初始几何缺陷对网壳截面优化结果影响研究

单层网壳结构是缺陷敏感结构,初始几何缺陷不同对"网壳截面优化结果"有显著影响,该文研究了网壳杆件截面取值与缺陷分布、结构极限承载力之间的关系.结果表明:经截面优化设计的网壳结构最不利应力最早并且一直出现在初始几何缺陷较大处;优化寻优结果与初始几何缺陷分布有直接关系,增大缺陷较大处杆件截面能显著提高结构承载力;由于缺陷随机分布,经截面优化设计的网壳结构须校核其在不同缺陷下的稳定承载力以确保结构安全.     

爆炸荷载下网壳结构的动力响应及泄爆措施

以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了40m 跨度K8型单层球面网壳在中心TNT 爆 炸荷载作用下的精细化有限元数值分析模型。在网壳结构各组成部分的单元选取、钢材本构关系与参数确 定、网格尺寸选择与划分方式、结构对称性应用等方面进行了探索,保证了有限元动力分析的精度与可行性。 通过比较网壳结构的塑性应变及其发展程度、杆件应变与位移等结果获得了不同网壳矢跨比、炸点距离以及 屋面板厚度下的结构爆炸响应规律;以屋面板作为网壳结构的泄爆方式,研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞 口分布、洞口位置对结构响应的影响。总结了中心爆炸荷载作用下大跨度单层网壳结构的动力响应结果、最 佳的屋面板泄爆布置方案,为网壳结构的合理抗爆及防御设计提供了理论依据。     

多点输入下大跨空间网格结构的可靠度分析

在虚拟激励反应谱法的基础上进行了多点输入下大跨空间网格结构的可靠度分析,并且将之与一致输入下结构抗震可靠度的分析结果进行了对比,考查了两种输入方法下杆件内力可靠指标之间的变化,进而分析了危险杆件在结构分布、数量等方面的差异以及危险杆件随结构跨度、视波速的变化关系。通过工程实例可以看出本文的分析方法对于分析大跨度网架、网壳这样复杂结构在多点输入下的抗震性能非常合适,为理论研究向实际应用搭建了桥梁。     

冲击荷载下单层球面网壳的失效机理

为研究单层球面网壳在冲击荷载下的失效机理,在ANSYS/LS-DYNA中建立60m跨度K8型单层球面网壳与圆柱形冲击物的数值模型并进行数值分析,总结了网壳结构的4种失效模式。通过对失效全过程的分析,从能量的角度将失效过程分为能量施加、能量传递与损失、能量消耗3个阶段。之后分别从能量传递与杆件破坏形式2方面揭示了网壳的失效机理。能量分析表明:剩余能量(Elf)对结构最终动力响应及失效模式起决定作用,而Elf只是初始冲击能量中除去冲击物穿透损失与网壳局部破坏损失后的剩余部分。通过对杆件破坏形式的分析发现:杆件的破坏可能滞后于冲击荷载的作用,且杆件的破坏形式决定其传递能量的能力,当杆件发生拉伸破坏时,其强度被充分利用,传递的能量最多,Elf值较大,网壳整体破坏严重。杆件的破坏形式与Elf及网壳整体的失效模式间有很好的对应关系。     

基于离散元的杆件断裂全过程数值模拟

杆件的断裂会涉及到大变形、非线性以及不连续等问题,通常的数值计算方法模拟这种复杂力学行为具有局限性。本文基于颗粒离散元法DEM,将接触粘结处的分布式弹簧用梁纤维进行等效,提出了一种适于结构弹塑性分析的DEM纤维梁模型,然后在此基础上构建了构件断裂模拟算法以及纤维破环准则。将该模型应用于悬臂梁结构,模拟了悬臂梁从弹性到弹塑性阶段,再到断裂破坏的全过程,数值模拟得到的结构响应和截面开裂破坏形态均较合理。最后将该方法应用于单层网壳倒塌破坏模拟,并与网壳振动台倒塌试验进行对比,结果表明,数值模拟得到的杆件断裂过程及结构倒塌模式与试验现象一致,验证了该模型的正确性和适用性。     

考虑梁元侧向弯曲的网格圆柱壳结构非线性建模与分析

本文提出了粱元正交布置的单层网格扁壳结构在考虑梁元侧向弯曲时的结构非线性模型.运用虚功原理,给出了该类网壳结构的大挠度基本控制方程和边界条件.对于竖向均布荷载作用下的网格圆柱壳,采用伽辽金法分析并计算得到了考虑侧向弯矩时网格圆柱壳的非线性荷载位移关系和结果曲线,与忽略侧向弯曲的情况进行了比较.同时,还分析了不同矢跨比对网格圆柱壳稳定性的影响.     

撞击荷载作用下单层椭圆抛物面网壳的动力稳定分析

利用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序,考虑几何非线性和材料非线性效应,开展单层椭圆抛物面网壳结构在撞击荷载作用下的动力稳定性研究.分析了该类网壳在以一定高度的自由落体撞击作用下的撞击力响应(撞击力、节点位移、杆件轴力和能量)及网壳失稳模态,进一步根据产生的动力响应对其在撞击作用下的弹塑性动力稳定问题进行了判定.结果表明:网壳结构在撞击作用下失稳时,撞击力时程曲线形状基本上呈陡峭的三角形脉冲荷载形式,其最大峰值和脉宽与撞击冲量及网壳所处变形阶段的刚度性能相关;特征节点的位移响应突然增大,失稳部位杆件的轴力大幅减小,结构的变形能和总能量也突然增大,整个结构变形形状发生突变;节点的残余位移、撞击力和持时等特征参数都产生一致性突变.     

加强型薄壁杆件约束扭转数值分析

在航空、船舶、建筑、机械等各工程领域中,广泛应用由型钢或组合结构组成薄壁杆件.薄壁杆件按其截面力学特征,分开口截面及闭合截面两类.闭合截面远比开口截面具有强劲的抗扭刚度,为了提高开口截面薄壁杆件的抗扭承载能力,可在开口截面上沿杆长方向加设一系列横向联系杆(如板、管、型钢),这就形成第三种类型薄壁杆件,即称之为加强型薄壁杆件,...     

大跨度双层网壳的非线性动态响应

网壳结构在大跨度结构中得到广泛应用．在建立了双层网格扁球壳的非线性强迫振动微分方程的基础上,研究了在边缘滑动固定的边界条件下,双层网格扁球壳的非线性动态响应问题．用突变理论建立了该网壳的尖点突变模型,得出了突变的临界方程,并阐述了网壳参数对该结构动态屈曲的影响．     

基于应力分析的桁架结构双向拓扑优化方法

结构拓扑优化问题的研究多是采用基结构的思路,通过删除在设计区域内的不必要单元来得到结构的最优拓扑构型。本文探索了一种增加单元与删除单元相结合的双向拓扑优化方法,采用了网格与杆件两类单元对桁架进行分析:在高应力杆件单元周围生成新网格单元,并且删除低应力的杆单元,结构逐渐进化,从而得到优化的拓扑构型。文章最后通过数值算例,表明该方法是可行的。     

基于网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法

发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下(如维持流型、艺术外观和附加功能等)对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。     

等几何壳体分析与形状优化

首先基于Reissner-Mindlin理论进行了三维壳体等几何分析,而后基于此对三维壳体进行形状优化,提出了形状优化中灵敏度的全解析计算方法,包括位移应变阵、雅克比阵和刚度阵等相对控制顶点位置的灵敏度解析计算公式;通过实例验证了壳体等几何分析和灵敏度全解析计算方法的有效性。与传统的基于网格的灵敏度半解析计算方法相比,基于NURBS的灵敏度全解析计算具有精确、计算效率高的特点,且可以避免优化迭代中的网格畸变。     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

局部约束阻尼开口柱壳的减振分析及优化

为了缩减开口柱壳结构的振动,本文基于Lagrange方程以及Sanders薄壳理论建立了局部约束阻尼开口柱壳的动力学模型,分析了粘弹性单元分段数和厚度、阻尼单元占空比以及约束层敷设角和厚度对结构前三阶模态损耗因子和固有频率的影响,得到了各参数对结构振动特性的影响规律.并以前三阶损耗因子为目标,应用NSGA-Ⅱ遗传算法对...     

Material cloud method—its mathematical investigation and numerical application for 3D engineering design

Recently, material cloud method (MCM) has been developed as a new approach for topology optimization. In MCM, an optimal structure can be obtained by manipulating the sizes and positions of material clouds, which are material patches with finite sizes and constant material densities, and the numerical analysis can be done using fixed background finite element mesh. During the optimization procedure, only active elements, where more than one material cloud is contained, are treated. With MCM, an expansion–reduction procedure of the design domain can be naturally realized through movements of material clouds, so that a true optimal solution can be found without any significant increase of computational costs. In this paper, we summarize the concept of MCM and prove the existence of optimal solution(s) in the formulation of MCM to show the mathematical rigorousness of this new method. We show the design examples for 3D engineering design problems to show the generality of this method.     

An optimization of a multi-layered plate under ballistic impact

This paper may be the first trial regarding the optimal design of a multi-layered plate under ballistic impact. An optimal design of a multi-layered plate to endure ballistic impact is suggested by using size optimization based on numerical simulations. The NET2D, a Lagrangian explicit time-integration finite element code for impact analyses, is used to find the optimal parameter values. Three different materials such as mild steel and aluminum for a multi-layered plate structure and die steel for the pellet are assumed. In order to consider the effects of strain rate hardening, strain hardening and thermal softening, the Johnson–Cook model is used as the constitutive models for the simulation. Several mesh types of different size and aspect ratio are tried to check the effect of mesh on the solution and to obtain the appropriate mesh density. The measuring domain is selected to reduce the analyzing time without affecting the sensitivity.The response surface method based on the design of experiments is used to obtain the optimal design. The average temperature or the equivalent plastic strain is introduced as a response for the optimization of the impact problem. Furthermore, the perforation criteria with the equivalent plastic strain to determine whether the plate structure is perforated or not is suggested. The optimized thickness of each layer in which perforation does not occur and the strength of multi-layer is maximized is obtained at a constant velocity of a pellet with a designated total thickness.     

基于响应面法的五心底结构形状优化

三心底结构是国防、航空及航天等领域经常采用的结构,其旋转母线是由三段弧线组成的,对应着三个圆心,故得名三心底。三心底结构可调整的参数变量少,优化潜力小。根据三心底的形状推广出五心底结构,增加可调整的参数变量,然后对其进行优化。将响应面方法与模型参数化相结合,建立了以结构重量为目标及以结构强度为约束的形状优化模型。根据结...     

配筋结构对弹丸侵彻过程影响的研究

本文提出的弹丸侵彻钢筋混凝土的解析模型,既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力.该解析模型的计算结果能反映弹丸与钢筋结构的作用过程,与测试数据符合较好.用该模型计算了配筋尺寸、网眼尺寸、配筋结构对侵彻深度、侵彻过程弹丸过载特性的影响.计算结果表明网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大;配筋直径增大,弹丸与钢筋的作用力显著增大,弹丸过载显著增大.