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一种带有沙漏控制的新型EAS实体壳单元

应用力学学报 2011年第2期28卷 117-122,211-212页

作者：李丽明李大永彭颖红上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

基于Hu-Washizu变分原理推导了一种带有沙漏控制的实体壳单元的显式有限元列式;采用面内单点积分方案,提高了计算效率;同时引入沙漏控制力,抑制了沙漏现象。基于缩减积分方案,采用B-bar法消除体积自锁,并通过添加七个改善拟应变参数解... 详细信息

基于Hu-Washizu变分原理推导了一种带有沙漏控制的实体壳单元的显式有限元列式;采用面内单点积分方案,提高了计算效率;同时引入沙漏控制力,抑制了沙漏现象。基于缩减积分方案,采用B-bar法消除体积自锁,并通过添加七个改善拟应变参数解决了泊松自锁和剪切自锁。采用改善拟应变法消除剪切自锁,使得表达式简洁。利用这种显式实体壳单元模型对3个非线性变形的标准算例进行了计算,并与相关参考文献和有限元软件ABAQUS的计算结果进行了比较。结果表明:该实体壳单元具有较高的计算精度,可有效地解决板壳非线性大变形分析问题,具有很好的工程应用前景。

关键词：实体壳单元缩减积分沙漏控制改善拟应变法显式有限元法

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基于等几何实体壳单元的层合壳纤维曲线优化

基于等几何实体壳单元的层合壳纤维曲线优化

作者：吴昊华中科技大学

学位级别：硕士

在军工领域,特别是航天和深潜领域,复合材料壳结构以其卓越的力学性能和轻量化特性备受关注。其中,纤维变角度的方法被认为具有优化结构机械性能的巨大潜力。随着纤维铺设技术的不断改善,利用定制纤维曲线方式来构建变刚度壳结构已经成... 详细信息

在军工领域,特别是航天和深潜领域,复合材料壳结构以其卓越的力学性能和轻量化特性备受关注。其中,纤维变角度的方法被认为具有优化结构机械性能的巨大潜力。随着纤维铺设技术的不断改善,利用定制纤维曲线方式来构建变刚度壳结构已经成为现实。层合结构机械性能与铺层方式(纤维角、铺层顺序)密切相关。然而,直接对纤维角进行优化可能会面临多变量和多局部最优解等问题,从而导致优化求解困难。为避免这些问题,可以利用与铺层方式有关的铺层参数进行优化。然而,基于铺层参数的方法仍然存在一些问题。首先,目前的研究大多基于厚度方向简化的板壳单元,缺乏对实体壳单元铺层参数的研究。其次,在基于铺层参数的纤维曲线反求过程中,设计空间较大的纤维曲线描述方法往往存在奇异性分布,并且缺乏对曲面层合壳上纤维相关制造约束的研究。为解决以上问题,本文开展了复合材料层合壳结构力学性能分析和相关优化研究。首先,利用等几何分析理论并结合基于三维弹性理论相关的实体壳单元,推导了复合材料层合壳结构静力学与屈曲分析的相关计算公式。同时通过与ABAQUS的计算结果进行对比,验证该分析方法的正确性。其次,针对变刚度壳结构应变能优化所面临的高度非凸性问题,提出一种以铺层参数作为中间变量的两阶段优化框架。基于实体壳单元推导层合壳结构的刚度矩阵关于铺层参数的线性表示。接着,建立基于铺层参数的最小化层合壳应变能优化模型,并给出应变能相对于铺层参数的灵敏度计算公式。最后,为了在保证纤维可制造性的前提下,尽可能拓展纤维曲线的设计空间,提出一种基于积分的无奇异点流函数形式,以避免难以制造的纤维分布。同时,基于壳结构曲面方程,给出与纤维相关的制造性约束,如平行度和测地曲率的相关公式。针对之前优化得到的最优铺层参数分布,基于上述纤维模型反求纤维曲线。

关键词：复合材料层合壳等几何分析实体壳单元铺层参数纤维曲线

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平板振动的实体壳单元特性分析

平板振动的实体壳单元特性分析

基于高阶热层合理论的复合材料板壳结构瞬态热分析

第十八届船舶水下噪声学术讨论会

作者：李泽成吴健王斌石碧亮中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室江苏省绿色船舶技术重点实验室

本文以四边简支矩形板的固有频率解析解为基准,从单元阶次、单元尺寸和单元拓扑形状等方面分析了实体壳单元用于计算平板振动的注意事项。结果表明,壳体结构一个波长需要12个一阶实体壳单元,或者4个二阶实体壳单元才能满足结构计算精度... 详细信息

本文以四边简支矩形板的固有频率解析解为基准,从单元阶次、单元尺寸和单元拓扑形状等方面分析了实体壳单元用于计算平板振动的注意事项。结果表明,壳体结构一个波长需要12个一阶实体壳单元,或者4个二阶实体壳单元才能满足结构计算精度要求;五面体实体壳单元的精度比六面体实体壳单元的精度差一些,而且要求实体壳单元的法线沿着厚度方向,而六面体实体壳单元无需人工定义法线方向。

关键词：有限元实体壳单元平板

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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工程力学 2025年第2期42卷 33-40页

作者：王亚楠赵建宁张家雷刘冬欢北京科技大学数理学院应用力学系北京100083 中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

基于高阶热层合理论建立了复合材料板壳结构瞬态热分析的有限元方法,该格式将多个物理铺层简化为一个计算层,并在各计算层的界面上应用温度连续性条件。在板壳结构中面内对温度场采用二次插值函数,同时假设板壳厚度方向上的温度随计算... 详细信息

基于高阶热层合理论建立了复合材料板壳结构瞬态热分析的有限元方法,该格式将多个物理铺层简化为一个计算层,并在各计算层的界面上应用温度连续性条件。在板壳结构中面内对温度场采用二次插值函数,同时假设板壳厚度方向上的温度随计算层厚度坐标高阶变化,从而大大提高了层合复合材料板壳结构热分析的计算效率。该文应用此方法对受集中热流作用下的复合材料柱壳及平板进行了算例研究,通过和商用软件结果的对比验证了该文方法在柱壳的瞬态温度场及平板厚度方向上温度分布的计算精度及计算效率。数值结果表明,基于该文高阶热层合理论的复合材料结构瞬态热分析方法不仅可以高精度模拟结构面内及厚度方向上的温度变化,同时,由于在板壳结构厚度方向上大大减少了节点数量,因此,极大地提高了热分析的计算效率。该方法可进一步用于非傅里叶传热等温度随时间空间急剧变化的极端工况下的瞬态热分析。

关键词：复合材料结构高阶热层合理论多计算层瞬态热分析实体壳单元

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非协调实体壳元及其在振动分析中的应用

建筑科学 2008年第3期24卷 39-42页

作者：王云岗武汉理工大学资源与环境工程学院

在八节点三维实体等参单元的基础上,为局部坐标系下的挠度位移分量附加单元内非协调位移项,构造了能很好反映横向剪切变形影响的八节点非协调实体壳单元,并将该单元用于板壳结构的振动分析。修正的应力—应变关系可有效地克服实体壳元... 详细信息

在八节点三维实体等参单元的基础上,为局部坐标系下的挠度位移分量附加单元内非协调位移项,构造了能很好反映横向剪切变形影响的八节点非协调实体壳单元,并将该单元用于板壳结构的振动分析。修正的应力—应变关系可有效地克服实体壳元的厚度自锁,高阶非协调位移项的附加可免除剪切和厚度锁闭。通过修正单元常应变矩阵和非协调形函数,保证单元在不规则网格时能通过常应力分片检验。数值算例表明:单元计算精度高,且对于厚板和薄板结构的动力分析都能适用。

关键词：实体壳单元非协调元振动分析

热机电耦合结构动力学及其主动控制的有限元分析

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热机电耦合结构动力学及其主动控制的有限元分析

作者：孙晓洁苏州大学

学位级别：硕士

本文采用8节点实体壳单元、电势沿厚度二次分布的压电单元以及等参热单元构造了热-机-电耦合单元。基于Hellinger-Reissner广义变分原理建立了热-机-电耦合的线性压电板壳动力学有限元模型。为克服梯形自锁、厚度自锁以及剪切自锁，进... 详细信息

本文采用8节点实体壳单元、电势沿厚度二次分布的压电单元以及等参热单元构造了热-机-电耦合单元。基于Hellinger-Reissner广义变分原理建立了热-机-电耦合的线性压电板壳动力学有限元模型。为克服梯形自锁、厚度自锁以及剪切自锁，进一步采用应力杂交元和ANS（Assumed Natural Strain）法。根据本文建立的有限元方程分别对压电片整体铺设和分片铺设结构的静态和动态问题进行数值计算，确定外界载荷、电场、温度场对结构的力学性能的影响规律，主要是结构形变、模态、主动控制等力学性能。数值结果显示本文模型具有相当高的收敛性和精确性。通过对热流和电载荷联合作用对整片和分片铺设压电片结构的静动态特性的影响情况分析，得到在现有假设的前提下，热流作用仅影响机械场的载荷向量，电场影响机械场的刚度矩阵和载荷向量。在线性有限元模型的基础上，采用常增益负速度反馈控制方法对压电结构和热-机-电耦合结构导出了动力控制的有限元模型并进行了有效主动振动控制的数值计算。进一步采用了新的控制模式消除了温度场效应所引起的平衡位置的偏移。最后考虑几何非线性的耦合结构。采用增量分析法，建立有效的非线性热-机-电耦合结构的有限元模型。数值分析了非线性对结构的静态形变的影响，结果显示本文给出的非线性模型的有效性和精确性。

关键词：热-机-电耦合压电结构实体壳单元应力杂交元负速度反馈控制几何非线性增量分析法

异形盒多道次拉深成形过程的仿真分析与试验研究

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异形盒多道次拉深成形过程的仿真分析与试验研究

作者：陈妍南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着科技的发展与进步,具有大高宽比的异形壳体零件在日常生活中的应用日益广泛,其典型代表如MP3、PDA等电子产品的外壳。这类零件普遍具有轻、薄、精、巧的特点,对加工成形的工艺要求也比较高。采用传统工艺焊接而成的分体式外壳,不仅... 详细信息

随着科技的发展与进步,具有大高宽比的异形壳体零件在日常生活中的应用日益广泛,其典型代表如MP3、PDA等电子产品的外壳。这类零件普遍具有轻、薄、精、巧的特点,对加工成形的工艺要求也比较高。采用传统工艺焊接而成的分体式外壳,不仅外观受到影响,而且零件的整体性也遭到一定程度的破坏。本论文以国外某品牌MP3的铝机壳为研究对象,研究了具有大高宽比的异形盒多道拉深及变薄拉深工艺,对整个成形过程进行了数值模拟并以此为依据设计了多套拉深模具,最后通过试验获得了壁厚均匀、美观坚固的零件。本文主要工作如下:1.以铝制MP3外壳为研究对象,通过分析零件结构、功能及精度要求,对此类具有大高宽比、结构非对称的异形薄壁壳体零件提出了两种成形方案,并着重讨论了最具可行性的多道拉深工艺。2.用专业板成形数值模拟软件PAMSTAMP2G对异形盒的成形过程进行工艺仿真,分析、计算变形后板料的应力、应变及厚度分布,预测缺陷可能产生的原因和区域,最终建立了多道次拉深结合变薄拉深的工艺方案。3.根据材料的变形规律,改进拉深模具工艺截面,并运用有限元仿真的方法,优化拉深成形方案。分析了首道次拉深中压边圈锥角、凹模圆角半径、摩擦系数、压边间隙等参数对拉深件质量的影响,归纳出合适的工艺参数。采用实体壳单元对多道拉深与变薄拉深的七个变形阶段进行连续数值模拟,非常直观地预示了整个工艺过程和零件的成形情况。4.根据优化后的工艺参数设计模具,完成MP3铝机壳的多道拉深和变薄拉深成形,以及成形局部细节的液压胀形与热成形试验。将试模生产得到的合格零件和仿真结果进行对比,采用截面法比较了试验及仿真的壳体壁厚变薄分布,分析其中的差异并归纳、总结工艺设计和模具设计的要点,为设计此类异形深盒件的拉深工艺及模具结构提供重要的参考。本论文以建立模型——数值模拟——工艺优化——试验检验为研究思路,对具有大高宽比的异形深盒件的成形工艺进行了系统研究,并通过模具制造与零件成形的实际过程验证了工艺的可行性与可靠性,提高了MP3铝机壳拉深成形的工艺设计水平和零件质量。

关键词：异形盒多道次拉深变薄拉深有限元仿真优化实体壳单元

复合材料层合板脱层分析界面元性能研究与脱层数值模拟

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复合材料层合板脱层分析界面元性能研究与脱层数值模拟

作者：赵鹏天津大学

学位级别：硕士

复合材料层合结构因其优异的力学性能而被越来越广泛地应用于不同的工程领域。虽然复合材料在纤维增强方向具有高比强度、高比模量等特点,但是它们铺层间的强度很低,尤其是在横向低速冲击等荷载下,层合结构内部会产生不可忽视的损伤,其... 详细信息

复合材料层合结构因其优异的力学性能而被越来越广泛地应用于不同的工程领域。虽然复合材料在纤维增强方向具有高比强度、高比模量等特点,但是它们铺层间的强度很低,尤其是在横向低速冲击等荷载下,层合结构内部会产生不可忽视的损伤,其力学性能将严重退化。脱层是复合材料层合板最为普遍的损伤形式之一,也是使层合结构的力学性能发生严重退化主要原因。随着复合材料层合结构的广泛应用,脱层破坏损伤分析也受到更多的关注。鉴于复合材料层合板脱层损伤主要是由界面层的破坏引起,对界面层材料的力学性能的分析以及合理的模拟与计算是分析层合结构脱层损伤的有效途径。本文的主要研究工作有以下三个方面。 1首先,建立了一种基于粘接层的实际厚度和材料特性确定弹簧界面元等效初始刚度的计算模型。通过把所给弹簧界面等效刚度计算方法用于ANSYS中的非线性弹簧单元COMBIN39以及COMBIN14,对复合材料双悬臂梁(DCB)以及端边切口弯曲(ENF)实验进行了脱层扩展的有限元数值模拟;数值脱层预测结果与实验数据吻合。算例也表明,文中所给弹簧界面元等效刚度计算和长度确定方法不仅计算简单和准确,并且计算稳定。 2其次,采用了数值模拟的方法研究了材料模型和强度准则对ANSYS中实体壳单元模拟粘接层的脱层预测结果的影响。文中分别在两种不同的材料模型基础上建立了相应的强度准则,并利用其单元生死功能有效模拟了脱层的物理过程。数值计算结果表明:本文所选取的不同强度准则下的计算结果均与实验吻合的较好;而采取固体壳单元以及单元生死功能来模拟由粘接层破坏引起的脱层的方法行之有效。 3基于拟协调元理论的假设应变方法,从广义控制方程的弱形式出发,推导并构造了无各类自锁现象的三维实体壳单元。将所构造的单元应用于具有板壳类拓扑结构特征的问题中,计算结果表明该单元不仅精度高、收敛速度快,且具有计算量小的特点。本论文所给出的新的弹簧界面元等效初始刚度的计算模型和粘接层材料模型的建模方法对复合材料层合板结构脱层损伤数值模拟有很大的应用意义,所推导的拟协调实体壳单元经过完善可用于层合板的高效数值分析。

关键词：复合材料层合板脱层弹簧界面元实体壳单元拟协调单元

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基于UG的风扇叶片反造型设计方法

漳州职业技术学院学报 2017年第3期19卷 44-50页

作者：赖晓琪漳州职业技术学院汽车工程系福建漳州363000

基于UG二次开发工具UG/OPEN API和NX OPEN C/C++二次开发功能,结合C/C++编程语言在VS2008平台创建涡扇发动机风扇叶片叶身的中弧面参数化模型和有限元参数化模型,并进行仿真分析。利用壳单元进行分析,对生成的NX Nastran输入输出文件进... 详细信息

基于UG二次开发工具UG/OPEN API和NX OPEN C/C++二次开发功能,结合C/C++编程语言在VS2008平台创建涡扇发动机风扇叶片叶身的中弧面参数化模型和有限元参数化模型,并进行仿真分析。利用壳单元进行分析,对生成的NX Nastran输入输出文件进行数据处理,完成有限元模型的反向迭代过程。该过程能够获得叶片结构的预变形,使得到的叶片模型在外载荷和边界约束条件下,得到与原始模型相互重合的叶片模型。

关键词： UG参数化建模叶片中弧面模型实体壳单元高级仿真分析 NX Nastran文件