民用飞机客舱窗对机身扭转刚度的影响

在民用飞机的设计阶段,需要对整机进行模态分析,而如何准确地得到机身、机翼等主要结构部件的刚度数据就显得尤为重要.工程上一般采用闭室结构的刚度计算方法计算各截面刚度,并在此基础上对某些特殊截面的刚度进行修正.为了能让修正后的结果更加接近实际情况,有必要对客舱窗、登机门以及货舱门等局部开口对截面刚度的影响进行研究.本文借助有限元软件PATRAN/NASTRAN,对机身有限元模型进行加载,根据变形结果反推截面的扭转刚度,并将此得到的扭转刚度与闭室结构的计算结果进行比较.通过比较发现,客舱窗对机身扭转刚度有较明显的影响,为工程计算中的修正提供了参考.     

计算叶片力学特性的三维8节点非协调有限单元法

针对叶片结构几何形状复杂的特点，建立了能进行叶片力学特性分析的三维8节点非协调有限单元模型。该模型采用了几何非线性和线弹性模式，来考虑叶片径向刚度远大于弯曲刚度而引起的在不同转速下初应力对叶片的作用，能够正确反映叶片的弯曲和扭转耦合振动模态、叶片组的切向和轴向振动模态以及它的应力状态。根据质量等效和力等效的原理，导出了在非协调单元中计算单元变形能时，记入附加的内部自由度，而计算单元的动能、体积力、表面力、以及阻尼力所做的虚功时，不记入附加的内部自由度，这是不同于目前一些文献中的提法。最后，通过实例计算验证了该模型的正确性。     

基于旋转软化的柔性梁动力学研究

建立了旋转柔性梁的非线性动力学模型,利用能量法及哈密顿原理导出了耦合的动力学方程,分析了转动惯性、Coriolis力、应力刚化、旋转软化、加速度、横向位移、弯曲刚度等作用效应;通过设置应力刚化及旋转软化等刚度矩阵和编制有限元程序,建立了梁单元有限元模型,对柔性梁在旋转软化状态下的振动模态进行了数值模拟与分析。计算表明:梁的旋转软化导致其沿旋转平面的弯振模态(摆振)频率随转速增大而相对下降,且对第一阶摆振频率的影响最显著,呈现非线性;梁的旋转软化对垂直于旋转平面的弯振频率几乎没有影响,此结果表明了旋转柔性梁动态特性的复杂性,因此在计算旋转柔性梁的振动特性时,必须同时设置平动、转动惯性质量矩阵,才能获得准确结果。此外,梁单元模型与实体单元模型计算结果误差小于等于5%,验证了本文梁单元模型求解方法的准确性。     

无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析

鉴于常规微机械陀螺的驱动结构和检测结构往往需要进行频率匹配,造成带宽较窄,工艺复杂的问题,设计了一种新的微机械陀螺,安装于旋转飞行器上,利用飞行器的旋转获得角动量,敏感飞行器的偏航和俯仰横向角速度。由于没有驱动结构,所以结构简单,带宽较宽。首先基于这种巧妙的结构建立了敏感元件的振动方程。根据振动方程,扭转梁是影响质量振动模态和模态频率的关键,同时考虑到应力、残余应力的释放以及工作能力,扭转梁设计成横截面积为矩形的弧形梁,并对其抗扭刚度进行了解析推导和计算,从而确定了敏感元件的固有频率。接着利用有限元分析的方法,对其振动模态进行了仿真,仿真结果表明,敏感元件的第一模态是扭转振动,固有频率相对于解析结果的误差为9.86%。为了进一步验证,设计了静电驱动电容检测的方法,实验测试得到的谐振频率和解析值的相对误差为5.21%。仿真和实验结果与理论计算一致,表明扭转梁的设计是合理的,模态分析是正确的,而且为动态性能评估和结构优化提供了理论依据。     

大型上翻式拱形钢闸门流固耦合静动力特性分析研究

论文通过三维空间有限元数值计算模型研究大型上翻式拱形钢闸门的流固耦合动力特性,取得闸门结构流固耦合条件下的振动模态参数,为闸门结构共振分析和采取合理的控振措施提供了科学依据.此外对控制结构强度和刚度的门顶溢流工况进行了闸门位移和应力分布分析,指出了存在问题和修改方向.论文成果可供类似工程设计时参考.     

基于测试和仿真的卡车驾驶室异常振动分析与解决

针对某车型在特定车速下出现的驾驶室异常振动的问题,通过汽车道路试验,测试了不同车速下车桥、车架、驾驶室上各测点的振动信号。结果显示,车速约为50km/h时,驾驶室纵向出现明显的异常振动。本文建立了汽车结构的有限元模型,并对其进行了模态分析,获得了整车的固有振动特性。结合仿真分析与实验测试结果发现,引起驾驶室异常振动的原因是车轮的转频5.57Hz与整车一阶弯曲模态频率5.49Hz接近从而发生共振。在此基础上,对车架进行了优化设计和结构修改,并对改进后的样车进行了试验测试,结果表明异常振动振幅降低了90%,较好地解决了驾驶室异常振动问题。     

考虑刷丝支承刚度的高速引电器转子动力学特性研究

为研究多通道刷丝–滑环接触副中刷丝支承刚度对系统动力学特性的影响，将刷丝简化为欧拉–伯努利悬臂梁，推导了刷丝支承刚度计算的理论公式。建立了滑环胶合细长轴的高速引电器转子系统有限元模型，考虑多通道刷丝支承刚度影响，开展了转子系统动模态数值仿真分析，得到了系统振型图、坎贝尔图及临界转速偏离裕度。研究结果表明，刷丝支承刚度对引电器转子细长轴结构一阶弯曲模态的影响不可忽略。     

外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能,设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究,得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS,对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析,得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范,提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式,可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较,三者吻合较好。     

外包钢-砼组合梁纯扭作用下抗扭刚度的实验及数值模拟

为了研究新型外包钢-砼T形截面组合梁在纯扭作用下的变形性能,设计了5根不同配箍率的的足尺悬臂组合梁。通过对5根悬臂梁的抗扭性能的实验研究,得到了组合梁的扭矩-扭率关系曲线。利用有限元分析软件ANSYS,对组合梁的抗扭性能进行了非线性有限元分析,得到了混凝土与外包钢在极限阶段的应力云图。根据实验以及有限元结果分析了组合梁在整个加载过程中扭转刚度的变化。基于现行砼结构设计规范,提出了组合梁从开裂到极限阶段抗扭刚度的计算公式,可供组合梁受扭设计参考。把有限元模型和公式的计算结果与实验结果进行比较,三者吻合较好。     

某差速器齿轮的动态接触仿真与疲劳分析

为分析差速器齿轮的疲劳寿命,运用动态有限元与试验相结合的方法,研究了锥齿轮在啮合过程中的应力分布以及疲劳强度。首先基于CATIA软件对差速器的半轴齿轮、行星齿轮进行了参数化建模,并采用动态有限元法模拟了齿轮副在最大扭矩工况下的动态接触;再根据有限元强度分析结果,将最大接触应力作为静载输入,运用疲劳分析软件对齿轮副的接触疲劳性能进行计算;最后进行了差速器齿轮副的台架试验,并将仿真结果与台架试验进行了对比。结果表明:齿面最大接触应力产生于节圆附近,齿轮间的最大接触应力为1309MPa;半轴齿轮在90%存活率下的疲劳寿命为3.394×106;仿真结果与台架试验具有较好的一致性,齿轮满足疲劳寿命要求。将动态有限元和疲劳寿命分析方法相结合可以有效预测差速器齿轮疲劳寿命。     

高强钢波纹夹芯结构的力学性能研究

本文利用ABAQUS仿真软件分析了高强钢波纹夹芯结构在三点弯曲以及面内压缩时的力学响应。将计算结果与实验值和理论值进行了对比,验证了数值模拟的准确性。分析了芯板材料属性（高强钢DP900和普通低碳钢DC01）以及波纹芯板排列方向(横向、纵向)对夹芯结构力学性能的影响。结果表明DP900高强钢波纹芯板夹芯结构抗弯强度是DC01低碳钢夹芯结构的2.39倍,抗压强度是低碳钢夹芯结构的1.40倍,纵向波纹夹芯结构比横向波纹夹芯结构弯曲刚度高11.63倍。     

有间隙折叠舵面的振动实验与非线性建模研究

针对折叠舵面内、外舵铰接处存在的间隙对地面振动响应的影响及间隙处的非线性建模方法展开研究.消除间隙,利用锤击法对线性折叠舵面进行模态实验,得到了前五阶模态参数;打开间隙,进行振动台扫频基础激励,实验结果表明间隙的存在会使结构的动力学响应产生非线性现象,如正反向扫描差异、跳跃、多谐波及频率漂移.非线性的影响主要体现在一阶弯曲模态上,激励量级的增大和间隙的减小均会使基频增大,且逐渐趋向于无间隙的结果,但对第二阶扭转模态的影响与第一阶相比较小.建立了折叠舵面的有限元模型. 提出了一种适用于具有集中非线性的折叠机构的模型缩减方法,并对舵面进行了模态缩减.根据Hertz接触理论,用具有线性和3/2次刚度组合形式的非线性扭转弹簧来模拟铰接处的间隙和接触.通过比较锤击实验与数值计算得到的前四阶频率和振型对模型的线性部分进行验证.通过Bathe两子步隐式复合算法计算基础激励下非线性结构的动力学响应,得到的传递函数可以模拟实验中出现的频率变化特征,验证了连接处非线性建模方法的合理性.      

含双裂纹圆截面悬臂梁的损伤识别研究

裂纹的萌生和扩展直接影响构件的振动响应，对构件的安全可靠性具有重要影响．本文以圆截面悬臂梁为对象，结合转角模态振型和模态频率等高线，研究了一种双裂纹识别技术．首先，基于应力强度因子和卡氏定理推导了无裂纹梁单元和含裂纹梁单元的刚度矩阵；在此基础上，建立了含裂纹圆截面悬臂梁的有限元动力学方程；然后，结合裂纹对梁转角模态振型和模态频率的影响，提出了双裂纹识别策略．最后，通过算例讨论了双裂纹识别策略的可行性．结果表明，圆截面悬臂梁的模态转角在裂纹位置出现突变，裂纹深度越大转角突变值越大；将识别出的裂纹位置作为已知参数，通过模态频率等高线法，可以准确地识别出双裂纹的深度．     

Improvement of Mechanical Properties of Wood-Plastic Composite Floors Based on the Optimum Structural Design

A study is carried out on the structural design of wood-plastic composite floors. The geometric parameters of the cavities, the structure, and the means to optimize the performance of these light boards are investigated. Various structural parameters of the boards, such as size,shape, and the pattern of cavities are also studied. The optimal structure can be determined by calculation and analysis of the strength, stiffness, weight and cost of the material. A finite element model for the mechanical analysis of wood-plastic composite floors is established; and the results are used to verify the strength criteria under bending deformation, which is the most common loading condition of flooring board.     

复合材料后压力框加筋元件双轴拉伸试验与模拟

试验针对应用在飞机后压力框上的碳纤维织物复合材料的力学特性和设计压力框壳体加强筋的刚度匹配问题,本文设计了十字形的试件,并开展了双轴拉伸试验,测试分析了试件中心位置含有不同尺寸加强筋时对刚度和强度的影响。依照试验条件,建立有限元模型,以中心位置未加筋试件为基准,探讨了两种尺寸筋条增强效果的差异。试验与模拟结果表明:在双轴拉伸载荷作用下,帽型加强筋明显提高了试件刚度和强度;两种筋条尺寸的差异对于试件刚度和强度的影响不明显;根据重量最小的原则,在同等条件下使用较小尺寸加强筋更为合适;有限元模拟与试验结果吻合良好,验证了本文提出的试验和模拟方法可用于复杂应力条件下织物复合材料结构的力学性能分析。     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

一种用于振动疲劳试验研究的典型翼面模拟件

为开展飞机典型翼面结构振动疲劳问题及相关试验技术的研究,参考某型飞机垂尾翼面设计了其模拟件。在有限元分析软件Abaqus中建立其有限元模型,进行该模拟件的动力学分析和优化,使其模拟某飞机垂尾的前三阶模态。结合模态振型分析,给出一种确定单点振动载荷最优加载点的方法。窄带随机试验结果表明,模拟件达到了设计要求,可以用于某飞机垂尾翼面振动疲劳问题及相关试验技术的研究。     

Low-endurance fatigue behavior under combined bending and torsion

Specimens made of thin-walled low-carbon steel tubes are subjected to combined bending and twisting moments of such magnitudes as to lead to fatigue failure within some one-thousand loading cycles. Tests are run, at room temperature, under conditions of controlled angle of twist and constant rate of loading. Experimental results show that the fatigue life is best expressed in terms of the amplitude of equivalent stress and ultimate strength of the material in potential form. For same maximum stress amplitude, test results show, within the scope of present investigations, that conditions of combined bending and torsion lead to lower fatigue life than those of reversed torsion.     

Shear stress analysis in engineering beams using deplanation field of special 2-D finite elements

This paper deals with the 2-D finite element shear stress analysis in beams, loaded by bending with shear and St. Venant’s torsion. The properties of these finite elements, like stiffness matrices as well as load vectors, are derived on the basis of their axial nodal displacements, e.g. by warping field. Proposed finite elements enable stress analysis independently of both cross-sectional member shape and material properties. Stiffness matrices and load vectors are derived for several finite element types. Material is assumed to be isotropic and linear elastic. For justification of the proposed stress analysis procedure, some examples are presented.     

A new beam element for analyzing geometrical and physical nonlinearity

Based on Timoshenko＇s beam theory and Vlasov＇s thin-walled member theory, a new model of spatial thin-walled beam element is developed for analyzing geometrical and physical nonlinearity, which incorporates an interior node and independent interpolations of bending angles and warp and takes diversified factors into consideration, such as traverse shear deformation, torsional shear deformation and their coupling, coupling of flexure and torsion, and the second shear stress. The geometrical nonlinear strain is formulated in updated Lagarange （UL） and the corresponding stiffness matrix is derived. The perfectly plastic model is used to account for physical nonlinearity, and the yield rule of von Mises and incremental relationship of Prandtle-Reuss are adopted. Elastoplastic stiffness matrix is obtained by numerical integration based on the finite segment method, and a finite element program is compiled. Numerical examples manifest that the proposed model is accurate and feasible in the analysis of thin-walled structures.