Stewart机构刚度映射建模与仿真

基于影响系数法和势能守恒原理建立包含主、被动铰链弹性变形以及外力作用下的Stewart机构刚度映射模型.与目前普遍采用的刚度矩阵映射模型相比,该映射模型不仅考虑了驱动支链轴向线刚度,被动铰链刚度,还考虑了外力作用下机构位形微变引起的Jacobian矩阵的变化,因此更具有一般性和精确性.通过一机构分析实例,结合刚度矩阵瑞利商评价指标,考察了两种模型下刚度性能的差异.     

不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响

研究不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响。在考虑库仑摩擦的条件下,利用非线性等效弹簧阻尼的概念建立了含间隙运动副的接触动力学模型。在此基础上,利用动力学分析软件ADAMS考查了运动副材料不同时间隙机构动力学性能的变化。分析结果表明材料不同时运动副的摩擦、刚度和阻尼等因素均能影响机构的动力学性能,因此在设计时要加以考虑以提高机构性能并减少能量损失。     

考虑圆柱铰链间隙的多刚体系统动力学计算方法

为了研究含圆柱铰链间隙的多刚体系统动力学计算方法,针对三维圆柱铰链的结构特点,给出了一种改进的接触对确定方法,构造了空间间隙圆柱铰链接触分离切换点的判别方法。法向接触力采用Lankarani与Nikravesh的连续接触力模型计算,切向摩擦力采用修正的Coulomb模型计算,综合考虑接触分离状态建立了统一形式的动力学方程。最后对比间隙铰链机构和理想铰链机构运动,结果表明圆柱铰链间隙在短时间内对其他构件的运动影响很小,但严重增大了铰链内部的碰撞力,长时间运动后机构的位移、速度、加速度与理想铰链偏差变大,但接触摩擦力使圆柱铰链的轴向运动受到抑制。间隙圆柱铰链的研究方法和结果为相关和更复杂的含间隙圆柱铰链机构的运动分析提供了理论参考。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

考虑铰链间隙和连杆柔性推料机构运动学分析

目的基于ADAMS软件,对包装机推料机构进行虚拟样机建模。方法对机构进行仿真,在此基础上建立铰链间隙模型、柔性体模型和铰链间隙柔性体都存在的模型。通过与理想模型运动曲线进行对比,分析各个铰链间隙和连杆柔性对运动学规律的影响。结果运动副间隙(0.25 cm)对推料板的速度、加速度影响明显,会产生振荡现象;同时考虑运动副间隙(0.25 cm)和构件柔性,得到的速度、加速度曲线趋于平稳,缓解了铰链间隙产生的冲击。结论适当考虑连杆柔性,可以缓解铰链间隙产生的振荡,使推料板运动趋于稳定。     

拉杆结构中弹簧刚度和有限元模型刚度融合修正方法研究

为建立更加准确的航空发动机高压转子的有限元模型,对表征高压转子拉杆结构的盘与盘、拉杆与盘之间接触的力学模型进行研究,重构了接触部位的有限元模型。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型刚度矩阵的融合修正方法,建立了包含接触的有限元刚度整体优化模型。运用拉直算子将优化模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态分析得到的模态参数对有限元刚度矩阵进行了修正。实例证明修正后的有限元模型真实反映了拉杆联接的航空发动机高压转子的接触状态。     

组合构件双重非线性分析模型研究与应用

以超高层建筑中当前广泛应用的杆系组合构件为研究对象,采用三维空间梁单元对其进行复杂受力状态下的双重非线性分析。为贴近实际工程同时简化计算,首先根据有限元方法和最小势能原理建立单元考虑几何非线性的弹性切线刚度矩阵;然后通过划分截面广义应变将单元截面刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵与塑性刚度矩阵,在假定广义应变增量分布状态基础上,基于纤维模型法推导出单元塑性刚度矩阵;最后将考虑几何非线性的弹性刚度矩阵与塑性刚度矩阵集合成整体刚度矩阵,根据构件自身特性选取合理材料本构关系及数值计算方法进行构件非线性受力分析。数值分析结果表明,该文模型与方法概念清晰、计算精度高,还可应用于钢筋混凝土构件的受力性能非线性分析。     

一种单自由度体系解析解及其在车桥动力分析中的应用

假定相邻时刻之间荷载线性变化,推导出低阻尼单自由度振动体系的解析解,在此基础上给出了相应的车桥动力相互作用系统建模及求解流程。系统模型分解为车辆、桥梁两个子系统,基于部件刚体假定和达朗贝尔原理推导车辆子系统运动方程,采用有限元法建立桥梁子系统模型;借助于振型叠加法将两个子系统运动方程解耦,车辆子系统非正交阻尼部分的影响以及两个子系统间的动力相互作用均按非线性虚拟力处理;以一节4轴客车匀速通过32 m简支梁为例,分别采用提出的解析解法、Newmark-β法以及高斯精细积分法进行动力分析。结果表明,相对于Newmark-β法和高斯精细积分法,解析解法不仅具有高精度特点,能显著提高计算收敛的积分步长,同时又能避免计算复杂的指数矩阵,具有良好的工程适用性。     

带齿轮副船舶推进轴系动态响应仿真研究

为更好分析及准确判断船用齿轮箱故障,以某江海直达货船推进轴系为研究对象,建立带齿轮副推进轴系的扭转振动模型,运用齿轮副时变啮合刚度理论计算方法,分析齿轮副在故障态下啮合刚度的变化,拓展传统推进轴系瞬态响应计算。基于有限元分析与信号处理软件得到考虑时变啮合刚度时正常态与故障态下带齿轮箱推进轴系瞬态响应频谱,并分析频谱中故障频率的成分与特点,为完整推进轴系齿轮副故障分析提供依据。     

内平动齿轮副啮合综合刚度与系统的分岔特性

用机构反转法将内平动齿轮副转化为定轴齿轮副,然后用有限元方法分析了该内啮合定轴齿轮副的啮合综合刚度,并使用FFT变换得到其频谱特性,进而得到了内平动齿轮副的啮合综合刚度的频谱特性,在此基础上,考虑了齿侧间隙的非线性因素,进一步得到存在多齿接触的时变啮合刚度下内平动齿轮副的运动微分方程。然后,用经典的显式四阶Rouge-Kutta法对系统的各个参数进行了数值计算,得到系统的参数分岔图,并分析了各参数对系统动力学行为的影响。为内平动齿轮副的设计参数选择提供理论依据。     

Mixed-mode fracture of adhesively-bonded pultruded composite lap joints

The fracture behavior of adhesively-bonded double- and stepped-lap joints composed of pultruded glass fiber-reinforced polymer composite laminates and subjected to axial tension was experimentally investigated and numerically modeled. Two methods were used for the calculation of the strain energy release rate: the experimental compliance method and the virtual crack closure technique. Their results showed good agreement for stepped-lap joints, while significant deviations were observed for double-lap joints due to small stiffness changes. The experimental compliance method results were sensitive to these small changes and the virtual crack closure technique accuracy was affected by the inability of the finite element analysis to accurately model the behavior before visual crack initiation. The dominant fracture mode changed from Mode I to Mode II in the case of stepped-lap joints, while an almost constant mode ratio was retained for double-lap joints in the applied loading range. A non-convex mixed-mode fracture criterion was established for crack initiation and propagation based on the virtual crack closure technique results. Both the experimental compliance method and the virtual crack closure technique proved applicable for the interpretation of the fracture mechanics data of the structural joints examined, provided that stiffness degradation can be accurately described.     

复合层压板单螺栓连接的刚度建模

针对复合层压板单螺栓单搭接结构,提出一种更合理的四阶段刚度模型。该模型是在传统三阶段刚度分析模型的基础上,采用部分滑移理论对模型粘滞阶段的刚度进行了改进;同时考虑到层压板之间、垫片与层压板之间的异步滑动,增加了部分滑移阶段,给出新的刚度模型的理论分析过程和使用条件。为了验证改进模型的准确性,在ABAQUS中建立了对应的三维有限元模型,同时对比了层压板单独建模和均质建模的优缺点,表明单独建模更符合实际,更精确;最后通过分析螺栓孔间隙、扭矩、铺层厚度、宽径比、液态垫片及铺层角度对复合材料螺栓连接各阶段刚度的影响。结果表明:螺栓孔间隙会导致螺杆发生二次弯曲,从而降低其接头刚度;相对于宽径比的影响,铺层厚度对螺栓接头刚度的影响更显著;不同铺层角度对螺栓接头刚度的影响机制也不同。      

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。     

基于结点6自由度的分裂导线有限元模型

大跨越输电线路分裂导线较单导线更容易发生舞动现象,基于空间曲梁理论,建立了结点6自由度的导线有限元模型。假定间隔棒为刚性体,根据位移协调条件,建立了4分裂导线的有限元模型。通过虚功原理建立静力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法进行静力非线性求解。算例表明:采用曲梁模型研究输电线的平动位移是准确的。由于考虑了平动与扭转的耦合作用,扭转角的计算更加精确。输电线抗弯刚度对扭转角也有较大影响。分裂导线的参数分析表明,弧垂、分裂间距、边界条件等对抗扭刚度均有较大的影响,间隔棒的数量不能显著提高导线的抗扭刚度。     

An isoparametric joint/interface element for finite element analysis

A generally applicable and simple joint/interface element for three- and two-dimensional finite element analysis is presented. The proposed element can model joints/interfaces between solid finite elements and shell finite elements. The derivation of the joint element stiffness is presented and algorithms for the treatment of nonlinear joint behaviour discussed. The performance of the element is tested on typical problems involving shell-to-shell and shell-to-solid interfaces.     

基于虚拟单元的模态综合法

针对实验模态综合法中存在的界面对接信息不足问题,提出了具有高刚度低质量特性的虚拟单元概念,给出了其数学意义上的存在性条件,并通过参数优化方法得到了力学意义上的虚拟单元.引入虚拟单元以后,基于定频剩余动柔度的概念给出了实验模型和有限元模型的混合建模方法.数值计算表明,经过参数优化以后的虚拟单元可用于实验模态综合,综合的精度较传统的模态综合法有所下降,然而虚拟单元的意义在于给子结构之间提供更多的对接信息,有助于增加实验模态综合的可靠性.     

界面对颗粒增强金属基复合材料强化性能的影响

为提高颗粒增强金属基复合材料的力学性能,采用基于微观组织的胞元模型建模方法,并利用有限元软件ABAQUS着重分析了界面层厚度以及界面层强度对复合材料性能的影响,通过对复合材料中各组成部分的应力、应变云图的获取,形象地说明了各部分的变形规律.研究结果表明,在弱界面层下,随着界面层厚度的增加,复合材料的强化效果并不显著,而在强界面层下,随着界面层厚度的增加,强化效果非常明显;就界面层强度来说,界面越强,所表现出的强化效果就越明显,但当界面层强度比基体大得多时,随着界面层强度的增加,虽然复合材料的强化呈递增趋势,但是递增的幅度已逐渐降低.     

Friction coefficient estimation in shaft/bush interference using finite element model updating

Reliable finite element modeling has a great degree of importance for studies related to the mechanical design in industry. Finite element modeling is often associated with some uncertainties. Model updating is a tool which can be used to overcoming these uncertainties. This method uses experimental data of the structural components to modify the initial FE model. A typical use of model updating is for interference joint of a shaft and bush. In the modeling of the interference joint for known materials, an approximate value is assumed for friction coefficient of contact areas. Based on intuition, engineering judgments or previous tests, it is difficult to accurately estimate this coefficient. In this paper, model updating is used to estimate and update the friction coefficient in the contact surface of interference shaft and bush joints. Suitable experiments were conducted and the initial finite element model was modified based on the experimental extraction strength of interference fit joints. Finally, typical values of stress fields were extracted from the new model with an updated value of the friction coefficient.     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。