基于模态缩减和模态实验数据的结构连接参数识别方法

利用在结构系统可测自由度上获得的不完备模态参数和子结构的有限元模型，根据模态缩减理论，建立了识别子结构间连接子结构参数的优化模型，采用逐次二次规划法求解，改善了测试噪声和模态截断误差的影响。该方法识别精度高、收敛速度快、计算量小，便于工程应用。     

复杂链式结构动力分析中的直接迁移子结构方法

本文将频响函数和迁移矩阵引入子结构方法中，提出简单高效的直接迁移子结构方法。当子结构中内部自由度很大时，用这种方法进行链武结构的动力特性分析和求解谐和激励响应时依然能保持很高的计算效率和精度。而且有限元分析或试验得到的各子结构数据相互独立，因此对结构的不同组合进行分析只需改变相应连接条件；当结构有局部修改时也只需修正相应子结构的数据。这些特性对复杂链武结构动力优化和抗震设计问题十分有利。最后的数值算例说明了所提出方法的优越性及其在工程中的实用性。     

基于结构代理模型与二级优化策略的航天结构模型修正研究

随着我国航天事业的不断发展,航天结构形式越来越复杂,有限元结构模型往往存在各种假设和简化,因此与实际结构往往存在一定的误差,特别是部件的连接、边界条件的不确定以及材料性能(尤其是复合材料)与工艺的不确定性,都会对有限元模型的分析精度产生较大影响。本文基于初始有限元模型,通过试验设计构造结构代理模型,然后采用遗传优化算法与梯度优化算法的二级优化策略进行模型修正。另一方面,在每次模型修正迭代分析之前,自动进行置信值MAC(Modal Assurance Criterion)分析,使有限元分析模型与实验结果进行匹配,提高模型修正的正确性。分析表明该修正方法具有较高的分析精度,也能对结构参数进行识别。     

基于结构代理模型与二级优化策略的航天结构模型修正研究Updating finite element dynamic models of aerospace structures based on the surrogate model and 2-level optimization strategy

随着我国航天事业的不断发展,航天结构形式越来越复杂,有限元结构模型往往存在各种假设和简化,因此与实际结构往往存在一定的误差,特别是部件的连接、边界条件的不确定以及材料性能（尤其是复合材料）与工艺的不确定性,都会对有限元模型的分析精度产生较大影响。本文基于初始有限元模型,通过试验设计构造结构代理模型,然后采用遗传优化算法与梯度优化算法的二级优化策略进行模型修正。另一方面,在每次模型修正迭代分析之前,自动进行置信值MAC（Modal Assurance Criterion）分析,使有限元分析模型与实验结果进行匹配,提高模型修正的正确性。分析表明该修正方法具有较高的分析精度,也能对结构参数进行识别。     

雷达天线座的动力分析及实验研究

为提高雷达跟踪精度,防止因伺服系统的噪声而引起雷达天线座的谐振,有必要对该结构进行动力分析。本文采用对接加载动态子结构法对雷达天线座进行动力分析,将整结构处理为空间梁、板组合结构的有限元模型,然后将它划分为三个子结构,利用精确的动力缩聚法,结合位移及力双协调条件,将所有子结构的动力影响集中到一个主体子结构上,最后归结为解一非线性特征问题,采用文[1]所提出的改进解法,计算出结构前四阶固有频率及振型,为了验证计算结果,本文应用ITD法进行模态参数识别,并进行电脉冲响应的FFT谱分析,又对其运行信号进行时序分析,实验分析的结果与理论计算基本一致。     

Constrained Substructure Model Updating Method Based on Local Mode

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对 应子结构部分的模态即可以修正子结构模型. 由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态; 结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩 阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构 中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根 据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型. 通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或 10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果. 关键词 模型修正,柔度矩阵,约束子结构,灵敏度,修正单元力     

基于局部模态的约束子结构模型修正法

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对应子结构部分的模态即可以修正子结构模型.由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态;结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型.通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果.     

基于Kriging模型的频响函数有限元模型修正方法

针对使用频响函数进行有限元模型修正的问题,提出了一种基于Kriging模型的修正方法,用于检测结构由损伤引起的在单元刚度特性上的衰减。本文方法可以在不需要推导修正参数与频响函数残差代数关系的前提下,通过少量测点提供的有效数据快速求解;还可以通过控制算法的终止准则来提高对未知区域的探索程度,降低结果收敛到局部解上的可能。使用Kriging模型可以有效地减少原有限元模型的计算次数,保证计算效率的同时,为对结构进行更准确精密的有限元建模提供了便利。     

基于Kriging模型的频响函数有限元模型修正方法

针对使用频响函数进行有限元模型修正的问题,提出了一种基于Kriging模型的修正方法,用于检测结构由损伤引起的在单元刚度特性上的衰减。本文方法可以在不需要推导修正参数与频响函数残差代数关系的前提下,通过少量测点提供的有效数据快速求解;还可以通过控制算法的终止准则来提高对未知区域的探索程度,降低结果收敛到局部解上的可能。使用Kriging模型可以有效地减少原有限元模型的计算次数,保证计算效率的同时,为对结构进行更准确精密的有限元建模提供了便利。     

大跨斜拉桥结构健康监测实验室模型试验平台

本文基于山东滨州黄河公路大桥,建立面向结构健康监测的实验室模型试验平台.基于相似理论,分析模型相关参数的相似关系,确定模型缩尺比、材料和截面尺寸,并对模型附加质量和斜拉索进行合理地简化.采用ANSYS建立物理模型的三维空间实体有限元数值分析模型,实体建模能较好的体现模型局部特征和模拟损伤.模型制作采用分段整体浇注,分段之间设计连接件连接,模拟斜拉桥施工顺序进行实验室组装,基于影响矩阵法对斜拉索进行张拉成桥.建立了包括传感器系统、静动力加载系统、数据采集系统和数据处理四大部分的完整试验体系,并对隔离出的桥塔和桥面板子结构进行了静动力试验,对全桥模型进行了动力测试.子结构和全桥模型的试验结果与有限元计算结果,以及原桥实测值都吻合较好,验证了斜拉桥模型的准确性和试验平台的有效性.试验系统的建立,为结构健康监测技术提供了一个试验研究平台.     

结构动力模型修正技术的发展

在计算机技术飞速发展之前,为了了解航天器在极端载荷情况下的力学行为,通常采用足尺结构星试验的办法.结构星试验方法用于结构的分析和力学行为预测,存在着耗资较大和周期较长的不足.随着数值分析技术的发展,用有限元分析结合模型修正技术代替大型试验已经成为可能.本文评述了自上个世纪70年代末期以来结构动力模型修正技术的发展,包括早期直接对总体矩阵的修正技术,还有从90年代初期发展起来的对矩阵元素或设计参数进行修正的技术.总结了元素型修正方法中的迭代法、优化法以及摄动法,其中包括考虑了试验误差的统计算法和大型复杂结构修正的遗传算法.介绍了模型修正技术中的自由度匹配技术、灵敏度分析技术和对模型修正方法的有效性进行检验的一些经验标准,归纳了目前模型修正技术还需要解决的一些关键技术问题.      

Springback compensation in deep drawing applications

This work deals with the problem of springback compensation in sheet metal forming. Satisfactory results can be achieved by performing “die compensation”: the die is modified pretending to obtain a different configuration at the end of the punch stroke, but in order that the final piece coincides with the desired one after the deformation due to springback. Empirical die compensation has nowadays been replaced by numerical simulation, but the inverse problem that needs to be solved is non-trivial since the transformation from the modified geometry of the die and the final piece obtained from it implies a very complex FEM simulation. In this work we set the whole process of springback compensation on solid physical and mathematical grounds. An optimization algorithm based on the Gauss-Newton method is proposed to deliver automatic die compensation and its performance is investigated on some test cases.     

Simulation of forming processes by FEM with a Bingham fluid model

We model the forming process as a fluid flow. A finite element program, FIDAP, which analyses flow problems, was used to calculate velocity and strain rates at points throughout the material during the deformation process. This allows predictions to be made on the shape and quality of the resulting part. The stress-strain relation we used models the plastic flow of metals (Bingham fluids). The FEM approximation of such a fluid is tested by comparing results for a simple analytical example. In forming processes provision must be made for friction between dye and workpiece, and the program was modified accordingly. Two classical ring forming simulations are compared to published results.     

轴对称组合弹性体初应力分析的边界元传递矩阵法

基于边界元与传递矩阵法耦合基础上，提出了一种分析轴对称组合弹性体初应力的新方法。利用边界元和传递矩阵进行分域计算轴对称组合弹性体的初应力，无需在整个结构上进行矩阵组装，只需在轴对称子午面的边界上进行离散。故该方法具有输入数据少，计算精度高及所需计算机内存小等优点，适合在微机上求解大型复杂轴对称组合结构问题。文中给出了一个组合厚壁圆筒的计算实例，分别与有限元解和理论解进行比较；结果表明：本文所提出的     

Modeling the Bauschinger effect for sheet metals,part I: theory

It is essential to model the Bauschinger effect correctly for sheet metal forming process simulation and subsequent springback prediction when material points are subjected to cyclic loading conditions. The combined nonlinear hardening model for time independent cyclic plasticity, proposed by Chaboche and co-workers, is examined and a simple modification is suggested for the isotropic part of the hardening rule to utilize the conventional tensile test data directly. This modification is useful for the materials whose reverse loading curves saturate to the monotonic loading curve. In addition, an anisotropic nonlinear kinematic hardening model (ANK model) is proposed in an attempt to represent the Bauschinger effect more realistically. Possible offset in flow stress is modeled by treating the back stress evolution during reverse loading differently from the initial loading. This strategy coupled with the modified isotropic hardening rule seems to provide a way to model the Bauschinger effect consistently over multiple cycles. Two types of auto-body alloys are examined in this paper. Associated material parameters are determined by employing available tension-compression test data and multi-cycle bend test data. A developed finite element formulation is applied to analyze simple validation type of problems. The cyclic stress–strain curves generated from the proposed ANK model match remarkably well with measured data.     

3D multiscale micromechanical model of wood: From annual rings to microfibrils

A 3D micromechanical analytical-computational model of softwood, which takes into account the wood microstructures at four scale levels, from microfibrils to annual rings, is developed. For the analysis of the effect of the annual rings structure on the properties of softwood, an improved rule-of-mixture model, based on 3D orthotropic stress–strain relations and taking into account the compatibility of deformations at the interface of two phases and equilibrium of tractions at phase boundaries, is proposed. The improved rule of mixture model (IRoM) was compared with the classical rule-of-mixture (RoM) and finite element method (FEM) simulations. It was shown that IRoM gives almost as good results as FEM. The analytical model of annual rings is combined with the 3D finite element model of softwood as cellular material with multilayered, microfibril reinforced cell walls, developed by Qing and Mishnaevsky, 2009a, Qing and Mishnaevsky, 2009b. Using the combined four-level model, the effect of wood density, microfibril angle (MFA) and cell shape angle (CSA) on the Young’s moduli, Poisson’s ratios and shrinkage properties of softwood has been investigated in numerical experiments. The simulations were verified by comparison with experimental data.     

无网格模型的子结构分析

提出一种无网格模型的子结构分析方法。基于界带分析方法,处理无网格模型子结构之间的连接,能够保证各个子结构之间无缝连接,从而使无网格子结构模型与原无网格模型等价,同时还能够降低无网格刚度方程的计算规模。数值算例表明,本文方法是正确可靠的,可以保证各个子结构之间无缝连接。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲的FEM-SPH耦合计算模型

为了提高小口径穿甲燃烧弹侵彻陶瓷复合装甲和玻璃复合装甲（透明装甲）的仿真分析精度,本文将传统的FEM（finite element method）-SPH（smooth particle hydrodynamics）耦合计算模型中穿甲燃烧弹弹芯的有限元模型和JC（Johnson-Cook）材料模型分别替换为SPH模型和JH2（Johnson-Holmquist-ceramics）材料模型,提出了新型FEM-SPH耦合计算模型。研究表明,新型FEM-SPH耦合计算模型可以有效模拟弹芯碎裂现象,减少SPH粒子和有限元耦合计算量,进而显著提高仿真模型的计算精度和计算效率,并给出了新型FEM-SPH耦合计算模型的有限元/粒子尺度和建模尺寸的优选结果。