随机有限元法及其工程应用

随机有限元法是近年来发展起来的一种工程数值计算方法,由于它建立在有限元的基础上,并采用随机参数来描述工程实际问题,因而具有更广阔的发展前景和重要的应用价值。随机有限元法的主要内容包括随机原理、随机有限元控制垢建立及其求解。目前,它已被广泛应用于计算结构的可靠度、动力问题、复合材料力学及非线性问题等方面。随着研究工作的竽计算结构的可靠度、动力问题、复合材料力学及非线性问题等方面。随着研究工作的不断深     

钢球碰撞柔性杆动力分析的有效数值方法(英文)

柔性物体的碰撞动力学是工程实际中的一个重要问题。获得问题的动力响应是一个有挑战性的任务,通常通过数值计算来完成。首次采用离散奇异卷积法分析碰撞动力学问题,并通过钢球碰撞柔性杆的算例来研究几种数值方法的有效性。数值方法包括常规的有限元法、离散奇异卷积法、谱有限元法和提出的改进谱有限元法,将各种方法获得的算例的数值结果与理论解比较来研究方法的有效性。研究结果表明,采用恰当的常规有限元长度后,提出的改进谱有限元法给出的接触应力的结果最精确。另外还发现,离散奇异卷积法可以用于求解碰撞问题。     

用摄动—最小二乘法修改结构动力参数

本文应用摄动法和最小二乘法修改有限元建立的结构动力参数,使修改后的结构动力参数保持原对称、带状或对角阵形式,方法较文[1]有了一些改进。     

横观各向同性压电矩形薄板的非线性振动

由于压电材料在航空航天轻形结构动力控制中的广泛应用，压电结构的非线性机理成为工程界急需解决的问题。为了拓广压电结构的理论基础，本文对于横观各向同性压电矩形薄板，给出了大挠度条件下的应变位移关系，利用Hamilton原理导出了压电矩形簿板的非线性振动方程，并用双重Fourier级数展开和Galerkin方法获得四边简支压电矩开薄板非线性自由振动的解析解，分析了材料参数和几何参数对振动特性的影响。     

基于热流体动力润滑分析的滑动轴承平衡位置和动力特性系数研究(英文)

建立了考虑润滑油粘热效应的滑动轴承热流体动力润滑分析模型,采用有限元法分析滑动轴承油膜压力和温度分布。对有限元方程关于扰动项求导直接得到油膜压力对于各扰动项的偏导数,并且通过油膜压力对于扰动项的偏导数构建油膜力Jacobi矩阵。采用Newton-Raphson方法确定给定静载下的轴承平衡位置,同时不需要额外的计算即可通过油膜力Jacobi矩阵获得滑动轴承动力特性系数。通过算例研究了轴承几何参数对滑动轴承动力系数的影响。分析结果表明,油膜温度对轴承刚度系数的影响大于阻尼系数;在轴承偏心率较小时,轴承承载力和刚度系数随转速的增加而增大;而在轴承偏心率较大时,轴承承载力和刚度系数随转速的增加而减小。     

机身加强框结构刚度优化设计研究

以某型飞机翼身结合加强框为例,利用有限元法进行其刚度性能的优化设计。首先,分析确定翼身结合框的可靠性安全载荷,建立全新的结构刚度模型,利用有限元法分析求解刚度指标。然后根据结构设计要求和限制条件,基于应力应变特性和拓扑优化分析结果,优选设计参数,提出改进模型。通过对比分析结果,表明模型改进达到了结构刚度优化设计的目的。     

机械阻抗技术在振动分析中的应用

近二十年来机械阻抗技术在振动分析中获得广泛应用,领域遍及航空、航天和各种机械工程。本文力图根据我们的工作和国外资料对这一理论与试验相结合的工程振动分析方法作一较全面综合介绍。主要内容包括:机械阻抗的现代概念(各种激振情况下机械阻抗的描述,结构动力学中阻抗和导纳矩阵及其与模态分析的关系);稳态正弦和瞬态、随机机械阻抗测试技术;图解和计算机模态参数识别以及组合结构系统分析(包括动力特性、动力稳定性和动力响应)。     

具有随机刚度薄板小挠度问题的数值分析

从薄板小挠度问题的控制方程出发,将结构的随机参数统一到刚度随机场中,采用局部平均法对刚度随机场进行离散,并将其融于二阶差分方法的列式中,给出了求解刚度随机时薄板上各点位移的数字特征的随机有限元法。该方法不但可以解决复杂边界下的薄板小挠度问题,而且进一步解决了结构的可靠度问题。文中最后对算例进行了计算,用解析解验证了本文方法的正确性。     

复合材料结构动力分析方法研究的现状

本文着重讨论复合材料层板的动力分析方法,并分有限元法和动力响应两个专题进行较系统的评述。文章最后简述了一些应用和发展趋势。     

面向驱动格尼襟翼应用的压电悬臂梁位移分析

为了设计格尼襟翼的驱动机构,本文对压电悬臂梁自由端的位移及其影响参数进行了研究。采用EulerBernoulli悬臂梁模型给出了压电悬臂梁自由端的位移表达式,并采用有限元法研究了压电悬臂梁的基体厚度和压电片的布置位置等参数对悬臂梁自由端位移的影响。通过两种方法分析了压电悬臂梁自由端的位移变形,研究结果表明,通过解析法和有限元法分别计算得出的压电悬臂梁自由端的位移最大误差不超过3.6%。在其他条件一定的情况下,减小基体厚度、将压电片布置于悬臂梁根部以及选择合适的压电材料能够使自由端获得相对较大的位移。由于压电悬臂梁的位移不能满足格尼襟翼的驱动要求,需采用放大机构进一步放大自由端位移。     

高温压力传感器冷却套温度场的有限元法计算

介绍一种高温压力传感器冷却套的结构，并用有限元法计算冷却套的温度场分布，将轴对称的冷却套半边划分为许多三角形单元，将单元内的温度离散到单元三个节点上，应用传热学理论计算出三类边界条件的参数，应用有限元法计算出各节点的温度，经过计算机数据处理，得到冷却套温度场的分布，最后，对冷却套温度进行实测，测试结果与理论计算较为接近，表明冷却套结构设计是合理的，并且用有限元法计算冷却套温度场分布是行之有效的。     

结构动力学分析的逆问题—参数识别技术

本文综述了近十年来结构动力学参数识别技术的发展和现状,并以中型直升机的玻璃钢尾桨为例,介绍了模态参数识别的计算方法和稳态正弦激振机械阻抗测试技术,分析了操纵系统刚度对玻璃钢尾桨动力特性的影响。     

基于薄层单元法的螺栓连接结构有限元模型确认

由于螺栓连接结构结合面的粗糙度、预紧力矩和螺栓直径等因素具有不确定性,因此结合面的连接参数也是具有不确定性的,为了获得能描述连接参数不确定性的有限元模型,对螺栓连接结构开展有限元模型确认研究。将复杂的多螺栓结构拆分为简单的单个螺栓结构;先对单个螺栓结构做模型确认分析,采用薄层单元来表征结合面,通过模态试验数据修正获得薄层单元参数及其统计样本,对不确定性连接参数进行量化和传递分析,并采用模型确认准则验证该参数概率分布的合理性;再将考虑概率分布情况的单个螺栓结构的薄层单元参数应用到多个螺栓连接结构对其模态频率进行预测。研究结果表明:所采用的模型确认方法能量化薄层单元参数的不确定性,可建立具有一定可信度的螺栓连接结构有限元模型,由单个螺栓结构能预测多个螺栓结构的动力学特征。     

对称分割法(网络拓扑法单元等效参数的计算)

对称分割法是网络拓扑法中推导单元等效参数的一种比较理想的方法。它采用作枝的垂直平分面的方法,把求解场分割为以节点为中心的节点元素。然后根据节点元素之间的关系,运用场的积分形式的基本方程来推导出枝的等效参数。用这种方法已推出各种形状的平面场和空间场中单元的等效参数、边界条件和内部源的计算式。并且某些计算式的精度高于有限元法。 本文介绍了场的基本方程的微分和积分形式及其相互关系,指出对称分割法是直接应用积分形式来解离散化场的一种有效方法;介绍了对称分割法的基本原理,推导出几种常用单元的等效参数的计算式,以及平面场和轴对称场边界条件与内部源的计算式。文章还举例说明了用有限元法处理内部源时的误差。     

热环境

用有限元法改进热应力计算本文描写用有限元法决定结构元件中热应力的方法。方法中避免了计算必须有确切尺寸情况下进行。由于受热结构一般对空间分布温度变化的灵敏度差,所以可使用有效应力计算法,并从大网格有限元解得到应变。于是同细网格温度分布应力—应变—温度状态方程联用便得到细网格结果。这方法的有效性已在计算H3T航天机的垂直尾翼受模拟再入地球环境的热应力中得到验证。     

动力响应问题的状态空间法

本文对已知外载荷具有粘性阻尼的线性系统,提出了分析动力响应的状态空间法,用这个方法可以由结构的自由振动建立离散结构的状态方程,并求出在给定载荷下的动力响应。为了校验,由状态方程的系数矩阵求出了简支梁的动力特性参数,并与之作了比较。再用状态空间法求得的位移、速度响应与用模态叠加法求得的相应的响应作了比较。两者间的差别很小。最后,讨论了状态空间法的一些特点。     

一种基于结构相似性的动特性预示方法

提出了一种基于结构相似性的全弹动特性预示方法。首先通过基于遗传算法的模型修正方法,获得了参考型号精度较高的有限元模型,进而得出了结构刚度参数的修正系数,然后根据结构相似性,将参考型号结构刚度参数的修正系数应用于相似型号结构动特性建模及仿真。试验验证结果表明,采用本方法预示的导弹全弹动特性与试验结果相比,前三阶频率最大偏差不超过11%,各阶振型与试验结果相近。     

基于有限元法的风洞结构故障诊断

针对2.4m风洞第一扩散段在运行过程中出现的裂纹现象,应用振动测试技术和有限元分析方法,进行了不同工况条件下振动测量和脉动压力测量,获得了结构在气流脉动压力作用下的主要振动频率范围.通过与有限元分析结果验证对比,诊断出了第一扩散段产生裂纹的原因在于内壳体裂纹板与气流长期耦合振动,结构疲劳从而导致出现裂纹.最后在此基础上提出了合理的整改方案,对结构进行了动力学修改.结果表明:结合振动测试,基于有限元法对风洞结构进行故障诊断是一种行之有效的方法.     

润扬悬索桥动力特性的特征提取与重构

当前大型桥梁在线健康监测与损伤识别中主要采用基于结构模态参数的方法,该类方法存在固有缺陷。结构的频响函数包含了更丰富的结构动力信息,但数据量大、冗余度高,不利于工程应用。本文采用主元分析方法,对结构频响函数进行空间变换,得到的主元向量可在最小均方意义下提取数据的主要分布特征,根据主元的累积贡献率,可选取较少的主元可靠重构结构的频响函数,从而使基于频响函数的在线监测在大跨桥梁结构的应用更为可行。具体针对润扬长江大桥,结合实时监测系统的测点布置,对南汊悬索桥进行了动力特性分析,根据降维后的较少主元对结构频响进行重构。误差分析结果表明,采用27或20个主元能提取润扬悬索桥的主要动力特征,重构误差的均方值分别为0.0097和0.0134。     

自由—自由结构模态试验中附加影响的消除方法

在宇航结构模态试验中需要模拟自由-自由边界条件,但在某些情况下,结构的悬挂或支承条件等的附加影响会导致模态参数产生不可忽略的改变。本文研究从试验模态数据中消除这些附加影响的方法,给出了两种获得自由-自由结构模态的修正方法。