挠性机器人机构频率分析的自由子结构法

频率分折对于设计出好的动力学和控制性能的机器人有重要意义。机器人关节是一种复杂连接,不能用常规的子结构法分析。本文将双协调动态子结构法和中用于连接件耦台系统的模态综合法相结合,当子结构模态分析完成后,先实现系统方程的弹性耦合,再利用位移和对接力协调关系进行系统方程装配和座标缩减。用带有集中质量的空间梁单元模拟结构,子结构全为悬浮体,在局部座标系中求出刚体模态、保留主模态和剩余惯附模态。全部过程编成计算机程序。实例计算表明了该法的有效性。     

矩形钢管柱隔板贯通式节点抗结构连续倒塌的改进型连接构造与性能模拟

针对传统矩形钢管柱隔板贯通式栓焊连接构造,以提升结构鲁棒性为目标,提出了一种改进型全螺栓连接构造。考虑了断裂模拟及裂后路径跟踪的数值模拟分析结果表明,改进型全螺栓连接构造能够提高下翼缘连接区域传力失效前梁柱子结构的竖向变形能力,并充分发挥梁内轴向拉力产生的悬链线作用,进而使梁柱子结构提供更大的竖向承载力,可应用于提高结构抗连续倒塌能力的设计。     

动态子结构高效集成的主动力和界面力处理方法

在现有的船舶水弹性子结构分离与集成方法中,主船体结构的振动采用以模态广义坐标为变量的动力学方程进行描述,船内子结构的振动采用以空间物理位移为变量的动力学方程进行描述。通过两者的边界连接条件进行综合集成时,会遇到模态空间与物理空间的转换集成问题。针对该问题,提出了"虚拟模态"方法,一方面可以使动态子结构集成计算精确,另一方面可大幅减少子结构集成的计算量。理论上,该"虚拟模态"方法适用于其他领域类似的动态子结构集成计算问题。最后,通过数值算例,对该"虚拟模态"方法的正确性和适用性进行了验证。     

强载荷下结构动力响应与损伤的跨尺度分析

结构多尺度有限元模拟是考虑结构易损部位损伤演化进行大型结构失效过程分析的有效方法。如何方便、准确地建立有限元大尺度与小尺度模型的跨尺度界面连接是多尺度有限元模拟中的关键。本文根据损伤多尺度分析的需求,研究了两种跨尺度界面连接方法及其实施过程,并对计算方法的精度进行了比较和验证;将塑性损伤演化本构关系通过ABAQUS提供的UMAT子程序写入,考察狗骨式刚节点在强动载荷作用下其薄弱区域的损伤演化特性,结合跨尺度界面连接方法初步实现了强载荷下结构损伤的跨尺度分析;针对某大跨悬索桥钢箱梁纵向加劲钢桁架结构,采用本文建立的跨尺度分析方法研究了强载荷作用下结构中的损伤演化过程。研究结果为揭示结构在强载荷作用下的损伤破坏机理奠定了基础。     

半柔性悬挂结构分析的子结构模态法

针对一种半柔性悬挂减振结构提出其简化计算方法。根据这种结构的特点,将柔性悬挂层作为连接子结构,应用子结构模态综合法分析结构动力特性,得到结构的简化运动方程;分析了柔性层与悬挂楼面层间刚度比和综合模态数对结构简化计算精度的影响;提出了确定参与综合模态数的选取方法;基于模态综合法进行了算例的时程分析对比。结果表明:采用合理的子结构模态法减少了参与结构分析的自由度数目;综合模态数对结构计算精度的影响更显著。子结构模态法具有应用方便、计算精度高的特点,完全可以满足工程分析的需要。     

埋入SMA丝的复合材料层合板在热激励下的自由振动分析

采用Liang-Rogers的形状记忆合金(SMA)本构模型和相变动力学关系,编写了ABAQUS中的相应UMAT用户材料子程序,模拟了形状记忆合金材料的超弹性行为和形状记忆效应,并在不同温度和应力状态下验证了程序的正确性.基于此程序,建立了埋入SMA丝的复合材料层合板结构计算模型,仿真计算了两端固支边界条件下,热驱动SMA时的结构的固有振动特性,分析了SMA丝的热驱动温度,埋丝数量及埋设方式等对结构热振动特性的影响规律.模拟结果表明:加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率,增加SMA丝的数量可以实现增大结构频率的目的;不同的埋设角度对结构的振动特性影响显著.这些结论将对智能复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用.     

基于重复子结构的缝合式夹芯板动态特性计算

根据复合材料具有可重复单胞的特征,提出一种基于重复子结构的缝合式夹芯板动力学建模方法。利用复合材料精细化单胞有限元模型构造初始子结构和残余结构,通过空间位置关系映射得到重复子结构,将所有子结构组装到残余结构上,实现复合材料重复子结构动力学建模及分析。以缝合式夹芯板为例,对其进行重复子结构建模及动态特性分析,并与精细化实体有限元模型进行对比,验证方法的计算精度和效率。研究了初始子结构外部节点选取、残余结构位置选取、初始子结构尺寸选取对重复子结构建模及分析结果的影响。结果表明:针对具有重复性单胞的缝合式夹芯板结构,利用重复子结构进行动力学建模,残余结构的选取具有不唯一性,且初始子结构外部节点数量越多,重复映射过程越少,计算精度和计算效率越高;当初始子结构外部节点选取比例为50%时,相比较复合材料结构的精细化建模方法,可以提高结构动态分析效率。      

基于测试频响函数的结构连接参数识别方法

构造了半刚性结构连接单元，并应用于结构连接参数识别的模型中。利用子结构法建立的组合结构有限元模型和不完备的组合结构的测试频响函数，导出了连接子结构参数识别方法。提出了基于子矩阵因子法求解变量系数矩阵的通用方法。并将参数识别归结为求解非线性最小二乘问题，应用信赖域法克服了最小二乘求解初值选取范围过小的问题。最后利用仿真算例对上述方法进行了验证，结果表明该方法可行且具有一定的实用性。     

基于子结构虚拟变形的损伤识别方法

针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。     

偏心支撑框架空间子结构混合试验边界条件模拟方法

数值子结构的建模精度和子结构的边界条件模拟是子结构混合试验中的两个关键问题。为进一步研究这种新型结构试验方法对于空间框架结构的适用性,基于高强钢组合Y形偏心支撑框架模型展开研究。首先建立了一套由OpenSees, OpenFresco试验平台以及MTS加载系统组成的混合试验系统。然后分别针对2层、3层和4层3跨高强钢组合Y形偏心支撑框架,取底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟。在混合试验之前,利用已有单榀试件拟静力试验结果对数值子结构的建模方法进行了数值模拟验证。最后选取El Centro波作为原始输入地震波,针对试验子结构的平动模拟和竖向荷载作用进行了一系列空间子结构混合试验。结果表明:通过数值模拟验证拟静力试验结果的方式,可以为混合试验中数值子结构的建模提供参考依据;采用双作动器水平加载来实现试验子结构的平动,可以有效考虑数值子结构对试验子结构的边界约束;竖向荷载的考虑,可以更真实的模拟试验子结构的重力二阶效应。     

多自由度等效力控制拟动力子结构试验研究

该文以三层框支配筋砌块短肢砌体剪力墙子结构足尺模型为基础,将等效力控制方法应用到试验子结构为多自由度结构模型的拟动力子结构试验中,通过数值模拟和试验结果,表明该方法具有很好的鲁棒性,可以完成试验子结构为多自由度复杂试验模型的拟动力子结构试验。     

城市立交桥的近断层地震动输入模拟

立交桥作为城市交通网络的关键节点,其抗震安全性至关重要。针对立交桥在近断层地震动作用下易损的特点和此类地震动记录较少的事实,在比较简化脉冲和真实地震动记录的基础上,提出采用两步法构造近断层脉冲型地震动输入,研究在此作用下立交桥结构的地震响应特点。研究发现当简化脉冲周期与立交桥各子结构基本周期的比值在1~3结构反应较为剧烈,在1.5左右时,墩底内力达到最大值;当采用各子结构最不利简化脉冲周期对应的真实近断层地震动记录对结构进行输入时,短周期的匝道桥的地震响应与仅采用单个简化速度脉冲模拟输入的结果误差在15%左右;而对于中长周期的匝道桥及主线桥,需要采用两步构造法叠加高频成分,才能较好地还原真实地震动记录的影响。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

基于连接特性识别的子结构综合法

子结构综合法因其分块计算的特性,适用于由多单元组成的系统动特性的计算,但是对结构间连接的处理尚缺乏系统的分析和处理,而实际应用中,由于子结构之间的连接较为复杂,导致传统的机械导纳法计算结果准确性较低。考虑子结构综合法中连接单元特性对综合计算带来的影响,引入虚阻抗的概念,在结构综合计算中将连接单元对结构特性的影响以阻抗阵的形式引入进来,而连接单元的特性则根据整体单元及各个子单元的频响特性逆向推导所得,通过离散单元及弹性连续体单元模型验证考虑连接特性的综合方法在计算上的准确性,并将方法引入到铣刀动特性的预测中,通过设计实验验证了方法的可靠性。     

并联机床进给传动系统弹性动力学建模方法研究

利用动态子结构法研究一种外辐驱动可实现3平动自由度并联机床进给系统的动力学建模方法。首先将原系统分散成若干子结构,在建立各自动力学模型后,借助边界条件经综合得到系统的动力学方程。该方法手续简便、计算效率高,便于讨论结构参数对低阶模态的影响规律,故为这类复杂时变系统的动刚度预估和动态设计奠定了坚实的理论基础。     

基于频域子结构法的动量轮弹性边界微振动研究

动量轮会与卫星弹性安装界面发生结构耦合,并将导致动量轮微振动的定量分析更为复杂。基于频域子结构方法对动量轮与弹性边界耦合系统的微振动特性进行研究。对频域子结构法进行了推导,引入界面坐标转换矩阵表达不同坐标系下子结构的综合;将动量轮模型简化成12自由度质量-弹簧-阻尼系统,并采用Lagrange能量方法建立其运动方程;将耦合系统划分成动量轮与弹性边界两个子结构,应用推导所得的频域子结构法综合子结构的频响函数得到耦合系统的频响函数矩阵并计算其响应;运用数值仿真和多体动力学仿真进行了验证。结果表明:频域子结构法适用于预测动量轮在弹性边界的微振动响应,具有较高的分析精度和计算效率。     

考虑周边结构约束影响的RC框架结构防连续倒塌性能研究

为了考察周边结构约束对钢筋混凝土（RC）框架结构防连续倒塌承载能力的影响,该文通过Qian K等进行的中柱移除的框架子结构拟静力试验,校核了论文中ABAQUS软件建立的框架子结构精细有限元分析模型的准确性。模拟所得的荷载位移曲线与试验曲线吻合良好,较好地模拟了中柱移除至子结构破坏的全过程。在成功进行模型校核的基础上,通过改变平面框架两侧边跨的约束情况,分析了两侧边跨约束对所研究子结构防连续倒塌承载力的影响;其次通过对比考虑楼板与不考虑楼板的单层空间结构的承载力,分析了楼板在结构防连续倒塌受力过程中对提高压拱阶段和悬链线阶段承载力的作用,讨论了楼板对连续倒塌各个受力阶段不同的影响;最后建立了多层空间框架结构模型,研究框架底层柱移除过程中结构的承载能力,分析发现楼层数的增加,成倍地提高框架结构承载力,并对连续倒塌各个受力阶段产生不同的影响。     

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。     

基于子结构综合法的周期支撑结构带隙分析

周期结构具有特殊的动力特性,即带隙特性。在带隙频段内(或称阻带),结构振动被抑制。具有周期支撑的结构也存在带隙特性。在过去的研究中,一般将周期支撑简化为简支条件或简单的弹簧质量系统,并作为胞元间的边界条件。这种方法适用于简单支撑的情况,为了考虑支撑的复杂动力学特性,利用子结构综合法,将周期支撑结构视为胞元内部子结构,利用基于频响函数的子结构综合法建立整体胞元的动力学模型。通常计算结构带隙的方法是通过有限元法建立元胞的数值传递矩阵法,但对于复杂结构,数值传递矩阵法经常存在数值病态问题。通过引入模态分析,将子结构的传递矩阵用频响函数解析表示,根据Floquet原理和基于频响函数的传递矩阵法计算得到带复杂支撑的周期结构的带隙特性。利用曲线拟合和模态截断保留主要阶次的模态,可以同时得到元胞的模态参数与带隙间的关系,为逆向优化设计奠定了基础。最后通过仿真验证了方法的可行性和有效性。     

考虑数值积分算法的实时子结构试验稳定性研究

实时子结构试验是研究动载荷下结构行为和性能的高效试验方法之一,持续受到国内外学者的青睐。稳定性是保证实时子结构试验顺利进行的必要条件,该文对实时子结构稳定性研究进展进行了分析介绍。以单自由度实时子结构试验为例,使用z变换将单自由度结构运动方程离散后引入CR积分算法,用闭环传递函数的极点分布情况对结构的稳定性进行判断,并得到系统的稳定域。对该文方法和已有的连续稳定性分析方法,研究了子结构划分和阻尼比对试验稳定性的影响,并对比了两种方法的结果。同时使用数值模拟和试验证明了该文方法的正确性和可靠性。研究结果表明:结构的质量比、刚度比对实时子结构试验系统的稳定性起决定性作用。增大结构的阻尼比可以改善系统稳定性。对CR法而言,当积分算法的步长小于0.01 s时,两种方法绘制的稳定域基本相同,此时可以直接使用连续方法进行稳定性分析。反之,当积分步长大于0.01 s后,就必须考虑积分算法对系统稳定性造成的改变,此时建议使用该文方法进行稳定性分析,结合时滞考虑实际积分算法的影响。