基于能量有限元法和虚拟模态综合法的高频冲击响应分析方法

为了分析结构受到高频冲击载荷激励后的瞬态响应,提出了一种基于能量有限元法（EFEM）和虚拟模态综合（VMSS）法的高频冲击响应分析方法。通过能量有限元法进行高频稳态分析,获得结构频响函数（FRF）的频段平均值,然后结合虚拟模态综合法得到虚拟模态振型系数,最后通过Duhamel积分获得结构在高频冲击载荷作用下的瞬态响应。对一简支梁模型进行算例分析,将本文方法的结果与传统有限元法（FEM）和统计能量法（SEA）的分析结果进行对比,验证了所提方法的有效性,也表明该方法具有模型简单、分析速度快等优点。     

梁/液体耦合振动的边界积分对称列式法

 利用格林积分导出的液体内部扰动压力函数作为测试函数,通过变分得到一组具有对称系数的代数方程,将该方程同梁的有限元振动方程联立后,即可求解梁在液体中的耦合振动问题。本方法具有未知数目少,数据存储和计算效率高的特点。     

复杂异型机匣高效高精度动力学建模及评价方法

为了解决复杂异型机匣模型单元数量大、原始矩阵阶数高导致的动力学计算与后处理困难的问题,提出基于试验模态分析-大规模有限元-子结构缩聚的复杂异型机匣高精度动力学建模及评价方法。以某型直升机主减速器机匣为研究对象,建立该异型构件原始有限元模型并通过模态试验验证模型的有效性,通过分析机匣子结构各阶模态保留主振型,选择模态能量较大处为缩聚点,得到自由度数目大幅减少的缩聚模型,对比验证缩聚前后模态的一致性,并提出一种基于数列相关系数定义的缩聚误差衡量方法,最后利用界面位移协调条件进行子结构耦合,对比整体模型的固有特性以及计算效率。研究结果表明:缩聚矩阵与有限元原始矩阵动力学特性十分接近,固有频率与振型误差均小于4%,且计算时间更短,存储空间占用更少,极大地提高了计算效率。      

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限元法进行桨叶动力分析、特别是动内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族;提出利用单元动刚度矩阵直接由节点位移计算桨叶内力（简称为计算内力的“动刚度法”）。作为例子,用所导出的不同精度的有限单元和建议的内力计算方法计算了具有不连续结构特性的变剖面桨叶弯曲振动固有频率、振型和模态内力。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

复合材料机身C型柱准静态压溃仿真及失效模式

为了研究复合材料机身薄壁C型柱结构轴向压溃吸能特性、失效模式及C型柱多层壳单元建模方法,建立多层壳单元有限元模型,基于准静态轴向压溃实验结果进行对比验证。结果表明:C型柱多层壳单元模型能够在一定程度上模拟层间分层失效及压溃过程中的局部弯曲变形和层束弯曲失效模式;仿真与实验的载荷-位移曲线吻合性较好,压溃初始峰值载荷,比吸能以及压溃均值偏差较小;但C型柱结构压溃初始峰值载荷较大,载荷效率较低,需通过优化设计进一步降低其初始载荷峰值。     

计及套圈变形的薄壁角接触球轴承性能分析

为了准确计算柔性支承轴承负荷分布,以外圈孤立点支承薄壁角接触球轴承为例,建立了三维有限元分析模型,考虑外圈受载后弯曲变形对滚动体负荷分布的影响,分析不同工况下轴承负荷分布,寿命及刚度等性能的变化规律,并将有限元法的计算结果与拟动力学法及实验结果进行分析比较.结果表明,有限元方法计算结果与实验结果更为接近.      

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料，提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵，利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素，说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性，分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率，结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高，而计算量比一般有限元方法大幅度降低。     

Nonlinear dynamics of antennas in space communication facilities

A mathematical model of complex vibrations for the cantilever Bernoulli-Euler beam in the XOZ plane constructed by the finite difference and finite element methods and the fourth-order Runge-Kutta method is presented. We determined the critical value of the damping coefficient ɛ = 0.28, at which the system changes from the dissipative state to conservative one, using the Morlet wavelet. The results of analyzing the frequency characteristics of the system are presented.     

基于递阶遗传算法的结构多损伤监测

基于递阶遗传算法(HGA)与结构优化思想,提出了一种针对欧拉-伯努利梁和二维板结构的多损伤监测方法.该方法利用递阶遗传算法的控制基因表示损伤的数量和位置,以参数基因表示损伤的程度,有效地避免了传统遗传算法(CGA)的早熟现象所造成的损伤误识别等问题.一个悬臂梁和悬臂方板结构模型的多损伤监测仿真计算表明该方法能够准确地监测一、二维结构中多个位置的损伤,而传统遗传算法难以识别二维结构中的多损伤情况.悬臂梁仿真算例中,该方法和传统遗传算法对多损伤程度的识别误差分别为0.144%和1.819%,所需的有限元计算次数该方法仅为传统遗传算法的16.4%.与传统遗传算法相比,递阶遗传算法明显提高了损伤识别方法的计算效率、精度和稳定性.      

有限元的一种并行算法及实现

当前,由于有限元素法大都使用串行算法,处理时间较长。本文根据有限元素法的特点和采用的并行计算机结构,提出了一种并行有限元算法,能大大提高其处理速度,加快处理周期。且算法简单,实现方便。     

基于二维厚板模型的波箔片轴承静特性

建立平箔片的二维厚板有限元模型,运用有限单元法和有限差分法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承在中截面和边缘处最小气膜厚度随轴承承载力变化规律.通过数值仿真对该模型、一维梁模型、二维薄壳模型和文献实验数据进行对比分析,结果表明:在轴承中截面处,3个模型的最小气膜厚度仿真结果都与实验结果符合得很好,但在轴承边缘处,由于二维厚板模型考虑了平箔片的剪切效应,因此其最小气膜厚度比二维薄壳模型的结果更接近实验值,而一维梁模型只考虑轴承圆周方向,因此不能体现气膜厚度沿轴承长度方向的变化规律.通过研究,为分析箔片轴承动力学特性奠定了理论基础.      

Aeroelastic analysis and structural parametric design of composite rotor blade

Based on FEM theory, a method of dynamic analysis for hingeless rotors considering anisotropic composite materials is established. A parametric modeling method of composite blade with typical profile and high simulation degree for design is proposed. Through the finite element method, the profile characteristics of rotor blade can be obtained efficiently and accurately, and the synchronization of parametric design and finite element analysis of structural characteristics can be realized. Then a 23-degrees of freedom non-linear beam element is used to simulate the extended one-dimensional beam, thereby a non-linear differential equation describing the elastic motion of the rotor is established. To obtain the cross-sectional target characteristics of the blades, an inverse design method is proposed for cross-section components based on combinatorial optimization algorithm. The calculation and validation work show that the proposed model can effectively analyze the aeroelastic characteristics of general composite rotors. Further, the influence of cross-sectional parameters on the aeroelastic stability and hub loads of hingeless rotor is analyzed and some remarkable conclusions are obtained.     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

一个非线性拟协调退化壳有限元

 根据非线性协调有限元列式方法,构造了几何非线性拟协调9结点四边形退化壳有限元。首先给出9结点四边形退化壳单元的几何描述和位移模式;接着讨论了非线性协调有限元列式方法;假设应力和应变;然后用所构造的壳单元,进行了方板、圆拱、球壳和圆柱壳的数值分析,并同精确解以及其他单元的解答进行了比较。结果表明本文壳单元是准确的和有效的。     

随机结构孤立特征值的统计特性

研究了随机结构的孤立特征值问题。将材料物理量的随机场扩展为K-L(Karhunen-Loeve)正交展式,采用非正交多项式混沌展式表达孤立特征值,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并通过确定性有限元方法求解了这些递推方程,得到了特征值的均值和方差。在算例中用蒙特卡洛方法验证了本方法的正确性。     

一种新的缺陷压电体奇异准协调单元及其断裂分析

在缺陷压电体断裂理论分析的基础上构造了一种新的缺陷压电体广义位移模式并建立了有限元断裂分析模型;提出了求解压电体含大曲率缺口广义强度因子等断裂参量的数值分析计算方法。考查了不同结构尺寸、电位移与电场对解的影响,本方法所得的结果与理论解一致,说明了本文方法的有效性。     

柔性梁刚度对无轴承旋翼桨叶动态特性的影响

推导了桨叶的应变-位移关系,应用Hamiton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,考虑了桨叶、柔性梁、扭矩套的位移协调条件和非线性变形耦合及摆振销的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,得到了旋翼桨叶固有频率求解的方程,重点研究了柔性梁刚度特性对旋翼桨叶固有频率的影响。数值结果表明：柔性梁剖面的模态刚度发生变化时,模态频率变化较小,高阶模态频率变化比低阶大,其它模态频率变化很小,耦合现象不明显。     

Dynamic Characteristic Analysis and Experiment for Integral Impeller Based on Cyclic Symmetry Analysis Method

A cyclic symmetry analysis method is proposed for analyzing the dynamic characteristic problems of thin walled integral impeller. Reliability and feasibility of the present method are investigated by means of simulation and experiment. The fundamental cyclic symmetry equations and the solutions of these equations are derived for the cyclic symmetry structure. The computational efficiency analysis between whole and part is performed. Comparison of results obtained by the finite element analysis (FEA) and experiment shows that the local dynamic characteristic of integral impeller has consistency with the single cyclic symmetry blade. When the integral impeller is constrained and the thin walled blade becomes a concerned object in analysis, the dynamic characteristic of integral impeller can be replaced by the cyclic symmetry blade approximately. Hence, a cyclic symmetry analysis method is effectively used to improve efficiency and obtain more information of parameters for dynamic characteristic of integral impellers.     

混合边界子结构的航空发动机机匣模型修正

提出了一种基于混合边界模态综合的复杂结构有限元模型修正方法。其主要步骤包括:①子结构划分,根据结构形式划分待修正区域，得到子结构和残余结构；②缩聚和装配,利用混合边界模态综合法，将子结构内部自由度集缩聚至混合边界自由度集，得到子结构缩聚矩阵，并与残余结构的系统矩阵进行装配；③修正,基于灵敏度分析方法，对装配后的残余结构进行参数修正。将该方法应用于航空发动机外机匣的精细化有限元建模及模型修正研究，针对局部连接结构参数修正，子结构模型修正方法的参数收敛后最大误差为064%，其计算效率提高了515倍。算例结果表明，该方法在保证修正精确度的同时，能提高大规模复杂结构有限元模型修正的计算效率。