed.     

不同模量弹性问题理论及有限元法研究进展

随着科学技术的日益发展，对材料力学性质的研究提出了更高的要求，研制新型的材料以及挖掘材料自身特性的潜力，已成为新的研究动向．简述了不同模量弹性问题理论及其有限元法的研究与发展．利用等效的概念，对Ambartsumyan有限元计算模型、Jones有限元计算模型、张允真等有限元计算模型、叶志明等计算模型进行改进和探讨．通过不同模量弹性理论及其有限元方法在实际工程构件问题分析中的应用表明，若沿用相同模量弹性理论或有限元对有关问题进行计算，其结果将与采用不同模量模型材料所得的刚度和强度有较大的偏差。     

大规模有限元系统的GPU加速计算研究

研究了GPU(Graphics Processing Units)计算应用于有限元方法中的总刚计算和组装、稀疏矩阵与向量乘积运算、线性方程组求解问题,并基于CUDA(Compute Unified Device Architecture)平台利用GTX295GPU进行程序实现和测试。系统总刚采用CSR(Compressed Sparse Row)压缩格式存放于GPU显存中,用单元染色方法实现总刚并行计算组装,用共轭梯度迭代法求解大规模线性方程组。对300万自由度以内的空间桁架和平面问题算例,GPU有限元计算分别获得最高9.5倍和6.5倍的计算加速比,并且加速比随系统自由度的增加而近似线性增加,GFLOP/s峰值也有近10倍的增加。     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

变截面门式刚架结构分析的微分求积单元法

本文采用一种精确、简便的数值计算方法——微分求积单元法(DQEM)对变截面门式刚架结构进行了力学分析。首先建立了一般荷载作用下变截面构件的平衡微分方程，并采用微分求积法进行离散，进而得出了较为精确的分析变截面构件的单元力学模型。该模型的刚度方程不仅反映了单元的刚度性质，而且反映了单元的实际荷载作用，可较为精确地分析变截面门式刚架结构在分布载荷作用下的受力性能。通过与有限元法计算结果的比较，表明了微分求积单元法在变截面刚架的力学分析中的正确性和优越性。微分求积单元法可用于任意形状的刚架结构的静力分析。     

Physics-based modeling for fretting behavior of nominally flat rough surfaces

A physics-based modeling approach for fretting behavior of nominally flat rough contact is proposed. This approach employs physics-based models for partial slip of spherical contacts to formulate the contact forces at asperity tips. The individual asperity forces are added by a statistical method to obtain the fretting response of a flat rough contact. This approach suggests the plasticity index as an important parameter for studying the surface roughness effects on fretting. Fretting responses obtained by one of the models favorably compare with experimental results obtained from bolted steel lap joints. Tangential stiffness and energy loss per cycle obtained from the experiments and the model predictions deviate at higher preloads. This discrepancy is due to limitations of the modeling approach in accounting for plastic response to tangential loading.     

Effective Young’s modulus of biopolymer composites with imperfect interface

The effective elastic behaviour of a biopolymer composite with random microstructure is studied. The effective elasticity modulus is computed as function of the protein fraction with the hypothesis of an imperfect interface. This interface is handled considering normal and tangential stiffness parameters. The methodology assumes the direct import of real microstructures of starch–protein (zein) composite, obtained using Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), into a finite element model. A static linear analysis is conducted to determine the influence of interface rigidities, zein fraction and interface quantity on the effective properties. Predictions show that the effective modulus is nonlinearly correlated to the product of stiffness parameters for which the normal stiffness is the most influential parameter. The effective property dependence with respect to interface related variables and zein fraction shows a logarithmic influence of the stiffness parameters when increasing zein fraction.     

利用有限元法计算径向磁轴承性能

利用非线性有限元方法(FEM)计算了一种径向磁轴承(定子具有8磁极常规结构)的转子在无偏心以及偏置电流分别为0.5 A、1.0 A和1.5 A下的电磁力及其电流刚度与位置刚度,预测了径向磁轴承的承载力,给出了其磁场分布图,并与磁轴承的线性化模型参数进行了比较.结果表明,基于有限元方法得到的计算值同试验结果一致,可以为径向磁轴承的设计和分析提供依据.