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任意拉格朗日-欧拉标架下的轮胎稳态滚动动力学分析及软件开发

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任意拉格朗日-欧拉标架下的轮胎稳态滚动动力学分析及软件开发

作者：周明昆吉林大学

学位级别：硕士

航空轮胎稳态滚动分析不仅可以帮助了解轮胎在着陆时的受力分布、变形和滑移情况,从而评估飞机的着陆性能和安全性;还可以帮助研究人员深入了解轮胎在不同条件下的受力情况,从而指导轮胎材料的选择和结构设计;同时,借助数字化仿真技术,... 详细信息

航空轮胎稳态滚动分析不仅可以帮助了解轮胎在着陆时的受力分布、变形和滑移情况,从而评估飞机的着陆性能和安全性;还可以帮助研究人员深入了解轮胎在不同条件下的受力情况,从而指导轮胎材料的选择和结构设计;同时,借助数字化仿真技术,可以实现虚拟测试和优化,加速轮胎设计过程,降低成本和时间投入。因此,本文开展了任意拉格朗日-欧拉标架下的轮胎稳态滚动动力学分析及软件开发的研究,主要工作与成果有:(1)研究了超弹性材料本构拟合方法。基于4种试验类型下的8类超弹性本构模型,推导了用于曲线拟合的各个模型的导数。针对线性和非线性本构模型分别采用线性最小二乘法和Levenberg-Marquard算法拟合。通过与单轴拉伸下的试验数据进行对比,验证了本文拟合方法的有效性。(2)推导了轮胎稳态滚动动力学理论。基于ALE方法与最小势能原理,推导了关于位移、静水压力以及体积改变率的三场混合变分方程,对其线性化和离散化,得到了轮胎稳态滚动分析的有限元离散格式,为后续软件开发提供了理论依据。(3)开发了轮胎稳态滚动动力学软件。设计了单元类、滚动角速度类等类库以及软件的交互界面;建立了航空轮胎有限元模型,并完成了低速和高速工况下的稳态滚动分析,通过与商业软件进行对比,验证了软件的计算精度和效率。本文研究了轮胎稳态滚动有限元方法,并自主开发了轮胎稳态滚动有限元工业软件,最终对航空轮胎进行仿真分析,验证了自主开发有限元工业软件的精度与效率,具有一定的工程应用价值。

关键词：航空轮胎稳态滚动 ALE 有限元方法工业软件开发

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航空轮胎热力耦合计算及工业软件开发

航空轮胎热力耦合计算及工业软件开发

作者：李功泉吉林大学

学位级别：硕士

航空轮胎在飞机起飞、着陆和滑行等阶段提供关键的摩擦力与抓地力。然而橡胶材料的粘弹性特性会使轮胎在服役期间产生滞后能量,其能量最终以热量形式释放,导致轮胎温度升高,降低轮胎性能。轮胎热力耦合分析可以获得轮胎温度分布,从而指... 详细信息

航空轮胎在飞机起飞、着陆和滑行等阶段提供关键的摩擦力与抓地力。然而橡胶材料的粘弹性特性会使轮胎在服役期间产生滞后能量,其能量最终以热量形式释放,导致轮胎温度升高,降低轮胎性能。轮胎热力耦合分析可以获得轮胎温度分布,从而指导轮胎老化设计。因此本文开展了航空轮胎热力耦合计算及工业软件开发的研究,主要工作与成果有:(1)研究了航空轮胎的热力耦合有限元方法。将热力耦合求解流程分为稳态滚动分析、能量损耗计算和热传导分析三部分。对轮胎稳态滚动得到的应力应变曲线采用傅里叶级数进行分解,之后计算每个单元的生热率。对航空轮胎的稳态温度场有限元方程形式进行推导,得到六种传热单元的单元传热矩阵与温度载荷列阵,为后续软件开发提供了理论依据。(2)开发了航空轮胎结构热力耦合分析软件。依据有限元的求解流程与面向对象的设计思想,采用C#语言编写了计算轮胎生热率与滚阻的程序。设计了热力耦合分析涉及到的单元类、材料类、载荷类与分析步类等类库,编写了求解单元传热矩阵与载荷列阵所需函数。对软件交互界面进行设计,并介绍了软件的操作流程。(3)验证了热力耦合分析软件的有效性。通过参数化几何建模的方法建立航空轮胎模型,然后对模型进行工况设置。分别使用Abaqus软件与自主开发的热力耦合分析软件对航空轮胎进行热力耦合分析,通过对比两款软件的计算结果,完成了对本软件计算精度与效率的验证;并采用本软件分析了充气压强、接地负载与滚动速度对温度分布的影响。本文研究了航空轮胎热力耦合有限元方法,并自主开发了热力耦合分析有限元软件。通过对航空轮胎进行仿真分析,验证了自主开发有限元工业软件的精度与效率,具有一定的工程应用价值。

关键词：航空轮胎滞后损失生热率热力耦合分析工业软件开发

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板壳结构静力学有限元计算及工业软件开发

板壳结构静力学有限元计算及工业软件开发

作者：周思宇吉林大学

学位级别：硕士

板壳结构是工程领域中的常见构件,具有质量轻、结构稳定、性能良好等优点。为了研究板壳结构的力学性能,采用有限元方法进行分析。板壳单元的力学模型是膜单元与板单元的叠加,采用非协调元方法解决膜单元面内剪切自锁问题和混合插值方... 详细信息

板壳结构是工程领域中的常见构件,具有质量轻、结构稳定、性能良好等优点。为了研究板壳结构的力学性能,采用有限元方法进行分析。板壳单元的力学模型是膜单元与板单元的叠加,采用非协调元方法解决膜单元面内剪切自锁问题和混合插值方法解决板单元横向剪切自锁问题。通过对板壳结构进行静力学分析,可以有效预测板壳结构的力学性能。因此,本文开展了板壳结构静力学有限元计算及工业软件开发的研究,主要工作与成果有:(1)推导了板壳结构静力学有限元方程。所开发板壳单元的力学模型为膜单元与板单元的叠加,膜单元为二维平面单元,采用非协调元方法对面内剪切自锁进行修正。板单元为Mindlin中厚板,运用混合插值方法对横向剪切自锁进行修正。为后续板壳结构静力学分析软件的开发奠定了理论基础。(2)开发了板壳结构静力学分析软件。根据有限元求解流程与面向对象的设计思想,采用C#语言编写了板壳有限元计算程序,设计了板壳结构静力学分析涉及到的单元类、属性类、载荷类与分析步类等类库,并完成了软件界面设计。最后,介绍了软件的操作流程。(3)实现了板壳结构静力学有限元分析。通过对平板结构、曲壳结构和车身零部件结构三种类型的算例进行测试来验证所开发程序的有效性。建立了算例的有限元模型,分别使用Abaqus软件和自主工业软件对结构进行有限元计算。通过对比两款软件的计算结果和计算时间,完成了对自主工业软件计算精度和计算效率的验证。本文研究了板壳结构静力学有限元方法,并自主开发了板壳结构静力学有限元分析软件,通过对平板结构、曲壳结构和车身零部件结构进行有限元分析,验证了自主开发软件的计算精度与效率,具有一定的工程应用价值。

关键词：板壳结构 Mindlin中厚板静力学分析有限元方法工业软件开发

辐条式免充气轮胎有限元建模与静动态性能分析

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辐条式免充气轮胎有限元建模与静动态性能分析

作者：王勇吉林大学

学位级别：硕士

轮胎作为汽车的重要组成部分,其质量和性能直接关系着车辆的操控性和舒适性。与充气轮胎相比,免充气轮胎由于其耐刺扎、防爆胎、低滚阻且能在全地形路况行驶等优点,成为国内外轮胎行业的主要研究领域。免充气轮胎主要分为辐条式、孔洞... 详细信息

轮胎作为汽车的重要组成部分,其质量和性能直接关系着车辆的操控性和舒适性。与充气轮胎相比,免充气轮胎由于其耐刺扎、防爆胎、低滚阻且能在全地形路况行驶等优点,成为国内外轮胎行业的主要研究领域。免充气轮胎主要分为辐条式、孔洞式和机械式,本文主要针对辐条式免充气轮胎开展研究,通过有限元建模、创建接触约束、耦合约束等对其进行力学性能分析。因此开展了辐条式免充气轮胎有限元建模与静动态性能分析,主要工作与成果有:(1)建立了辐条式免充气轮胎有限元模型。采用加强筋模型方法进行增强层建模,基于子午线充气轮胎进行免充气轮胎几何结构设计。对轮胎各组件取样并进行单轴拉伸试验,选择Yeoh本构模型对超弹性橡胶进行曲线拟合,得到对应的本构参数。使用Python语言进行几何结构二次开发,创建自动化建模图形用户界面,提升建模效率。(2)分析了充气轮胎和免充气轮胎在接地工况下的静态力学性能。对两款轮胎径向变形和接触压强进行对比,评判了免充气轮胎各组件受力情况,安全性能良好。研究了不同载荷下两款轮胎的径向、纵向、侧向以及包覆刚度,通过充气轮胎试验证明了刚度分析的合理性,探讨了结构参数对免充气轮胎接地特性的影响。(3)分析了免充气轮胎在模态、越障和侧偏工况下的动态力学性能。提取了轮胎径向固有频率和振型,探讨了轮辐参数和胎面参数对固有频率的影响。基于隐式-显式数据传递功能,开展了瞬态越障有限元分析,分析了滚动速度和凸块高度对轮胎性能的影响。建立了侧偏有限元模型,研究其在不同速度和摩擦系数下的性能。本文基于子午线充气轮胎设计了辐条式免充气轮胎,对其进行三维有限元建模,研究其在静态接地下的力学性能,通过试验证明了设计的合理性,并对其进行动态行为下的模态、越障和侧偏分析,具有一定的工程应用价值。

关键词：辐条式免充气轮胎有限元建模接地分析模态分析越障分析侧偏分析

移动车辆作用下的公路车桥耦合动力学计算与软件开发

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移动车辆作用下的公路车桥耦合动力学计算与软件开发

作者：王东禹吉林大学

学位级别：硕士

桥梁间接测量法具有操作方便、适用性强等特点,适用于对众多的中小跨径桥梁进行健康监测。车桥耦合动力学计算是桥梁间接测量法的理论基础,即车辆在桥梁上行驶,两者会产生相互作用和影响,移动车辆的动力响应中包含桥梁的模态信息。对车... 详细信息

桥梁间接测量法具有操作方便、适用性强等特点,适用于对众多的中小跨径桥梁进行健康监测。车桥耦合动力学计算是桥梁间接测量法的理论基础,即车辆在桥梁上行驶,两者会产生相互作用和影响,移动车辆的动力响应中包含桥梁的模态信息。对车桥耦合过程进行仿真计算并开发通用软件有助于桥梁间接测量法的发展。因此本文开展了移动车辆作用下的公路车桥耦合动力学计算与软件开发的研究。主要工作成果有:(1)研究了钢筋混凝土实体桥梁与多种汽车车辆模型耦合的动力学计算方法。对于钢筋混凝土复合材料,采用组合式建模方法,将钢筋等效为铺层膜结构,埋入实体单元内部,形成内埋膜单元。将车辆模型采用接触位置共节点的方式与桥梁有限元模型耦合,并考虑路面粗糙度的影响。采用隐式动力学方法求解了移动车辆载荷在实体桥梁上运动的动力学问题。计算得到了接触点时域响应并通过快速傅里叶变换得到了频谱结果。(2)开发了公路车桥耦合动力学计算软件。软件基于课题组有限元工业软件架构,根据面向对象的原则进行开发。软件实现了有限元模型导入、车桥耦合计算、时域和频域计算结果显示的全部流程。可对不同的钢筋混凝土桥梁模型与汽车车辆模型的车桥耦合运动过程进行动力学仿真计算,并获得基于桥梁间接测量法的实体桥梁桥频识别结果。(3)开展了车桥耦合系统时、频域计算结果的算例验证。将本软件与商业软件的时、频域计算结果对比,验证了本软件计算结果的有效性。成功从均质实体桥梁、复合材料实体桥梁的过桥车辆频谱图中识别出了桥梁频率,且结果比较清晰。分析了测量车移动速度、路面粗糙度、外激励的变化对三维桥梁频率识别效果的影响。建立了钢筋混凝土板梁桥有限元模型,分析了精细桥梁模型的时域结果及桥频识别结果。本文研究了不同车辆模型在实体桥梁模型上运动的车桥耦合动力学有限元计算方法,从车辆响应中识别到了桥梁频率,并开发了相应的仿真软件,具有一定的科学研究和工程应用价值。

关键词：公路车桥耦合移动车辆载荷有限元方法桥梁间接测量法软件开发

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弹塑性结构有限元计算及工业软件开发

弹塑性结构有限元计算及工业软件开发

作者：彭世昕吉林大学

学位级别：硕士

在工程学科领域,弹塑性材料被广泛应用于机械制造、汽车、航空等行业,弹塑性计算是结构变形,失效的重要评价手段,另外,有限元方法的发展与CAE软件的出现对于分析求解工程中的弹塑性结构带来了极大的便利性。基于此背景,本文开展了弹塑... 详细信息

在工程学科领域,弹塑性材料被广泛应用于机械制造、汽车、航空等行业,弹塑性计算是结构变形,失效的重要评价手段,另外,有限元方法的发展与CAE软件的出现对于分析求解工程中的弹塑性结构带来了极大的便利性。基于此背景,本文开展了弹塑性结构有限元计算及工业软件开发的研究,主要工作与成果有:(1)研究了弹塑性增量理论的有限元方法。基于4项基本准则,详细推导了增量理论的本构关系,在对应的有限元方法中,通过对虚功方程线性化和位移插值给出了离散格式,并针对理论给出了Newton-Raphson迭代法的求解流程,为后续弹塑性结构分析软件的开发奠定了理论基础。(2)开发了弹塑性有限元分析软件。基于课题组自主开发的软件框架设计对增量理论的有限元分析进行了软件开发,对此以简单块体算例为例介绍了相关窗体开发、软件基本功能、单元类的开发以及求解类的开发,使之能够对于后续的案例进行自主开发软件的有限元分析与求解。(3)实现了弹塑性结构案例的有限元求解。使用本软件对简单试件的单轴拉伸,3种不同材料参数的铝合金试件单轴拉伸以及铝合金保险杠的撞击的3种工况进行了测试,并将算例测试的云图结果与Abaqus软件进行对比,验证了本软件对于弹塑性结构的求解精度与效率。本文研究了弹塑性理论的有限元方法,并自主开发了一款弹塑性结构有限元分析软件,最终对具有弹塑性材料的不同案例进行了测试,验证了软件的精度与效率,具有一定的工程应用价值。

关键词：弹塑性增量理论有限元工业软件开发

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汽车前副车架结构拓扑优化设计及试制

汽车前副车架结构拓扑优化设计及试制

作者：李高尚吉林大学

学位级别：硕士

近年来,随着对汽车高品质需求的不断提升,在很多车型上已经开始应用副车架,以提升汽车的整体品质。一般副车架可以起到支撑和连接的功能,可以有效提升汽车的驾驶性、舒适性、安全性。本文以铝合金前副车架为研究对象,在熟悉其周边零部... 详细信息

近年来,随着对汽车高品质需求的不断提升,在很多车型上已经开始应用副车架,以提升汽车的整体品质。一般副车架可以起到支撑和连接的功能,可以有效提升汽车的驾驶性、舒适性、安全性。本文以铝合金前副车架为研究对象,在熟悉其周边零部件的前提下,运用软件CATIA建立了前副车架的几何模型。使用软件Hyper Mesh对前副车架结构进行了有限元前处理,从而建立了前副车架的有限元模型,其次应用软件Opti Struct对前副车架进行了多目标拓扑优化。依据拓扑优化的运算结果,再次设计了汽车铝合金前副车架,并进行了铝合金前副车架的静力分析。对前副车架完成了模态分析,各阶模态均符合要求。采用静力分析的结果,运用软件Opti Struct对前副车架进行了疲劳寿命分析。从汽车前副车架的结果云图中,可以发现前副车架的易损区域。最后对前副车架结构添加铸造工艺,重新建立模型。在对铝合金前副车架进行工艺性分析的基础上,确定了低压铸造生产方式,而后建立了相应的浇注系统,然后利用铸造模拟软件Pro CAST进行仿真,进而获得了铝合金前副车架充型和凝固的仿真过程,最终预测了缩孔和缩松缺陷,为下一阶段的铸造试制提供了参考。对所设计的铝合金前副车架进行了低压铸造试制,采用3D打印设备,打印出粘结剂将砂粒粘接在一起,直接生产砂模和砂芯,而后进行低压浇注。本文对前副车架进行了拓扑优化设计的基础上,进行了静力分析、模态分析、疲劳分析、铸造模拟和试制,最终设计出了符合要求的产品,对其它的汽车底盘零部件的研究提供了借鉴和参考。

关键词：前副车架拓扑优化模态分析疲劳分析铸造试制

面向力学性能的钢铝车身结构选材准则研究与应用

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面向力学性能的钢铝车身结构选材准则研究与应用

作者：卢亚运吉林大学

学位级别：硕士

随着汽车工业的不断发展,各种轻质材料的使用,已经成为汽车车身轻量化研究的一大趋势。车身结构的轻量化设计对整车的轻量化具有至关重要的作用,也是降低有害物质排放、提高汽车燃油经济性最有效的手段之一。相比于传统的钢质材料白车... 详细信息

随着汽车工业的不断发展,各种轻质材料的使用,已经成为汽车车身轻量化研究的一大趋势。车身结构的轻量化设计对整车的轻量化具有至关重要的作用,也是降低有害物质排放、提高汽车燃油经济性最有效的手段之一。相比于传统的钢质材料白车身结构,钢铝混合材料车身结构在传统的单一钢质材料白车身结构中加入轻质材料,这就使得高强度钢板充分发挥其价格及强度优势的同时,也能够兼顾轻质材料在能量吸收和减重方面的特性,从而在降低成本或成本提高不大的前提下实现提高车身结构强度和轻量化设计的目标。本文首先研究了车身中常用的铝合金材料AA6063的力学特性,推导出其有效应力-应变曲线,并将其应用于弯板和型材有限元仿真,其中涉及到弯板的失稳试验与有限元仿真,以及三种不同截面形状型材的三点弯曲失稳试验与有限元仿真,分析结果表明试验与仿真误差较小,说明可以通过仿真代替该种材料的试验。其次,对车身结构中常用的弯板与简化型材进行了等效替换的研究。就平板的纯弯曲而言,小变形分别讨论了等刚度和等强度两种情况;大变形通过试验得出平板失稳峰值力与板厚的函数关系。对型材而言,以矩形管为研究对象,进行了小变形的等刚度、等强度的讨论。在大变形中,首先对圆管、方管、单帽型、双帽型、正八边形和多腔室型材进行了轴向压溃的等效替换研究,以型材厚度为变量,以轴向压溃中型材所受到的峰值力为响应,分别就普通钢、高强钢与铝合金进行了讨论,分析其轻量化效果;最后,对圆管、矩形管和槽型钢的侧向弯曲大变形进行了等效替换研究,探讨其轻量化效果。然后,对车身结构中常用的弯板与型材的等效替换研究。首先分析了奥迪A8D5车身整体与典型结构钢铝等效替换后的轻量化效果,说明在适当的位置使用恰当的材料,不仅可以提高车身结构的性能,还能实现轻量化设计的目标。将车身选材准则和典型结构的简化与等效替换应用于某车型车身结构中,对车身关键吸能部件进行钢铝混合材料等效替换的研究与设计,辅以B柱侧面碰撞的算例进行验证,进而可以实现车身结构轻量化的设计目标。最后,研究了铝制型材的挤压成型有限元仿真,从模具结构设计到有限元仿真的前处理、再到工艺参数的设定,最后就仿真质量、生产效率与能耗、场问题进行了分析总结,结果说明挤压工艺使得铝材断面设计性增强。

关键词：钢铝车身静刚度强度选材准则型材挤压