大单元边界元方法解薄板弯曲问题及精度讨论

提出大单元直接边界元方法求解Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ薄板弯曲问题，对材料不均或几何形状及载荷情况复杂的板，将求解域划分为几何形状同一的大单元，而在大单元的边界划分边界单元，用边界积分方法求角。这样对同一材料性质的各大单元只须计算一个大单元的矩阵元素，建立的总方程是分块带状稀疏的。讨论了提高精度问题，数值算例表明这种方法可以得到满意的精度。     

板式轨道动力响应分析方法

为了计算在高速车辆移动荷载作用下板式轨道的动力响应,将轨道板视为线性粘弹性连续支承梁,将钢轨视为线性粘弹性点支承梁,将钢轨和轨道板统一划分为有限单元,基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立了高速列车-板式轨道的垂向耦合动力学方程,计算了车辆通过板式轨道钢轨焊接区短波不平顺时的轮轨动力学响应。仿真结果表明:与其他成熟仿真方法相比较,响应变化趋势与幅值基本一致,表明该方法可行。     

新型全自动轨道巡检车动力学性能

为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能,开展了轨道巡检车动力学数值仿真;轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟,车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素,同时考虑车载设备参振影响;针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构,利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型,采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质,计算了轮轨等效接触刚度;根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数;基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型;为验证仿真模型的准确性,开展了实车动力学试验;重点分析了直线和300 m小半径曲线,运行速度10~30 km·h-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明:车辆正常运行时,中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度,横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度,车架最大加速度大于视觉模块最大加速度;车架中部易产生垂向弯曲变形,和视觉模块安装位置有胶垫减振有关;轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好,其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h-1运行时,轮重减载率最大可达0.92,车架部位振动响应较大,为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险,建议曲线段内检测速度控制在20 km·h-1左右。      

基于模态频率响应分析的半挂车车架的疲劳寿命计算

采用模态频率响应的方法进行半挂车车架疲劳寿命预测。在Msc.Patran中对车架进行模态频率响应分析;在ADAMS/Car中建立整车多体动力学模型,采用D级路面,对其进行仿真分析,从而获得车架各连接点的载荷时间历程,并将动态载荷转换成功率谱密度。结合动态载荷分析与有限元分析结果,基于Dirlik方法分析得到车架疲劳寿命和最危险点的寿命值。计算结果证明了基于模态频率响应分析的疲劳分析方法能够快捷、有效地预测随机动态载荷下的半挂车车架的疲劳寿命。     

微型汽车车架轻量化研究

以某微型汽车白车身为例,建立白车身的有限元模型,采用有限元法求得车架优化前白车身的动静态特性,计算结果为下一步车架轻量化设计提供参考依据.基于超单元法与灵敏度分析方法,以车架重量最小为目标函数,在保证白车身车架动静态特性不降低的前提下,优化微型汽车车架关键构件厚度.优化后的车架质量下降6.39%,白车身的弯曲刚度提高1.0%,白车身的一阶模态频率提高了0.41Hz.     

基于平面壳单元的分阶段成形结构平衡方程

为探讨基于平面壳元的分阶段成形结构终状态的影响因素,建立了包含平面壳元无应力状态量的结构平衡方程.以等参平面壳单元为研究对象,建立了单元内任意一点的无应力状态量与单元高斯积分点处无应力状态量的关系;以单元的无应力状态作为零点计算结构的总势能,并根据最小势能原理,导出了包含平面壳元无应力状态量的结构平衡方程,获得了结构终状态与平面壳元无应力状态量的关系.分析结果表明,当结构体系、外荷载和边界条件一定时,如能保证壳元的无应力状态量一定,则结构的终状态是一定的,与分阶段成形过程无关.      

基于边界元法的隧道掘进对邻近基础影响研究

建立边界元法研究隧道掘进施工对邻近桩基础的影响。边界元计算过程中使用圆柱单元、环形尖单元和环形不连续单元模拟桩。桩-土相互作用行为通过桩-土交界面的变形协调方程、桩受力平衡方程、桩头和承台变形协调方程以及桩头和承台的受力平衡方程进行描述。针对某隧道下穿既有桩基础工程,采用边界元和3D有限元软件Midas GTS模拟,对比分析隧道掘进引起上方桩基础的沉降,并研究了地层损失率对桩沉降的影响。研究结果为工程设计以及施工过程中隧道周边建筑保护提供参考。     

基于灵敏度和动刚度计算的车架轻量化设计

提出了基于灵敏度分析和动刚度计算的车架轻量化方法。灵敏度计算以车架钣金件板厚为设计变量,一阶扭转和弯曲模态为约束,质量最小为目标;选取对质量敏感而对一阶弯曲和扭转不敏感的钣金件减小厚度;对减重8 kg的车架先后进行模态计算和动刚度计算,并与减重前的车架对比。对比结果表明,该减重方案的模态频率值和动刚度值满足NVH性能对车架的要求,该方法合理可行。     

基于CATIA和ADAMS的齿轮啮合动力学仿真

运用CATIA V5知识工程模块,结合齿轮齿廓渐开线方程,针对直齿圆柱齿轮的齿形实体特点,建立某减速器齿轮基于特征的参数化模型。运用UG软件将模型数据转换为parasolid格式并导入ADAMS中,建立齿轮传动系统的动力学模型。仿真计算结果与理论计算值基本吻合,验证了齿轮参数化建模、虚拟装配及动力学模型的合理性。     

桅杆结构的非线性有限元分析

基于修正的拉格朗日坐标描述法,推导了空间纤绳单元的在位移刚度矩阵。将桅杆结构离散为空间纤绳单元和梁单元计算模型,建立了桅杆结构非线性平衡方程。采用增量Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ失地求解方程。算例表明,提出了的方法有很好的精度,可以有效地应用于桅杆结构静动力分析。     

移动荷载与土体中孔洞相互作用的2.5D边界元法分析

为了研究具有复杂表面的饱和土体与移动荷载相互作用机理,根据饱和土Biot理论,采用Fourier变换和势函数分解法,推导了饱和土体频域-波数内的Green函数;建立了移动荷载作用下,饱和土体中孔洞动力响应的频域-波数域内边界元法方程(2.5D boundary element methods);利用快速Fourier逆变换法,得到了时间-空间域内饱和土体的动力响应.研究结果表明:在频域内,利用移动荷载方向的一致性建立的频域-波数域内边界积分方程,可将3D空间问题转化为频域-波数域的2D平面问题, 3D边界元简化为2D边界元,使得计算面转换为计算线,减小了计算规模.      

Wave Number Method for Three-Dimensional Steady-State Acoustic Problems

Based on the indirect Trefftz approach, a wave number method (WNM) is proposed to deal with three-dimensional steady-state acoustic problems. In the WNM, the dynamic pressure response variable is approximated by a set of wave functions, which exactly satisfy the Helmholtz equation. The set of wave functions comprise the exact solutions of the homogeneous part of the governing equations and some particular solution functions. The unknown coefficients of the wave functions can be obtained by enforcing the pressure approximation to satisfy the boundary conditions. Compared with the boundary element method (BEM), the WNM have a smaller system matrix, and is applicable to the radiation problems since the wave functions are independent of the domain size. A 3D acoustic cavity is exemplified to show the properties of the method. The results show that the wave number method is more efficient than the BEM, and it is fairly accurate.     

结构声辐射边界元声学灵敏度研究

声学灵敏度反应了结构振动引起的辐射声压与结构表面法向振动速度之间的关系.分析了基于边界元法的结构振动声辐射计算原理,推导了声学敏度.用有限元法计算结构动力学响应,以有限元法计算的结构振动速度为边界条件,基于边界元法计算结构振动幅射的声压及声压对振动速度的灵敏度.以一六面体的振动为研究实例,得到了其振动的外场声压及其对结构振动法向速度的灵敏度.结果表明声学灵敏度只与结构几何形状及设计域点的位置有关.     

应用动态松驰法分析大挠度弹塑性板的极限承载力

应用动态松弛法(简称DRM)和分层法结合,分析几何、物理非线性薄板在横向荷载 作用下的承载能力,讨论了不同边界条件对板的极限状态的影响。      

显式有限元法在车辆耐撞性研究中的应用

基于连续介质理论，通过建立车辆碰撞的控制方程，在此基础上得到与控制方程和边界条件等效的“弱积分”形式。通过空间和时间的显式离散，得到了车辆碰撞的有限元方程。采用动力显式积分方法，使位移计算显式化，避免了由材料、几何、边界高度非线性因素引起的计算收敛问题，并讨论了薄板单元的Courant稳定性条件。提出了“端部吸能结构纵向压缩变形、纵向吸能”的耐冲击结构设计的思路，并对算例进行了数值模拟。结果表明，该设计方法可以实现车辆结构自身被动安全保护的目的，显式有限元数值模拟方法是车辆耐撞性研究的有效方法之一，但是需要进行部分撞击试验，进一步修正模型后提高其分析精度。     

随机结构参数车辆在随机激励下的振动响应

为分析随机结构参数对车辆系统随机振动响应的影响,通过1/4车辆模型,研究了具有随机结构参数的非线性车辆系统在随机过程激励下的振动响应.将簧上质量、簧下质量、悬挂阻尼、悬挂刚度以及轮胎刚度均视为随机变量,考虑轮胎与车身之间弹簧的非线性,将路面不平整引起的对车辆的激励作为平稳白噪声过程建立系统的动力性方程,采用能量差法对非线性车辆系统进行等效线性化处理;通过求解李雅普诺夫方程,获得平稳随机振动响应协方差矩阵,并通过多次迭代求得稳定的等效线性车辆系统参数.算例计算结果表明:能量差法计算位移的相对误差为6.841 5%,而方程差法的相对误差为8.150 5%;用此方法计算随机响应的方差值仅用了0.8 s,而用Monte Carlo法模拟1 000次耗时70 min.      

基于粒子群和蚁群算法的边界层微分方程求解

沿竖壁自然对流边界层微分方程组速度和温度均耦合,在打靶法中应用Newton求根的方法解对应的相似性微分方程组时对初值选择要求较高,在根值附近收敛变慢.将微分方程边值问题转化为初值问题求解的打靶过程可看作优化设计问题,用优化设计算法求解.将基于生物群信息传递规则和觅食规则提出的粒子群算法和蚁群算法应用到打靶法的求解过程中,并与其它优化算法计算结果进行了比较.结果表明,粒子群算法和蚁群算法用于沿变壁温竖壁自然对流层流边界层微分方程求解是可行的,计算过程稳定,对初值选择不敏感.     

二维薄板在超音速气流作用下的热弹性颤振

根据von-Karman几何非线性应变位移关系建立了二维薄板在超音速气流作用下的非线性动力学模型,其中气动力根据一阶准静态活塞理论计算.用假设模态法和伽辽金方法使方程离散化,然后用Runge-Kutta方法计算.分析结果用分叉图和相图描述.结果表明,温度效应降低了板的稳定性;随动压增大,系统经历稳定运动、周期运动和混沌运动状态.     

高速铁路桥梁全封闭声屏障结构噪声特性

开展了高速铁路桥梁和桥梁-全封闭声屏障典型结构断面的振动和噪声测试,建立了高速铁路桥梁-全封闭声屏障系统结构噪声的快速多极边界元法(FMBEM)数值预测模型,深入分析了板件的车致振动与结构噪声辐射的相关性和时频特性,并以此验证了FMBEM数值预测模型求解结构噪声的准确性;对比分析了有、无全封闭声屏障工况下32 m简支箱形梁桥结构噪声的空间和频域分布特性,并比较了FEBEM与边界元法(BEM)的计算效率。分析结果表明:桥梁-全封闭声屏障系统板件的振动与噪声的频谱分布规律基本一致;受全封闭声屏障隔声作用和梁体遮蔽作用的影响,距箱梁底板表面0.3 m处测得的噪声信号基本反映了底板的结构噪声特性,其余测点则不同程度地受到其他板件或轮轨系统辐射噪声的影响;计算与实测噪声的幅频特性吻合较好,峰值处计算误差在1.5 dB以内;全封闭声屏障的安装导致桥梁板件的振动和结构噪声均减小,也改变了桥梁周围的声场分布特性,桥梁板件表面场点的总声压级降低了0.8 dB,梁体下方地面场点总声压级增大了4.1~9.4 dB;梁体斜上方场点总声压级增大了9.6~18.1 dB,桥梁-全封闭声屏障结构顶部局部区域的结构噪声比无声屏障的桥梁大12.4 dB以上;FMBEM计算耗时为传统BEM的1/3,计算更为高效。      

FEM／BEM法振动板减振降噪优化设计

振动板的减振降噪设计是相关工程中结构设计的重要内容之一,优化设计可在设计阶段通过对设计模型的定量修改获得理想的减振降噪效果．基于有限元直接法计算了一两端固支矩形平板的频率响应,以板局部厚度为设计变量,以振动板各节点振动速度最小化为目标,建立了减小振动速度的优化模型,用可行方向法对一简支矩形板在1—200Hz的振动实施了优化;用间接边界元法对振动板在优化前、后的声学进行数值分析,以比较振动优化的降噪效果．实例结果表明,优化设计通过对结构重量的重新分布可在结构重量相对不变的情况下,在一较宽频段内均得到减振降噪效果．