有限元法在三轴转台机械系统设计中的应用

本文探讨了三轴转台机械系统的设计与计算问题，以惯性三轴测试转台和三轴模拟台为例，确定了多种运转状态下的有限元法计算模型，并对其进行了静、动态特性计算，比较分析了计算结果，为合理结构的设计提供了重要数据，说明了在三轴转台机械系统设计中有限元法的重要性     

四环空间稳定平台的稳定性分析

为指导四环空间稳定平台控制系统的设计,首先应用Euler动力学方程推导了以各框架电动机驱动轴绝对角加速度为变量的动力学方程。在此基础上,研究了内框、中框、外框轴综合转动惯量随p、r角变化的规律。由各框架轴实测频率特性分析了对象的谐振、阻尼等特性,并结合转动惯量的变化,总结了保证控制系统稳定性可采取的方法;从机械结构设计角度研究了消除综合转动惯量变化的措施。结果表明:采用当前的框架配置方案,外框轴综合转动惯量的相对变化量较大,应采取相应措施保证系统的动态性能及稳定性;音叉式外框架的低刚度导致外框轴在低频段存在谐振峰,应通过设置滤波器及状态反馈等方式抑制其影响;合理分配各框架对应轴向的转动惯量可使各电动机驱动轴成为固定惯量系统,且减小甚至消除了耦合力矩。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下，采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下， 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题，优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差，约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

三轴转台框架的形状优化设计

本文叙述了三轴转台四种不同的布局型式。提出了用Ｂｅｚｉｅｒ曲线和Ｆｏｕｒｉｅｒ级数描述三轴转台框架的形状，将形状优化设计问题转换为可用参数优化设计方法求解的形式。建立了ＯＵＴ型三轴转台外框架结构的形状优化设计数学模型，然后给出了用增广乘子法对问题进行求解的步骤     

基于框架优选的钻机底座结构动态设计研究

建立底座的三维有限元模型，通过对底座进行结构有限元动力分析，了解到底座的动态特征．在对底座进行有限元动力分析的基础上，研究了各个基本框架对底座的动力特性的影响规律．按照分析结果，可通过框架优选对钻机底座进行结构动态设计或动力修改，所提方法有一定的实用价值，可用于指导底座的结构动态设计或动力修改．     

复合材料圆柱壳失稳载荷的振动监测

本文根据结构振动与稳定性的相关性，以振动频率测试值作为监控参数进行了复合材料圆柱壳的失稳状态监测。该方法首先利用模态试验，测量得到了复合材料圆柱壳在轴压和外压栽荷作用下的模态特性变化特性，进而利用一阶固有频率在低载荷下的这种变化特性，采用多项式拟合法，无损预估了复合材料圆柱壳的轴压和外压屈曲栽荷，估计值与试验测试结果比较一致。     

含能材料三轴动态压缩实验的一个计算机模拟方法

在含能材料单轴、受限三轴动态压缩实验的基础上，提出一种将计算机数值模拟和实验数据相结合，估算实验系统中钢筒与试件间的库伦摩擦力，从而正确确定含能材料的动态三轴力学性能（弹性模量Ｅ，泊桑比ν，屈服限Ｙ等）的方法。本方法用于ＴＮＴ炸药受限三轴动态压缩实验，通过建立钢筒－试件的库伦摩擦有限元模型，采用ＡＤＩＮＡ通用程序进行动力分析，估算了摩擦力对实验数据的影响，获得了考虑摩擦力修正后的ＴＮＴ三轴动态压缩响应，为含能材料三轴动态力学性能的确定提供了一种有效的方法。     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明,数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合,本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性,为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

三轴模拟转台的外框结构有限元优化设计

本文建立了某三轴模拟转台的外框结构分析模型和结构优化设计模型，利用基于性态模型的约束变尺度法对其进行了优化设计，得出了在一阶固有频率和静态变形约束下的最优方案。     

三轴飞行姿态仿真转台高性能指标及其实现

本文详细讨论了三轴飞行姿态仿真转台（三轴均由液压摆动马达驱动）的主要性能指标及影响它们的主要因素，在此基础上，给出了实现三轴飞行姿态仿真转台高性能指标的途径。同时，对三轴飞行姿态仿真转台中框架双液压马达同步驱动方案进行了探讨。     

Dynamic torsional buckling of a double-walled carbon nanotube embedded in an elastic medium

An elastic double-shell model based on continuum mechanics is presented to study the dynamic torsional buckling of an embedded double-walled carbon nanotube. Based on the presented model, a condition is derived to predict the buckling load of the embedded double-walled nanotube, and the effect of the van der Waals forces to the buckling load is discussed when an inner nanotube is inserted into an embedded outer one. In particular, the paper shows that the buckling load of the embedded double-walled nanotube is always between that of the isolated inner nanotube and that of the embedded outer nanotube for both dynamic and static torsional buckling, due to the effect of the van der Waals forces. This result is different from that obtained by the existing analysis neglecting the difference of the radii for the embedded double-walled nanotube, which indicates that disregarding the difference of the radii of multi-walled nanotubes cannot properly describe the effect of the van der Waals forces between interlayer spacing. In particular, for static torsional buckling of a double-walled nanotube, it is shown that the critical buckling load cannot only be enhanced, but also be reduced when inserting an inner nanotube into an isolated single-walled one. Additionally, it is shown that the elastic medium always increases the critical buckling load of double-walled nanotubes. The critical buckling load of embedded double-walled nanotubes for dynamic torsional buckling is proved to be no less than that for static torsional buckling.     

Dynamic anti-plane analysis for two symmetrically interfacial cracks near circular cavity in piezoelectric bi-materials

The present paper is exposed theoretically to the influence on the dynamic stress intensity factor （DSIF） in the piezoelectric bi-materials model with two symmet- rically permeable interracial cracks near the edges of a circular cavity, subjected to the dynamic incident anti-plane shearing wave （SH-wave）. An available theoretical method to dynamic analysis in the related research field is provided. The formulations are based on Green＇s function method. The DSIFs at the inner and outer tips of the left crack are obtained by solving the boundary value problems with the conjunction and crack- simulation technique. The numerical results are obtained by the FORTRAN language program and plotted to show the influence of the variations of the physical parameters, the structural geometry, and the wave frequencies of incident wave on the dimensionless DSIFs. Comparisons with previous work and between the inner and outer tips are con- cluded.     

基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析

变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性,从而提高飞行器的飞行性能,具有很大的应用前景.由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求,因此具有变形大、质量轻等特点,较容易发生结构振动响应.本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法,基于非均匀梁模型假设,建立了该柔性翼的动力学模型.通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率,并用有限元方法进行对比验证,发现前4阶固有频率的误差均在1%以内,每阶固有频率对应的振型一致.通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件,并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量,搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验.对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致,并与有限元方法误差在3%以内.本文通过理论分析和实验验证,建立了二维柔性机翼等效建模方法,研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.     

基于流形切空间插值的折叠翼参数化气动弹性建模

变体飞行器的气动弹性力学建模是当前先进飞行器设计的研究热点和难点. 然而传统的气动弹性动力学建模方法对于具有结构参变特性的变体飞行器气动弹性力学研究存在建模效率低、计算复杂等问题. 本研究提出了一种基于流形切空间插值的可折叠式变体机翼参数化气动弹性建模方法. 首先, 该方法建立若干个典型折叠角下的折叠翼结构有限元模型, 通过流形切空间插值方法建立折叠翼参数化结构动力学模型. 其次, 采用偶极子网格法得到参数化非定常气动力模型, 进而建立气动和结构相互耦合的折叠翼参数化气动弹性模型. 为了验证该参数化建模方法在折叠翼气动弹性分析中的准确性, 本文以一小展弦比折叠翼为研究对象, 从折叠翼自由振动时的参变模态特性、颤振边界预测两方面进行了算例验证, 并与直接计算方法进行了对比, 进一步验证了参数化气动弹性模型的有效性. 研究结果表明, 该参数化气动弹性模型对上述两类问题的计算精度与直接计算方法一致, 并且有着计算效率更高的优势.      

外环干扰力矩对陀螺加速度计测试精度的影响

摆式积分陀螺加速度计的外环干扰力矩包括仪表外环轴的摩擦力矩和交叉轴加速度引起的交变力矩。作者分析了引起摆式积分陀螺加速度计外环干扰力矩的主要原因,提出一种在高精度三轴测试转台上分离摆式积分陀螺加速度计外环干扰力,测试摆式积分陀螺加速度计精度的试验方法。该试验采用三轴转台中环转动速度随动摆式积分陀螺加速度计外环进动角速度,同时摆式积分陀螺加速度计陀螺摆的输出轴在整个试验中保持水平,从而分离仪表外环干扰力的方案。通过对试验数据进行分析,得出外环干扰力的存在影响了摆式积分陀螺加速度计测试精度,为改善摆式陀螺加速度计工艺以提高摆式陀螺加速度计的测试精度提供了依据。     

AN IMPROVED IRS METHOD FOR STRUCTURE MODEL CONDENSATION1)

模型缩聚法在结构的静力和动力特性分析中有着广泛的应用。应用模型缩聚法,可以有效降低结构的有限元计算规模,节省计算时间和成本,并能获得和实验测量自由度相匹配的有限元模型。本文在改进模型缩聚方法(improved reduced system, IRS)的基础上,提出一种考虑二阶惯性量的改进IRS方法,有效改进了IRS方法的计算精度,和模型缩聚迭代法(iterated IRS, IIRS)相比,此方法计算量更小且计算精度更高。以桁架结构和框架结构为例对所提二阶IRS方法进行了验证,并将计算结果与精确值、Guyan缩聚解、IRS缩聚解和IIRS缩聚解进行了比较,结果表明了所提方法计算精度最好,具有良好的工程应用前景。     

丝束变角度复合材料板壳结构静动力问题研究进展

近年来随着先进自动铺丝技术的发展,生产材料特性随空间位置连续变化的丝束变角度(Variable Angle Tow, VAT)复合材料已成为可能．由此制备的新型复合材料板壳结构不仅具有比传统结构更强的可设计性,而且在提升结构效率方面显示出极大的优越性,是实现航空航天工业装备高性能、轻质化发展的新的重要途径．然而,自动铺丝技术使VAT复合材料板壳结构具有了一般各向异性及面内变刚度特性,给其静动力学问题的分析带来了极大的困难．因此,发展针对该种新型变刚度复合材料板壳结构的力学模型和计算方法至关重要,这也是深入理解其复杂的力学响应机制并进一步促进其在航空航天工程中广泛应用的前提和基础．本文旨在总结近年来有关VAT复合材料板壳结构静动力问题的研究进展,着重从理论分析模型和数值计算方法等方面来简述其最新研究成果,最后讨论了目前VAT复合材料板壳结构静动力问题研究的局限性,并对未来的理论研究进行了展望．     

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.      

A new nonlinear multibody/finite element formulation for knee joint ligaments

The focus of this investigation is to study the mechanics of the human knee using a new method that integrates multibody system and large deformation finite element algorithms. The major bones in the knee joint consisting of the femur, tibia, and fibula are modeled as rigid bodies. The ligaments structures are modeled using the large displacement finite element absolute nodal coordinate formulation (ANCF) with an implementation of a Neo-Hookean constitutive model that allows for large change in the configuration as experienced in knee flexion, extension, and rotation. The Neo-Hookean strain energy function used in this study takes into consideration the near incompressibility of the ligaments. The ANCF is used in the formulation of the algebraic equations that define the ligament/bone rigid connection. A unique feature of the ANCF model developed in this investigation is that it captures the deformation of the ligament cross section using structural finite elements such as beams. At the ligament/bone insertion site, the ANCF is used to define a fully constrained joint. This model will reflect the fact that the geometry, placement and attachment of the two collateral ligaments (the LCL and MCL), are significantly different from what has been used in most knee models developed in previous investigations. The approach described in this paper will provide a more realistic model of the knee and thus more applicable to future research studies on ligaments, muscles and soft tissues (LMST). Current finite element models are limited due to simplified assumptions for the spatial and time dependent material properties inherent in the anisotropic and anatomic constraints associated with joint stability, and the static conditions inherent in the analysis. The ANCF analysis is not limited to static conditions and results in a fully dynamic model that accounts for the distributed inertia and elasticity of the ligaments. The results obtained in this investigation show that the ANCF finite elements can be an effective tool for modeling very flexible structures like ligaments subjected to large flexion and extension. In the future, the more realistic ANCF models could assist in examining the mechanics of the knee to study knee injuries and possible prevention means, as well as an improved understanding of the role of each individual ligament in the diagnosis and assessment of disease states, aging and potential therapies.     

考虑几何与材料及静风荷载的非线性因素的大跨径桥梁静风稳定分析法

针对现有的桥梁静风稳定分析方法中存在的问题，提出了增量与内外两重迭代相结合的新方法，并且考虑了结构几何、材料和静风荷载非线性。在上述方法的基础上，编制了桥梁非线性空气静力稳定分析程序BNAP，并进行了相应的算例分析，所得结果表明该方法具有计算稳定和速度快的优点。最后，以一座主跨1000米的斜拉桥为例，分析了结构几何非线性、材料非线性和静风荷载非线性对大跨径桥梁空气静力稳定性的影响。