基于有限单元法的裂纹梁结构疲劳寿命预测模型

为了准确预测裂纹梁结构的疲劳寿命,提出一种裂纹梁结构的振动与疲劳裂纹扩展耦合分析方法.首先,基于有限单元法建立裂纹梁结构的动力学模型;然后,根据裂纹梁单元的特点,推导裂纹梁单元的应力强度因子表达式,在此基础上应用Walker方程建立疲劳裂纹扩展增量计算式,再基于振动响应与裂纹扩展循环同步分析法,计算疲劳裂纹扩展寿命;基...     

裂纹梁的动力特性与裂纹位置识别

根据能量原理和断裂力学理论导出模拟未开裂部分韧带效果的线弹簧模型的刚度矩阵，从而建立了一种裂纹梁分析的有限元模型，运用该模型，研究了不同裂纹长度和位置对悬臂梁动力特性的影响，算例结果与现有实验数据的比较表明，当无量纲裂长度小于０．６时，两者吻合非常好，反之，两者之间存在较大的误差。     

基于共旋坐标法的几何非线性裂纹梁单元

现有有限元软件模拟裂纹结构主要采用指派裂纹的实体和壳单元,但缺少梁单元.因此,在弹性梁单元的曲率函数中引入Dirac-δ函数表征局部损伤的曲率变化,得到位移分布函数;推导出应变矩阵和单元刚度矩阵,提出了裂纹梁单元.基于共旋坐标法理论进一步发展了考虑裂纹损伤的几何非线性裂纹梁单元,给出了单元的具体算法及流程.利用课题组开发的有限元求解框架,在程序中实现了裂纹梁单元及共旋列式裂纹梁单元.经过典型算例,对比分析了裂纹位置、裂纹深度及外荷载对裂纹梁弯曲性能的影响.结果表明:该单元能够准确描述裂纹结构的挠度变化,同时与现有模拟裂纹结构弯曲变形的单元相比,提出的裂纹梁和共旋列式裂纹梁在精度分别提高了约1％和4％,并且能够退化成无损伤的梁单元和几何非线性梁单元.     

裂纹梁单元在曲轴裂纹分析中应用

为分析裂纹对曲轴振动特性的影响，根据曲轴常见裂纹的特点，提出计算含有横向裂纹的矩形截面空间梁单元刚度矩阵的新方法。该方法首先被应用于分析含裂纹悬臂梁的振动模态，经验证后再用来模拟内拐角处出现裂纹的曲柄臂，在此基础上，针对一根含裂纹的直列式四缸发动机曲轴建立有限元模型，对其振动特性和动态响应特性进行模拟分析，为实现利用振动分析技术检测曲轴裂纹奠定基础。     

无单元法应用于欧拉梁的动力特性分析

基于广义移动最小二乘法建立了同时考虑挠度和转角双变量的无单元法用于欧拉梁的动力计算.与传统有限元法相比,该方法只需输入节点信息无需定义单元,具有前处理简单的优势;与只考虑挠度的单变量无单元法相比,该方法具有更高的插值精度.运用双变量无单元法计算了4种不同边界条件欧拉梁的自振圆频率和振型,通过与理论解、有限元解、单变量无单元解的比较,表明无单元法在动力分析中的应用是可行的,欧拉梁的计算同时考虑挠度和转角双变量是必要的,该法在高阶振型计算中具有精度优势.     

三点弯曲压电梁跨中裂纹尖端附近的损伤场

根据Yang等提出的压电损伤理论,采用有限元方法分析了三点弯曲压电梁跨中裂纹尖端附近的损伤场,研究了裂纹深度、外加力电载荷等因素对损伤场分布的影响规律．研究结果表明,裂纹深度、电场和力载荷均对裂纹端部附近的力电损伤场有显著影响．     

智能梁弯曲形状的主动控制

研究了具有离散分布压电控制器的智能梁,在外加电场作用下弯曲形状与压电元件外加电压之间的关系,建立了智能梁的弯曲形状进行了主动控制的方法,得到了各离攻分散分面压电元件控制电压的解析解,并给出了算例。     

利用应变传递特性诊断箱型梁裂纹的实验研究

以结构应变传递特性分析为基础,针对应变对局部结构变化比较敏感,提出了将两点应变的傅里叶变换之比作为识别裂纹的敏感因子,并分别以无裂缝／有裂缝箱型梁为研究对象进行实验研究。实验结果表明：该方法对裂纹诊断较为敏感,具有一定的实用价值。     

固支裂纹梁在剪切载荷下的动态特性

用半解析方法分析固支裂纹梁在剪切载荷下的动态特性.该方法将半解析函数作为插值函数,将缺口(裂纹)尖端附近的自由度通过位移场的扩展公式转化为一组广义坐标.通过相似单元转化方法获得双裂纹固支梁在集中载荷和分布载荷作用下的动态应力强度因子,得到结构的前5阶自然模态.结果表明,虽然为剪切模型,但在动态载荷作用下,KⅠ和KⅡ同时存在,说明了动态载荷的应力波作用.     

压电智能结构疲劳裂纹扩展试验研究

在结构表层铺设压电元件,利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能,可将其用作传感器和驱动器,赋予材料和结构智能的能力.采用PSN-1型压电材料作为驱动器,基体材料为镁合金,与外部电源结合构成了智能结构系统.对这一系统进行了疲劳裂纹扩展试验研究,并将智能结构试验结果与常规结构试验结果相比较,试验结果证明压电激励对结构的疲劳裂纹扩展速率有一定的影响.     

含有粘贴式压电作动器的锥壳结构振动主动控制研究

针对某卫星发射过程中所应用的适配器模型,利用4节点Mindlin板单元对其进行了有限元建模,将分布式压电作动器的影响作为动力学边界条件加入模型当中;试验数据与理论计算结果对比证明该方法能够满足精度要求,此外与通常的层合理论建模方法相比,该方法更加简洁,大大降低了计算量;利用基于独立模态空间控制的方法对锥壳结构进行了振动主动控制研究,仿真结果可以看出利用少数作动器即可达到理想的控制效果.由于控制器本身比较简单,具有很好的鲁棒性,因此对于实际工程应用具有非常重要的指导意义.     

Modeling and optimal vibration control of conical shell with piezoelectric actuators

In this paper numerical simulations of active vibration control for conical shell structure with distributed piezoelectric actuators is presented. The dynamic equations of conical shell structure are derived using the finite element model (FEM) based on Mindlin's plate theory. The results of modal calculations with FEM model are accurate enough for engineering applications in comparison with experiment results. The Electromechanical influence of distributed piezoelectric actuators is treated as a boundary condition for estimating the control force. The independent modal space control (IMSC) method is adopted and the optimal linear quadratic state feedback control is implemented so that the best control performance with the least control cost can be achieved. Optimal control effects are compared with controlled responses with other non-optimal control parameters. Numerical simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the control scheme.     

配置表层钢筋的混凝土梁裂缝宽度计算方法

为了研究配置表层钢筋的混凝土梁的开裂性能,对8根配置500 MPa钢筋的矩形混凝土梁进行了受弯性能试验.试验结果表明,在构件的混凝土保护层中配置表层钢筋能使平均裂缝问距减小30%～50%,使短期最大裂缝宽度减小29%～70%.根据试验结果,分析了表层钢筋对混凝土梁平均裂缝间距和平均裂缝宽度的影响规律,并在我国规范GB 50010-2002裂缝宽度计算模式的基础上,提出了考虑表层钢筋的短期最大裂缝宽度计算公式.根据所提出公式计算的结果能够较好地与试验结果吻合.     

含裂纹的功能梯度压电带反平面动态冲击问题研究

研究功能梯度压电带的反平面动态裂纹问题.假设功能梯度压电材料的材料性质沿其厚度方向按指数函数变化,考虑在非渗透型边界条件下,运用Laplace和Fourier变换,将混合边值问题转化为Laplace变换频域里的奇异积分方程,然后利用Laplace逆变换的数值方法求出动态应力强度因子和电位移强度因子.讨论载荷耦合参数、材料分布形式和裂纹位置等因素对断裂行为的影响.数值计算结果对压电材料的设计及应用有参考价值.     

压电梯度材料薄板中切口端部场的有限元分析

研究了力电耦合载荷作用下,压电梯度材料双边切口薄板中切口前缘应力场的分布及其应力集中效应,重点讨论了外加电场、切口张开角、切口深度以及材料梯度分布特性的变化对切口前缘应力场的影响,计算结果表明：在不同的外加电场作用下,切口张开角度、切口深度和材料的梯度变化等对切口尖端应力集中因子、切口前缘的应力分布都有一定的影响,所得结果对压电梯度材料的抗疲劳断裂设计有参考价值。     

预应力钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度计算

通过２０根预应力钢纤维混凝土梁的试验研究,分析了钢纤维长径比和体积率、箍筋间距,截面有效预压力对其斜裂缝宽度的影响;建立了预应力钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度计算的理论模式,结合试验资料的统计分析,提出了预应力钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度的实用计算公式。     

部分充填混凝土窄幅钢箱组合梁抗裂性能研究

为了研究充填混凝土窄幅钢箱连续组合梁负弯矩区的弯曲性能,以及栓钉间距、配筋率对连续组合梁负弯矩区混凝土翼板抗裂性能、裂缝开展和宽度的影响,完成3根反向加载的简支组合梁的静力加载试验;考虑翼板混凝土收缩应力的影响,推导出连续组合梁负弯矩区翼板开裂弯矩理论计算公式。试验结果表明,在较低荷载下连续组合梁翼板负弯矩区就会开裂,而发生明显的内力重分布;箍筋间距对裂缝间距有一定的影响,且剪力连接程度和配筋率对连续组合梁负弯矩区裂缝发展以及宽度的影响较明显,适当增加配筋率可以减小组合梁负弯矩区翼板最大裂缝宽度。通过求解组合梁负弯矩区的开裂弯矩,考虑收缩应力的影响能够更准确的控制混凝土的开裂,并对计算值与试验值进行比较,证明这种理论计算式是可行的。     

基于FEM的水泥基压电复合材料的性能分析

建立了1-3型水泥基压电复合材料的有限元模型,并对其进行了静力分析、模态分析和瞬态动力学分析。得到了水泥基压电复合材料的内部应力应变分布、水泥基体对复合材料压电性能的影响、复合材料的厚度振动模态和在动态载荷下的响应情况。发现水泥基压电复合材料产生的驱动应变和节点应力都集中在压电陶瓷柱上,高泊松比和低弹性模量的水泥基体能够增加复合材料的压电性能;低频下水泥基压电复合材料的振动特性与压电陶瓷相同,且对外部的动态激励有着良好的线性响应。     

一种敏捷曲柄连杆机构的动力学模拟

从动力学角度着重分析了一种敏捷曲柄连杆机构,借助动态显式有限元方法,进行了三种晨线性结构动力学模拟,结果分析表明,该机构可以有效完成指定的快速动作;为保证其较高的往复运动频率,必须采取措施以防温度过高;与内能相比,机构整体刚体动能是主要的,整体y向等效刚体速度远远大于x向速度;机构各零件等效刚体速度均各自运动形式一致,无论能量方面还是速度方向,没块的影响作用都是主要的,整个机构各向等效惯性力均有振荡,其中y向惯性力振幅最大。     

基于植入式压电阻抗技术的混凝土梁损伤识别

基于压电阻抗技术,对内植单个PZT传感器的混凝土梁进行建模,模拟其在无损、发生损伤、不同损伤程度的各种工况下的损伤识别过程.随后采用分布式多个内植PZT传感器确定损伤梁中裂纹的大致位置.结果表明:运用植入式PZT传感器能有效地识别混凝土梁中损伤的发生、损伤程度和损伤位置.