一种新的机械结构结合部特性分析方法

提出一种新的基于界面元法的结合部特性分析方法。由于界面元法采用分片刚体位移模式,在数值分析时允许组合结构在结合面上位移不连续,并且无须增加任何形式的接触单元就可以有效地模拟结构的不连续性。基于赫兹理论,根据微凸体法向载荷与法向接触变形之间的关系,由结合部特性的试验拟合公式推导出结合部特性的等效材料参数弹性模量;根据离散单元中的应力波传播条件,得到结合部法向刚度和切向刚度之间关系式,并利用结合部特性的试验拟合公式推导出结合部特性的等效材料参数泊松比。以包含结合部的机械结构为研究对象进行数值分析,并将计算结果和试验测量结果进行比较。比较结果验证了用界面元法对考虑结合部特性的机械结构进行数值分析的可行性和准确性,为深入研究机械结构结合部问题奠定了基础。     

机械结合部动态特性的等效参数研究

为提高机械结构数值分析时结合部动态特性参数的应用简便性,提出一种基于等效参数的机械结合部动态特性分析方法。在通过实验获得具有通用性的结合部单位面积上的法向动态刚度和切向动态刚度的基础上,将单位面积上的结合部等效为各向同性连续介质,基于GW接触模型建立单位面积上的结合部微观形貌和结合部动态刚度变化关系式,根据离散单元应力波传播条件研究结合部单位面积上的法向动态刚度和切向动态刚度之间内在联系,推导出结合部动态特性的等效参数-单位面积上的弹性模量和泊松比,并以螺栓连接的两钢板为对象进行数值分析,将计算结果和试验测量结果进行比较,以验证结合部动态特性等效参数的可行性和准确性,为深入研究机械结合部问题奠定基础。     

粗糙度对接触界面动态特性的影响研究

接触界面的刚度和阻尼对机械结构的动态特性有重要影响,为了描述接触界面粗糙度对机械结构动态特性的影响,建立了振动应力波在粗糙接触界面传播的数学模型,并进行了数值仿真和模型试验。试验结果表明：较小的表面粗糙度有利于振动应力波通过接触界面传播;随着粗糙度值的增加,通过接触界面的振动应力波减少,说明较大的粗糙度界面消耗振动能量,但是产生了高次谐波,使振动状态变得复杂。     

复合材料机翼壁板离散源损伤修理评估方法

针对含离散源损伤复合材料机翼壁板机械连接修理结构,开展了机械连接修理结构渐进式破坏有限元分析技术的研究和验证。建立了利用梁元耦合解析刚性面模拟螺钉,采用适用于平面应力状态的LaRC05强度准则和B-K准则作为复合材料层板和胶接界面失效判据的机械连接修理结构有限元分析模型。在此基础上,通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了材料失效准则与刚度退化方案在商用软件Abaqus中的应用和机械连接修理结构承载能力的求解。计算结果表明,对于大规模螺钉连接的复杂修理结构,所采用的有限元建模和分析方法有效可行。与试验结果相比,结构承载能力数值分析与试验值吻合良好,误差在5%以内,预测的失效模式也与试验结果一致。     

考虑界面相的低温复合材料结构多尺度分析

纤维增强复合材料中纤维与树脂基体之间的过渡区域存在与二者性质不同的纤维/基体界面,如何合理地考虑界面相的介入是复合材料结构失效分析中的关键问题.基于纤维-基体-界面三相代表体元,发展了相应的微观失效准则、损伤退化模型和材料强度不确定性模型,建立了一种考虑界面相的多尺度有限元失效分析方法,实现了的热-机械载荷下的低温复合材料结构失效预测.并采用该方法对五种温度下三种典型复合材料层板进行失效分析,数值结果与试验结果相吻合,验证了该方法可以有效地对低温复合材料结构进行失效分析.     

机床结合部特性的理论解析及应用

对机械结构的结合部特性进行了理论解析,从基本的动力学方程出发,推导出单平面结合部静位移与结合部受力之间的关系,进而转换为静刚度的表达式;并基于一个振动周期中某方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等的概念,推导出单平面结合部阻尼的表达式。将机械结构中的多平面结合部,看成是多个单平面结合部的组合,而将回转结构等效为正多面体。由此,在机床结合部结构形式、受力大小确定的条件下,可以计算出结合部的等效结合刚度和阻尼。为了在机床整机动力学建模中融合结合部的特性,给出刚性结合和柔性结合两种情况下的协调方程。通过对XK712B立式镗铣床的整机建模和计算,并与试验结果进行比较,结果表明,综合静刚度相对误差的绝对值小于5%,固有频率相对误差的绝对值小于9%。将结合部特性融合到机床整机模型中,可以更精确地预测机床整机的综合静动态特性。     

粘结带模型在界面强度分析中的应用

对SiC/Ti-834复合材料的单纤维顶出试验进行数值模拟计算,在计算中应用粘结带模型模拟界面,并在细观层次下分析了界面的力学性能和损伤破坏过程,同时研究了不同固化温度条件下材料的界面强度和承载能力。把数值模拟计算结果和试验测量结果进行比较,反演出界面剪切强度和界面摩擦系数。由于碳化硅纤维和钛基的热力学特性不同,在数值计算中必需考虑热残余应力对界面强度的影响。     

转子轴承系统结合部等效刚度识别

针对转子轴承结合面刚度难于确定的问题,提出一种有限元模态分析、试验模态分析与BP神经网络相结合的等效刚度识别方法。采用Abaqus有限元分析软件建立转子轴承系统的有限元分析模型并得到其固有频率;并对转子轴承系统进行试验模态分析,得到前四阶弯曲固有频率;最后通过BP神经网络对等效刚度和固有频率进行训练与识别。研究结果表明,转子轴承系统的径向等效刚度识别最大相对误差为1.75%,轴向等效刚度识别最大相对误差为5.43%。方法为机械结构结合部的参数识别提供了参考。     

滚动导轨结合部法向动态特性参数的双自由度测试方法

准确的滚动导轨结合部动态特性参数是进行数控机床整机动态特性分析的关键,因此研究滚动导轨结合部动态特性参数测试方法将具有十分重要的意义.首先,对滚动导轨结构进行分析,将滚动结合部从结构中分离出来,并建立了等效的双自由度滚动导轨结合部动态特性参数测试模型,提出动态特性参数识别方法.其次,在动态特性参数测试模型的基础上研制了测试系统,并对GZB45型滚动导轨结合部的法向接触刚度和阻尼进行测试,多次试验结果显示试验所测移动部件质量与实际移动部件质量相差小于2％,表明该测量模型对滚动导轨结合部法向刚度和阻尼的识别是可靠的.     

结合部特性参数及其在机床结构建模中的融合技术

由于功能、加工、装配、运输等方面的需要,机械结构中普遍存在着结合部,它们对机械结构的整体特性有着很大影响:刚度降低,阻尼增加,在建模时必须加以考虑。文章在研究结合部特性及其表达方法的基础上,提出了将结合部特性应用于机械结构建模的融合技术和应用方法,利用融合理论和方法可以更精确地预测整机或一台加工中心的特性。并通过某立式加工中心的实验和建模计算验证了该方法的有效性。     

基于"生死单元"技术的焊缝缺陷模拟

应用有限元方法，计算分析带几何缺陷焊接接头力学性能。通过杀死焊接接头有限元模型中相应位置的单元，模拟存在的几何缺陷。计算分析带有气孔或咬边缺陷的焊接接头应力分布特性和应力集中程度，验证了应用生死单元模拟几何缺陷的有效性。通过对建模方法的比较，表明生死单元技术能够灵活模拟缺陷。     

万向铰节点推力关节轴承的力学性能分析

针对推力关节轴承复合受载情况下的安全性能问题,根据某场馆所采用的万向铰节点结构特点与承载特点,利用有限元法对结构中的推力关节轴承进行了两种不同载荷工况下的力学性能分析。利用大型有限元前处理软件ANSA对三维模型进行了网格划分,再通过ANSA与ANSYS软件的接口,准确建立了万向铰节点结构有限元计算模型,并计算出两种工况下推力关节轴承内、外圈的应力分布规律。研究结果表明,压剪工况下,除盖板外,各部件最大应力均比拉剪工况大;且两种工况下,万向铰节点的最大VonMises应力值发生的位置一样,均发生在下部轴承外圈内上边缘,因此该部位有可能会是轴承外圈开裂的起始源处。分析结果为万向铰节点推力关节轴承的设计与改进提供了有益的参考。     

铆接面对飞机关键接头力学性能的影响研究

文中采用试验测试结合有限元仿真分析的方法,针对某小飞机机身与机翼关键接头,研究了加强筋铆钉连接的接触面与关键接头附近应力分布的关系,并进一步分析了高强度胶处理接触面对应力分布的影响作用。研究表明：当铆钉连接的两接触面接触不紧密时,接头传力性能较差,接头处易出现较大的应力集中,从而影响其结构力学性能;高强度胶粘接接触面可以大幅提高铆钉连接的传力性能,使接头附近应力集中大幅减小,从而改善其结构力学性能。     

异种耐热钢焊接接头低塑性蠕变失效力学因素的研究

用有限元法计算了异种耐热钢接头邻近焊缝界面低强度材料区的蠕变应变分布,建立了蠕变拘束区（CRZ）应力三轴度（σ(av)/σ）与蠕变应变速率的比值（εw/εb）之间的数学关系模型,并通过蠕变断裂试验证明了数学模型的正确性。理论分析和试验结果表明,焊缝界面低强度材料蠕变拘束区的应力三轴度是接头发生低塑性蠕变失效的主要力学因素。     

螺纹联接件的微动损伤研究

从试验和数值分析两个方面研究了螺栓预紧力矩对ＬＹ１２ＣＺ铝合金双盖板对接螺纹联接件微动损伤的影响。在高频疲劳试验机上进行了微动试验,对接触表面间的微动损伤状况进行了观察分析。     

整体壁板结构纵向连接接头的应力分布研究

纵向连接接头是影响机身整体壁板结构的安全疲劳寿命的关键部位,因此本文设计了一种适用于机身整体壁板纵向连接的阶梯状两台阶铆接接头结构。文中应用ANSYS软件建立阶梯状两台阶铆接接头结构的三维非线性有限元模型,进行静强度有限元分析,得到接头结构上的精确应力分布,确定各铆钉孔边危险点处的应力集中系数,对接头结构的疲劳性能分析有着重要的参考基础,为纵向连接接头的设计及综合验证提供科学依据。     

Finite Element Method on Shape Memory Alloy Structure and Its Applications

It is significant to numerically investigate thermo-mechanical behaviors of shape memory alloy(SMA) structures undergoing large and uneven deformation for they are used in many engineering fields to meet special requirements To solve the problems of convergence in the numerical simulation on thermo-mechanical behaviors of SMA structures by universal finite element software.This work suppose a finite element method to simulate the super-elasticity and shape memory effect in the SMA structure undergoing large and uneven deformation.Two scalars,named by phase-transition modulus and equivalent stiffness,are defined to make it easy to establish and implement the finite element method for a SMA structure.An incremental constitutive equation is developed to formulate the relationship of stress,strain and temperature in a SMA material based on phase-transition modulus and equivalent stiffness.A phase-transition modulus equation is derived to describe the relationship of phase-transition modulus,stress and temperature in a SMA material during the processes of martensitic phase transition and martensitic inverse phase transition.A finite element equation is established to express the incremental relationship of nodal displacement,external force and temperature change in a finite element discrete structure of SMA.The incremental constitutive equation,phase-transition modulus equation and finite element equation compose the supposed finite element method which simulate the thermo-mechanical behaviors of a SMA structure.Two SMA structures,which undergo large and uneven deformation,are numerically simulated by the supposed finite element method.Results of numerical simulation show that the supposed finite element method can effectively simulate the super-elasticity and shape memory effect of a SMA structure undergoing large and uneven deformation,and is suitable to act as an effective computational tool for the wide applications based on the SMA materials.     

Numerical simulation of thermo-elastic fracture problems using element free Galerkin method

In the present work, element free Galerkin method (EFGM) has been extended to solve thermo-elastic fracture problems in homogeneous and inhomogeneous materials (bi-materials). A thermo-elastic fracture problem is decoupled into two separate problems. At first, the temperature distribution is obtained by solving the heat transfer problem. The temperature field is then employed as input for the mechanical problem to determine the displacement and stress fields. The disturbances due to the presence of crack results in a non-smooth temperature distribution, and induces a singularity in the heat flux at the crack tip. Thermal as well as mechanical problems are enriched intrinsically in order to represent the discontinuous temperature, heat flux, displacement and traction across the crack surfaces. Both isothermal and adiabatic conditions are considered at the crack surfaces. Jump function technique has been employed to model a bi-material interface, and intrinsic enrichment has been used to model a crack at the bi-material interface. The conservative M-integral technique has been modified in order to extract the mixed mode stress intensity factor for thermo-elastic fracture problems. The present analysis shows that the results obtained by EFGM are in good agreement with those available in the literature.     

力学不均匀性对含横向裂纹焊接接头J积分的影响

采用 MARC有限元程序提供的 Delorenzi虚拟裂纹扩展方法计算了平面应力条件下不同强度匹配的焊缝纵向受载的含横向裂纹的焊接接头在不同载荷的广义 J积分。计算结果表明 :力学不均匀性对含横向裂纹焊接接头的 J积分有重要影响 ,低匹配焊接接头中积分路径穿越焊缝与母材界面的 J积分值高于积分路径在焊缝内的 J积分值 ,高匹配焊接接头中积分路径穿越焊缝与母材界面的 J积分值低于积分路径在焊缝内的 J积分值 ;载荷越大 ,焊缝与母材的强度差别越大 ;积分路径中包含的焊缝与母材界面长度越大 ,J积分的差值越大。力学不均匀性对焊缝纵向受载的含横向裂纹的焊接接头 J积分的影响是由焊缝与母材的强度差别及积分路径中包含的焊缝与母材界面长度的不同造成的     

Generic element formulation for modelling bolted lap joints

Joints have significant effects on the dynamic response of the assembled structures due to existence of two non-linear mechanisms in their interface, namely slipping and slapping. These mechanisms affect the structural response by adding considerable damping into the structure and lowering the natural frequencies due to the stiffness softening. Neglecting these effects in modelling of joints produces errors in predictions of the structure responses. In this paper, a non-linear generic element formulation is developed for modelling bolted lap joints. The generic element is formed by satisfying all conditions that are known for a joint interface and hence providing a non-linear parametric formulation for the families of allowable joint models. Dynamic response of the developed model for the assembled structure including the generic joint interface element is obtained using the incremental harmonic balance (IHB) method. The generic parameters of the joint are identified by minimising the difference between the model response obtained from IHB method and the observed behaviour of the structure. The procedure is demonstrated by modelling an actual structure containing a single lap bolted joint in the middle. The frequency responses of the structure around the first two resonance frequencies are measured by exciting the structure using a sinusoidal force at each individual frequency. The measured responses are compared with the predictions of the model containing a parametric generic joint element. The parameters of the joint interface model are successfully identified by minimising the difference between the measured responses and the model predictions.