高速列车吸能结构设计和耐撞性分析

建立了高速列车头车的有限元模型,运用有限元软件LS-DYNA模拟了头车碰撞刚性墙的冲击过程。在碰撞发生时,原有设计方案的牵引梁主体的变形以整体屈曲为主,不利于缓冲吸能。在对原设计的耐撞性分析的基础上,建议对原有牵引梁结构加以改进,并在前端增加两组不同尺寸和厚度的带圆角的方管作为缓冲吸能管,考虑了在缓冲管中填充泡沫铝与否,形成了4种设计方案。数值模拟结果表明,与原设计方案相比,新方案的整个头车的吸能量有大幅度提高,刚性墙反力的峰值也有一定程度的降低,采用大的圆角半径的厚管并填充泡沫铝的方案的改进效果最明显。     

高速动车组被动安全性和耐撞性研究

随着列车高速和重载的发展,对列车被动安全性的研究日益重要.本文以CRH3动车组为载体,应用碰撞仿真软件PAM-CRASH和多学科协同优化软件iSIGHT进行碰撞数值模拟分析和吸能结构优化,得到CRH3动车组在大变形碰撞时的变形模式及各碰撞参数,并对动车组的吸能结构进行评估及最优设计,实现车辆的被动安全保护和耐撞性优化设...     

惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进

惯性释放法是在飞行器设计中采用的一种近似分析方法,用于获得载荷作用下的自由-自由结构的内力响应。为了克服结构耐撞性拓扑优化问题求解的困难,探讨了惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进。将惯性释放法改进的惯性释放法、ESL(等效静力法)的优化思想与HCA(混合胞元自动机法)的材料更新规则结合,提出了一种新的高效的可用于耐撞性拓扑优化问题的混合法。数值算例结果表明,改进的惯性释放法对于多数碰撞问题均可以获得精度较高的结果,而惯性释放法对部分问题同样可以获得精度较高的结果,同时应用过程更加简便。优化算例的结果显示,新的混合法可以获得吸能性能更好的结构设计,同时有效地降低优化过程的耗时。     

落锤冲击加载实验装置及结构耐撞性实验研究

本文介绍ＤＨＲ９４０１落锤式冲击加载试验机的结构特点和工作性能,及其在结构耐撞性实验研究方面的几个典型应用     

仿虾螯结构薄壁管设计及耐撞性分析

为提高薄壁管的耐撞性能,以虾螯为生物原型,通过结构仿生原理设计了仿虾螯结构多晶胞薄壁管。以晶胞数（2～6）和冲击角度（0°、10°、20°、30°）为试验因素,利用有限元法分析了仿虾螯结构多晶胞薄壁管在不同冲击角度下的耐撞性能,通过落锤试验验证了仿真结果的可靠性。结果表明：2晶胞仿生管在轴向和斜向载荷下的耐撞性最优。同工况条件下,减少晶胞数可降低仿生管峰值载荷。斜向冲击载荷下,仿生管保持稳定叠缩变形模式的时间随晶胞数的增加而缩短,其耐撞性能随晶胞数的增加而降低。虾螯结构特征与普通圆管的结合有效提高了仿虾螯结构多晶胞薄壁管的耐撞性能。

     

仿生波纹夹层结构耐撞性分析及优化

为提高薄壁夹层结构耐撞性,以虾螯为仿生原型,设计梯度分布的仿生波纹形夹层结构,包括单层、双层和三层波纹结构。以初始峰值载荷F_p、比吸能E_s为耐撞性指标,利用有限元法分析了单元高宽比γ（γ₁、γ₂和γ₃分别为单元第1层、第2层和第3层的高宽比）对波纹夹层结构耐撞性的影响,采用多目标粒子群优化方法得到了夹层结构最优参数。结果表明,单层波纹结构耐撞性随单元高宽比γ的增大逐渐变差,双层波纹结构下层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响大于上层结构单元高宽比γ对耐撞性的影响,较小的γ值有利于提高三层波纹结构的比吸能。结构优化结果表明:单层结构最优尺寸γ₁为0.8;双层结构最优尺寸为γ₁ = 0.5和γ₂ = 1.2;三层结构最优组合为γ₁ = 0.6,γ₂ = 0.6和γ₃ = 0.9。上述结果可为薄壁夹层结构轻量化设计提供新思路。     

双壳船内外壳结构耐撞性试验与仿真研究

结合船舶加筋板结构缩尺模型的耐撞性试验和有限元仿真分析,研究了双壳船舷侧内、外壳结构的碰撞损伤特性,并在此基础上对舷侧内、外壳结构的碰撞损伤性能进行了分析比较.结果表明:虽然双壳船舷侧内、外壳结构在耐碰撞能力方面的差异不是很大,但在渐进破坏过程及其总体破坏模式方面却存在一些明显的区别.而加强筋的侧向挤压变形对加筋板总体碰撞损伤性能并不会产生很明显的影响.影响船体舷侧结构耐撞性能的主要内力要素是加强筋截面内的轴力以及船壳板中面内的膜力.为了提高加筋板结构的耐碰撞能力,就要尽可能地减小结构的局部弯曲变形,较好的设计方案是增加外壳板厚度和减小加强筋尺寸.     

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.     

基于Kriging的泡沫填充锥形薄壁结构耐撞性6σ稳健性优化设计

锥形薄壁结构的耐撞性设计过程中,其设计变量和噪声因素都具有一定的波动性,都存在不确定性.传统的优化设计方法由于忽略不确定因素的影响,当设计变量产生波动时,往往会引起设计最优目标超出约束界限或者目标函数对设计变量的波动极为敏感,从而导致设计失效.为了考虑参数的不确定影响,论文提出了一种结合试验设计技术、Kriging近似建模技术、蒙特卡罗模拟技术和6σ质量控制理念的稳健优化设计方法,并应用该方法对泡沫填充锥形薄壁结构的耐撞性进行了优化设计.优化结果表明,该方法提高了锥形薄壁结构的耐撞性,同时也提高了设计变量的可靠性和目标函数的稳健性.由于在优化过程中调用的是Kringing模型,该方法比传统的优化方法具有更高的优化设计效率.算例表明,该方法具有非常强的工程实用性,能大幅提高产品的设计质量.     

基于耐撞性的塑性变形教学改革

塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。

     

横截面参数化网格变形算法及耐撞性优化应用

薄壁梁结构是汽车等运载工具的主要承载构件,提高该类结构的耐撞性对乘员安全具有重要意义。然而,形状优化设计要求多组有限元模型与仿真分析,因此需要特定的建模技术或人工交互。本文提出了一种基于横截面形状的参数化网格变形方法,以实现已有有限元模型的有效重用。以给定有限元模型为输入,采用基于各向异性径向基函数网格变形方法,并结合骨架内嵌空间,可快速生成适用于仿真分析的有限元模型变体。以S形梁轴向冲击耐撞性设计为例,采用所提方法改变构件塑性铰区域的横截面形状,可快速（低于4 s）获取100组局部变形有限元模型,并采用代理模型技术和多目标遗传算法优化结构耐撞性。数值结果显示,构件耐撞性获显著提高,验证了所提参数化变形方法的有效性,展示了与一般形状优化框架的可集成性。     

Aerodynamic design method of cascade profiles based on load and blade thickness distribution

A cascade profile design method was proposed using the aerodynamic load and blade thickness distribution as the design constraints, which were correspondent to the demands from the aerodynamic characteristics and the blade strength. These constraints,together with all the other boundary conditions , were involved in the stationary conditions ofa variational principle , in which the angle-function was employed as the unknown function.The angle-function ( i. e. , the circumferential angular coordinate) was defined in the image plane composed of the stream function coordinate ( circumferential direction ) and streamline coordinate. The solution domain, i.e., the blade-to-blade passage, was transformed into a square in the image plane, while the blade contour was projected to a straight line ; thus, the difficulty of the unknown blade geometry was avoided. The finite element method was employed to establish the calculation code. Applications show that this method can satisfy the design requests on the blade     

加锚体自然单元法分析与程序设计

建立了加锚体的自然单元法分析模型。结合自然相邻插值和一维轴力杆单元的劲度矩阵,推导了锚杆支护数值模拟的单元列式,给出了自然单元法分析加锚体的实施步骤和主要程序设计。结构的离散和锚杆的离散完全独立,因此可以自由地加设或拆除锚杆。算例分析表明自然单元法分析加锚体的精度与有限元的相当,但比有限元的实施要方便得多。     

高层筒体结构整体稳定及二阶位移分析的改进条元法

根据柱壳理论,构造了一种柱壳曲条,本文结合柱壳曲条和平壳条元求解高层筒体结构的整体稳定及二阶位移。采用三次H erm ite插值函数模拟条元横截面的翘曲位移变化,能较好地反映筒体受力“剪切滞后”效应;采用一族能较好地逼近弯剪型变形曲线的正交多项式作基函数来描述位移沿竖向变化。用最小势能原理建立稳定及二阶位移分析方程。该方法适用于任意平面形状的高层建筑筒体结构及剪力墙结构的稳定及二阶位移分析。与其它方法相比,该方法具有精度高、通用性强、计算量小等优点。     

风与柔性结构流固耦合作用的预处理方法研究

针对强耦合方法求解风与柔性结构流固耦合作用时,大量计算资源都耗费在对强耦合方程求解中这一弊端,本文研究了强耦合方程的预处理求解方法。在风与柔性结构流固耦合作用的强耦合整体方程的基础上,将时空离散和线性化后的类似结构方程看成是鞍点问题,首先推导得到了类似结构方程的预处理矩阵;再基于此推导出了强耦合整体方程的预处理矩阵。首先采用预处理方法对经典二维流固耦合问题进行了计算,验证了提出的预处理矩阵的正确性;然后对风与三维膜结构的流固耦合作用进行了分析,评估了所提出预处理方法的相关计算参数。计算结果表明,所提出的预处理方法可使强耦合整体方程的求解在计算精度和计算效率上都得到较大提升,证明本文提出的预处理方法适用于风与柔性结构的流固耦合分析。     

基于塑性铰理论的车身概念设计正碰分析与优化方法

在概念设计阶段,车身碰撞安全性能评价是一个难点问题,需要详细的结构模型,本文基于塑性铰理论提出采用梁单元简化模型对框架车身进行概念设计阶段的耐撞性评估和优化设计方法。首先,介绍了关于箱型截面薄壁梁弯曲特性研究的理论模型与计算过程,接着赋予梁单元塑性铰的特性,模拟薄壁梁变形,再对框架车身进行了碰撞仿真。将仿真结果与详细模型对比,以分析简化模型的精度及可靠性。最后,以此为基础对框架车身进行耐撞性优化。结果表明,该简化模型易于创建,且有较高的精度,可用于概念设计阶段梁结构的设计工作。     

变截面高层筒体结构的有限元线法整体稳定和二阶分析

本文用有限元线法对变截面的高层简体结构进行空间整体稳定和二阶分析。先把实际框筒结构分段连续化为正交各向异性折板结构；用有限元线法，通过有限条元半离散化，取结线上位移为基本未知函数，由势能驻值原理建立稳定和二阶分析的常微分方程组；由常微分方程求解器直接求解。     

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征.以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形.提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命Nc三部分组成.给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程.最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性.     

Wave scattering method for dynamic response analysis of structures with stochastic parameters

The wave scattering method is presented to analyze dynamic response of frameworks with stochastic parameters. First, with the uncertain physical, geometric, and loading properties in consideration, the stochastic waveguide equations containing the axial, torsional and flexural wave modes are established. Second, the stochastic wave scattering equation and wave translation matrix are derived to obtain the wave modes. Third, the methodology to extract the generalized displacements and forces from stochastic wave modes is proposed. Finally, a cantilever beam, a planar framework, and a space framework have been presented as numerical examples to illustrate the e?ciency of the proposed method. It is found that the results obtained by the proposed method with higher computational e?ciency show an excellent agreement with those by Monte Carlo simulation method. Furthermore, the influences of stochastic parameters on dynamic response are revealed.