热屈曲碳/碳化硅薄壁结构非线性振动响应特征分析

鉴于高超声速飞行器部分薄壁结构处于严峻的热声环境中,利用有限元法研究热声载荷联合作用下的复合材料薄壁结构随机动态响应。依据板壳理论构建复合材料层合板结构系统运动方程,然后将系统运动方程转换到模态坐标下,并采用有限元法数值积分求解结构随机响应;此后基于C/SiC薄板后屈曲状态下动态响应中位移和应力信息,分析了典型的非线性振动响应特征。结果表明热载荷和声载荷对处于热后屈曲状态下的C/SiC复合材料薄板结构响应的影响方式不同;与此同时,分析了结构表现出的三类典型运动:沿初始热屈曲平衡位置线性随机振动、沿两个屈曲平衡位置之间地跳变运动以及沿任一热后屈曲平衡位置小幅值随机振动。     

基于三维有限元法的排气系统声模态分析

为分析排气系统声模态和尾口噪声的关系,采用三维有限元法对声模态和尾口声压级进行仿真计算。通过仿真分析结果和平面波理论求解结果的对比,发现了影响排气系统声模态的关键部件,改变关键部件以实现对声模态的调节;仿真分析结果表明,尾口声压级峰值频率与声模态频率相对应,调整声模态能够调节尾口声压级。应用实例中某车型由于排气系统声模态而引起尾口低频噪声大,将声模态频率从31.2 Hz移动到26.8 Hz,问题得到有效改善。     

复合材料加筋壁板轴压屈曲稳定性研究

为研究复合材料加筋薄壁结构在轴向压缩载荷下的稳定性能,应用有限元软件MSC.PATRAN／NASTRAN对该型结构建模并进行屈曲计算,得到结构的失稳屈曲临界载荷和屈曲模态;通过对复合材料加筋壁板进行轴向压缩试验,对其屈曲形式、失稳载荷、破坏过程及破坏载荷进行了研究,试验所得局部屈曲载荷与计算结果较吻合,说明建模方法的合理性。试验分析表明复合材料加筋壁板具有较强的后屈曲承载能力,可以用有限元模拟方法来对该型结构的稳定性能进行分析。     

阶跃载荷下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力稳定性

本文研究了阶跃轴压和阶跃侧压下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力屈曲问题。非线性动力平衡方程由能量法推导,并采用变步长四阶Rugge-Kutta法进行求解,得到结构的响应曲线,结合B-R动力屈曲准则给出屈曲临界状态。数值结果表明：在阶跃载荷作用下,存在一结构变形的占优模态使得结构响应最早发生,且其幅值也最大。阶跃轴压和侧压载荷下结构的非线性动力屈曲载荷与其相应的线性静力屈曲载荷十分接近。在阶跃轴压载荷情况下,动力载荷可能激发比静力载荷更高阶的屈曲模态。此外,文中还讨论材料组分与多种热环境对动力屈曲的影响。     

风荷载下空间网格结构疲劳性能

依据课题组风洞试验测得的风压时程数据,采用梁单元整体模型与壳单元局部模型相结合的方式,对风致振动响应时程进行了分析;基于热点应力法,运用雨流计数法统计了焊接球节点焊趾处热点应力循环历程;根据挪威船级社规范提供的S-N曲线,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,计算出空间网格结构构件的疲劳损伤值.计算结果表明,对于小曲率球壳结构,结构中最先出现疲劳损伤的构件位于平均正风压与脉动风压均最大的球壳迎风面;结构中疲劳构件的疲劳损伤值随平均正风压、脉动风压的增大而增大;相同工况下,采用热点应力法对构件进行的疲劳估计相比于名义应力法更偏于安全.     

双频载荷等效计数法

本文提出双频载荷等效计数的两种方法:其一,首先对载荷进行雨流计数,利用应力-应变(ε-σ)滞回环,使雨流计数前、后的双频载荷具有一一对应关系,从而推导出叠加在大载荷基础上的小载荷的等效循环计数公式。其二,将大载荷的雨流计数结果转化为脉动载荷,再将小载荷叠加上去,使转换后的载荷与原载荷有其对应区间,然后,依据等级载荷累加原理得出双频载荷等效计数公式。最后根据等效应力公式和疲劳累积线性损伤公式得到双频载荷疲劳寿命估算公式。     

热声热机结构动力学分析

利用商业软件ANSYS建立热声热机模型,从结构动力学角度进行模拟研究,对其进行结构静力、模态和谐响应分析。在热声系统的关键位置布置监测点,得到热声系统内部位移、应力和应变等参数随压力和频率的变化关系。研究结果表明:随着充气压力的提升,应力应变基本呈现线性增大的趋势,且峰值点一一对应。随着结构模态的提高,热声热机的应力和应变因位置的不同而存在差异;热声系统的3阶和4阶模态下固有频率接近气体介质的振荡频率;由谐振管内表面布置的监测点所得结果可知,高密度的气体介质的振荡会在回热器中产生振动激励和声激励,并作用于谐振管,使声波和固体介质产生共振和耦合。     

冲击载荷下金属薄壁圆柱壳动态响应特性研究

为探讨薄壁结构金属件在冲击载荷作用下的变形模态、受力特征等动态力学响应特性,对3种材料的薄壁圆柱壳体进行了不同速度的落锤冲击实验,获得了相同冲击条件下不同材料圆柱壳体的变形模态、吸能方式和轴向缩短率,以及冲击速度和径厚比对圆柱壳体吸能和轴向缩短率的影响规律. 研究结果表明:薄壁圆柱壳的轴向缩短率随着冲击速度增加而增加,由于应变率效应吸能能力也随着冲击速度增加而增加;薄壁圆柱壳体的轴向缩短率随着径厚比的增加而增加;动态冲击条件下的平均后屈曲载荷远大于准静态条件下的理论载荷,除了与圆筒直径、厚度以及材料特性相关外,还与冲击速度相关;通过非轴对称屈曲折皱变形来抗冲击A6060铝合金适合用于薄壁结构件.      

面内载荷作用下功能梯度板动力屈曲

基于Kirchhoff薄板理论与Vogit应变假设,用Hamilton原理,得到面内载荷作用下材料物性参数服从幂律分布的功能梯度板动力屈曲控制方程。联合使用分离变量法和试函数法,获得了功能梯度板在满足边界条件下的动力屈曲临界载荷解析表达式和屈曲解。数值计算讨论了功能梯度板的几何尺寸、梯度指数、屈曲模态阶数以及材料构成对临界载荷的影响。结果表明:功能梯度板的动力屈曲临界载荷随临界长度的增大呈指数式下降,随厚度的增大而增大,随梯度指数k的增大而减小,且k值在区间(0,1)内对临界载荷影响较大。动力屈曲临界载荷随构成材料的弹性模量、泊松比以及模态阶数的增大而增大,且弹性模量影响较为明显。面内载荷越大,越容易激发功能梯度板产生高阶屈曲模态。边界条件对功能梯度板的屈曲模态影响较大。     

基于热固耦合预应力的发动机叶片模态分析方法

发动机叶片在工作环境中承受着热载荷、离心载荷和气动载荷的共同作用,导致材料的机械性能发生变化,使得发动机叶片振动频率及形态与室温静止状态有所不同。为了综合考虑各种因素的共同影响,准确分析发动机叶片在实际工作状态下的固有振动频率及振型,运用有限元分析软件ANSYS,由热分析得到叶片的温度场,并将其耦合到结构分析单元,进行结构分析得到叶身的热应力分布后,施加离心载荷与气动载荷,对叶片进行重启动分析,得到叶片的综合应力分布,并以此为预应力对叶片进行模态分析,计算叶片工作状态下的固有振动频率及振型。分析中综合考虑了温度场及应力场对叶片模态的影响,找到了基于热固耦合预应力的发动机叶片模态分析方法。     

含开口薄壁杆的空间结构热屈曲有限元分析

针对含开口薄壁杆件的大型空间柔性结构热屈曲问题,发展了一种包含翘曲自由度的二节点开口薄壁杆单元。该单元考虑了约束扭转与弯扭耦合效应,同时考虑了热应力对几何刚度阵的影响,可进行空间杆系结构的热屈曲分析。简单梁模型算例表明:该方法求得的各阶屈曲温度临界值和屈曲模态与AN SY S薄壳有限元解吻合较好;并且由于考虑了开口薄壁杆的特性,热首先引起杆件的弯扭耦合屈曲。对哈勃太空望远镜太阳帆板的简化模型进行了热屈曲分析,成功地解释了热使该太阳帆板发生扭转屈曲的原因。     

钢筋混凝土板模态频率的温度效应分析及剔除方法

考虑到温度荷载作用下钢筋混凝土梁桥的模态参数产生变异,进而导致基于动力指纹的桥梁损伤辨识方法精度降低甚至失效。以钢筋混凝土板为例,提出了一种考虑内部温度不均匀分布特性的模态频率温度效应剔除方法。首先,采用主成分分析算法,提取温度主成分,构造了预测模型输入参数;其次,通过遗传优化支持向量回归,建立了钢筋混凝土板模态频率预测模型;最后,结合钢筋混凝土板模态频率长期观测值,基于训练好的遗传优化支持向量回归模型,剔除温度对模态频率的影响。试验结果表明,该方法能够准确预测不同温度分布状态下的模态频率,并有效剔除温度引起的模态频率变化。     

轴心受压部分加劲板件稳定系数计算方法研究

基于能量法对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴心受压构件的弹性畸变屈曲应力和半波长进行推导分析,得到相应部分加劲板件的稳定系数建议计算公式.与有限条法计算结果的对比分析表明,建议的部分加劲板件稳系数计算方法具有较高的精度和较好的通用性.在此基础上,通过简化分析给出了轴心受压构件部分加劲板件考虑畸变屈曲和局部屈曲的协同稳定系数计算方法.算例分析以及国内外的相关实验结果的验证表明,建议方法能够更好地考虑轴心受压开口截面构件畸变屈曲和局部屈曲对于构件极限承载力的影响,承载力计算结果相对于我国现行《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)更加准确,适用性更强.     

冷弯薄壁卷边槽钢柱弹性畸变屈曲数值分析

随着高强冷弯薄壁型钢在建筑业中的大规模应用,使得构件畸变屈曲的出现可能先于板件的局部屈曲,成为构件失效控制模式。畸变屈曲的破坏机理不同于局部屈曲,其弹性屈曲应力计算过程也大相径庭。现有畸变屈曲临界应力的计算公式异常复杂,在设计中可以借助数值分析的方法进行计算。有限条方法和有限元方法是常用的两种数值分析方法,采用有限条方法和有限元方法计算了冷弯薄壁型钢柱构件弹性畸变屈曲应力和屈曲半波长度,对比研究发现二者结果非常接近,均可用于分析柱试件的弹性畸变屈曲。     

基于柔度曲率曲线拟合的薄板结构损伤识别研究

提出了基于柔度曲率多项式曲线拟合的损伤识别方法,并用该方法对薄板结构进行损伤研究。采用有限元软件ANSYS进行模态分析,得到损伤薄板的模态振型和固有频率,进而得到X方向和Y方向柔度曲率,然后分别在X方向和Y方向进行多项式曲线拟合。基于拟合值与原始值的差值构造新的损伤指标。数值算例的结果表明,基于柔度曲率多项式曲线拟合的方法相比仅采用柔度曲率矩阵的方法能够更好地进行平板损伤定位,同时相比柔度曲率差等需要结构损伤前后模态数据的损伤识别方法,该方法不需要用到结构损伤前的模态数据,可以运用于难以获得健康结构的模态振型数据的结构损伤识别中。     

实验应变模态分析原理和方法

在复杂结构的动态设计中，应变测量和应力计算是分析结构在动载下进行强度 设计和疲劳寿命估算的关键。文章给出了预测振动应交响应的模态模型；并从这一基本 模型出发，系统阐明了应变传递函数的构成特点，测试方案以及模态参数识别的４种方 法。模态模型及各参数一经确定，便可用以计算任意载荷条件下的应交响应，应力响应 也就可以计算。     

简支梁桥多位置损伤的检测方法

针对简支梁桥结构的安全监测和评价问题 ,研究了3种多位置结构损伤动力学检测方法。分析了柔度差方法应用于多位置损伤检测的局限性。提出柔度曲率的概念 ,只需结构前 2或 3阶振型和频率数据即可准确识别出结构多个损伤位置 ,有限元仿真实验结果验证了该方法的可行性和正确性。在研究敏感度矩阵计算的频率模式与实际频率相对变化模式相关性的基础上 ,改进了多位置损伤定位置信准则( m ultiple damage location assurance criterion,MDL AC)方法 ,算例表明该方法只需 10阶左右的模态频率就可预测结构上多个位置的损伤     

冷弯型钢卷边槽形截面轴压构件部分加劲板件屈曲系数研究

采用有限条程序CUFSM计算不同截面尺寸的冷弯卷边槽形截面轴压构件弹性屈曲应力,通过回归分析得到部分加劲板件的屈曲稳定系数建议计算公式,同时采用澳洲规范（AS／NZS4600：2005）、北美规范（AISIS100-2007）、欧洲规范（EN1993—1—3：2006）、美国规范（ANSI／AISICFSSPEC-1996）、中国规范（GB50018—2002）中的有效宽度法以及建议的加劲板件屈曲系数对收集到的国内外共100根卷边槽形截面轴压构件极限承载力进行计算分析．结果表明：我国现行规范《冷弯薄壁型铜结构技术规范》（GB50018—2002）和欧洲规范（EN1993—1-3：2006）计算结果偏于保守,而澳洲规范（AS／NZS4600--2005）、北美规范（AISIS100-2。07）和美国规范（ANSI／AISICFSSPEC--1996）计算结果偏不安全．利用建议公式再根据我国现行规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）计算所得结果与实验值吻合较好,可供设计和修订规范参考．     

哈密顿体系下的弹性圆板热屈曲问题

以工程中由于温度引起的结构屈曲为研究背景,以最基本的结构之一的圆板热屈曲问题为研究对象,建立了由于温度引起的弹性圆板屈曲问题的哈密顿体系.在辛体系下将临界温度和屈曲模态归结为辛本征值和本征向量问题,印每一个辛本征值和本征向量对应一个临界温度和屈曲模态.这种辛方法克服了传统振型函数方法的局限性,并可直接得到轴对称和非轴对称的屈曲模态.本征解空间的完备性确保可得到所有的临界温度和对应的屈曲模态.数值结果显示了临界温度的变化规律和屈曲模态的特点.这种辛方法也为求解其他问题提供了一条路径.