微构件自由弯曲回弹的数值模拟

回弹是影响弯曲成形精度的一个重要因素,由于尺度效应的存在,微构件的弯曲回弹问题更复杂.利用动态显式与静态隐式算法相结合的方法数值模拟了C1200黄铜V形微构件的自由弯曲,与其超薄板三点弯曲的实验结果吻合度很好,验证了该方法模拟微构件弯曲回弹的可行性.分析了板厚t、晶粒大小d、t/d(板厚与晶粒大小比值)和残余应力对回弹的影响,结果显示t/d可以作为表征回弹的重要参数,回弹量随着t/d减小而增大;随着t和d的增大,工件的残余应力也增大,会影响工件的质量.可以采用适当热处理工艺增大材料的晶粒尺寸来减少回弹,当然也要兼顾残余应力对工件质量的影响.     

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法,它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点,该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

框架结构屈曲的精确有限元求解

基于屈曲微分控制方程的一般解,构造了Euler梁在轴力作用下的精确形函数,建立了用于框架结构屈曲分析的精确有限单元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,并提出了基于常规特征值计算的迭代算法以确定屈曲载荷及相应失稳模态的精确解. 研究表明, 对于线性稳定性分析而言,常规框架有限单元可视为精确有限单元的一种近似. 若采用精确单元,无需进行网格细分就可以获得精确的屈曲载荷和失稳模态. 数值算例证明了新单元和算法的效率和精度.      

弹塑性损伤本构关系的显式积分算法研究

首先引入弹塑性损伤本构关系,分别从材料软化与残余应变两个方面,描述伪脆性材料的非线性行为.针对结构动力分析中的强非线性问题,给出了弹塑性损伤本构关系的显式积分算法.算法中引入算子分解的思想,将弹塑性本构关系分成塑性与损伤两个模块.首先求解塑性模块,根据有效应空间塑性演化公式,采用前进欧拉算法,直接构造塑性演化的预测值,并且根据屈服函数的漂移构造了误差限公式,作为衡量显式算法精度的指标.将塑性模块求解的结果代入损伤模块,可以方便地求得损伤变量的演化,并最终得到更新后的应力.整个求解过程不需要迭代,可最大程度的算法稳定性.将论文建立的本构关系显式算法与结构分析显式算法结合,构造了结构显式分析方法,并模拟了两个经典算例,算例结果验证了论文方法的有效性.     

冲击接触问题增广 Lagrangian 双共轭梯度法

为避免动力接触问题罚函数法由于满足表面接触条件所带来的数值解的振荡,及常规Ｌａｇｒａｎｇｉｎａ乘子法与显式积分算法不相容的缺陷,本文发展了一个既与显式积分算法相容,又可自然地用于隐式自法的增广Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ双共轭梯度算法。增广Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ双共轭梯度算法既可精确地满足接触约束条件,又可避免数值解的振荡;在改善数值迭代的收敛性的同时又提高了计算效率。     

结构非线性动力分析混合时间积分并行算法

综合隐式和显式时间积分技术,对结构非线性动力反应分析提出一种并行混合时间积分算法.该算法采用区域分解技术.将并发性引入到算法中,即利用显式时间积分技术进行界面节点积分而利用隐式算法求解局部子区域.为实现并行混合时间积分算法,设计了灵活的并行数据信息流.编写了该算法的程序,在工作站机群实现了数值算例,验证了算法的精度和性能.计算结果表明该算法具有良好的并行性能,优于隐式算法.     

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合隐式和显式时间积分技术,对结构非线性动力反应分析提出一种并行混合时间积分算 法. 该算法采用区域分解技术. 将并发性引入到算法中,即利用显式时间积分技术进行界面 节点积分而利用隐式算法求解局部子区域. 为实现并行混合时间积分算法,设计了灵活的并 行数据信息流. 编写了该算法的程序,在工作站机群实现了数值算例,验证了算法的精度和 性能. 计算结果表明该算法具有良好的并行性能,优于隐式算法.     

求解一类可分离凸规划的对偶显式模型DP-EM方法

推导对偶目标函数的精确显式表达式,可选用更多成熟高效的求解方法,从而进一步提高了非线性规划对偶理论求解结构拓扑优化问题的效率.研究工作来源于非线性凸规划同其对偶规划的间隙为零,可以等价转化为对偶问题求解,通常可以大大地缩小问题的规模,可是二者不具有显式关系却影响了对偶解法的应用.所幸的是,结构优化当中一大类问题包括连续体结构拓扑优化问题,不仅具有凸性,而且具有变量可分离性,于是原变量和对偶变量之间有了显式关系,因此,对偶解法成了38年来被应用的有效方法之一.然而长期以来,对偶问题的目标函数并不是显式,这缘于含参数的极小化问题导致目标函数为隐式表达,常见的显式化方法是进行二阶近似.本文突破了对偶问题难以显式化只能采用近似显式的定势,将我们提出的"对偶规划-显式模型"(DP-EM)方法应用于连续体结构拓扑优化,并与对偶序列二次规划(DSQP)算法及移动渐近线(MMA)算法为求解器的方法进行计算效率对比,结果显示:(1)MMA算法比DP-EM算法和DSQP算法的外部迭代次数均多;(2)DP-EM算法与DSQP算法外循环次数相同,而内循环数显著减少.说明了DP-EM算法具有显式对偶函数的优势.     

多变量单元结构共振解耦动力优化设计方法

针对截面多变量单元结构的动力优化问题,建立了带频率约束的结构动力优化设计模型,对隐式非线性频率约束函数进行Taylor近似展开,给出了截面多变量单元频率梯度函数显式表达式,基于Kuhn-Tucker条件构建迭代算法,其中拉格朗日乘子通过建立联合方程组求解,形成了含多变量单元共振解耦优化设计方法。以矩形截面单元结构为算例的结果表明,所给单元多变量算法具有良好的准确性;截面变量对频率的贡献存在主次之分,区分指标可采用梯度值;次要变量的修正因子迭代中可采用定值,且其下限应尽可能降低,利于节约成本。本文工作对多变量复杂截面结构动力优化设计可提供理论指导,提高结构动力优化方法的适用性。     

二维稳定流形的自适应推进算法

稳定和不稳定流形是研究动力系统全局特性的重要工具. 一般系统的稳定和不稳定流形的曲率在全局范围内会有明显变化,应根据流形曲率的变化采用不同尺寸的网格单元计算全局流形. 然而在现有二维流形算法中,流形网格单元的尺寸在全局范围内是统一的. 为持续有效地计算全局稳定流形,提高计算网格对流形曲率变化的适应性. 本文在偏微分方程算法的基础上提出一种二维稳定流形的自适应推进算法. 该算法的基本思想是根据稳定流形曲率的变化自适应地调整网格单元的尺寸. 该算法首先在系统的稳定特征子空间中确定稳定流形的一个初始估计,该初始估计的网格单元尺寸设置为初始大小. 然后根据稳定流形网格前沿的曲率特点自适应地产生新的备选网格单元,继而根据相切性条件更新备选点的坐标,并将距离平衡点最近的备选点接受为已知点,最后更新稳定流形网格的前沿并自适应地产生新的备选网格单元,通过这个迭代过程使流形网格自适应地向前推进. 本文算法通过引入流形单元尺寸自适应,成功实现了洛伦兹流形和类球面流形的计算,并与偏微分方程算法进行了对比,结果表明自适应推进算法的流形计算单元的尺寸可在全局范围内根据流形曲率自适应地调整. 利用自适应推进算法计算二维稳定流形,可实现稳定流形的自适应推进.      

NUMERICAL STUDY OF HIGH-REYNOLDS-NUMBER FLOW PAST A BLUFF OBJECT

A semi-explicit finite difference scheme is proposed to study unsteady two-dimensional, incompressible flow past a bluff object at high Reynolds number. The bluff object comes from a class of elliptical cylinders in which the aspect ratio and the angle of attack are two controlled parameters. Associated with the streamfunction–vorticity formulation, the interior vorticity, streamfunction and wall vorticity are updated in turn for each time step. The streamfunction and wall vorticity are solved by means of a multigrid method and a projection method respectively. In regard to the vorticity transport equation, implicitness is merely associated with the diffusion operator, which can be made semi-explicit via approximate factorization. Low-diffusive upwinding is devised to handle the convection part. Numerical results are reported for Reynolds numbers up to 40,000. Comparisons with other numerical or physical experiments are included.     

Finite Element Analysis for 3-D High Reynolds Number Flows

A Petrov-Galerkin finite element method using exponential weighting functions for the computation of three-dimensional incompressible viscous flow problems is presented. The unsteady incompressible Navier-Stokes equations are discretized by means of a semi-explicit scheme with respect to the time variable. As the time-marching scheme, the fractional step method is used effectively. Numerical results demonstrate that the present method is capable of solving the cubic cavity flow accurately and in a stable manner for Reynold numers up to 10⁴     

基于黎曼几何的非线性振子动力学分析递推解析算法

基于黎曼几何和变分原理,推导了黎曼流形上非线性耗散动力系统的二阶微分动力学方程,并运用流形收缩的概念将动力学方程离散化,进而建立了相应的递推求解格式。选取3个自治非线性阻尼振子系统,分别采用递推解析算法和龙格库塔法求解微分动力学方程,并比较分析了不同的时间步长下两种算法的计算耗时。结果表明,与龙格库塔法相比,基于黎曼几何的递推算法不仅能得到每一时步的解析表达式,而且计算耗时短,计算效率高。基于黎曼流形的动力学方程递推算法为非线性动力学系统的解析求解提供了新思路。     

考虑动荷载响应的结构形状优化设计研究

以产生相同位移场为基础,将动荷载转化为一系列的等效静荷载,然后将这些等效静荷载作为多个载 荷工况进行有限元优化设计分析. 通过几个算例的验证,表明这种基于动荷载等效转换的算 法能够反映动荷载对结构的动力响应,对具有大规模自由度的结构形状优化问题是有效的.     

求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法

提出了求解非线性结构动力方程的预估校正-辛时间子域法。首先,将结构非线性动力方程转换为状态空间方程,在任一时间子域内利用改进的欧拉法对各离散时刻的状态变量值进行预估和校正。然后,将离散的非线性项用Lagrange插值多项式展开并视为外荷载,结合辛时间子域法即可求解非线性动力系统的响应。这种方法不必对状态矩阵求逆,无需计算高阶导数,计算简单,格式统一,易于编程。算例结果表明,本文方法具有较高的计算精度、效率和稳定性,是一种求解非线性结构动力方程的有效方法。     

一种结构动力时程分析的积分求微方法

传统采用微分求积(differential quadrature,DQ)法求解动力问题时都是以位移响应作为基本未知量,而将速度响应和加速度响应表示为位移响应的加权和的形式.如此做法需要处理线性方程组或者矩阵方程(Sylvester方程)才能求得动力响应,导出的算法一般为有条件稳定算法.本文利用动力响应的Duhamel积分解,逆用DQ原理,提出了一种计算卷积的高精度显式算法.该算法可以逐时段地求解出动力时程响应,当各时段内DQ节点分布完全一致时,仅须进行一次Vandermonde矩阵求逆计算即可应用于各个时段,一次性获得时段内多个时刻的位移响应值,因而具有计算效率高的优点.通过分析动力方程积分格式,证明本文动力算法传递矩阵的谱半径恒等于1,因而该算法具有无条件稳定特性,且计算过程中不会产生数值耗散. 本文算法的数值精度取决于分析时段内布置的DQ节点数量$N$,具有$N-1$阶代数精度.实际操作时可以取10个甚至更多的DQ节点数,从而获得比较高的数值精度.      

仿鱼尾推进器在动力航向控制上的应用

传统的螺旋桨推进器工作噪声大,效率低,而仿鱼尾推进器技术有望改进这些不足,从而提出利用仿鱼尾推进动力定位的思想。通过对鱼尾推进模式和动力学的研究,设计出了最佳参数的仿鱼尾推进器。首先根据力的分解和拉格朗日动力学方程,计算出了前向推进力和各关节转矩,为课题研究奠定了力学基础;在动力定位控制研究中,通过惯性测量装置获取运动信息,采用卡尔曼滤波的数据融合算法实现姿态信息的解算,建立x方向上的空间运动模型并使用模糊自适应PID算法和传统PID算法仿真模拟。系统稳定性分析显示,PID控制存在14%的超调,而模糊自适应PID控制算法没有出现超调,两者的稳定时间均在240 s左右。最后由仿真分析验证模糊自适应PID算法更适合动力定位控制。     

列车与结构动态耦合分析的并行计算方法

在分析结构动态响应时考虑列车与结构的动态耦合作用,采用详细三维有限元模型会带来计算量太大的问题。本文采用并行计算方法,根据列车与结构动态耦合模型的计算特点,设计实现了列车结构耦合均衡的分区算法,并以两个工程应用为例,利用该方法对列车结构三维数值模型进行分区计算,结果表明该分区方法比递归坐标二分法有更好的并行效率。     

A numerical method of calculating first and second derivatives of dynamic response based on Gauss precise time step integration method

This paper describes an accurate and efficient method for calculating the first and second derivatives of dynamic response with respect to design variables for linear structural systems subjected to transient loads. An efficient algorithm to calculate the dynamic responses and their first and second derivatives is formulated based on Gauss precise time step integration method. The algorithm is achieved by direct differentiation and only a single dynamic analysis is required. Several numerical examples are comparatively demonstrated using the new developed method, analytical method, and central difference method. The results show that the new method is highly accurate compared with the analytical approach and is more efficient than the central difference method.     

THEORY AND METHOD OF OPTIMAL CONTROL SOLUTION TODYNAMIC SYSTEM PARAMETERS IDENTIFICATION (Ⅰ)──FUNDAMENTAL CONCEPT AND DETERMINISTIC SYSTEM PARAMETERS IDENTIFICATION

IntroductionDynamicsystemidentificationistheinverseproblemofdynamics.Throughtheuseofexperimentaloroperahonalinput-outputdata,modelofdynaITilcsystemcanbeestablishedbysystemidentificationtechnique,andundetCndnedparametersofmodelcanalsobeidenhfied.Ingeneral,dynamicequahonsofsystemareknownPrior,whilesystemidentificahonisjustanundetendnedparametersidentificationproblem.TheseparametersaremodalparameterssuchasfrequenciesandmodeshapesorstrUctUralparameterssuchasdampingandstiffness.T'hisisatypical"g…