流固耦合振动的组合模态综合法

本文提出了流固耦合振动一种新的计算方法——组合模态综合法。该方法建立在流体-固体有限元组成的杂交子结构模型基础上.对流体子结构采用约束模态(静力变换模态),同固体子结构的两种模态——模综超元法中的动力变换模态和Craig的固定界面模态进行组合,以组合模态作为广义坐标对流固杂交子结构的运动方程进行变换获得两种形式的计算方法。本方法中采用了先装配流体子结构后装配固体子结构的技巧,从而消除了流体元的全部自由度和固体子结构的全部内自由度,仅保留固体子结构对接边界自由度,使最后计算特征值的矩阵阶数保持与结构中的模态综合超单元法及Craig法的阶数完全相同,大大减少了计算机时。 通过曲弯曲板元和平面膜元的组合板元构成的立体方盒结构以及三维矩形有限元的流固耦合振动计算,获得了与P.C.Chowdhury用整体有限元计算及光测实验一致的数值结果。     

大型复杂结构振动特性分析方法研究

针对大型复杂结构振动特性的预测问题,发展了子结构方法,并应用于圆柱壳模型的振动特性研究。讨论了子结构方法的理论基础,分析了子结构间边界处理协调条件、模态截取数和模型缩聚对子结构方法预测精度的影响,并初步比较了其与传统有限元法耗费的计算时间量和内存量的大小,最后,进一步探讨了子结构方法中试验模态与计算模态混合计算的可行性。研究结果表明,子结构方法应用于求解船舶等大型复杂结构的振动特性是可行的。     

流固耦合振动的组合模态综合法

本文提出了流固耦合振动一种新的计算方法——组合模态综合法。该方法建立在流体一固体有限元组成的杂交子结构模型基础上,对流体子结构采用约束模态(静力变换模态),同固体子结构以下二种模态:(1)模综超元法中的动力变换模态和(2)Craig 的固定界面模态进行组合,以组合模态作为广义座标对流固杂交子结构的运动方程进行变换获得二种形式的计算方法。本方法中采用了先装配流体子结构后装配固体子结构的技巧,从而消除了流体元的全部自由度和固体子结构的全部内自由度,仅保留固体子结构对接边界自由度,使最后计算特征值的矩阵阶数保持与结构中的模态综合超单元法及 Craig 法的阶数完全相同,大大减少计算机时。通过由弯曲板元和平面膜元的组合板元构成的立体方盒结构以及三维矩形有限元的流固耦合振动计算,获得了与 P.C.Chowdhufy 用整体有限元计算及光测实验一致的数值结果。本方法尤适用于具有大量流固交界面自由度和少量结构对接自由度的船舶流固耦合振动计算,也适用于滨海工程结构和其它工程的这类问题计算。与以往的流固耦合振动计算方法相比,富有实用意义和经济效益。     

结构系统动态响应计算的模态综合加速度法

本文基于模态综合超单元法和模态加速度叠加法的原理,提出了一种求解大型复杂结构动态响应的新方法。利用固定对接主模态,可使结构的副自由度全部精确地缩聚掉,大大降低求解方程的阶数。然后利用模态综合超单元法求结构系统的动态特性,最后用模态加速度叠加法求出有阻尼多自由度结构系统的动态响应值。关于结构系统阻尼如何确定,我们提出了一个新的思想。该思想以子结构为出发点。子结构的阻尼阵与子结构的刚度阵和质量阵成正比,其比例系数由试验或者以往积累的经验所确定。然后利用固定对接技术,将各子结构装配起来,就得到了整个结构系统的阻尼阵。这种处理方法的优点是明显的,因为子结构与整个结构系统相比,其阻尼是比较容易精确地确定的。应用以上提出的方法,与应用有限元技术求结构系统的整体解相比,CUP时间可大大节省,计算效率大为提高,並且具有很高的精度。又因为本文提出的方法是基于动态子结构法,所以大型复杂结构系统的动态响应计算可望在微机上进行。     

结构动态响应计算中模态迭加法的简化解

在子结构的固定界面最低频率比整体结构基频较高的条件下,把结构动态特性计算的模态综合超单元法以其简化解拓广至结构动态响应的计算领域,并用固定界面Ritz矢量替代子结构的固定界面模态。通过数值运算,说明本方法经济有效,精度令人满意。     

结构动态响应计算中模态迭加法的简化解

在子结构的固定界面最低频率比整体结构基频较高的条件下,把结构动态特性计算的模态综合超单元法以其简化解拓广至结构动态响应的计算领域,并用固定界面 Ritz 矢量替代子结构的固定界面模态。通过数值运算,充分说明本方法经济有效,精度令人满意.     

子结构方法在圆柱壳体振动特性分析中的应用研究

针对大型复杂结构振动特性的预测问题,发展了一种子结构方法,并应用于圆柱壳模型的振动特性研究。圆柱壳模型长4.2m,直径0.4m,由5部分组成,并且在第4和第5部分内有一个轴系结构。用子结构方法研究其振动特性时,模型被分为3个子结构,子结构间通过螺栓进行连接。因此,首先介绍了子结构方法及连接处理方式的理论基础,然后通过实验验证了发展方法的正确性,并着重分析了子结构模态综合阶数和连接处理方式对整体结构预测结果的影响规律,最后对比分析了子结构方法与传统有限元法对计算量和内存量的要求。结果表明：发展的子结构方法具有较高的精度,可应用于求解船舶等大型复杂结构的振动特性。     

大底盘多塔楼结构的基础设计与施工

大底盘多塔楼结构的高层建筑，通常是大底盘以上至少有二个或二个以上的多塔楼结构。多塔楼的子结构在风及地震荷载作用下，有一个整体稳定，相互协同变形的问题，由大底盘多塔楼结构基础来保证上部多塔结构的安全。大底盘多塔楼结构基础，在软土地区对于基础的沉降、倾斜的要求，对保证上部多塔楼子结构的安全起到了尤为重要的作用。本文通过上海阳光新城多塔高层建筑大底盘基础设计与施工实践，特别是近六年来的沉降观测资料同计算进行对比分析，进行设计总结。     

模态综合超单元法及其在船舶结构动态计算中的应用

近几年来,在一些先进的造船工业国家,部件模态综合法在船体结构动态计算中已开始应用。通过将整船分成上层建筑、桅杆、船体梁等若干部分,分别计算各部件的动态特性然后加以综合,可得到整船的结构动态特性。这就有效地解决了计算机容量不足的问题,使绝大部分拥有中小型计算机的企业对这类大型复杂结构的动态计算成为可能。本文根据动力变换原理和超单元的模态分析,导出了一种新的动态子结构法——模态综合超单元法,克服了一般模态综合法与通用有限元法技术相结合的困难,改进了Guyan、Kuhar等人提出的静力、动力缩聚计算的精度。本文提出的模态综合超单元法是将模态综合法与阻抗匹配法结合起来的一种新的动态子结构法,在超单元的缩聚动刚度矩阵中保留了若干阶的固定对接主模态,从而保证了计算精度。在取得超单元的动态缩聚信息后,采用与有限元相同的对接步骤,得到缩聚了的、依赖于系统频率的动刚度矩阵。解此非线性特征方程,即得到所求系统的特征值。本文对非线性特征值的计算原理和步骤也作了专门阐述,这在动态子结构法中是十分关键的一步。根据本方法的计算原理,在我所国产的108计算机上建立了通用程序,并对已有精确解和试验结果的立体双层框架进行了计算考核,结果吻合良好。然后用本方法对5000吨舱口驳模型进行了计算,利用对称和反对称原理计算了具有456个自由度的驳船模型的四分之一部分,将该部分分成四个超单元,每个超单元分别由132个自由度或108个自由度的膜梁组合结构立体舱段组成,用子空间联立迭代法计算得到每个舱段的模态,加以综合后求得整船的动态特性。最后将计算结果与对该模型采用先进的模态识别试验(击锤法)及Molré干涉横向测振试验结果进行了比较,一致性也是满意的。     

凸轮发动机轴系扭振模态综合分析

本文采用模态综合技术对凸轮发动机轴系进行扭振分析，即根据凸轮发动机的结构针基划分为若干具有简单形式匠子结构，各子结构用有限元法进行计算，选取各子结构的低阶模态参加综合，从而提高分析效率。在要机上进行了扭振测量，并在和试验的基础上对凸轮发动机轴导振特性进行了初步探讨。     

三维复杂弹性耦合冲击隔离系统建模研究

针对带弹性筏体和弹性基础的三维复杂弹性耦合冲击隔离系统，综合运用多体动力学理论、结构动力学理论、子结构方法、有限元方法，考虑系统刚体运动与弹性振动的耦合，建立了三维复杂弹性耦合冲击隔离系统的动力学模型；编写计算程序计算系统的固有频率，并与用ANSYS软件建模计算的固有频率和实验值进行比较，结果吻合得较好，通过试验工况下计算的机组加速度响应与实测结果的比较，验证了模型的正确性；最后计算分析系统在三向冲击激励下的动力学响应，为分析浮筏系统的冲击响应控制和参数优化奠定理论基础。     

ANSYS中的有限应变梁单元和子结构技术在板梁组合结构分析中的应用

板梁组合结构是一种复杂的空间系统,主要由钢板和骨架(梁)组成.此结构通常采用的有限元模拟计算模型存在其自身的不足.本文提出了一种新的模拟方法,采用SHELL63板单元和BEAM188有限应变梁单元的组合板-刚架结构,依据实际工程模型的组合特性模拟板梁组合结构.同时结合子结构分析,解决了此方法产生的单元和节点数量大的问题,并节省计算空间和时间.通过在某导管架平台的实际应用,证明了此种简化模型不仅可以弥补通常的简化模型存在的不足,而且提高了计算精度和模拟层次.     

基于动态子结构-阻抗法的车辆制动鼓动态特性研究

为了能准确、快速分析和预测复杂鼓式制动器结构的动态特性,采用动态子结构综合法-阻抗法对其模态特性进行了研究.基于动态子结构综合法-阻抗法推导了复杂结构动态响应特性关系式,计算了鼓式制动器的模态参数,比较了采用动态子结构综合法和有限元法计算制动鼓的响应时间.结果表明:采用动态子结构综合法-阻抗法是准确、高效的,既能准确计算制动鼓的模态特性,又能快速预测其动态响应特性.     

船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析

为提高焊接热弹塑性数值模拟的效率,采用静态子结构方法实现焊接热传导分析计算。根据船体加筋板结构的重复性和对称性特点,将整个结构根据加强筋划分为若干相同的静态子结构,计算得到1条焊缝的温度分布后,通过温度场的镜像和平移获得整个结构的温度场。以船体加筋板为例,采用静态子结构方法并结合温度场的镜像和平移技术,计算分析船体加筋板的焊接温度场和应力场结果。计算表明,该方法在保证计算精度的前提下,极大地提高了计算效率。     

船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析

为提高焊接热弹塑性数值模拟的效率,采用静态子结构方法实现焊接热传导分析计算。根据船体加筋板结构的重复性和对称性特点,将整个结构根据加强筋划分为若干相同的静态子结构,计算得到1条焊缝的温度分布后,通过温度场的镜像和平移获得整个结构的温度场。以船体加筋板为例,采用静态子结构方法并结合温度场的镜像和平移技术,计算分析船体加筋板的焊接温度场和应力场结果。计算表明,该方法在保证计算精度的前提下,极大地提高了计算效率。     

基于子结构技术的全船总体和局部振动研究

针对局部振动计算中难以确定局部构件的边界条件和全船振动计算成本过大的问题,引入子结构技术。阐述了子结构技术的基本理论,结合子结构和流固耦合技术,对一艘新型散货船进行了局部和全船振动分析预报。在预报过程中,运用流固耦合方法添加外部附连水和油水舱质量,用子结构界面减缩技术确定局部边界条件,进行局部模态分析,运用计算效率成倍提高的部件模态综合法进行总振动预报。最终,提出了横撑及其船体加强的优化方案。该方案能改良主机和船体结构的振动性能,并满足各自的标准要求。     

子结构技术在斜拉桥施工仿真分析中的应用

本文针对大跨度斜拉桥等大型复杂桥梁结构大多采用节段施工的特点,将子结构技术与节段施工方法结合起来进行桥梁施工全过程仿真分析。在阐述子结构技术分析方法的基础上,寻求合理的子结构划分方法来模拟斜拉桥的施工进程,并应用有限元分析软件ANSYS的子结构分析功能,对一座独塔斜拉桥实现了施工全过程仿真分析。结果表明,利用子结构技术可以简化施工过程的模拟并大大缩短计算时间,特别适用于复杂模型的桥梁结构分析。     

增压器涡轮叶片和轮盘组装结构的三维接触精细有限元分析

采用多重多支的子结构分析技术,应用基于接触问题参变量分原理的有限元参数二次规划算法,对增压器涡轮叶片和轮盘的组装结构按三维弹性接触模型进行了精细的有限元分析,最小单元边长为０．２ｍｍ,节点总数５９５４６个,单元总数为５７１５０个八节点等参块体元。计算结果与实际符合得很好,改进后的涡轮已投入批量生产。     

子结构快速多极子边界元法声学迭代计算收敛特性分析

将子结构技术应用到快速多极子边界元法中,形成子结构快速多极子边界元法。通过复杂结构声场计算,对该方法的迭代计算收敛情况以及影响收敛的因素进行研究分析。经研究发现,应用Fortran语言编程求解问题时,矩阵方程构建方式,交界面的规模以及是否填充吸声材料对迭代法的收敛速度有着重要影响。最后,以应用子结构快速多极子边界元法与传统边界元法计算消声器传递损失为例,对该方法的准确性和精度进行验证。     

动态子结构法中的非线性特征值计算

计算大型复杂结构振动特性的动态子结构法如约束模态法、模态综合超单元法、部件模态综合法及阻抗匹配法等都不可避免地要解非线性特征方程D~*(ω)δ_m~*=0,即动刚度矩阵随结构振动频率而变化。作者采用修正的sturm序列的两分法,求得初始迭代频率值,再代入上述方程,从而保证了该方程的收敛。本方法经过双层框架计算考核,证实其正确性。