大规模结构动力学并行计算与软件研发进展

以大型复杂装备研制过程中对大规模精细动力学数值模拟的迫切需求为背景,对大规模模态分析及后续相关动力学并行计算的国内外研究进展进行了概述,并对团队在JAUMIN框架和PANDA软件平台上开展的结构动力学并行计算相关研发工作进行了介绍．基于神光III大型光机装备的展示算例表明,PANDA软件的动力学并行可扩展能力达到“上亿自由度、上万核”的水平,万核并行效率高达50%以上,远超国内现有商业软件的分析能力;“基于框架研发应用软件”的设计理念已经成为大规模有限元程序研发的主流理念,对于提升软件研发效率,促进软件实用化和并行可扩展性将起到关键作用．     

基础谐波激励单侧约束简支梁系统的动力学特征分析

为研究间隙碰撞对系统动力学响应的影响,以理想简支梁的振型函数为Rayleigh–Ritz基函数建立了单侧约束简支梁系统的非线性离散动力学方程组,应用数值方法研究了系统在基础谐波激励下的动力学响应特征及其对共振频率线性等效方法适用性的影响。研究表明:非线性动力学系统间隙产生的局部碰撞,使得系统振动能量在系统各阶模态之间转移,使得线性等效方法失效;即使进行非线性分析,也需要考虑系统固有频率远大于激励频段上限的模态。     

挠性根部梁的动力学建模

挠性根部梁具有整体平动和转动自由度，其传统模型只适宜根部挠性很小的梁．采用柔性多体系统的建模方法建立了挠性根部Euler—Bernoulli梁的非线性动力学模型及线性耦合模型，所建模型不受根部挠性大小的限制；既可描述挠性根部梁的耦合振动，也可分别退化为固支梁或刚性梁的动力学模型；且线性耦合模型可线性变换为挠性根部梁传统模型．作为算例，采用假设模态法分析了两类线性模型的振动特性，表明线性耦合模型优于挠性根部梁传统模型．     

强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现

以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景,从自由体模态分析入手,考虑脉动压力之间的强相关性,建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论,完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现,通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究。研究表明：飞行器再入过程的刚体运动对结构在低频段的响应影响显著,甚至起到主导作用,越靠近零频附近,这种影响越大;在中高频段,弹性响应逐渐占据主导地位。基于自主研发形成的随机振动分析模块可以较好地模拟飞行器再入过程脉动压力诱导的随机振动响应,具备超大规模并行计算能力。     

挠性边界圆薄板的半解析模态分析

圆薄板控制方程复杂、边界挠性不易描述,边界挠性对圆薄板动态特性的影响规律研究尚不充分。本文采用Hamilton变分原理建立了挠性边界圆薄板的动力学方程;采用Fourier级数描述边界挠性,应用Galerkin方法对其简化;利用小参数摄动分析获得了挠性边界圆薄板固有频率的半解析式。本文给出的圆薄板固有频率半解析结果表明:边界挠性可使圆板固有频率降低;挠性参数的均值对固有频率的影响最大。本文研究可为圆薄板边界的模拟设计提供参考。     

平动柔性矩形薄板的动力学特性与屈曲分析

应用Hamilton变分原理建立了平动状态下对边简支对边自由矩形薄板的非线性动力学方程,分别应用假设模态法和康特洛维奇法分析了板的前4阶近似振动频率、临界分岔值及板的前3阶后屈曲近似解,并比较了取不同阶数假设模态对分析结果的影响．分析表明整体平动可使柔性多体系统中的柔性构件产生动力刚化和动力软化效应,且软化效应还可使系统平衡位置发生分岔而失稳;在动力刚化和动力软化情况下,柔性构件模态出现的顺序均可能发生改变,此性质在柔性多体系统动力学简化建模特别是模态截断时应引起足够的重视．     

基于PANDA平台的多点基础激励谐响应的并行计算

基于PANDA自主并行计算平台,采用模态叠加法对多点基础激励作用下的谐响应分析开展算法设计和并行实现研究,构建相应的并行求解模块.结合商业有限元软件对研发模块的正确性进行验证;将该模块应用于某光机装置,实现11.88亿自由度超大规模的高效并行求解.结果表明：研发的多点基础激励谐响应分析模块可用于复杂装备的高效精细数值模拟,具备强大的并行计算能力,最大可扩展CPU核数可达数千个,远超现有通用商业有限元软件.     

大范围运动刚体上矩形薄板力学行为分析

采用Hamilton变分原理建立了大范围运动平板的动力学模型．从理论上证明了不同大范围运动状态下平板中既可存在动力刚化效应,也可存在动力软化效应,且动力软化效应还可使板的平衡状态发生分岔而失稳．采用假设模态法验证了理论分析结果并得到了分岔临界值和近似后屈曲解．     

Modeling and bifurcation analysis of the centre rigid-body mounted on an external Timoshenko beam

Ａｓｗｅｋｎｏｗ,ｉｔｉｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｔｈｅｒｉｇｉｄｍｏｔｉｏｎｉｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［１～３］．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ,ｆｏｒｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｒｍ,ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｏｆｔｈｅｄｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｂｅｆｏｒ…     

隐格式近似不可压四面体4节点大变形单元

由于在处理体积自锁方面的优势,近似不可压问题的大变形求解多采用六面体单元/网格,但对于复杂工程问题,由于网格剖分上的限制,往往更需要一种可以很好解决体积自锁的四面体单元。Bonet和Burton的平均节点压力4节点四面体单元是为数不多能够较好处理体积自锁问题的四面体单元之一,但是该单元目前主要用于显式计算。利用单元平均压力对位移增量的精确方向导数,得到了严格的一致切线阵,保证了Newton-Raphson迭代的二阶收敛,从而使得该单元可以用于隐式计算。该单元的压力平均计算会耦合相邻单元的节点自由度,从而增加切线刚度阵的非零带宽,但不增加自由度总数。分别采用线性六面体选择缩减积分单元、标准线性四面体单元和本文的单元计算了3个近似不可压的典型算例。算例表明,本文推导的单元可以有效克服体积自锁,达到与常用六面体单元相近的效果,使得四面体网格可以方便地用于不可压问题的大变形隐式求解。