一种剪式可展结构设计与动力学分析

针对机器人、空间结构等领域的应用,给出了一种三棱柱剪式可展结构的构型设计、传动方案设计及零部件详细设计。建立了考虑节点5个自由度的剪式铰单元有限元模型,对其刚度矩阵和质量矩阵进行了有效缩聚,减少了计算量;把剪式铰单元作为重复的子结构,建立了三棱柱剪式可展结构的有限元模型及其振动方程;在此基础上进行模态分析和仿真,得到前8阶固有频率及相应的振型曲线;并给出了三棱柱剪式可展结构的1阶固有频率随展开角的变化关系,为三棱柱剪式可展结构的优化设计和控制提供了依据。     

一种新型铰接空间连杆有限元单元及其在空间闭环机构中的应用

有限元法已广泛应用于结构的应变,应力及动力学分析,而利用有限元进行刚体机构的运动分析的研究较少.基于最小势能原理,推导出一种新型两端铰接间有限元连杆单元的梯度矢量、刚度矩阵和Hessian矩阵.并对关节轴线平行和共面这两种特殊几何关系下的单元模犁进行研究,给出计算公式和方法.在大型可展机构中,大量存在着结构相同的重复机构和闭环运动链.而基于有限元的运动学方法可以在不进行运动链分解的前提下,实现空间闭环机构的运动学分析.利用该方法对三种典型的空间闭环机构进行运动学仿真.其计算结果表明,应用该单元对空间闭环机构进行运动学分析,建模简单,计算正确,在大型可展机构中有很好的应用前景.     

壳结构声场耦合分析的光滑有限元-有限元法

为提高壳结构-声场耦合分析的计算精度,将光滑有限元法(smoothed finite element method,SFEM)推广到壳结构-声场耦合问题的结构域分析中,推导了光滑有限元-有限元法分析壳结构-声场耦合问题的计算公式。结构-声场耦合系统方程在结构中用位移法表示;在流体中用声压法表示。在结构域中应用分区应力光滑技术,提高了弯曲刚度矩阵和膜刚度矩阵的计算精度和效率;在流体域中应用标准有限元模型进行分析。以六面体声场-结构耦合模型和简化的微车声固耦合模型为研究对象,结果表明,与有限元相比,该方法在分析结构-声场耦合问题时具有更高的精度。     

基于线性互补理论的可展开索-桁架结构静力学分析

空间可展开索-桁架结构具有折展比大、重量轻、刚度高的优点,广泛应用于天线、太空望远镜、太阳翼等大型航天器关键部件中。在统一框架内进行了梁单元和索单元的刚度矩阵集成,建立了包含柔性绳索和杆件的可展开索-桁架结构刚度模型。基于线性互补理论,提出了一种反应绳索真实张紧、松弛状态的结构受力变形计算方法,得到了准确的结构受力与节点位移的映射关系。最后以剪叉机构单元和圆柱面可展开结构为例,验证了所提出方法的有效性,并分析了绳索分布对结构变形的影响。该分析方法可扩展应用于各类索-桁架结构的受力变形计算。     

电动汽车车身的回传射线矩阵刚度链分析方法

基于LifeDrive纯电动汽车模块化结构形式,通过拓扑优化得到一款纯电动汽车车架结构;建立了基于梁单元的车架结构回传射线矩阵计算模型;由模型得到车架梁单元尺寸以及车身与车架之间的多个耦合力,以更合理的刚度链方法优化了车身简化模型的主断面参数;利用有限元方法计算了车身与车架的承载度。结果证明设计的车架与车身结构满足目标承载度和刚度性能的要求,该方法为非承载式电动汽车车身及车架的概念设计提供了参考。     

模态综合法在双转子系统建模中的应用与验证

为寻求一种便捷的双转子系统的建模和模型维数缩减方法,开展了ANSYS有限元商用软件和固定界面模态综合法在双转子系统中建模中的应用研究。由ANSYS获取系统的质量矩阵和刚度矩阵,建立系统的运动方程,并利用固定界面模态综合法实现系统方程维数的缩减。利用模态质量矩阵和模态刚度矩阵的特性验证了系统参数的正确性;进行了系统临界转速特性计算,利用ANSYS软件(有限元方法)计算结果进行了对比验证,并分析了模态截止频率对临界转速的影响;开展了双转子系统的匀变速过程的瞬态分析,进行了试验验证。结果表明:建模方法正确、可靠,并能便捷地进行双转子响应特性的计算。     

含裂纹转子的振动特性计算用于裂纹在线检测的研究

本文研究含裂纹转子的振动特性。文章首先根据裂纹结构的应力强度因子，得到含裂纹单元体的刚度矩阵，进而得到裂纹转子的整体刚度矩阵和质量矩阵，列写出裂纹转子的运动微分方程，导出裂纹引起转子系统刚度变化与系统振动特性参数变化间的关系，从而可由实时在线测得的振动参数判断裂纹的位置。通过对模拟转子的计算和实测，表明本文提出的方法是一种可用于大型旋转机械转子轴裂纹在线检测的极为有效的方法．     

一种协作机器人非线性刚度建模方法

提出了一种有限元和虚拟关节法相结合的协作机器人非线性刚度建模方法,该方法不仅包含连杆和关节模块线性及耦合刚度,还考虑了机器人传动系统非线性刚度、负载作用下雅可比矩阵变化率以及负载和自重引起的位姿变化对机器人刚度非线性的影响.通过有限元子结构法提取机器人各模块的结构刚度矩阵,与传动系统非线性刚度模型相结合,建立机器人各模块的非线性综合刚度模型;采用数值计算方法计算在外力和自重工况下的静力平衡位姿及各模块受力情况;基于虚拟关节法构建机器人的非线性刚度模型,通过非线性有限元仿真验证了该建模方法的正确性.     

基于能量变分形式的频响系统的设计灵敏度分析

复杂结构系统的设计灵敏度分析及其优化是工程结构设计中的重要问题之一。利用连续介质动力学理论，得到基于能量变分法的设计灵敏度方程。以浮筏隔振系统为对象，计算动态频率响应对筏体厚度的灵敏度系数。首先采用有限元分析程序计算得到初始结构和伴随结构的动态响应，然后在后处理过程中，通过数值积分得到对结构位移的设计灵敏度。计算结果表明相对于中心差分法，用伴随变量法计算精度高，且克服了传统方法中需要计算质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵偏导的缺点。     

基于单元刚度矩阵法的二维微动平台刚度分析

刚度作为设计和评价全柔性机构的一个重要指标,在很大程度上影响着全柔性机构的动态性能和定位精度。利用材料力学中的单元刚度矩阵原理,根据柔性机构的结构特点进行单元划分。然后全面考虑机构中各单元的复杂变形,建立单元间的位移、力平衡方程,得到便于进行递推运算的刚度表达形式。以一种二维微动平台为例,给出了应用该方法的刚度分析过程,结果表明理论计算接近有限元分析数据。     

不对称刚度转子的新型支承设计及动力分析

支承刚度对大型汽轮发电机组的动力特性有很大的影响,推出一种新颖的水平支承刚度与垂直支承刚度可分别自由调整板簧支承的支承形式,从根本上解决了水平、垂直两方向支承刚度耦合使动力特性不能同时达到最佳的问题.在新的支承方式下,运用方程分析法设计出模拟转子系统,并用广义影响系数法对其系统分析,与传递矩阵法和有限元法进行了比较,结果令人满意.     

车身复杂结构大规模问题的缩减计算

针对车身设计中复杂结构多参数大规模问题,提出了一种基于减基法和有限元的混合算法来进行缩减计算。该方法首先通过计算系统在有限个样本下的响应构造近似解空间,然后基于有限元方法分离出刚度矩阵中的设计参数,接着将矩阵向解空间进行投影,最后构建减缩计算系统。在新参数条件下,通过减缩系统得到大规模问题的响应,极大地提高了结构响应的计算效率。     

基于新型两层两环连杆的一族伞状可展机构的构型综合

雨伞的连杆机构是最经典的可展机构之一,它是由多个平面连杆或悬臂杆构建而成,呈现出来的是一种低刚度和低耦合性的肋式支撑结构。到目前为止,可用来构建高刚度伞状可展机构的空间闭环连杆可展单元很少。为此,开发一类含三转动副(3R)耦合支链的两层两环空间连杆,并以它们为单元构建多环耦合的伞状可展机构。基于自由度和对称性特征分析了此类两层两环空间连杆机构的结构形式。提出了一种简洁高效的模块化组合方法来综合两层两环空间连杆可展单元;根据机构的单自由度要求和结构的对称性建立了单元间的可动连接方式;根据综合得到的可展单元和单元间的可动连接方式构造出一族新型伞状可展机构。不同于传统的雨伞机构,这些新型伞状可展机构呈多环耦合状的桁架式结构,在航天装备、建筑结构、艺术结构等领域具有良好的应用前景。     

大型组合臂架桁架式加强结构的设计与研究

为了解决大型组合臂架的侧向刚度不足问题,设计出一种组合臂架的桁架式加强结构.依据GB/T3811-2008进行计算,该加强结构克服了大型组合主臂架侧向刚度不足的问题.为了定量化表达该加强结构的作用效果,运用有限元计算软件SAP2000对环轨起重机的臂架结构进行了3种典型工况的计算.经计算分析,该加强结构可显著提高组合臂架刚度,为大型组合臂架的研制提供参考.     

自由场声辐射预报的可变阶波包络单元与有限元耦合方法

在可变阶波包络单元法和声有限元法的基础上,研究了预报无限域自由场结构声辐射的可变阶波包络单元与有限元耦合方法,推导了预报声压的耦合计算公式。在该方法中,结构外区域自由场空间分为使用有限元单元离散的内区域和可变阶波包络单元离散的外区域,根据外区域波包络单元构成的刚度矩阵的组成特性,对其进行分解,并对总系统耦合矩阵方程进行了重组,使得刚度矩阵的计算独立于频率,提高了频段上声压预报的效率。质量、刚度及载荷矩阵的元素需通过积分运算获取,积分精度对最终声场预报的精度具有很大的影响,为确保积分精度,提出了一种混合自适应高斯积分来计算相关矩阵的元素。具有解析解的无限长圆柱和脉动球源算例表明,对可变阶波包络单元组成的刚度矩阵进行分解后,计算效率得以显著提高;采用数值仿真和试验对该耦合方法进行了验证,结果表明该耦合方法具有较好的精度和收敛性。     

有限元法讲座——第二讲 有限元法的基本思想和方法构造(续)

一、引言 第一讲在概述有限元法的基本思想与方法构造中,指出有限元法的解题步骤具有其规律性和统一的计算格式。其中尤需注意的是有限元法最本质的思想是构造有限元模式去逼近真实函数(即场函数),它通过区域剖分和相应的分片插值来达到函数逼近的目的。元素类型一旦确定,元素特性的推演即将沿着一条确定的路线进行,即根据形状函数生成单元刚度矩阵和等效节点力列阵,经过迭加而成刚性方程组,求解方程而获得有限元数值解。所以有限元法的解题步骤可概括为下列四步: 1.原始问题变分形式的确立9 2.函数有限元逼近模式的确定】 3.单元刚度矩阵的…     

一种新型大口径光栅拼接柔性定位机构刚度分析

为满足大口径光栅拼接机构大行程、大负载、高精度、高稳定性的要求,提出一种基于正交结构的新型五自由度光栅拼接柔性并联机构。该机构采用三面正交、单点支撑的布局形式,适用于要求高刚度、大负载的场合,具有结构形式简单、运动精度高、稳定性高等特点。机构的刚度直接影响机构的定位精度、承载能力、稳定性等性能,针对光栅拼接柔性机构特殊的结构形式,结合单元刚度矩阵和矩阵位移法推导光栅拼接柔性机构的刚度模型。最后,采用ANSYS对比分析理论刚度模型结果与有限元模型结果。分析结果表明理论刚度模型计算结果与有限元分析结果基本吻合,证明理论刚度模型的合理性,为此类机构的刚度配置和机构优化设计提供了可靠的理论依据。     

ANSYS中结构刚度矩阵的求解

应用ANSYS有限元分析软件对桁架结构进行了静强度分析，得出了各杆件的位移结果。利用FORTRAN语言开发的计算结构系统刚度程序得到其整体刚度矩阵，与其内部命令得出的单元刚度矩阵合成的整体刚度矩阵比较，两者结果完全一致，从而证明了它的实用性。     

基于分级自适应技术车身结构多参数大规模问题快速计算方法研究

提出一种基于分级自适应技术的车身结构多参数大规模问题快速计算方法。该方法可以在保证数值稳定性的基础上得到较高的计算精度;在单元水平上对结构的刚度矩阵进行参数化分解,得到显式表达的参数化有限元格式;将该有限元格式通过事先构造的近似子空间进行缩减,得到快速计算模型。通过对比贪婪算法和直接正交法在构造近似子空间上的数值计算特性,提出分级自适应子空间构造技术。该计算方法是减基法在结构分析领域的扩展,可以大幅度提高多参数条件下大规模问题反复计算的效率。     

一种新的计算机层析方法研究

提出了基于有限元的层析图像重建技术,该方法使用单元顶点上的目标值计算信号投影,详细推导了信号衰减也即目标物理量在检测线上的投影与单元节点值的关系,同时推导了单元刚度阵的计算公式,并提出了整体刚度阵、方程右边常向量的计算方法。最后还使用此方法对一仿真检测结果进行了重建分析,从分析结果来看,因此方法得到的系数矩阵对称正定,可以用ICCG等大型稀疏方程组求解方法求解,图像重建过程较经典ART方法效率更高,精度也更高。