基于声子晶体带隙特性的薄板减振设计

基于平面波展开法和薄板振动方程,计算了薄板型声子晶体的带隙和减振特性,通过与有限元软件的计算结果验证带隙计算的正确性,并进一步讨论了散射体几何形状及填充率、弹性模量比、密度比等对薄板型声子晶体带隙特性和减振的影响.结果表明正多边形散射体随边数的减小,第一带隙宽度逐渐增加,正方形散射体薄板减振效果明显.填充率对声子晶体带隙特性的影响不是线性的.随散射体基体弹性模量比数量级增大,第一带隙趋于低频,宽度降低.散射体基体弹性模量比较大时,密度比越大,第一带隙宽度越大,对应的薄板结构减振特性越好.     

基于点球弹簧修匀法的混合网格变形并行算法A parallel algorithm for hybrid mesh deformation based on Vertex-Ball Spring Smoothing

针对二维/三维混合网格,提出基于点球弹簧修匀法的并行网格变形算法。按特定模板将混合网格中的非三角形/四面体单元分解成三角形/四面体单元。针对每个内部节点及其相邻节点建立相应的子弹簧系统,并通过增加Ball-Vertex弹簧避免弹簧系统的塌陷问题。由于点球弹簧法在计算中逐点对网格内部节点进行计算,在计算过程中具有良好的弱耦合性质,因此有利于算法并行化。在并行化时仅需对网格进行虚拟分区操作,不必进行复杂的几何分区操作,同时避免了混合网格不同单元之间的兼容性问题。该方法适用于具有复杂外形的大规模混合网格的变形问题,能够显著提高网格变形的效率,同时具有良好的适应性。     

含裂纹梁参数的谐响应识别

主要研究含裂纹梁在简谐激励作用下的动力特性,提出一种依据幅值变化对裂纹参数进行识别的新方法。首先,在振动过程中考虑裂纹的呼吸特性,以悬臂梁为例建立含裂纹梁的二维有限元模型,指出在一般激励频率下,其对应的幅值均是明显信号,可用来描述裂纹梁的动力特性。其次,当激励频率分别取无裂纹梁一阶频率的1/4和二阶频率的1/4时,幅值随裂纹参数的变化明显不同,可依据响应幅值的变化对裂纹参数进行识别。然后,利用曲面拟合技术绘出幅值变化曲面,对未知参数的裂纹进行识别,验证了该方法的有效性,并归纳出利用幅值变化对任意裂纹参数进行识别的基本步骤。最后,针对无裂纹梁频率计算可能存在误差的情况,分析识别方法的鲁棒性,结果显示即使最大误差为10%,该方法也能对裂纹参数进行准确识别。     

列车荷载作用下黏弹性半空间体的随机动力响应Dynamic response of viscoelastic half-space subjected to train loads

针对列车荷载作用下黏弹性半空间体响应的问题,利用虚拟激励法将系统的随机分析转化为确定性分析。根据列车荷载构造了相应的虚拟激励形式,通过傅里叶积分变换法把半空间体控制方程转入波数‐频率域,并推导获得了系统虚拟响应的积分形式解。当相速度接近或大于瑞利波速时,积分形式解中被积函数往往具有奇异性和高振荡性,使得数值计算相当困难。对此,将被积函数图形化以确定函数的积分限,并通过自适应数值积分算法解决被积函数的振荡性。数值算例中,进行了随机列车荷载作用下半空间体的响应分析,讨论了荷载移动速度及频率等参数变化对响应的影响,给出了响应的时间和空间分布规律。本文方法可进一步推广至移动矩形荷载等载荷模型,对移动荷载作用下环境振动行为预测具有很好的借鉴意义。     

非高斯随机激励下滞迟系统响应与首次穿越失效

针对由有界噪声、泊松白噪声和高斯白噪声共同构成的非高斯随机激励,通过Monte Carlo数值模拟方法研究了此激励作用下双线性滞迟系统和Bouc-Wen滞迟系统这两类经典滞迟系统的稳态响应与首次穿越失效时间。一方面,分析了有界噪声和泊松白噪声这两种分别具有连续样本函数和非连续样本函数的非高斯随机激励,在不同激励参数条件下对双线性滞迟系统和Bouc-Wen滞迟系统的稳态响应概率密度、首次穿越失效时间概率密度及其均值的不同影响;另一方面,揭示了在这类非高斯随机激励荷载作用下,双线性滞迟系统的首次穿越失效时间概率密度将出现与Bouc-Wen滞迟系统的单峰首次穿越失效时间概率密度截然不同的双峰形式。     

分级型放射肋短壳结构集中力扩散优化设计

在航天箭体结构设计中,燃料贮箱因其特殊的连接形式往往受较大的集中力作用。传统的放射肋短壳结构被用来扩散集中力以减小其造成的危害,但实际效果并不理想。本文基于拓扑优化的概念设计,综合实际短壳结构承载环境和可制造性,提出了一种"分级型放射肋"贮箱短壳结构。围绕刚度、强度、减重、稳定性和集中力扩散效果等多种需求,基于NSGA-Ⅱ遗传算法建立了多目标优化问题模型。通过形状和尺寸的协同优化策略,得到多目标优化的最优Pareto解集。通过三层级、两层级、单一层级最优设计与传统均匀放射肋设计的对比,验证了分级型放射肋设计的优势和效果;之后,结合实际工程要求选择合理的设计方案。     

基于时域自适应算法的单向粘弹性节理岩体的等效分析

在粘弹性节理岩体的数值仿真中,必需合理地计及节理的影响.若将节理与岩体作为独立的材料组分考虑,在节理密集的情况下,时空两方面的计算开销可能是很难承受的.本文通过时域展开技术与一个简单的等效假定,得到了递推格式的粘弹性单向节理岩体的等效本构关系,及等效场的递推求解格式,并由此数值模拟了一个粘弹性节理岩体中的洞室,计算结果与考虑独立组分的ANSYS粘弹性分析进行了比较,二者的计算平均误差约为11.03%,但前者的计算效率为后者16.81倍.本文工作有可能为粘弹性节理岩体的数值模拟提供一条新的途径.     

渐进密度AESO方法及其在热传导结构拓扑优化中的应用

研究用于结构拓扑优化的基于材料添加策略的进化算法(AESO方法).基于进化算法的思想,利用单元材料相对密度的变化描述材料的添加(从O到1)或删除(从1到O).当某些单元满足进化准则时,单元的相对密度进行O-1交化.研究发现.基于一步变化策略的AESO方法往往不能获得正确的拓扑形式,其原因可能是,进化后的响应量是基于密度为O或很小时的敏度经线性近似获得的,与实际相差很大.这种敏度的计算误差问题在ESO、BESO等硬杀算法中都存在.本文提出将进化过程分成多步,以软杀的思想进行硬杀优化,即使材料密度逐渐由O变化到1,实现材料的逐步添加.基于该策略,提出了渐进密度AESO方法,并比较分析了这种逐步添加的做法对结果的影响.算例验证了该方法的正确性和有效性.渐进密度AESO方法为双向进化算法(BESO)提供了有效的进化(材料添加)策略.     

基于均匀材料微结构模型的热弹性结构与材料并发优化

研究由宏观上均匀多孔材料制成的结构的优化设计问题,待设计的结构受到给定的外力与温度载荷作用,优化设计旨在给定结构允许使用的材料体积约束下,设计宏观结构的拓扑及多孔材料的徼结构,使得结构柔度最小.本文提出了一种宏观结构与微观单胞构型并发优化设计的方法.在此方法中,引入宏观密度和微观密度两类设计变量,在微观层次上采用带惩罚的实心各向同性材料法SIMP(Solid Isotropic Material with Penalty),在宏观层次上采用带惩罚的多孔各向异性材料法PAMP(Porous Anisotropic Material with Pemlty),借助均匀化方法建立两个层次阃的联系,通过优化方法自动确定实体材料在结构与材料两个层次上的分配,得到优化设计;提供的数值算例检验了本文所提方法及计算模型,并讨论了温度变化、材料体积及计算参数对优化结果的影响.研究结果表明同时考虑热和机械载荷时,采用多孔材料可以降低结构柔顺性.     

周期性蜂窝材料微极等效模型及其微观应力的一种快速算法

将周期性蜂窝材料等效为具有非局部本构的微极连续介质,以解释实验中出现的尺度效应和边界层效应.在评论相关的多种不同方法(能量法、体积平均的均匀化法等)之后,提出了一种基于位移连续和单胞力平衡的推导微极等效本构参数的新方法.以正方形单胞制成的结构为例,在不同的结构与单胞尺寸比下,考虑承受集中点载荷、均布轴力和均布剪力三种载荷工况,比较了离散完全计算、经典连续介质等效和不同微极连续体等效本构的计算结果,建议了较好的微极本构参数值.数值模拟表明,集中点载荷和剪切载荷作用时,在加载点附近和边界部分,微极等效可以显著提高计算精度.最后,给出了一种映射算法,可以根据微极等效连续体分析的结果,快速计算出对应微观单胞构件的应力,以开有圆孔的方板应力集中为例,验证并考察了所提快速算法的有效性和计算精度.