基于振动理论及有限元法的弹性环模态分析

本文以一种薄壁结构的弹性环为研究对象,采用振动理论将弹性环加载系统简化为单自由度振动系统,对其进行理论分析及计算,得到弹性环的固有频率。应用有限元分析软件对弹性环模型进行振动模态分析,得到各阶固有频率。结果表明,理论分析计算与有限元分析结果存在一定的误差,这是由于振动模型简化的原因,总体来看误差在可接受的范围内,理论计算和有限元分析结果均可作为弹性环结构优化设计以及驱动载荷的频率配置提供理论依据,也为同类弹性元件的设计研制提供参考。     

囊式空气弹簧载荷建模与实验研究

以囊式空气弹簧为研究对象,在深入分析囊体受力及材料特性的基础上,建立了空气弹簧载荷模型。采用几何图解的方法对该模型进行了仿真计算,并设计实验系统对空气弹簧的特性进行测试。实验和仿真结果有较高的吻合度,验证了模型正确性。研究表明,囊体材料特性对空气弹簧的载荷力尤其是拉伸状态下的输出力有较大影响;模型中通过引入囊体材料特性系数,能够更准确的描述空气弹簧载荷特性。该模型为空气弹簧载荷计算提供一种简单准确的方法。     

滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析

考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响,提出一种有限元建模方法,用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型。基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式,采用多单元混合的方法划分网格,建立整个进给系统的有限元模型,仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率;采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态试验,试验结果表明仿真和试验得到的模态振型基本一致,固有频率的最大误差为8.9%;基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。所提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有参考价值。     

机械弹性车轮径向刚度特性及影响因素研究

为解决充气轮胎爆胎的问题,提高车辆防刺破及越野路面的行驶性能,对非充气结构机械弹性车轮径向刚度特性及影响因素进行研究。建立了机械弹性车轮非线性有限元模型,并通过负荷特性试验验证了模型的有效性;分析了使用条件和车轮结构等因素对机械弹性车轮径向刚度的影响,揭示了地面约束、材料、垂直载荷及力矩对车轮固有频率和振型的影响规律,为机械弹性车轮结构及整车动力学特性优化提供了参考。     

斯特林制冷机渐开线型中涡旋柔性弹簧强度研究

建立渐开线型涡旋柔性弹簧的力学模型,在此基础上采用有限元法建立弹簧的强度仿真模型,以位移方式加载模拟,研究弹簧在实际工况下的变形与受力状况,确定弹簧的强度分布与极限。研究表明涡旋柔性弹簧最大应力发生在涡旋臂根部,选取合适的型线结构以及弹簧材料,可以使得弹簧满足工作强度要求。最后,采用弹簧工作状态下应变实验对仿真模型结果进行验证,二者结果具有一致性。结果表明,建立的涡旋柔性弹簧有限元模型准确,研究方法有效,结果可信。     

基于弹性圆柱壳的柔性齿轮副建模及动力学分析

基于弹性圆柱壳理论,建立柔性齿轮副等效简化模型。首先采用具有时变刚度的弹簧模拟齿轮交替啮合过程,其中时变啮合刚度通过解析模型得到;同时采用径向和切向支撑弹簧模拟轴和轴承的柔性。接着根据能量原理,推导柔性齿轮副系统的动能、应变能、啮合弹簧势能以及支撑弹簧势能。随后基于微分求积有限法(DQFEM)对能量表达式进行离散,分别使用拉格朗日方程和Newmark迭代来求解柔性齿轮副模型的模态和动态响应。通过收敛性分析,研究模型的数值稳定性,再与ANSYS的有限元模型进行模态特性的对比,验证模型的正确性。然后分析柔性齿轮副模型的固有频率随转速的变化规律,并给出齿轮啮合模型自然频率的坎贝尔图。最后,通过与基于齿轮体刚性假设的扭振模型进行对比,从时域和频域两方面阐述齿轮柔性对系统动力学特性带来的影响。     

微/纳米传动平台的模态试验及优化设计

微/纳米传动平台中,柔性机构的弹性势必导致平台高速、高加速带来的残余振动。采用拉格朗日方法,建立了平台的动力学模型,得到了平台前5阶固有频率的解析式;分析了平台固有频率与柔性板簧厚度、长度的相互关系,得到了固有频率随柔性板簧厚度、长度的变化规律。应用有限元方法,分别仿真得到了前6阶固有频率和模态阵型;以固有频率为优化目标,建立了平台的优化模型。采用动态测试系统,分别对优化前、后的平台进行了模态试验分析;通过对比分析,得到了提高平台动态性能的方法,且模态试验结果表明,调整柔性板簧厚度、长度的方法是有效的、可行的。     

复杂移动轮胎力作用下沥青路面黏弹性力学行为模拟研究

对复杂移动轮胎力作用下的沥青路面黏弹性有限元建模进行了分析与探讨,在此基础上对路面的黏弹性力学行为进行了仿真,并分析了轮组形式和轴组形式对路面响应的影响。研究表明,在移动轮胎力作用下的路面有限元模型中,沥青混合料的蠕变法则宜采用应变硬化率关系式;在轮胎力反复作用下,路面内部的应力分布趋于均匀,中面层承受较大的Tresca应力;在轮胎工作状态相同的条件下,单轮组对路面永久变形的贡献与双轮组同等重要,双轴组对路面的破坏效应比单轴组更加显著。     

汽车复合制动气室复位弹簧建模及仿真研究

以汽车复合制动气室行车制动腔内的复位弹簧为研究对象,利用Pro-E与Ansys workbench软件对其进行实体建模和有限元分析,探讨模型的有限元处理方法,分析网格划分的可用性.采用Ansys workbench软件对复位弹簧进行疲劳分析,得到应力应变分布特征和疲劳寿命曲线;进一步对复位弹簧进行模态分析,求得在500kPa气压下1⁴阶复位弹簧模态响应图,找出所建模型的薄弱点;揭示了在循环载荷作用下复位弹簧失效的根源和规律,对进一步开展复位弹簧结构优化设计有重要意义.     

含环向表面裂纹充液圆柱壳的耦合振动特性分析EI北大核心CSCD

对含环向表面裂纹有限长充液圆柱壳的耦合振动特性进行了研究。在经典薄壳理论中引入基于断裂力学的线弹簧模型来模拟环向表面裂纹;根据理想流体在柱坐标系下的Helmholtz波动方程,通过添加流体载荷项建立了圆柱壳的耦合振动控制方程,采用波传播法描述耦合系统的振动;经优化迭代法有效地计算对应特定固有频率的轴向波数,在此基础上迭代计算满足特定边界条件和裂纹位置连续性条件的固有频率值。为验证方法的准确性,将计算模型分别退化为真空中完善圆柱壳,真空中裂纹圆柱壳,充液完善圆柱壳,三种情况与文献及有限元方法结果进行对比,验证了方法的准确性;讨论了裂纹深度和裂纹位置参数对圆柱壳固有频率改变的影响。     

子午线轮胎静负荷实验的有限元模拟

建立了一种子午线轮胎的三维非线性有限元模型,来模拟子午线轮胎的静负荷试验。模型中考虑了橡胶材料的非线性和不可压缩性、帘线-橡胶复合材料的各向异性、轮胎大变形导致的几何非线性以及轮胎与轮辋、轮胎与路面的接触非线性边界条件。提出了一种单元重叠技术,通过重叠不可压缩橡胶单元和描述帘线的单元来模拟帘线-橡胶复合材料,这种单元重叠技术产生的轮胎模型比正交各向异性模型计算过程更稳定。通过有限元分析,得到了子午线轮胎在充气压力和静负荷作用下的变形和应力分布情况以及接地区的压力分布情况,并将计算结果与试验结果进行了比较,两者吻合得很好。     

深沟球轴承运转过程动态特性有限元分析

综合考虑轴承径向载荷及转速的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了深沟球轴承多体动力接触有限元模型;以显式动力学有限元法为基础,采用全积分单元算法控制沙漏,设置质量缩放系数缩减计算时间,对内圈施加不同转速时的深沟球轴承进行动力接触分析,得出了深沟球轴承运转过程的动态响应及滚动体的应力分布。滚动体的最大和最小线速度分别出现在与内、外圈接触点上,各转速下滚动体与内圈接触的应力基本相同,滚动体与外圈接触的应力随转速增高而相应增大,滚动体与外圈间接触力的波动大于内圈,而滚动体与保持架间的作用力较小。研究表明,ANSYS/LS-DYNA是分析轴承运转过程动力接触问题十分有效的工具。     

大扁平比胎侧解析刚度建模及轮胎动力学分析EI北大核心CSCD

针对重载轮胎大扁平比结构建模问题,从动力学建模、实验模态分析、结构参数辨识等方面,基于解析弹性基础的欧拉梁模型,对重载轮胎的柔性胎体和大扁平比胎侧曲梁的低频动力学特性开展研究,建立了考虑充气预紧力的欧拉梁胎体模型,利用实验模态方法,探究了不同充气压力下的柔性胎体振动特性;考虑胎侧曲梁预紧力弦效应和结构弯曲效应,建立了大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型;基于模态测试结果,进行柔性胎体与解析胎侧结构参数辨识。研究结果表明:在0~180 Hz频率范围内,重载轮胎以结构周向弯曲振动为主,可利用基于弹性基础的柔性梁模型表征;大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关;轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度,进而影响轮胎弯曲振动特性。     

C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真

主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。      

3D Residual Stress Field in Arteries: Novel Inverse Method Based on Optical Full‐field Measurements

Abstract: Arterial tissue consists of multiple structurally important constituents that have individual material properties and associated stress‐free configurations that evolve over time. This gives rise to residual stresses contributing to the homoeostatic state of stress in vivo as well as adaptations to perturbed loads, disease or injury. The existence of residual stresses in an intact but load‐free excised arterial segment suggests compressive and tensile stresses, respectively, in the inner and outer walls. Accordingly, an artery ring springs open into a sector after a radial cut. The measurement of the opening angle is commonly used to deduce the residual stresses, which are the stresses required to close back the ring. The opening angle method provides an average estimate of circumferential residual stresses but it gives no information on local distributions through the thickness and along the axial direction. To address this lack, a new method is proposed in this article to derive maps of residual stresses using an approach based on the contour method. A piece of freshly excised tissue is carefully cut into the specimen, and the local distribution of residual strains and stresses is determined from whole‐body digital image correlation measurements using an inverse approach based on a finite element model.     

Geometrically nonlinear composite beam structures: design sensitivity analysis

The purpose of this paper is to develop a finite element model for optimal design of composite laminated thin-walled beam structures, with geometrically nonlinear behavior, including post-critical behavior. A continuation paper will be presented with design optimization applications of this model. The structural deformation is described by an updated Lagrangean formulation. The structural response is determined by a displacement controlled continuation method. A two-node Hermitean beam element is used. The beams are made from an assembly of flat-layered laminated composite panels. Beam cross-section mass and stiffness property matrices are presented.

Design sensitivities are imbedded into the finite element modeling and assembled in order to perform the structural design sensitivity analysis. The adjoint structure method is used. The lamina orientation and the laminate thickness are selected as the design variables. Displacement, failure index, critical load and natural frequency are considered as performance measures. The critical load constraint calculated as the limit point of the nonlinear response is also considered, but a new method is proposed, replacing it by a displacement constraint.     

子午胎的固有频率预报

一定充气压力下, 子午胎的固有频率是由其材料和结构本身确定的。鉴于橡胶材料的粘弹性性质, 本文中以胎体为弹性基础、把子午胎模拟成一个胎面层具有粘弹性的圆环弹性基础模型, 并在此模型的基础上建立频率方程。本模型预报出的频率值能与实验值吻合。     

SiC/Ti-6Al-4V复合材料在横向拉伸载荷下界面失效行为的数值模拟

采用有限元模拟了SiC/Ti-6Al-4V复合材料冷却过程和横向拉伸试验过程, 横向拉伸试样采用十字形试样。分别建立了平面应力和轴对称有限元模型, 采用平面应力有限元模型计算环绕纤维圆周的界面微区应力分布, 预测界面失效机制。采用轴对称有限元模型分析复合材料界面脱粘过程以及残余应力对界面径向应力分布的影响。结果表明: 对于SiC/Ti-6Al-4V复合材料十字形试样,在横向拉伸载荷下的界面失效由径向应力导致,界面失效模式为法向失效, 剪切失效模式未发生; 十字形试样在横向拉伸载荷下界面初始脱粘位置处于界面中间; 随横向拉伸应力增加, 十字形试样的界面脱粘对称向两边扩展; 界面径向应力随残余应力降低而升高。     

Variational inequality‐based framework of discontinuous deformation analysis

For modeling discrete particle‐block systems, a new framework of discontinuous deformation analysis is established on the basis of finite‐dimensional variational inequality. The presented method takes into account the contacts, the rolling resistance, and the tensile resistance of cemented interface among particles and blocks using the corresponding variational or quasivariational inequalities. The new formulation avoids using the artificial springs that are usually indispensable in many conventional methods dealing with similar discrete problems and conveniently integrates the rigid circle particles, the nonrigid ring particles, and the arbitrary shape blocks into a uniform framework. The proposed discontinuous deformation analysis approach is further coupled with the finite element method using a node‐based composite contact matrix and several simple transformation matrices to solve practical problems. A particle/block‐based composite contact matrix is constructed to further broaden the application of the proposed method. The accuracy, robustness, and capability of the presented method are demonstrated with examples.     

二维机织复合材料弹性常数的有限元法预测

为了预测二维机织复合材料的弹性性能,建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征,建立了参数化的单胞模型;考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征,将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向,建立其力学分析有限元模型;分析了单胞边界面保持平面假设的不足,提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件,获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明:织物衬垫单胞边界面,在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下,呈凹凸翘曲变形,即为周期边界;应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法,可以精确地获得工程弹性常数,数值计算结果与实验值吻合较好。