基于局部截面构型优化的双稳态结构跳跃阈值控制与设计*

双稳态结构正反行程跳跃阈值不相等引起的驱动困难是制约其工程应用的瓶颈问题。基于大变形有限元理论分析了影响双稳态结构跳跃过程的关键因素,引入跳跃阈值力、稳态保持力以及双稳态特征系数(二者的比值)作为描述双稳态特征的指标,提出了基于局部单元截面构型优化的双稳态跳跃阈值控制方法,建立了具有特定跳跃力学特征的双稳态结构优化设计模型,以局部单元的截面尺寸、个数及位置为设计变量,采用分步优化的方法,得到了几类具有不同双稳态特征系数的余弦梁新构型,分析了变截面单元厚度及布置方式对跳跃阈值及路径的影响关系。数值仿真结果表明,局部截面构型改变前后双稳态结构的跳跃时间及振动频率变化不大。考虑试验加载位置与夹持条件对双稳态特征系数的影响,仿真与试验结果基本一致,验证了所提出的双稳态结构跳跃力控制方法的有效性。     

局部加强体对预压双稳态结构跳转力学特征的影响分析

基于轴向挤压后屈曲模态的双稳态结构,其跳转力、保持力和跳转行程等双稳态特征与预应力分布和后屈曲模态密切相关,使得难以通过仅调整预压缩量来实现特定双稳态指标的设计。本文提出引入局部加强体调控预压双稳态梁临界屈曲载荷、应力分布及跳转特征的方法,建立了具有对称局部加强体的预压双稳态梁跳转分析模型,分析了预应力、加强体尺寸参数和位置对屈曲临界载荷、跳转力和行程的影响规律。结果表明:局部加强体不影响原结构跳转力和保持力相等的特征;与尺寸参数相比加强体位置参数对跳转力有较大影响,随着位置的变化,跳转力存在由大变小再变大的变化过程,且调控同行程双稳态梁跳转力的幅度可达17.04%;跳转行程主要依赖于局部加强体的刚度和所承受的预应力。     

大挠度后屈曲倾斜梁结构的非线性力学特性

基于弹性梁的几何非线性大挠度屈曲理论,建立两端固定对称倾斜支撑梁结构的大挠度后屈曲控制微分方程,采用几何非线性隐式变形协调关系来表达强非线性超静定边值问题,得到描述倾斜梁大挠度后屈曲行为的精确解析解.采用数值方法求解含有第一、二类椭圆积分的强非线性微分方程,给出不同倾角梁结构从初始屈曲到后屈曲并发生两态跳转过程中的位形曲线及非线性刚度.根据最小能量原理和挠曲线拐点个数,分析对称屈曲模态与非对称屈曲模态之间相互跳转的内在联系及其对结构非线性刚度突变的影响,得到了屈曲模态之间的转换条件.跳转过程的数值仿真表明,倾斜支撑梁结构发生大挠度后屈曲时具有明显的双稳态特性且只出现低阶(1、2阶)屈曲模态,仿真计算结果与试验结果相一致.     

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好.试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化.还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响.     

采用多点逼近遗传算法的屈曲约束下桁架拓扑优化

基于线弹性屈曲理论,讨论了杆单元建模及欧拉单杆失稳判据在桁架结构稳定性分析中的缺陷。为更精确地获得桁架屈曲响应,建议以梁单元进行有限元建模,并利用特征值屈曲分析来获取结构各阶失稳载荷因子及屈曲模态。分析了从基结构法出发求解特征值屈曲约束下桁架拓扑优化问题所存在的求解困难与奇异性。为有效求解该类问题,采用了多点逼近遗传算法,对离散拓扑变量和连续尺寸变量进行了联合优化。同时,通过屈曲模态识别、删除杆件屈曲模态过滤、局部约束临时删除等措施,特征值约束下的求解困难和删除杆件在优化过程中的不利影响也得到了克服。数值算例验证了本文结构建模及优化方法的有效性,同时也表明了该方法具有较高的效率,能够凭借较少的结构分析次数来获得优化解。     

多墙翼面结构后屈曲强度试验和数值研究

采用静态试验和有限元分析相结合的方法研究了复合材料中厚蒙皮多墙翼面结构的后屈曲性态、强度和破坏过程。有限元分析取得的载荷-位移曲线和试验结果的一致性说明了有限元模型的正确性。在此模型基础上,采用非线性弧长法追踪外载-位移路径,研究了盒段在压缩和集中力两种不同载荷下的后屈曲行为。给出了屈曲临界载荷和屈曲变形性态,分析了后屈曲强度和破坏过程。     

一种新的柱形曲板轴压屈曲试验四边简支边界的实现方法

提出一种新的柱形曲板轴压屈曲试验四边简支边界的实现方法。针对柱形曲板轴压稳定性试验简支边界条件的实现问题,设计一种支持边夹具及压盘,能够实现试件支持边的简支要求,消除试件成形回弹和厚度不均等因素引起的装配问题,且方便对试件进行对中调节。通过加强试件的边界,改善试件边界受载不均的情况,有效避免边界提前失稳的现象。加强后,试件的加载边面积变大,通过其与压盘间的摩擦力作用,形成加载边的简支约束。在某型号飞机的结构试验中,该方法得到成功应用。该试验借助于光学测量技术全场测量试件考核区的面外位移,得到试件屈曲模态。试验结果与有限元法分析结果进行对比,两者不仅模态一致,且试验屈曲载荷平均值与有限元结果相差在1%以内,验证了该方法的适用性和有效性。     

几何缺陷对复合材料加筋平板轴压屈曲影响研究

当前的设计准则要求复合材料结构在限制载荷下蒙皮不发生局部屈曲,因此对蒙皮屈曲载荷的准确预测至关重要。设计了三种构型复合材料加筋平板轴压试验件,研究蒙皮在轴压载荷下的屈曲和后屈曲;采用线性特征值有限元方法计算了蒙皮的轴压屈曲载荷;采用多阶屈曲模态线性组合的方式引入初始缺陷,应用非线性方法计算了蒙皮轴压屈曲载荷并进行了缺陷灵敏度分析。计算结果和试验结果对比表明:当前计算蒙皮屈曲的工程方法过于保守,有限元方法可以更准确的计算蒙皮的屈曲载荷;初始缺陷对复合材料平板屈曲载荷有一定影响,其影响大小与缺陷幅值息息相关,不考虑该缺陷,会得到非保守的计算结果。     

高速飞行器网格翼型结构热屈曲及热模态分析

翼片结构在高速飞行过程中会承受比较大的气动力和气动热形成的复合载荷。为研究网格翼结构的工作热屈曲和热模态特性,进行了理论分析和有限元计算;得到了结构的热屈曲临界温度、均匀及非均匀温度载荷下的热模态参数;发现网格翼结构的热屈曲临界温度要高于相同外形和材料的实体平板翼结构,且高温下结构材料热物理参数对热模态的影响要大于材料弹性参数,非均匀温度载荷下的网格翼结构热模态固有频率数值与均匀温度载荷下有一定区别。     

直角切口柔性铰链串联支链的屈曲分析

利用材料力学弯曲变形理论的挠曲线近似微分方程,建立计算直角切口柔性铰链串联支链屈曲临界力的数学模型,在建模过程中定义平均屈曲临界挠度系数并给出其确定方法.采用商用有限元软件ANSYS8.0对大量不同参数的串联支链模型进行有限元屈曲分析,分析结果与根据数学模型计算得到的屈曲临界力十分接近,说明了所建数学模型的正确性.研制测试柔性铰链串联支链屈曲临界力的专用试验装置,针对加载载荷尺寸对柔性支链屈曲的影响,提出载荷等效长度的概念.试验结果表明:屈曲临界力的试验值与理论计算值相吻合,从而验证所建数学模型具有较高的参考价值,可以作为柔性铰链串联支链屈曲优化设计的指导理论.     

内压作用下压力容器封头局部屈曲分析

采用有限元法分析了蝶形封头压力容器在内压作用下封头过渡区局部塑性屈曲问题。通过在内压作用下周向呈受压状态的局部区域引入以静力位移为基础的初始几何缺陷,采用由位移控制的RIKS算法计算跟踪载荷—变形情况,从而分析屈曲载荷和屈曲形态。计算分析了初始缺陷的幅值对所求得的屈曲载荷的影响,结果表明对于所提出的问题,屈曲载荷对初始几何缺陷比较敏感。在屈曲发生后随着加载过程的继续,在过渡区内屈曲区将逐渐增加,即逐渐出现多处皱褶。同时分析了设置多个分布缺陷的情况,与仅有一个缺陷的情况相比,结果显示当缺陷密度不是很密时,从加载初期到初始屈曲发生后的一定范围内,屈曲发生处的变形状态在两种情况下几乎一致,表明初始屈曲非常局部化。     

基于降阶模型的弹塑性瞬态响应求解

结合塑性力学理论和模态综合技术,提出一种快速分析柔性结构在冲击载荷下的弹塑性瞬态响应的求解方法。该方法基于"伪力"思想,通过引入预测参数将弹塑性变形导致的非线性特征近似等效为一具有力量纲的外载荷,并置于控制方程右边保持方程左边线性,而后采用模态综合技术建立原系统的降阶模型,并给出相关方程的求解方法。经此变换后,用于建立降阶模型的模态变换矩阵只需计算一次,且在整个响应计算过程中保持不变,有效地提高了计算效率。通过计算柔性简支梁在谐振载荷和碰撞载荷下的弹塑性响应,并与全模型的计算结果对比,验证了该方法求解柔性结构弹塑性瞬态响应的准确性和高效性。     

空心圆柱试样试验仪主应力轴旋转加载原理及试样形变检测技术的研究

介绍了新研制的空心圆柱试样试验仪的整体结构及加载原理，为了使整个连续试验过程遵循设定的应力路径，采用Ｋａｌｍａｎ滤波递推预报及Ｗｉｔｔｅｎｍａｒｋ自校正递推预报来克服四个加载通道间响应速度的不一致，特别是电液伺服加载系统存在的滞后。研制了高精度光栅位移传感器以完成试验过程中试样的形变检测。整个试验过程在ＩＢＭ一ＰＣ／ＸＴ控制下自动完成。     

热-机荷载作用的P-FGM扁球壳跳跃屈曲分析

基于经典壳体理论和Sanders非线性应变-位移关系,导出了幂律型功能梯度材料(P-FGM)扁球壳在热-机械荷载作用下的几何非线性常微分控制方程。推导过程考虑了沿厚度存在一维热传导温度场和法向均布荷载作用。采用打靶法求解了由控制方程和固定夹紧边界条件构成的两点边值问题。得到了FGM扁球壳的一些典型的屈曲平衡路径和双稳态构形。对热-机械荷载作用的FGM扁球壳的跳跃屈曲行为进行了参数影响分析。结果表明：温度上升时,球壳上临界荷载显著增加、下临界荷载变化不明显。梯度指数增加时,球壳上、下临界荷载均显著减小。组分材料模量增加时,球壳上、下临界荷载均显著增加。当底圆半径和厚度给定时,随壳体中面曲率半径增加,球壳上、下临界荷载均显著增加。当中面曲率半径和厚度给定时,随底圆半径增加,球壳下临界荷载显著减小,上临界荷载几乎不变。     

应变强化后容器的外压屈曲分析

在应变强化过程中,容器会发生塑性变形。为了解该变形对于容器外压稳定性的影响,确立了全面考虑强化影响的非线性屈曲分析方法,并选择不圆度作为初始几何缺陷,进行理想容器和含初始不圆度容器在强化前后的屈曲求解,通过比较屈曲载荷、屈曲模态以及载荷位移曲线的变化来探究应变强化过程对容器外压稳定性的影响规律。结果表明,建立的容器模型的屈曲载荷具有很强的不圆度敏感性;含初始不圆度的容器强化后的屈曲载荷提高,外压稳定性增强;应变强化过程可改善容器圆度,提高容器制造过程中壳体初始不圆度的最大允许值。     

壁板结构热屈曲后模态特性试验

高速飞行器在服役期间面临着严酷的气动加热效应,热载荷会引起材料性能变化,会在结构内部产生热应力、热变形及热屈曲,从而改变结构的有效刚度,影响其动力学特性。针对铝合金壁板结构开展热屈曲后模态特性的试验,采用石英灯辐射加热方法模拟气动加热,利用热应变与温度的关系,获得了壁板结构热屈曲临近温度,进而选取屈曲前、屈曲后一系列温度状态开展热模态试验。试验结果表明,模态频率随加热温度的增加先降低,在临近屈曲温度附近达到最低值,热屈曲后随着温度增加又逐渐增加。由于不同阶模态对热载荷的敏感程度不一样,第3阶和第4阶模态在加热过程中发生交换,而模态阻尼随着加热温度的增加呈现增加的趋势。     

电除尘器壳体的整体承载性能分析

研究电除尘器壳体结构的空间整体承载性能。用有限元方法进行壳体结构的特征值屈曲分析。根据壳体的施工和使用过程,考虑加载路径的影响,分三步施加荷载,进行完善壳体的承载能力非线性分析。将特征值屈曲模态和完善壳体结构的非线性极值点变形模态作为初始缺陷模态,进行带缺陷壳体的承载力非线性分析。特征值屈曲分析表明,结构的前60阶屈曲模态均为发生在立柱连接腹板、墙板和顶板的局部屈曲。完善壳体的非线性分析表明,结构的破坏主要由隔宽柱的弹塑性局部屈曲引起。带缺陷壳体的非线性分析表明,壳体对中间隔宽柱连接腹板上多处局部初始几何缺陷最为敏感,可使其承载力严重降低。电除尘器壳体的空间整体刚度较大,不会出现整体失稳破坏。壳体的失效是源于单个构件的破坏。单个构件失效后,壳体内不会发生内力重分布。工程中现行的平面分析设计方法是合理可行的。     

十字形试件双向拉深试验系统建立及加载精度分析

为了研究复杂加载路径下板料塑性变形行为 ,建立了十字形试件双向拉深试验硬件与软件系统 ,实现了同轴两夹头的位移同步控制 ,位移和载荷的比例加载与非比例加载控制 ,以及根据载荷变化判断加载停止的控制等关键技术。试验验证表明 ,所建系统具有较好的准确性和可靠性 ,为进一步研究提供了试验基础。     

薄宽带钢横向瓢曲行为的解析研究

基于艾利应力函数和S. Timoshenko最小功原理建立了薄宽带钢横向瓢曲变形的全新力学分析模型和计算方法,获得了其前屈曲应力场分布的表达式,并同时运用伽辽金虚位移原理解法获得了其临界屈曲载荷;进一步推导得到了不均匀载荷作用下薄宽带钢横向瓢曲变形的后屈曲摄动求解方法及相应数学表达式,计算获得的后屈曲模态与局部拉伸实验得到的瓢曲模态符合良好。     

带上盖的圆柱壳屈曲特性研究

针对圆柱壳状零件的屈曲特性问题,以M739A1引信支筒为例,利用ANSYS Workbench软件进行屈曲特性模态仿真,得到了前6阶模态下的屈曲临界载荷。1阶屈曲模态下临界载荷可以校核引信安全性,6阶模态下的临界载荷可以验证引信触发性能。研究表明,相对于支筒的圆角和中心孔直径,支筒壁厚对支筒的屈曲临界载荷影响作用更大。