绝对节点坐标列式实体梁单元建模方法及应用

在多体系统动力学建模方法中,传统非等参梁单元的建模方法主要基于Euler-Bernoulli梁或Timoshenko梁理论,无法准确描述截面变形;而传统绝对节点坐标列式索梁单元虽然能够准确描述截面变形,但需引入额外描述及处理闭锁问题;与上述单元不同,绝对节点坐标列式实体单元可以通过节点坐标直接描述截面变形,避免单元变形带来的闭锁问题。本文在实体单元方法基础上,首次提出了考虑单元连续性条件和黏弹性阻尼模型的绝对节点坐标列式实体梁单元,并使用实体梁单元实现了对多体系统的建模。仿真结果表明,对比传统有限单元及绝对节点坐标列式单元,实体梁单元能够更好地表征柔性梁的非线性特性,满足大变形柔性计算的需求。     

带非线性支撑的转子有限元模型求解方法

用数值方法研究了非线性支撑的柔性转子系统的动学行为,提出了一种将有限元与非线性支撑结合的模型和求解方法。利用有限元法(FEM)构建转轴和转盘部分的模型,通过矩阵进行组合;利用离散元方法对包含滚动轴承和挤压油膜阻尼器(SFD)的支撑部分进行建模,此部分包含4个单元,分别为轴承内圈、外圈、SFD内圈和支撑鼠笼。有限元部分和离散元部分通过轴端节点相连,仿真过程中轴端位移传递给非线性支撑部分,支撑部分通过位移计算得到的非线性力反过来作用于有限元转子轴端部分。为了耦合求解有限元转子和非线性支撑组成的数学模型,提出了一种综合的迭代求解方法,克服传统的有限元求解方法对轴端隐性非线性支撑的求解局限性。由于转轴部分采用了Timoshenko梁单元建模,对比与简单转子模型,可以考虑陀螺力矩和轴的柔性特征,更能体现非线性支撑对振动真实影响。在建立的20个轴单元的有限元转子模型中,非线性响应更多体现在靠近非线性支撑的节点1和节点21处,响应频谱中靠近轴端的节点能体现出滚动轴承的2倍和3倍变柔振动频率。     

动态规划法在节点编号优化中的应用

本文在分析了Cuthill-Mckee节点编号法[1]以后,指出了该方法的缺陷,进而提出了选择最佳边界点,作为网络节点编号(或重新编号)的起点(即序号为1);提出了用动态归划法的思想逐步挑选下一个编点,从而达到节点编号优化目的;结合用有限元素法求解大型结构矩阵时进行节点编号中的需要,对图论中的网络节点有关定义作了适当修改和补充。     

基于约束方程建模技术的CCGA封装力学特性仿真

为探讨CCGA高密度封装结构在整机设备中的有限元建模方法,分析CCGA封装在力学激励下的响应,选用了不同的有限元单元对CCGA封装结构进行了建模,采用了约束方程方法处理不同单元所引起的求解自由度不协调问题,根据CCGA封装模型特点编写了约束方程自动建模程序。基于约束方程方法建立的有限元模型,对包含CCGA封装结构的设备整机进行了随机振动激励下的有限元仿真,得到了随机振动激励下封装的响应。通过包含CCGA封装结构的有限元模型建模过程可以看出:自动约束方程建模方法可以有效地处理实体单元与梁单元建模引起的自由度不协调问题,为包含高密度封装的设备整机有限元建模提供了新的思路;CCGA封装结构力学特性仿真结果可以较全面反映封装响应,为CCGA芯片的加固措施提供了根据。     

基于LS-DYNA和HyperMesh的某型飞机垂尾翼尖前缘鸟撞分析

飞机的鸟撞事故是一种突发性和多发性的飞行事故,轻则飞机受损,重则机毁人亡.在飞机设计过程中,为了通过严格的适航条例,需要进行大量的鸟撞试验.随着有限元理论和计算机软、硬件的发展,利用计算机仿真技术进行飞机结构的抗鸟撞设计分析可以减少试验数量或者加强试验针对性,提高试验效率.基于LS-DYNA软件和前处理软件HyperMesh,利用光滑粒子法（SPH）与有限元耦合算法,采用带失效模型的短梁单元模拟铆钉失效,对某型飞机垂尾前缘进行鸟撞分析.通过对应力和位移结果的分析以及对沙漏能的有效控制,表明本文提出的建模方法具有满足工程要求的准确性,符合适航条例的规定.     

基于ABAQUS的数控弯管专用前处理模块开发

为了提高数控弯管有限元建模的效率和尽可能避免建模错误,采用ABAQUS提供的用户图形工具包和Python脚本接口,通过二次开发得到了数控弯管专用前处理模块。采用该模块,用户只需输入模型的建模参数、材料属性、模具运动幅值曲线、摩擦系数、分析步时长、文件保存名等信息,便可高效地建立管材数控弯曲及回弹分析的有限元仿真模型,提交后台运算后可以为后处理的快捷高效运行提供简洁而详实的数据源。通过将上述研发的数控弯管前处理模块应用于钛合金管数控弯曲的建模分析,验证了其可靠性。采用此方法,可以实现通过有限元软件ABAQUS进行用户定制,降低ABAQUS的操作难度,同时,本文前处理二次开发思路同样适用于其它塑性成形过程。     

基于MSC．PATRAN环境的参数化有限元建模

结构有限元模型的建立是进行结构分析与设计的基础。结构外形参数改变，其有限元模型将随之改变。针对这种情况阐述了基于MSC．PATRAN的有限元参数化建模方法，以三杆桁架为例描述了参数化建模的过程，最后对一机翼盒段实现参数化建模，并对其进行优化设计。结果表明：参数化有限元建模可以方便的得到一组外形或功能相似的模型结果和分析结果，提高了建模和分析效率。     

有限元分析前,后置处理系统

本文介绍了一个基于几何造型系统的有限元分析的前、后置处理系统。前置处理系统的主要功能是对几何造型系统的二维域、三维实体及曲面进行有限元网格剖分、网格结点自动编号，后置处理主要功能是利用图形技术显示有限元分析的输出结果。     

复合材料板壳任意位置处载荷识别

提出了一种受载单元判别法,根据遗传算法生成的染色体所对应的载荷作用点的横、纵坐标和每个单元四条边间的几何关系,判断出集中载荷作用的单元,再根据力的等效分配原则,把载荷等效分配到所在单元的节点上,进而基于有限元分析和遗传算法自身优越的全局搜索能力实现作用于复合材料结构网格节点或单元内部任意位置处的载荷识别.与现有的神经网络识别法和有限元反分析法相比,该方法具有能够识别非网格节点处的载荷的优点,且仿真算例表明其识别精度更高.      

FGM板三维层合模型及热-噪声载荷下的动态响应研究

 为了有效地分析热-噪声联合载荷作用下的飞行器功能梯度壁板结构的非线性动态响应,提出了运用复合材料多层壳单元建立功能梯度材料(FGM)板的层合有限元建模新方法,研究了FGM板在热曲屈前、后状态下复杂的非线性时域动态响应特性,并探讨了梯度指数、热曲屈系数及声压级(SPL)等参数对FGM板非线性动态跳变响应的影响规律。FGM板三维层合建模新方法避免了采用常规有限元法(FEM)建模时需要在厚度方向划分大量单元的缺点;求解FGM板非线性动态响应时采用的隐式积分方案避免了模态叠加法对参与模态选择的经验性要求及模态截断造成的信息丢失等缺陷。仿真结果表明:FGM板层合有限元建模新方法合理可行、过程简便、计算精度高;研究发现:陶瓷-金属FGM板在热屈曲后的抗声振性能并不像热屈曲前那样介于金属板和陶瓷板之间,而是表现最差;热屈曲系数及声压级的组合形式是导致FGM板发生非线性跳变响应的主要影响因素。     

空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统，其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法，建立了梁单元的有限元单元格式，然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程，采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程，最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明，该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。     

用有限元素法分析转子-轴承系统动力学

 本文采用有限元素法分析转子-轴承系统的动力学问题。给出了模拟转子-轴承系统的动力分析程序（FEPRS程序）,该系统由刚性盘、弹性分布参量有限转子元素及离散轴承组成。用该程序能计算任何复杂转子系统在各种进动状态下的进动频率,并由计算机自动绘制相应的振型曲线。     

Study on Compressive Properties of Z-pinned Laminates in RTD and Hygrothermal Environment

Compressive tests of [0] 12 and [90] 12 unidirectional laminates and [45/0/-45/90] 2S quasi-isotropic laminates are accomplished in both room-temperature and dry (RTD) and hygrothermal environment. And simulation studies on the compressive strength of Z-pinned laminates of [0] 12 and [45/0/-45/90] 2S are conducted by using finite element analysis (FEA). A microstructural unit cell for FEA is created to simulate a representative laminates unit with one pin. Within the unit cell, the first directions of the elements’ material coordinate systems are changed to simulate the fibres’ deflecting around the pin. The hygrothermal effect is simulated by the material properties’ adjustments which are determined by the compressive tests of non-pined laminates. The experimental results indicate that the percentage of reduction in the compressive modulus of Z-pinned laminates caused by Z-pin becomes smaller with the percentage of 0° fibres decreasing in the laminates; the compressive strength of quasi-isotropic laminates reduces and the percentage of the reduction in the compressive strength declines with Z-pin volume content increasing, and the moisture absorption ratio of the Z-pinned specimens is greater than that of the non-pinned specimens, because the cracks around Z-pin increase the moisture absorption. In addition, the simulations show that the deflection of fibres around Z-pin is the main factor for the reduction in the compressive strength of Z-pinned unidirectional laminates, the dilution of fibre volume content caused by resin-rich pocket is the principal factor for the decline in the compressive strength of Z-pinned quasi-istropic laminates, and the compressive strength of Z-pinned specimens in hygrothermal environment reduces as the result of superimposition of some factors, including the changes in material properties caused by hygrothermal environment, the deflection of fibres and the resin-rich pocket caused by Z-pin.     

有限元传热分析中燃气辐射处理方法及其在飞机结构热分析中的应用

 研究了有限元传热分析中有吸收-发射性介质( 或称弱吸收性介质, 例如燃气) 参与辐射传热时的处理方法。通过对有、无吸收-发射性介质的封闭包壳的辐射能量交换方程的分析, 提出了用表面边界单元替代其辐射效应的准则; 研究了有吸收-发射性介质参与辐射时表面间辐射角系数计算方法及编制了相应的计算程序。最后, 对某型飞机机尾罩的温度场作了计算并对结果进行了分析。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

采用壳体应变—应力状态的体—壳过渡元

由于初始热应变表达式不当及不能完全实现泊松效应,以往建立的体-壳过渡元会导致不真实的大应力。本文采用壳体应变-应力状态作为过渡元中的应变应力状态,给出~种新的15节点体-壳过渡元列式,从而解决了以上两个方面的问题。算例表明了这种过渡元的有效性与实用性。本文方法既适用于其它类型的过渡元,对于其它处理体-壳组合结构的方法也有重要参考价值。     

一种低迟滞低磨损的指尖密封型线构形的研究

针对迄今指尖密封多目标性能优化研究中存在的难以实现迟滞性能和磨损性能同步改善的问题,通过引入Stackelberg对策理论,并将指尖密封型线构形作为优化"元素",构建了指尖密封迟滞性能和磨损性能优化的Stackelberg模型.在正向Stackelberg主从对策机制下,采用基于有限元仿真和BP神经网络的遗传算法在Stackelberg系统主从层面上实现了指尖密封性能的可控优化,获得了具有低迟滞低磨损性能的"上凹"构形指尖密封型线.有限元仿真分析合理地解释了"上凹"型线指尖密封具有较好性能的原因,表明"上凹"型线指尖密封具有良好的应用前景.      

极坐标系下谱元方法求解不可压缩Navier-Stokes方程

本文利用有限元的思想并结合谱方法的精度提出求解偏微分方程的谱元方法,并将谱元方法应用到极坐标系中;详细推导了在极坐标系下的谱元方法的具体计算公式,求解了极坐标系下的简单椭圆型二阶偏微分方程;并结合时间分裂方法应用于同心旋转圆筒间流体的流动问题,具体求解了原始变量速度和压力的不可压缩NavierStokes方程,均取得了满意的结果.     

构造含结点旋转单元的坐标变换法

Ａｌｌｍａｎ提出了带角结点旋转的三角形单元及相应的四边形单元，法向位移的二次插值保证了该单元的精度，但带来了构成单元的复杂。本文把Ａｌｌｍａｎ单元看成是对一个有边中结点单元进行坐标变换的结果，大大提高了计算效率。