潜水器开孔耐压壳半球封头极限承载力分析

为了使潜水器能够在水下完成各种操作项目,必须为潜水器配置适当的设备以及电缆,这就决定了必须在耐压壳两侧的封头上设置各种大小不同的开孔,开孔处需要安装各类接插件.耐压半球封头上开孔的设置导致了应力的增加和壳体强度的减弱;同时,由于结构的连续性被破坏,这将产生较大的附加弯曲应力.本文利用ANSYS有限元分析软件对开孔半球封头的承载力问题进行了非线性有限元分析,计算了开孔的各项参数变化对耐压封头极限承载力的影响.计算结果表明,随着个数和孔径的增大和围壁厚度的减小其极限承载力呈下降趋势.     

基于缺陷敏感性分析的加筋圆柱壳结构设计

为了对加筋圆柱壳进行面向低缺陷敏感度的结构设计,针对一个直径为3m 的正置正交加筋圆柱壳,基于显式后屈曲数值分析,研究了预制不同幅度的内凹、外凸双曲母线形状设计的加筋圆柱壳轴压临界荷载对初始模态缺陷的敏感性。结果表明：外凸双曲母线形状可在幅度为20mm时提高含缺陷结构的轴压临界荷载,可达6.6%,表现为对缺陷的低敏感性;内凹双曲母线则可在幅度为-10mm时小幅提高完善结构的轴压临界荷载,可达1.7%;当加筋圆柱壳应用于运载火箭的燃料贮箱时,燃料加注会升高贮箱内压,因此可通过内压控制形成外凸形状来降低结构的缺陷敏感性。     

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。     

基于压电曲壳单元的结构振动最优控制

曲壳结构已广泛应用于航空航天、航海等领域,结构微小的振动会极大地影响部件性能,抑制曲壳结构的振动就很必要。提出了压电曲壳结构的振动最优控制模型,利用空间曲壳单元理论及多点约束方程实现曲壳基结构壳元和压电壳元的耦合,推导了压电曲壳结构动力学有限元方程,并结合线性二次型最优控制理论,实现了压电作动器对曲壳结构的振动最优控制。数值算例表明,对曲壳结构进行动力分析和振动控制时,在达到同样精度及控制效果的情况下,与平壳相比,曲壳单元及作动器所需数目要少得多。     

基于区域分解的环肋圆柱壳-圆锥壳组合结构振动分析

提出了一种区域分解法来分析不同边界条件下环肋骨圆柱壳-圆锥壳组合结构的振动特性.首先把组合壳体分解为自由的圆柱壳、圆锥壳段;视环肋骨为离散元件,根据肋骨与圆柱壳段之间的变形协调条件,将肋骨的动能和应变能附加于圆柱壳段能量泛函中.然后基于分区广义变分和最小二乘加权残值法将所有分区界面的位移协调方程引入到组合壳体的能量泛函中.圆柱壳段、圆锥壳段位移变量的周向和轴向分量分别采用Fourier级数和Chebyshev多项式展开.以自由-自由、自由-固支和固支-固支边界条件的环肋骨组合壳体为例,采用区域分解法分析了其自由振动及在不同激励下的振动响应.通过与有限元软件ANSYS结果进行对比,发现两种方法计算结果非常吻合,验证了区域分解方法的计算精度和高效性.     

一种基于壳单元的自动快速计算方法及其在结构设计中的应用

提出一种自动快速计算方法实现壳结构设计中多参数大规模问题的快速计算。该方法将参数域离散技术、显式参数化有限元技术和子空间构造技术通过自动快速计算流程联系起来,提高了快速计算方法的可操作性,改变了常规快速计算方法的流程。同时,通过误差控制实现对子空间的实时更新,在提高快速计算方法的精度的同时减少计算成本。该方法在车身结构...     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,CFD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

基于神经网络对扁壳结构载荷位置识别问题的研究

在建立扁壳结构识别问题的力学模型基础上,运用神经网络方法构造了三层结构的神经网络,并以此对扁壳在集中力作用下的载荷位置的识别问题进行了研究.结果表明,采用有限元方法获取基本样本,运用神经网络方法对扁壳结构载荷位置的识别具有较好的效果.     

锥壳、柱壳及其组合结构的塑性极限分析

壳体的极限分析理论对预见结构破坏形式,充分发挥结构承载潜力有实际意义。本文采用理想刚塑性...     

基于OpenSees的双层柱面网壳结构的非线性有限元可靠性分析

在非线性有限元可靠度分析当中,经常会遇到两个障碍:对于特定的材料模型,约束函数会有不连续的梯度,导致搜索方法的不收敛;试算点离失效域太远,使得结果不能数值收敛[1]。针对这两个障碍,将OpenSees提供的光滑材料模型、改进和新的算法引入大跨度空间网格结构的非线性可靠度分析当中。通过应用光滑的Bouc-Wen材料模型解决了第一个障碍;通过修正已有的算法和引进新的算法解决了第二个障碍,除了已有的改进HL-RF算法、梯度映射法和SQP算法外,又首次将Polak-He算法引入到大跨度空间结构的非线性可靠度分析当中,并且对影响其收敛和计算速度的因素做了详细地阐述;结果发现SQP法和Polak-He算法计算效率较高,iHLRF法和梯度映射法效果较差。表明Polak-He算法是一种高效的计算方法,SQP法对功能函数的调用次数少,计算工作量少。通过引入光滑材料模型及几种算法,给大跨度空间结构的非线性可靠度分析带来方便,值得进一步推广。     

复合材料结构的内部分层及其扩展

本文用接触观点分析了复合材料壳体结构的内部分层问题，建立了求解摩擦接触问题的有限元迭代格式，并采用释放率判据分析分层裂纹的扩展。分层裂纹前缘采用轴对称奇异单元，并了结构的大变形特性。计算表明，层间裂纹呈Ⅱ型扩展趋势。本文同时还分析了层间摩擦系数的影响，并指出分层将导致壳体结构承载能力显著下降。     

基于节点构形度的自由曲面网壳结构形态优化研究

为获得形式自由且受力性能合理的自由曲面单层网壳结构形态,以单位力作用下的位移响应作为结构连接性能的衡量参数,同时为保证结构曲面的光顺性引入NURBS技术,基于考虑荷载作用的结构节点构形度评价指标,提出了相应的自由曲面结构形态优化方法。将结构控制点的坐标作为优化变量,节点构形度最小值的最大化作为优化目标,综合结构总用钢量、最大节点位移和构件长细比等约束条件,采用遗传算法对结构的曲面形态进行优化。结果表明,节点构形度可以准确反映节点的连接性能,采用遗传优化算法优化结构的曲面形态,可获得杆件以受轴压为主的结构形态,受力模式得到有效改善,受力合理,保证了结构极限承载力及其安全性。     

应用平板壳单元DKQl6分析板壳结构的几何非线性

应用新近开发的四边形十六自由度离Kirchhoff平板壳单元DKQl6，分析了板壳结构的几何非线性问题，采用Total Lagrange格式，在小应交、中等转动的假定下，建立了该单元几何刚度阵和大位移矩阵．非线性方程采用位移引导或弧长引导的牛顿-拉夫森增量迭代法求解．讨论了网格和加载步效对收敛性的影响，通过对典型算例的计算以及与其它单元的比较，说明了DKQl6单元在板壳结构几何非线性分析中也有良好的精度．     

基于开放式结构有限元系统 SiPESC.FEMS平板壳单元研发

基于开放式结构有限元系统SiPESC.FEMS的单元计算模块的设计模式,研发设计一种通用的平板壳单元计算框架。考虑板壳单元的组合关系和程序编制过程中的重用性及灵活性等特点,采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的组合单元。本框架具有很好的通用性和可扩展性,为有限元程序研发提供了一个新的方式;同时,系统能够处理复杂荷载和边界条件,并可灵活实现不同类型单元的组合分析。本文利用此方法构造五种平板壳单元,通过数值算例分析对比讨论其性能,为选取合适的平板壳单元类型进行结构数值分析提供参考。     

硅藻壳孔状结构的摩擦学性能研究

鉴于硅藻壳精细的孔状结构和良好的力学性能,选取较为典型的圆筛藻为研究对象,对其摩擦学性能进行了流固耦合分析(FSI).首先建立了圆筛藻壳壁的三维模型,然后应用计算流体动力学理论分析了圆筛藻壳不同孔径、孔深、孔距和速度下,其承载力(抵抗水压的能力)、摩擦力和摩擦系数等性能,并将该结构与无孔结构性能对比.结果表明:相对于无孔壳,硅藻壳的精细孔状结构可以增大其承载力,减小其与水环境间的摩擦.且在选取的尺寸范围内,随着硅藻壳体孔径或孔深的增大,其承载力增大,摩擦系数减小.     

板壳结构的应力约束拓扑优化设计

应用ICM 方法求解应力约束板壳结构拓扑优化问题,建立了寻求应力约束下结构重量极小化,每个设计变量控制多个单元的板壳结构拓扑优化近似显式的ICM 模型. 依据畸变能理论,将应力约束转化为畸变能约束,减少了约束数目. 采用精确对偶映射下的序列二次规划算法进行求解. 以MSC.Patran 及MSC.Nastran 软件作为二次开发平台,应用PCL 语言实现本文算法. 算例对于设计变量数等于单元数时的情况进行了计算,表明该方法有效可行.     

双层柱壳组合结构的优化分析

本文对文献〔1〕、〔2〕所述的双层柱壳组合结构进行了优化分析,取得了较好的结果.优化过程中,除了将内点法与外点法结合起来,而引进混合罚函数外;还在求一维最小值时,提出了一个新的收敛较快的插值方法.在此基础上,对优化中一些参数的选取规律进行了一些有益的摸索.本文所述计算程序,适用于一般结构的无约束优化分析.     

板壳结构弹塑性稳定性的有限元分析

构造了20参数圆柱壳拟协调单元,同时采用分层模型的弹塑性稳定性分析.根据塑性屈曲的Stowell形变理论,用基于切线刚度矩阵的增量法和修正的Newton-Raphson方法,计算屈曲前的弹塑性内力分布,并用逆幂迭代法求解弹塑性屈曲荷载.     

圆锥壳结构自振特性的多项式解

本文研究了圆锥壳结构自振特性的多项式解。文中利用Hamilton原理,采用Love薄壳简化假设,设位移为不受边界条件限制的多项式解,通过求解能量法的特征方程得到结构的自然频率。文中给出了数值算例。与有限元模拟得到的结果比较,吻合得非常好。