分析/试验模型相关及修正技术若干问题

本文对模型修正技术的发展及其国内外研究状况做了系统介绍和综合评述，并讨论了该领域中存在的一些主要问题以及进一步研究的方向。文中还给出了有限元模型修正技术在航空航天领域、汽车船舶领域成功应用的实例。     

全机有限元模型修正及验证方法研究

有限元分析现已成为飞行器设计的重要工具,若要提高有限元仿真的准确性,需要对有限元模型进行必要的修正。以某型直升机全机静力试验有限元模型为研究对象,基于静力试验实测的应变值,进行变量参敏度分析和模型优化,针对全机试验测点多、模型自由度大的特点,提出适用于验证全机模型的相关性算法;基于该算法,应用某一工况下的试验结果,对全机有限元模型的部分参数进行修正,得到与试验结果符合较好的模型参数结果;应用其他工况的结果对修正后的模型进行验证,结果表明:其他工况下修正后模型的计算结果与试验值也很接近,证明了该相关性算法和全机模型修正及验证方法的可行性和有效性。     

拓扑优化设计中刚度与密度关系的一种力学模型

为了探讨变密度法中伪密度的变化对材料刚度的影响,并建立两者之间的力学关系,本文采用有限元法研究这一问题。提出利用"实心"与"空心"两种八节点体单元来构建"微元体"模型,通过各种比例的"实心"和"空心"体单元的均匀组合,来模拟伪密度数值的变化过程。理论分析与推导表明:确定"微元体"的刚度时,本模型不仅与加载和约束形式无关,而且与"微元体"的形状亦无关。通过数值试验,可以给出这种模型的刚度与伪密度的离散数值关系;最后,利用幂指函数获得其解析关系。计算结果发现一个十分有趣的现象:刚度与伪密度不遵循人为给出的幂函数关系。     

涡轮盘的破裂分析

某烟气轮机涡轮盘发生了盘缘断裂掉块事故,某航空发动机Ⅰ级涡轮盘也大量发生槽底裂纹的故障。我们对这两个盘的盘体和槽底部分用轴对称和平面8节点等参元有限元法对温度场(包括瞬态温度场)与应力场进行了计算,从而对涡轮盘在不同工作状态下的应力分布及故障原因进行了分析。本文着重阐述冷却条件对于涡轮应力分布是十分重要的,同时,不应忽视轮缘的应力水平,在某特定工作状态下,轮缘的应力值可能远远超过轮心,而且循环的应力幅值也很大,且由于载荷与几何形状的复杂性,在轮缘与榫齿的过渡段上出现较大的应力集中,往往成为裂纹源区;本文最后分析了轮缘残余应力形成及对槽底径向裂纹的生成与扩展的影响。     

在MSC.PATRAN中机翼有限元模型加载模块的二次开发

介绍了使用PCL语言对强度计算软件MSC.PATRAN进行二次开发程序编制的方法,以及开发机翼有限元模型加载模块的过程,为在MSC.PATRAN中增加计算模块提供了方法和思路。该计算模块已应用于具体型号的强度设计分析中。     

轴向尺度对指尖密封性能影响的分析

采用有限元接触模型分析了指尖密封片轴向尺度对指满面春风密封的迟滞特性及接触压力的影响。这种影响在不同的压差条件下体现出不同的特征，也存在着一个迟滞特性和压力大小优化匹配问题。通过分析不仅揭示了上述现象，而且表明了指尖密封轴向尺度优化分析的必要性。     

航空结构件铣削残余应力分布规律的研究

 采用三维有限元方法,模拟计算航空铝合金7050-T7451 材料在无内应力前提下数控铣削时产生的表层残余应力场。在综合考虑了现行的常规工艺方案基础上,从中选定4 种具有代表性的走刀路径分别进行分析计算,进而优选出最为合适的走刀工艺规则。走刀过程采用动态载荷步模拟,材料去除采用生死单元模拟,从而使计算结果更加精确、可信。通过本文的研究工作,可为提高该类材料数控铣削加工的尺寸稳定性确定合理的工艺策略。     

径厚比对锥柱形金属膜片屈曲和后屈曲状态的影响

通过有限元方法研究了半径及径厚比对锥柱形金属膜片翻转过程的影响,并选取典型的半径及径厚比样本点对分析结论进行了数值验证.研究结果表明:膜片半径太小或太大均表现出一定的尺寸效应,小半径膜片的尺寸效应更显著;半径为203~403mm的膜片其屈曲和后屈曲状态表现出明显的一致性;对于确定半径的膜片,径厚比太大,膜片承载能力太小而导致翻转效率较低,径厚比太小,膜片屈曲载荷呈指数级显著增加而不易翻转,径厚比为160~400的膜片其翻转效率较好,并且后屈曲状态表现出一致性;选取典型的样本点对结论进行了数值验证,一致性较好.      

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。     

Coupled FEM Analyses on Electro-mechanical Problem of Electrostrictive Plate with Elliptical Hole

A detailed theoretical construction of general coupled 3D FEM analyses of anisotropic dielectrics is first presented by considering the electric body force and body couple moment. A 3D electrostrictive element is subsequently defined in ABAQUS user subroutine UEL and the post-processing of finite element method （FEM） results is realized by UVARM and dummy element method. Then the developed technique is used to solve the electro-elastic field of an isotropic electrostrictive plate with an elliptical hole subjected to electrical load. By comparing the coupled and uncoupled numerical results, the traditional uncoupled analytical method can cause a large error when the applied electric field or the electrostrictive performance of the dielectric is high, and thus the present coupled analysis is especially necessary.