螺栓-法兰连接结构非线性优化设计方法研究综述

螺栓-法兰连接是应用于航空航天、核能等领域的管道主要连接形式.工程上迫切希望获得此类结构的最优化设计,以实现系统性能最佳化.针对这种连接结构的优化设计实际包含接触问题和优化问题两部分的内容,是非线性因素的耦合以及优化设计层层迭代的过程.综述了小变形弹性接触问题中的有限元法及其在工程中的应用,针对螺栓-法兰中优化设计中关心的花瓣的优化,同时还简述了拓扑优化设计方面的研究进展.最后对今后的研究方向和研究的重点作了展望.     

低温液体火箭发动机高压静密封有限元分析

以某型号液体火箭发动机的推力室燃料阀出口法兰静密封结构为研究对象,针对法兰连接结构特点,运用有限元方法建立了管路-阀门-推力室模型,通过热-结构耦合计算分析表明:在温度和压力的共同作用下,推力室燃料阀出口法兰变形导致密封面微小分离,造成垫片局部压紧应力大幅减小,可能引起推进剂泄漏并起火。在通过上述分析定位泄漏原因并预测泄漏率之后,又建立了参数化的螺栓-法兰-垫片密封性分析局部模型,基于柔性石墨垫片的基本性能试验数据,计算分析了垫片厚度、螺栓预紧力等结构因素对静密封性能的影响,理论上验证了增加预紧力,增厚密封垫片等密封改进措施的有效性。     

基于Global/Local法的螺栓连接结构静强度渐进破坏

为了研究螺栓连接结构静强度渐进破坏特点,应用Global/Local有限元分析技术,分两级建立了螺拴连接结构有限元模型,并对其进行了带EWK断裂子程序的材料/几何非线性有限元分析.结果表明:螺栓连接结构的断裂部位位于螺拴孔边缘,当加载到最大载荷的42%时开始出现破坏单元,在加载到最大载荷的48%之前裂纹扩展是一个稳态的过程,之后便迅速扩展直至整体结构失效.Global/Local分析技术提高了整个过程的分析效率.     

螺栓连接梁的非线性动力学响应分析

连接界面存在复杂的非线性行为和机理。连接部位是导致结构复杂非线性动力响应的关键所在。传统结构动力学分析中,通常忽略连接或采用线性化的方法来建模,造成无法分析和研究含连接结构的非线性动力行为的困难。文中在分析改进Iwan模型用于连接界面动态力学行为描述的基础上,将改进Iwan模型用于构造非线性连接元,该单元能够反映连接界面在不同载荷幅值下的复杂的粘着-滑动行为特征,能反映出幅变非线性阻尼的特征。进一步,应用该连接单元分析了螺栓连接梁的非线性动力学响应。结果表明,该连接单元能够反映出连接结构动力学响应的非线性特征,可方便地与现有有限元动力计算程序接合,用于含连接结构非线性动力学响应的分析。     

机械螺栓连接状态监测和辨识方法研究进展

螺栓连接广泛存在于机械装配结构中.振动环境下螺栓连接的状态会发生滑动、分离甚至松脱等现象,从而严重影响结构的功能性和安全性.监测和辨识机械螺栓连接的状态是结构健康监测研究的前沿热点.首先,对螺栓连接非线性动力学问题的研究现状进行了分析,指出针对复杂螺栓连接结构的非线性动力学问题的深入研究是建立可靠的状态检测和辨识方法的基础.然后,讨论了基于振动分析的两类结构健康监测方法在机械螺栓连接中的研究进展,重点综述了基于机电阻抗的状态监测方法的原理、应用现状和不足.最后,讨论了基于非线性系统动力学理论的状态监测方法及其在螺栓连接中的研究应用情况,指出了该技术进一步发展应用的若干关键技术.     

飞行器器—箭连接结构优化方法

以升力体式飞行器与运载火箭连接结构为研究对象,结合运载阶段飞行器结构及载荷特点,开展了器—箭界面连接结构载荷分配机理分析.分析表明连接螺栓分布位置、几何尺寸和安装边厚度等因素对螺栓轴力影响较大,同时影响连接位置局部变形,进而决定了由局部变形引起的螺栓附加弯矩.为实现器—箭界面连接效率最大化的目的,对连接结构优化方法进行...     

带预紧力受剪螺栓连接刚度分析

为了很好的模拟带预紧力受剪螺栓的复杂应力状况,本文应用ANSYS非线性接触算法对螺栓连接进行了仿真,利用降温法模拟了螺栓的预紧力,给出了螺栓连接刚度计算公式,通过一系列不同厚度构件的螺栓连接刚度计算,得到了构件厚度与螺栓连接刚度间的关系曲线;为复杂结构中螺栓连接的简化计算提供了可靠参考依据.     

火箭级间段连接螺栓失效数值模拟

火箭级间段采用多个螺栓盘式连接,在高速飞行过程中,箭体受横向异常载荷的作用,导致连接螺栓相继失效.本文利用非线性有限元软件ABAQUS,对单个螺栓的失效进行数值模拟（包括无螺纹单螺栓应力模型和有螺纹单螺栓破坏模型）,计算得到的失效破坏载荷与试验测定的破坏载荷进行对比.考虑火箭全箭飞行过程中遭受的横向异常载荷,对级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟.     

低应变率下最大骨料粒径对混凝土动态尺寸效应影响:细观模拟（英文）

本文主要探讨了低应变率下最大骨料粒径对混凝土材料破坏行为及尺寸效应的影响。首先,考虑混凝土材料内部的非均匀性和应变率效应,采用细观数值方法模拟了混凝土材料的破坏过程。基于细观数值模拟方法,研究了不同尺寸混凝土试件的破坏行为。其次,从细观层面上研究了最大骨料粒径对混凝土破坏模式、名义强度及其尺寸效应的影响规律。结果表明,在单轴压缩和拉伸载荷作用下最大骨料粒径对混凝土破坏模式有显著影响。在准静态荷载作用下,混凝土抗拉强度随着最大骨料粒径的增大而增大,抗压强度随着最大骨料粒径的增大则是先增大后减小。此外,随着应变率的增大,混凝土材料强度尺寸效应被逐渐减弱。当应变率达到1 s~(-1)时,混凝土强度尺寸效应消失。最大骨料粒径对混凝土单轴压缩和拉伸强度动态尺寸效应的影响可忽略。     

热适配螺栓连接及其配合界面位置影响分析

针对高温下传统高温合金螺栓连接复合材料结构时的热膨胀不适配问题,研究与设计一种热适配新型结构分体式金属螺栓,具备较好的高温防松效果。推导了高温剩余轴力与多种参数之间的理论公式,分析配合界面位置对高温防松效果的影响;建立有限元模型,模拟螺栓温升时的轴力变化情况;进行热适配螺栓与普通螺栓常/高温静力拉伸对比试验,结果表明该种热适配螺栓有较好的高温防松效果,印证配合界面位置对高温防松效果的影响方式。     

纳米铜双晶拉伸与剪切变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了纳尺度铜双晶(111)面原子层的拉伸与剪切变形。模拟结果显示纳米铜双晶的拉伸与剪切变形都是由弹性变形与塑性变形两个阶段构成。在弹性变形阶段原子排列结构不变,而塑性变形阶段此排列结构发生较大变化。包括金属键断裂。原子与空位迁移、重组,晶界变形、迁移等。这种微观变形机制直接决定了相应的应力应变关系：在弹性变形阶段,虎克定律依然成立;在塑性变形阶段,应力应变曲线产生很大波动．其波动情况与微观变形密切相关。模拟还发现纳米铜晶体的塑性比宏观材料好得多,塑性变形过程能迭到单个原子连接两个晶粒的状态。     

钣料压延数值解

本文采用能量条件的硬化模式,考虑到钣料的厚向异性,导出了压延凸缘区和凹模圆角区数值解所需的理论方程以及压延拉伸失稳条件的数学表达式和压延拉伸失稳临界载荷计算公式,在此基础上,利用电子计算机求解了四种钣料(TA1—M、LY12—M、LF2—M、20钢)的压延载荷和极限压延系数。理论和实验结果取得了很好的一致性。     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

杯形件拉深工艺过程中变形区的应力应变分析

用塑性理论求得杯形件拉深成形工艺过程中凸缘部分的应力与应变分布的解析解。由于不需要厚度保持不变的假设,所得结果比现有成果更加符合实际情况。同时还分析了成形过程中的厚度变化情况,分析结果与生产中厚度增加一般不超过30％的实际情况基本吻合。     

三维接触问题的接触状态有限元解法及应用

在文献［１］的基础上论述了有摩擦、有间隙的三维弹性接触问题接触状态有限元解法，并通过理论考题进行了验证。最后，在应用部分对汽轮机汽缸法兰连接汽密性进行了计算。     

激光热应力板料成形角变形分析

为了精确预测板料直线扫描时的角变形,本文采用简化约束模型分析了板料的变形历史和应变产生机制,在加热区域内将激光热应力变形过程分为3种不同的情况:(1)板料上下表面仅产生弹性变形;(2)板料上表面产生弹性变形和塑性变形,下表面仅产生弹性变形;(3)板料上下表面均产生弹性变形和塑性变形。通过对热变形第一种情况进行分析,提出了最小移动能量密度的概念,并推导出了板料产生热变形所需要的最小移动能量;针对热变形第二和第三种情况分别建立角变形解析模型,试验结果验证了该模型具有较高的精度。     

纳米压痕试验中圆柱形压头尺寸效应

针对薄膜材料在纳米压痕试验时出现的压痕尺寸效应,运用准连续介质法模拟单晶铝膜纳米压痕试验初始塑性变形过程。分析了不同直径的刚性圆柱形压头分别压入同一深度时弹性和塑性变形特点,并获得了相应的载荷—压深曲线。基于Oliver-Pharr法,预测了纳米硬度值和弹性模量。研究数据表明:纳米硬度值随着压头直径的增加而减小,呈现出明显的压头尺寸效应;当压头直径达到或超过80时纳米硬度值趋于稳定值,即压头尺寸效应消失。同时表明弹性模量不存在尺寸效应。表明材料的弹性模量本质上仅依赖原子间的结合能,而和压头尺寸基本无关。     

摩擦约束弹塑性广义变分不等原理的一种新的简化证明

用拦格朗日乘子法，利用向量分析的工具及巧妙的变换，对带磨擦约束的弹塑性接触问题的变分不等原理进行了严格的证明。     

干涉配合紧固件孔的弹塑性工程分析

本文根据厚壁筒概念,以平面应变、有限边界情况和理想塑性材料的假定,对铆接或螺接干涉配合紧固件孔边的应力场进行了弹塑性工程分析,给出了便于分析使用的计算弹性配合的极限干涉量,塑性配合的塑性区半径,弹、塑性区内的径向和周向应力分布等参数方程式,这些参数和参数方程式对紧固件孔的疲劳设计和生产工艺都具有十分重要的意义。 应用分析说明了铆距和耳片外边界半径对所得结果的影响,以及平面应变和理想塑性材料与平面应力和幕强化塑性材料假定对于孔边应力分布的影响。     

生成矩形毛坯最优两段排样方式的递归算法

提出一种递归算法生成矩形毛坯两维两段排样方式。这种算法将板材分成两段,同一段中所有条带的长度和方向都相同,二段的条带方向相互平行或垂直,不同尺寸的毛坯可以在一根条带中出现。通过递归在段上生成最优条带布局,隐式地讨论所有长度的段,确定所有两段组合的价值,选择价值最大的一个组合作为最优解。计算结果表明,该算法在计算时间和材料利用率两方面都有效。最后,一个实际问题的解表明:使用该算法,材料利用率较高。