面向变厚度柔性轧制工艺的帽型梁横向冲击吸能优化设计

作为汽车主要吸能构件的帽型梁的吸能提升设计是备受关注的问题.研究表明,通过优化薄壁结构的厚度可有效提升吸能性能,但复杂的厚度分布造成制造困难.针对可实现厚度调控的工艺,发展易制造的结构设计方法极为必要.本文基于变厚度柔性轧制工艺(variable gauge rolling, VGR)可实现厚度调控的特点,发展建立帽型梁横向冲击吸能优化设计方法.基于变厚度柔性轧制工艺生产的柔性轧制板(tailor rolled blanks, TRB)的特点,将受横向冲击的帽型薄壁梁设计成沿轴线分段变厚度、分段间设梯度过渡段的结构形式,通过调整各段厚度、分段位置和过渡层梯度变化规律,实现性能的优化.以应变能密度分布均匀为优化准则、基于混合元胞自动机(hybird cellular automata, HCA)方法构建优化模型和求解方法,并在迭代过程中施加满足轧制约束的过滤函数,使结构满足轧制工艺要求.其中,轧制约束的过滤函数由粒子群算法自动寻找.基于本文方法,具体设计了柔性轧制帽型梁横向冲击吸能最优的分段位置、各段厚度及过渡段厚度的梯度过渡方式,设计结果验证了方法的有效性.      

矩形变截面梁的挠曲分析

阐述弹性均质矩形变截面梁挠曲线的近似解法。梁的高度的长度方向呈线性变化，或是二次型抛物线变化，其宽度于线性变化。这种近似解法适用于集中荷载、均布荷载、线性分布荷载以及抛物线型分布荷载的作用情况。     

新型截面耐撞梁及其冲击吸能性能分析

提出了一种类似泡沫填充结构的轻质高吸能内部加筋薄壁梁的截面型式(加筋薄壁梁),采用数值仿真技术,以初始冲击力峰值、总吸能、比吸能为指标分析了该截面型式梁的抗弯性能.与同等质量的空心方形梁和泡沫铝填充梁进行比较,发现加筋薄壁梁的吸能性能(或比吸能)显著提高.同时初始冲击力峰值也有大幅下降,说明这种加筋薄壁梁是新型保险杠的良好截面型式.     

多边形截面薄壁管撕裂卷曲吸能研究

对薄壁管在准静态载荷下的卷曲撕裂进行了理论分析,并采用显示有限元方法进行了数值模拟。通过分析薄壁管的撕裂能、塑性变形能和摩擦能,讨论了冲头的锥形角、壁厚以及边数等因素对结构吸能的影响。     

变截面(变刚度)纵横弯曲梁

分析了受纵横弯曲载荷联合作用的变截面（变刚度）梁柱问题,并在钻柱力学分析中得到应用．     

变截面梁板弯曲问题的一般解答

本文利用广义函数研究了截面呈阶梯形变化的梁板弯曲问题,直接导出了挠度通用公式。研究结果表明,不论梁板边界的约束条件怎样,均可归结为求解一个二元一次线性代数方程组的问题,与传统方法相比要简捷得多。     

变截面梁弯曲切应力分析

从一般情况出发在继承经典的弯曲正应力公式前提下,应用静力边界条件与微体平衡方程导出变截面梁的弯曲切应力公式.结果与有限元解基本吻合,而传统材料力学方法与之相差甚远.     

计算变截面梁变形的通用方程

本文根据梁内力的通用方程,推导出了适用于变截面梁变形的通用方程的两种形式:外力形式和内力形式.并且就这两种形式的通用方程在具体问题上的使用及其在编制程序时的一些技巧,举例作了说明.     

变截面梁弯曲切应力分析

从一般情况出发在继承经典的弯曲正应力公式前提下,应用静力边界条件与微体平 衡方程导出变截面梁的弯曲切应力公式. 结果与有限元解基本吻合,而传统材料力学方 法与之相差甚远.     

考虑弹性地基切向抗力的变截面圆弧壳梁分析

本文根据弹性薄壳理论,考虑了弹性地基径向和切向抗力的影响,解决了变截面圆弧壳地基梁的难题,作者所提出的近似解析法和加权余量法、传递矩阵法较有限单元法简便.     

变截面Timoshenko梁的单元刚度矩阵

变截面构件在工程中应用广泛,在对变截面梁进行数值计算时,需要建立变截面梁单元的刚度矩阵。该文采用势能驻值原理,考虑了轴力引起的几何非线性和剪切变形的影响,将梁截面刚度的变化率作为小量,得到了近似到二阶的单元刚度矩阵。在构造位移模式时,从梁的微分平衡方程出发,得到同样近似到二阶、分别以三次和五次多项式表示的剪切和弯曲位移模式。该文还证明了单元刚度矩阵的奇异性,给出了轴压刚度的表达式,定量论证了与某些精确解的误差,表明在一定范围内,该文的结果具有足够的精度。最后以一个计算实例说明该文的单元刚度矩阵具有较快的收敛性。     

THE GENERAL SOLUTION FOR DYNAMIC RESPONSE OF NONHOMOGENEOUS BEAM WITH VARIABLECROSSSECTION

ＴＨＥＧＥＮＥＲＡＬＳＯＬＵＴＩＯＮＦＯＲＤＹＮＡＭＩＣＲＥＳＰＯＮＳＥＯＦＮＯＮＨＯＭＯＧＥＮＥＯＵＳＢＥＡＭＷＩＴＨＶＡＲＩＡＢＬＥＣＲＯＳＳＳＥＣＴＩＯＮＪｉＺｈｅｎ－ｙｉ（纪振义）（ＡｎｈｕｉＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｌｌ...     

基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化设计方法

薄壁结构是汽车等运载工具的重要防护装置,除了其轴向防撞能力外,侧向耐撞性能分析与提升方式也非常重要。研究基于薄壁结构厚度合理分布的侧向耐撞性能提升方式和建立基于元胞自动机的变厚度薄壁梁侧向耐撞性优化方法。以汽车B柱受力环境和性能要求为设计需求,首先利用所建立的方法给出了连续变厚度的薄壁梁厚度分布设计,其性能较常规的等厚度薄壁梁最大侵入位移大幅下降(下降82%),验证了变厚度设计的有效性;然后,考虑单向变厚度便于柔性轧制工艺制成TRB,给出了轴向连续变厚度薄壁梁的厚度分布设计,该设计较等厚度梁最大侵入位移下降73%;与连续变厚度梁相比,在侵入位移降低量略小的情况下,实现了可制造性。设计实例表明本文提出的连续变厚度设计能够有效提高侧向耐撞性能,所建立的方法能够获得合理的厚度分布设计,是有效的耐撞性优化设计方法。     

Numerical analysis of free vibrations of a beam with oscillators

The problem of free vibrations of a beam with free ends of variable cross section and mass, from which point masses (oscillators) are suspended by bars, is considered. It is shown that parametric resonances can occur in this oscillating system. Numerical examples showing the efficiency of the calculation method proposed are given. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 4, pp. 135–144, July–August, 2006.     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

桁架结构截面优化设计的改进模拟退火算法

将模拟退火算法应用于桁架结构截面尺寸优化设计,提出若干方法改进了算法的鲁棒性、计算效率和求解精度。通过一批经典问题,同时与传统结构优化算法和遗传算法进行了比较。数值结果表明,本文的改进模拟退火算法具有很高的优化求解精度,计算效率有显著提高且优于遗传算法,有望在结构优化设计问题中发挥其特点。     

Exact solution for finite deformation problems of cantilever beam with variable section under the action of arbitrary transverse loads

This paper deals with finite deformation problems of cantilever beam with variable section under the action of arbitrary transverse loads. By the use of a method of variable replacement, the nonlinear differential equation with varied coefficient for the problem can be transformed into an equation with variable separable. The exact solution can be obtained by the integration method. Some examples are given in the paper, and the results of these examples show that this exact solution includes the existing solutions in references as special cases. Projects Supported by the Science Foundation of the Chinese Academy of Sciences.     

Numerical study of free oscillations of a beam with oscillators

Free oscillations of a free-ended beam of variable cross section and mass with spring-suspended point masses (oscillators) are considered. It is found that parametric resonances are possible in this oscillating system. The effectiveness of the proposed calculation procedure is confirmed numerical calculations. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 3, pp. 150–156, May–June, 2006.     

局部表面纳米化双层嵌套式金属薄壁吸能结构的数值模拟和设计

基于局部表面纳米化技术,设计了一种双层嵌套式金属薄壁吸能结构。在表面纳米化技术对金属力学性能影响的研究基础上,优化了环向交错式和连续式条纹局部表面纳米化布局,得到了双层嵌套式方管吸能结构设计方案和吸能参数。结果表明,表面纳米化对材料的屈服极限提升显著,所设计的局部纳米化双层嵌套式方管吸能结构的比吸能可提高57.1%。同时也证实局部表面纳米化是一种有效的吸能提升技术。     

Deformation mode and energy absorption of polycrystal-inspired square-cell lattice structures

Lattice structures are widely used in many engineering fields due to their excellent mechanical properties such as high specific strength and high specific energy absorption (SEA) capacity. In this paper, square-cell lattice structures with different lattice orientations are investigated in terms of the deformation modes and the energy absorption (EA) performance. Finite element (FE) simulations of in-plane compression are carried out, and the theoretical models from the energy balance principle are developed for calculating the EA of these lattice structures. Satisfactory agreement is achieved between the FE simulation results and the theoretical results. It indicates that the 30° oriented lattice has the largest EA capacity. Furthermore, inspired by the polycrystal microstructure of metals, novel structures of bi-crystal lattices and quad-crystal lattices are developed through combining multiple singly oriented lattices together. The results of FE simulations of compression indicate that the EA performances of symmetric lattice bi-crystals and quad-crystals are better than those of the identical lattice polycrystal counterparts. This work confirms the feasibility of designing superior energy absorbers with architected meso-structures from the inspiration of metallurgical concepts and microstructures.