基于有限元仿真的航空整体结构件变形校正

针对航空整体结构件变形复杂、校正效果难以定量预测的工程问题,基于有限元仿真技术,综合研究加工变形—校正过程,对航空整体结构件的变形校正有限元建模、校正过程数值模拟、校正参数确定、校正载荷施加形式及校正残余应力等关键技术进行了研究,并运用上述技术对某航空铝合金材料整体结构件进行了变形校正有限元数值模拟.结果表明,综合研究加工变形—校正过程,提取变形有限元模型作为初始校正模型,进行有限元加载—卸载分析,可很好地模拟校正过程,并获得实际需要的校正参数.      

高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计

以热防护系统厚度方向几何尺寸为设计变量,热防护结构质量为优化目标函数,以航天器主结构温度极值为约束条件建立了优化模型。采用外部调用NASTRAN进行非线性瞬态有限元热分析,应用复合形法作为优化工具进行全局寻优。针对该问题结构几何形状是变量的特点,采用文件接口的方法实现了设计变量与有限元模型的关联以及有限元分析结果与优化工具的数据交换。     

基于响应面方法的印制电路板模型修正

近年来,基于响应面的优化分析技术被用于有限元模型修正.给出了基于响应面方法的印制电路板(PCB,Printed Circuit Board)模型修正过程.首先利用ANSYS计算PCB的前6阶模态频率并与模态试验结果进行相关性分析;然后分别利用有限元分析和模态试验的前3阶模态频率构造3个目标函数,再利用前6阶共振频率的残差平方和构造第4个目标函数,每个共振频率的权重相同;最后利用多目标函数遗传算法进行优化分析,使得4个目标函数最小化.给出了一个案例对上述的修正过程进行了阐述.分析结果表明,基于响应面的模型修正技术可用于改善PCB的有限元模型,且可利用已有的商业有限元软件直接进行分析,易于工程应用.      

复合材料蜂窝夹层结构的优化设计

利用复合材料蒙皮结构的弯扭耦合效应可以改善翼面的气动弹性特性.为使这种结构的弯曲扭转耦合效应最大,采用遗传算法来优化设计这类结构,并以蜂窝结构为例进行分析.采用有限元计算软件分析目标函数,将铺层板、蜂窝夹芯的强度作为约束函数,并通过遗传算法优化与有限元计算有机的结合,开发了以有限元为基础的复杂问题的结构优化软件系统.      

腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响

针对平面编织复合材料梁腹板结构剪切载荷作用下的面内剪切屈曲失稳和后屈承载能力问题,采用实验与有限元方法进行了研究。结合实验所得应变分布规律与有限元分析所得失稳模态分析了梁腹板结构剪切失稳特点。后屈曲承载分析中引入了平面织物复合材料Hashin失效准则,获得的结构主要失效模式包括纬向纤维压溃和经向纤维拉断,与实验结果符合良好。基于经实验结果验证的有限元模型进行了参数化研究,分析了腹板开口尺寸和开口形式对平面织物复合材料梁腹板剪切稳定性、承载能力和破坏模式的影响。研究结果可为复合材料结构设计和强度评估提供参考。      

空间相机主要力学性能的分析与计算

采用了有限元分析方法对空间相机的整体结构进行了主要力学性能的分析与计算.首先,将相机作为一个系统,建立了结构的实体模型,利用PATRAN软件建立结构的有限元模型,为不同的零件分配了不同的单元类型,然后,运用NASTRAN程序对有限元模型进行了分析,得到结构的前五阶响应频率,并且分析了随机振动动载荷对结构某些关键点的影响.上述分析结果对相机结构的改进设计有重要参考价值.     

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。     

Reissner型矩形板分析的U变换-有限元法

将U变换法推广应用于Reissner矩形板的有限元分析中.对原结构进行等效变换,形成周期循环的板单元,使刚度矩阵成为循环矩阵,应用双重U变换解耦了有限元的矩阵方程,使有限元计算只须在一个板单元上进行,并且仍能方便分析整个板的一般分布载荷.所发展的U变换-有限元法不仅提高了计算效率,很快收敛于精确解,对于简支板还给出了精确分析的有限元解、准确的误差估计表达式和收敛速度,可以直接掌控计算精度,这是其它方法难以得到的.对简支和固支矩形板的数值算例及与其它方法的对比说明了U变换-有限元法的优点和重要的工程实用价值.      

航空发动机转子系统建模方法和振动特性分析

针对现代航空涡扇发动机转子系统的结构和力学特征,运用有限元法对其低压转子进行了有限元建模方法和动力特性研究.分别采用二维梁单元和三维实体单元建立转子系统的有限元模型,对其动力特性计算结果进行比较分析,在此基础上,提出了等效圆盘法进行有限元建模的等效原则.等效圆盘法将转子系统的叶片等效为刚性圆环,既能保留转子系统的结构和力学特征,又能有效地控制模型规模,将周期问题转化为轴对称问题,便于有限元程序的求解计算.计算结果表明,该方法是一种适用工程实际的有限元建模方法.     

一种柔性铰链连接的柔性板结构振动模态分析

针对一种空间铰接柔性板结构的振动特性进行了分析,采用有限元分析方法给出通过柔性铰链连接的柔性板结构建模思路.利用有限元软件ANSYS对几种不同的铰链扭转刚度条件下铰接柔性板结构进行了模态分析,获得了模型结构的前五阶模态曲面及其模态频率.并比较了不同铰链刚度对铰接柔性板结构的模态振型和模态频率的影响.该分析有助于研究铰接柔性板结构的动力学和控制方案的设计、建模和分析.     

数值模拟激光测振在光纤陀螺设计中的应用

应用有限元单元法对光纤陀螺结构进行了振动摸态仿真,利用Polytec-PS200激光测振仪实现了陀螺的高精度测振.发现振动环境中结构的共振是影响陀螺精度的主要因素之一.验证了合理的结构可有效地提高光纤陀螺在振动环境中的精度——优化后的陀螺在相同振动环境中零漂减小了65％.      

数字闭环光纤陀螺振动误差分析

光纤陀螺的振动误差直接影响其使用精度.为解决振动问题,分析了陀螺振动特性的主要误差源.推导了闭环光纤陀螺光功率和输出关系的表达式,得出了光纤缺陷以及光纤、器件尾纤受振动产生寄生应力导致传输光偏振性能和光强变化是引起振动误差的根本原因的结论;对陀螺振动性能受结构谐振的影响进行了有限元分析和试验验证;提出了改善光纤陀螺振动性能的具体措施,包括光纤环及尾纤固化工艺、优化结构设计以及改进闭环控制.结果表明,经改进后的陀螺,振动条件下其动态精度接近静态指标,满足使用要求.      

轻型空间相机桁架结构设计与模态分析

为设计适合轻型高分辨空间相机的桁架结构,研究了模态分析的方法和桁架设计中需要考虑的问题.通过对不同的次镜支撑结构进行模态分析和对比,提出了适用于轻型相机的三翼中心三角次镜支撑结构,并完成了整体桁架结构的设计.有限元分析结果表明,所设计的桁架结构具有固有频率高、质量轻等优点,能够满足轻型空间相机的要求,并可以作为其他大口径空间相机桁架结构的设计参考.      

三维编织复合材料强度的数值预报

在实验研究和有限元分析的基础上,提出了一种经验性强度失效判据,并利用刚度预报的模型和有限元分析的结果,进一步提出了强度预报的方法.强度计算的结果表明: 预测值与拉伸实验的结果基本相符.     

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50m口径单层索网天线的形面误差可降低至5mm以下。     

结构静力响应区间的一种计算方法及工程应用

针对实际工程中广泛存在的物理或几何上的不确定性,提出一种有界不确定性结构静力响应上下确界的有效计算方法,将线形区间方程组转化为两个标准的线性规划问题求解,并给出数学证明.编写与大型有限元软件ANSYS的接口程序和区间运算程序,使区间运算方法和工程有限元软件结合并推广到实际工程领域.以某大跨钢结构建筑为例,对其静力响应区间进行估计.结果表明,该方法可给出与Deif方法一致的精确结果且计算量较之Deif方法大幅降低.基于此算法对ANSYS进行二次开发的接口程序和区间运算程序,可直接用于含有界不确定性参数的实际工程问题中.      

基于ANSYS的压电陶瓷PLZT特性仿真分析

针对传统的解析法和有限元法在压电陶瓷分析中的弊端,采用有限元软件ANSYS对压电陶瓷掺镧锆钛酸铅(PLZT)进行特性分析.介绍了大型有限元分析软件ANSYS及其耦合场分析功能,建立了PLZT的ANSYS模型用于分析单片、叠层和双晶片型PLZT的静动态特性.单片PLZT的输出位移与所加电压和外力载荷均成线性关系;叠层结构的输出位移因粘结层的变形而小于理论输出值;双晶片变形的ANSYS计算结果同理论分析很相近.进行压电器件分析时,可先通过ANSYS软件建立实体模型,设定几何尺寸和材料特性参数进行性能仿真,并且针对不同器件只需修改参数,程序通用性好.      

脱粘尺寸对复合材料单加筋板压缩性能的影响

为确定脱粘缺陷尺寸对轴压载荷下复合材料单加筋板屈曲和后屈曲特性的影响,对4组含不同尺寸脱粘缺陷的工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。试验中通过应变测量和超声C扫描等技术手段对试验件的屈曲及后屈曲过程中的变形和缺陷扩展情况进行了监测。基于ABAQUS软件建立了有限元分析（FEA）模型,采用LaRC03准则对复合材料层内损伤进行判定,采用胶层单元对界面脱粘损伤进行模拟,以几何扰动的形式引入失稳波形,利用FEA模型对试验件的屈曲和后屈曲过程进行了模拟。模拟结果与试验结果吻合较好,根据研究结果对试验件的失效过程和脱粘缺陷扩展机理进行了分析与探讨。研究表明,预制脱粘缺陷尺寸大小对试验件屈曲和后屈曲特性影响较大,对最终破坏模式影响不大。脱粘尺寸的增大会导致试验件承载能力的大幅降低,在复合材料加筋结构损伤容限设计中需要着重考虑。      

小卫星非常规动力学分析与控制

针对小卫星研制中出现的一些非常规动力学问题进行研究,并提出解决办法。针对小卫星组件最大冲击谱量级超出常规冲击试验规范谱的分析与验证困难,通过研究提出了能够分析评估组件高量级冲击的方法。针对小卫星随机振动下强度设计方法还存在较大误差,分析了系统模态质量比与模态频率在一定频段的影响规律,认为忽略模态质量耦合会带来误差,提出了考虑模态质量耦合的准静态载荷计算方法。最后,针对小卫星整星开展了减振研究,分析了正弦和随机减振效果,对于对称安装减振系统,提出了减振系统的主频率计算公式。     

附件化超声振动工作台设计及有限元优化分析

超声振动辅助加工为合金材料、硬脆材料和复合材料等难加工材料提供了有效的机械制造解决方案,超声振动辅助加工装置结构复杂、专业化程度高、使用可靠性差等因素制约了超声加工技术的推广及民用化历程。为了推广超声振动辅助加工的应用范围,基于超声能量传播原理,设计了一种机床附件化的超声振动工作台,能够方便地安装于加工中心上为工件提供超声振动辅助加工。首先,选用2种材料对工作台进行整体结构设计,通过模态分析确定工作台的工作频率及振动形式,使用谐响应分析揭示工作台工作时的稳定情况。其次,采用多目标优化方法对工作台进行结构优化,在保证总模态变形量不变的情况下降低振动台的质量,以减小超声能量损耗的同时提高振动状态的可靠性。最后,对比优化前后的有限元分析结果确定工作台材料并进行尺寸调整,使其更加符合实际加工需要。分析结果表明,45#钢工作台在工作时的振动稳定性要好于Cr12Mov钢工作台,但Cr12Mov钢工作台具有较大振幅。通过多目标优化使得振动台的总体质量降低27%,其工作频率同时降低11%,优化后2种工作台的共振频率带宽相差较小。