基于四面体单元的三维裂纹自动化建模

三维裂纹前缘布置结构化网格是一项耗时且困难的工作。以二次四面体单元虚拟裂纹闭合法（VC‐CM）为基础,提出基于几何特征的三维裂纹建模方法,阐述应用四面体单元在ABAQUS上进行三维裂纹建模的实现细节;应用Python编程语言结合NumPy和SciPy开源科学计算库开发参数化三维裂纹分析程序包,实现三维裂纹问题分析的全流...     

孔边三维短裂纹扩展特性研究

 本文对孔边三维短裂纹扩展特性进行试验研究和理论分析。首先用复形法测出板中孔边三维短裂纹在等幅载荷和单峰超载时扩展规律,然后运用弹塑性断裂力学和裂纹闭合理论对短裂纹的扩展作定性分析,用闭合模型计算短裂纹扩展寿命。理论计算与实验结果较吻合。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

无激波机翼的设计方法

 本文介绍了用虚拟气体概念进行无激波机翼设计的方法,叙述了虚拟气体方法的基本思路;给出了几种虚拟气体规律,以小扰动方程为例具体说明了在超音区内的推进计算过程。分别讨论了二维和三维情况,设计和非设计状态时的效益。最后介绍了近无激波机翼修型的工程设计方法。     

通用EIFS分布确定方法改进研究

基于概率断裂力学的基本假设和原理,提出一种改进的通用EIFS分布确定方法。新方法用小裂纹扩展曲线计算多种参考裂纹尺寸水平下的TTCI值,并对其进行极大似然估计。然后利用约束最小二乘法确定不同应力下的裂纹扩展参数和通用EIFS分布上限。在此基础上,根据分布参数的通用性条件确定通用EIFS分布参数。与改进前的方法相比,新方法充分利用分布函数和裂纹扩展提供的信息,提高参数估计的合理性和可靠性。对某零件的原始疲劳质量分析证明改进方法是可行的,便于工程应用。     

基于DES的二维和三维空腔流动特性研究

空腔流动广泛存在于航空航天工程中,对其流动特性的研究具有十分重要的工程意义。采用数值方法对比模拟了二维和三维空腔流动,控制方程采用N—S方程,空间离散采用有限体积方法,对流通量计算采用Roe格式,非定常时间离散采用双时间步长方法,湍流粘性计算采用基于SA模型的DES方法。数值计算所得的三维空腔底面压强分布与实验结果一致,所得的二维和三维空腔内的流动结构与相关文献中的分析相吻合。将二维和三维的计算结果进行比较,发现空腔底部压强分布、空腔内的压强振荡、空腔内部流线图及声压级等均有所不同,得出在空腔宽度有限时,横向流动简化了流动结构．削弱了振荡幅值．但使振荡过程复杂化．其三维效应不能忽略．     

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

虚拟制造系统中刀具磨损预测技术分析

虚拟制造系统中刀具磨损仿真作为物理仿真的一个模块,对加工精度和表面粗糙度等仿真模块都有影响,是影响虚拟制造系统发展的关键技术。本文综述了虚拟制造系统中刀具磨损技术的发展过程,列举出几种典型的刀具磨损计算方法,对比分析了各种方法的优缺点,提出以二维值来描述刀具磨损乃至刀具磨损的三维仿真将成为虚拟制造系统中刀具磨损预测技术新的发展方向。     

涡轮叶片早期裂纹的三维叶尖间隙EEMD能量熵融合诊断方法

为了解决航空发动机涡轮叶片早期裂纹故障信号微弱、难以识别的问题,提出一种基于三维叶尖间隙集成经验模态分解（EEMD）能量熵融合的涡轮叶片早期裂纹诊断方法。采集涡轮叶片三维叶尖间隙信息,利用EEMD分别对三维叶尖间隙各维信号进行处理,得到相应的固有模态函数(IMF),以此计算每一维信号分量EEMD能量熵,构建能表征叶片裂纹状态的不同EEMD能量熵高维矢量集。建立多个堆叠自动编码器(SAE)分别对各高维矢量集进行特征学习并提取所学习的深层特征表达。利用支持向量机算法(SVM)和遗传算法(GA)融合各维深层特征以综合不同维度信息进而充分判定叶片裂纹状态。通过涡轮叶片裂纹诊断试验,结果表明:所提方法能有效提高叶片早期裂纹诊断精度,其平均准确率达到98.415%,标准差仅为0.697%,具有很好的稳定性、泛化性和自适应性。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

Determination of thermal expansion coefficients for unidirectional fiber-reinforced composites

In the present work, the coefficients of thermal expansion（CTEs） of unidirectional（UD）fiber-reinforced composites are studied. First, an attempt is made to propose a model to predict both longitudinal and transverse CTEs of UD composites by means of thermo-elastic mechanics analysis. The proposed model is supposed to be a concentric cylinder with a transversely isotropic fiber embedded in an isotropic matrix, and it is subjected to a uniform temperature change. Then a concise and explicit formula is offered for each CTE. Finally, some finite element（FE） models are created by a finite element program MSC. Patran according to different material systems and fiber volume fractions. In addition, the available experimental data and results of other analytical solutions of CTEs are presented. Comparisons are made among the results of the cylinder model,the finite element method（FEM）, experiments, and other solutions, which show that the predicted CTEs by the new model are in good agreement with the experimental data. In particular, transverse CTEs generally offer better agreements than those predicted by most of other solutions.     

基于PCL的导弹吊挂强度分析的参数化方法

基于Patran/Nastran有限元分析软件的后台文件,采用PCL（Patran Comm and Language）对Patran/Nastran软件进行了二次开发,建立了用于导弹吊挂强度分析的参数化、自动化方法。提出的方法实现了吊挂结构强度分析过程中的参数化建模-自定义网格划分-材料边界选择-强度分析-结果查看等整个过程的自动化。方法的应用可以方便开展吊挂结构随意改变尺寸、材料参数、边界等的强度分析。并且方法对于任意结构在有限元分析中尺寸、网格、材料、边界等参数化建模及有限元分析均可适用。     

考虑结构完整性和装填分数的星形药柱形状优化

在固体火箭发动机药柱设计过程中,装填分数较大的药柱结构完整性很难满足要求。利用PCL对商用有限元软件MSC Patran/Marc进行二次开发,建立星形药柱发动机的二维参数化有限元模型。在此基础上,采用遗传算法对星形药柱进行了形状优化,以结构完整性最优为优化目标,以装填分数为约束条件,得到了Von mises应变最小且面积装填分数不小于0.85的药柱形状。所提出的方法可方便地应用于各种固体火箭发动机装药设计。     

二维有限元模型在燃气轮机转子-支承系统临界转速计算中的应用

应用专业的转子动力特性分析软件SAMCEF／ROTOR，建立了燃气轮机转子的二维有限元分析模型，计算了该转子系统的临界转速，并与其它经典方法的计算结果以及试验结果进行了比较，验证了用二维轴对称有限元模型计算转子临界转速的工程实用性和可靠性。     

复合材料开口结构参数化建模技术研究

基于MSC.Patran软件,运用PCL语言编写了参数化建模程序,实现了多种开口形式和加强形式的复合材料开口结构二维模型快速化、自动化建立。运用刚度等效原理将复合材料任意截面形式的筋条等效成各向同性矩形实心筋条,解决了目前有限元软件中没有提供复合材料一维梁单元的问题。结合复合材料开口结构刚度计算与优化设计实例,验证了建模方法的准确性与实用性。     

基于工程应用的有限元网格划分研究

首先介绍和分析了划分有限元网格的基本原则,然后基于MSC.Patran有限元软件,结合3个不同的工程实际问题进行网格划分分析,总结了划分有限元网格的一般过程,最后对划分有限元网格进行了小结。     

Structural optimization for multiple structure cases and multiple payload cases with a two-level multipoint approximation method

This paper is to address structural optimization problems where multiple structure cases or multiple payload cases can be considered simultaneously. Both types of optimization problems involve multiple finite element models at each iteration step, which draws high demands in opti-mization methods. Considering the common characteristic for these two types of problems, which is that the design domain keeps the same no matter what the structure cases or payload cases are, both problems can be formulated into the unified expressions. A two-level multipoint approxima-tion (TMA) method is firstly improved with the use of analytical sensitivity analysis for structural mass, and then this improved method is utilized to tackle these two types of problems. Based on the commercial finite element software MSC.Patran/Nastran, an optimization system for multiple structure cases and multiple payload cases is developed. Numerical examples are conducted to ver-ify its feasibility and efficiency, and the necessity for the simultaneous optimizations of multiple structure cases and multiple payload cases are illustrated as well.     

复合材料厚板双轴非线性刚度特性分析

基于非线性本构关系与厚板理论,研究了一种采用增量步迭代法对复合材料厚层合板渐进失效过程进行双轴刚度特性分析的方法。以三维Hashin失效准则为单层板失效判据,当层合板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。采用有限元软件MSC.Patran自带的编程语言PCL,编写了计算程序。应用该程序分别对不同材料和不同铺层的层合板算例进行非线性刚度计算,给出了不同的铺层和材料组合下层合板在不同载荷比下的应力-应变曲线,展示了层合板渐进失效过程中应力-应变的变化关系,为复合材料厚板失效分析过程中的刚度变化提供理论与计算依据。     

DFR法在结构疲劳优化设计中的应用

 提出了基于有限元分析的细节疲劳额定值(DFR)疲劳可靠性分析方法,将有限元分析与疲劳分析进行关联,编写基于有限元分析的DFR法分析软件(FEM-DFR),对试验件进行疲劳寿命分析,与试验对比吻合较好,验证了方法的准确性。在此基础上,针对疲劳优化周期长和效率低的问题,开发了集成Patran/Nastran、FEM-DFR和iSIGHT的疲劳优化平台,在此平台上完成了某型飞机作动筒支座细节的优化,该平台数据传输流畅、操作效率高、优化质量好,具有一定的工程应用价值。