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薄板结构动力学特性建模解析

机械强度 2005年第2期27卷 168-173页

作者：方英武黄玉美张广鹏西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

运用边界元法研究薄板结构的动力学特性。从薄板自由振动的微分方程式出发,由相应的静态基本解建立薄板自由振动的边界控制方程,并依据边界上的约束条件,推导出薄板结构在边界和域内的动力学方程。为了避免求域内项的积分,将上述两个方... 详细信息

运用边界元法研究薄板结构的动力学特性。从薄板自由振动的微分方程式出发,由相应的静态基本解建立薄板自由振动的边界控制方程,并依据边界上的约束条件,推导出薄板结构在边界和域内的动力学方程。为了避免求域内项的积分,将上述两个方程进行联立求解,快速、准确地得到薄板结构的频率方程表达式。数值计算和实验结果表明,该文方法具有良好的解析计算精度和较高的计算效率。

关键词：动力学静态基本解边界元法薄板结构

基于奇异强度因子的薄板结构切口应力场和N-SIF评估方法研究

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基于奇异强度因子的薄板结构切口应力场和N-SIF评估方法研究

作者：梁贵明武汉理工大学

学位级别：硕士

线弹性断裂力学是研究弹性体中尖锐裂纹的断裂基础理论,是开展含切口或裂纹结构应力场和疲劳评估的基础。结构几何不连续的地方是应力集中的主要部位,会大大降低结构的疲劳性能,对于几何不连续地方的应力场分析,特别是V形切口的应力场... 详细信息

线弹性断裂力学是研究弹性体中尖锐裂纹的断裂基础理论,是开展含切口或裂纹结构应力场和疲劳评估的基础。结构几何不连续的地方是应力集中的主要部位,会大大降低结构的疲劳性能,对于几何不连续地方的应力场分析,特别是V形切口的应力场分析是评估此类结构疲劳性能的关键。含V形切口的焊接结构广泛存在于航空航天和海洋结构物中,因此,本文重点研究V形切口的应力场简易评估公式,简化切口应力场的评估流程,为焊接结构或含切口结构的疲劳评估奠定基础。本文所开展的主要工作如下:(1)基于切口应力强度理论,综合考虑结构几何和焊接几何对切口应力场的影响,引入奇异强度因子“as”的概念,提出了评估含裂纹无限板切口应力场分布的简易评估公式;建立不同张开角下的含切口无限板模型,开展切口应力场的数值分析,拟合得到了奇异强度因子“as”的简易公式,可以用于含切口结构的应力场快速评估;与传统的切口应力场评估公式和数值结果相比,本文的简易公式具有更高的评估精度,可减少网格的敏感性对切口应力场评估的影响,而且大幅简化了切口应力场评估的流程。(2)在无限板宽的切口应力场评估公式基础上,本文推导并验证了有限板宽下V形切口板切口应力分布和N-SIF的简化计算公式;建立一系列不同几何尺寸、不同张开角下的有限板宽双边切口模型,对含双边V形切口的应力场公式进行简化和拟合;在此基础上,采用控制变量法得到了“as”与几何参数、切口张开角的关系曲线,拟合得到了奇异强度因子“as”的统一计算公式;通过构造奇异强度因子as与N-SIF之间的关系,进一步得到了无量纲的N-SIF。将简单公式预测结果与有限元和传统公式结果进行对比,结果表明该公式可以简单准确的预测有限板宽双边切口试件的应力场和N-SIF。(3)在有限板宽的切口应力场评估公式基础上,将切口应力场的简易公式推广到复杂倾斜角;建立一系列不同几何尺寸、张开角和倾斜角下的有限板宽的斜裂纹切口模型,对含斜裂纹切口的应力场进行简化和拟合;在此基础上,采用控制变量法得到了“as”及无量纲N-SIF与几何尺寸、倾斜角和张开角的关系曲线,拟合得到了有限板宽的斜裂纹切口无量纲N-SIF的计算公式;最后本文通过分析简单公式的预测结果与有限元结果之间的误差,发现本文所计算的无量纲N-SIF与有限元结果之间的误差均在10%以内,且90%以上的结果计算误差在3%以内,与传统的N-SIF评估公式相比,本文简便的公式具有较高的精度和更广的开口角应用范围。

关键词：线弹性断裂力学 V形切口薄板结构切口应力强度因子(N-SIF) 奇异强度因子as

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外部拘束对薄板结构焊接失稳变形的影响研究

外部拘束对薄板结构焊接失稳变形的影响研究

作者：周晓丽华中科技大学

学位级别：硕士

轻量化建造是现代造船发展趋势,高强钢薄板用于船舶建造不仅能保证船舶强度,而且能降低能耗、减少排放并提高船舶运载量;但薄板结构厚度锐减,其保持稳定性的能力显著降低,在焊接过程中极易发生失稳。施加外部拘束是最常用的控制焊接失... 详细信息

轻量化建造是现代造船发展趋势,高强钢薄板用于船舶建造不仅能保证船舶强度,而且能降低能耗、减少排放并提高船舶运载量;但薄板结构厚度锐减,其保持稳定性的能力显著降低,在焊接过程中极易发生失稳。施加外部拘束是最常用的控制焊接失稳变形的方法之一,但外部拘束的施加多以经验为准,提出具体的理论指导则变得更加必要。本文首先基于两类典型接头的外部拘束焊接试验,采用热-弹-塑性有限元方法进行模拟分析;研究压条拘束距离、释放温度、压块分布形式及数量对对接接头失稳变形的影响;随后研究压条拘束距离对T型接头焊接失稳变形的影响;用固有变形理论阐明外部拘束控制典型接头失稳变形的机理;将外部拘束应用于板架结构焊接过程,并将T型接头的分析结果推广到板架结构的精度控制中,进一步阐明外部拘束控制板架结构失稳变形的机理。结果表明(1)压条拘束能将对接接头的焊接失稳变形减小22%～40%;不影响焊缝附近温度场的拘束距离应大于等于80 mm;且压条控制效果对拘束距离不敏感;压条拘束使对接接头纵向固有收缩和横向固有弯曲减小,从而使焊接失稳变形得到控制;在接头不同温度释放压条对总体面外变形影响甚微;相比于压条拘束,压块拘束效果较差,不同的压块分布形式对对接接头焊接失稳变形影响较小。(2)压条拘束可将T型接头的焊接失稳变形减小24%～45%,且最佳的拘束距离为180 mm;施加压条拘束对T型接头纵向固有收缩影响很小,但能使横向固有弯曲减少10%～40%,从而使T型接头的焊接失稳变形得到有效地控制。(3)外部拘束可使板架结构焊接失稳变形减小30%以上;压条平行于纵向焊缝时,板架结构的失稳变形对拘束距离不敏感;压条平行于横向焊缝时,在80 mm到160 mm拘束范围,板架结构的失稳变形可减小30%～35%,在220 mm到280 mm拘束范围,板架结构的失稳变形可减小近70%;外部拘束的存在使得横向筋板焊接完成后的横向固有弯曲显著降低,降低幅度在60%以上,这是板架结构焊接失稳变形得到有效控制的原因。本文采用热-弹-塑性有限元方法研究了外部拘束对轻量化结构焊接失稳变形的影响,并基于固有变形理论阐明了外部拘束控制焊接失稳变形的机理;针对实际工程中以经验为指导施加外部拘束的现状,提供了理论上的参考。

关键词：薄板结构焊接失稳变形热-弹-塑性有限元外部拘束固有变形

基于光纤光栅传感的薄板结构冲击定位及损伤识别研究

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基于光纤光栅传感的薄板结构冲击定位及损伤识别研究

作者：丁洋洋武汉理工大学

学位级别：硕士

金属薄板件被广泛的作为承载结构应用于各种工程领域,然而当薄板结构遭受外物碰撞时,其冲击极易造成金属结构内部破坏,对结构的安全运行带来隐患,甚至可能使整个系统存在突发性或灾难性失效的危险。因此,冲击位置的在线识别与结构损伤... 详细信息

金属薄板件被广泛的作为承载结构应用于各种工程领域,然而当薄板结构遭受外物碰撞时,其冲击极易造成金属结构内部破坏,对结构的安全运行带来隐患,甚至可能使整个系统存在突发性或灾难性失效的危险。因此,冲击位置的在线识别与结构损伤的实时监测对机械工程系统的安全运行至关重要。在本文中首先通过对结构受到冲击时的响应机理研究,揭示了不同冲击位置与结构振动模态常数之间的变化规律。然后,基于模态叠加理论建立了结构在受到冲击后的理论响应模型,提取了结构各个位置受冲击后响应信号的模态常数,通过k-均值聚类法建立多个聚类中心,形成基于模态常数的匹配数据库。最后,通过冲击实验验证了基于模态常数定位冲击位置方法的可行性。同时根据冲击造成的裂纹损伤会导致应变模态振型在相同位置发生局部变化的规律,提出了基于应变模态振型的结构损伤辨识方法。本文的主要研究工作如下:1.基于有理分式多项式与传递率法融合的运行模态识别方法研究。首先根据环境激励或正常运行下任意输出点的动态应变响应计算功率谱密度函数,利用基于有理分式多项式方法估计分母多项式的根(即系统固有频率),同时提取出各阶模态对应的模态常数。然后,利用传递率法和系统极点的相关知识,通过输出响应便可提取出系统任意阶应变模态振型。为薄板结构冲击位置的识别和冲击损伤的监测提供了理论基础。2.基于模态常数的薄板结构冲击位置识别研究。本文以一维结构(连续梁结构)和二维结构(弹性薄板结构)为研究对象,基于模态振型的正交性和模态叠加法建立了其受到外界冲击后响应的数学模型,得到两种结构受到冲击后各个FBG传感器处的全结构冲击的理论响应,通过k-均值聚类法建立多个聚类中心,形成模态常数数据库。搭建了两种结构模态分析及冲击定位的测试实验平台,通过力锤敲击实验,证明了本文提出的冲击定位方法具有良好的定位识别效果。3.基于应变振型的薄板冲击损伤研究。首先基于基尔霍夫薄板理论建立了板结构健康态及损伤态的动力学模型。利用振动理论与摄动理论分别对两种状态下的模态参数进行求解,根据解析结果分析了两种状态下的应变振型参数变化规律,验证了基于应变振型变化的板结构冲击损伤在线检测方法的正确性。然后依据相应仿真软件对该模型进行了理论模态分析,将仿真结果与解析结果相对比验证了解析模型的正确性;最后通过对搭建的板结构冲击检测实验平台进行单点损伤检测实验,证明了本文提出的冲击损伤识别方法具有良好的损伤辨识效果。

关键词：冲击定位损伤辨识薄板结构模态常数模态叠加

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薄板结构低噪声仿生拓扑优化方法

中国机械工程 2016年第10期27卷 1358-1364页

作者：滕晓艳江旭东史冬岩哈尔滨工程大学哈尔滨150001 哈尔滨理工大学哈尔滨150084

针对薄板结构的低噪声设计问题,以结构声辐射功率最小化为优化目标,借鉴植物脉序分枝结构的构型特征,提出了薄板结构加强筋布局的仿生拓扑优化方法。以结构应变能最小和释放局部最大剪应力作为加强筋主脉和次脉的生长准则,以广义Murray... 详细信息

针对薄板结构的低噪声设计问题,以结构声辐射功率最小化为优化目标,借鉴植物脉序分枝结构的构型特征,提出了薄板结构加强筋布局的仿生拓扑优化方法。以结构应变能最小和释放局部最大剪应力作为加强筋主脉和次脉的生长准则,以广义Murray准则作为加强筋脉序的分歧准则,构造了具有脉序分级特征的加强筋自适应生长算法。以固支薄板结构的横向弯曲振动及声辐射问题为典型算例,对比分析了仿脉序分布加筋板结构的声辐射功率和振动功率流的分布特性。数值结果表明,与相同体积约束下的正交加筋布局方式相比,仿脉序分布加筋方法使薄板结构具有更优的声振特性,进而验证了薄板结构加强筋仿生布局降噪方法的有效性与可靠性。

关键词：仿生设计加强筋布局拓扑优化薄板结构低噪声

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薄板结构弹簧操动机构结构优化

高压电器 2014年第3期50卷 120-124,132页

作者：吴小钊赵洪柏郑晓果张文凯李鹏许昌许继德理施尔电气有限公司河南许昌461000

结合设计制造薄板结构弹簧操动机构的实践经验,论述了薄板结构弹簧操动机构设计制造中有效的结构优化方法,并提供了一些具体应用案例。简单的结构优化方法,可以达到较为理想的设计和应用目的,能够有效促进薄板结构在弹簧操动机构中的应用。

关键词：弹簧操动机构薄板结构优化设计

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强耦合声振薄板结构的降噪阻尼层优化

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第9期49卷 120-125页

作者：李宗吉王旭东朱拥勇王德石海军工程大学兵器工程学院湖北武汉430033 中国人民解放军92064部队广东东莞523900

研究了平稳激励下附加阻尼层薄板结构的声辐射优化问题.考虑了声介质与薄板间的耦合作用和位移约束弹簧边界,建立了含弹性边界的有限元/边界元声振强耦合模型.在优化设计问题中,将声功率和声压转化为以结构位移为变量的表达形式,提出声... 详细信息

研究了平稳激励下附加阻尼层薄板结构的声辐射优化问题.考虑了声介质与薄板间的耦合作用和位移约束弹簧边界,建立了含弹性边界的有限元/边界元声振强耦合模型.在优化设计问题中,将声功率和声压转化为以结构位移为变量的表达形式,提出声功率和声压灵敏度的直接求解方法;根据薄板厚度与质量和刚度矩阵的关系推导并建立了以阻尼层相对厚度为设计变量的人工阻尼材料模型,讨论了强弱耦合模式、弹性边界条件、激励频率和阻尼系数对优化设计的影响,数值优化算例证明了所提方法的有效性.

关键词：声辐射薄板结构强耦合附加阻尼声功率灵敏度声压灵敏度

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载流弹性薄板结构吸声性能的研究

声学学报 2007年第5期32卷 418-425页

作者：佟小朋白国锋刘克田静中国科学院声学研究所北京100080

对弹性薄板吸声结构在水下的吸声性能进行了研究,推导了载流弹性薄板结构声阻抗的解析解。提出并计算了薄板结构的势能因子B_(nm)、动能因子A_(nm)和载流因子系数χ。得出薄板结构吸声性能严格的解析理论和幂级数近似表达式,本文获得的... 详细信息

对弹性薄板吸声结构在水下的吸声性能进行了研究,推导了载流弹性薄板结构声阻抗的解析解。提出并计算了薄板结构的势能因子B_(nm)、动能因子A_(nm)和载流因子系数χ。得出薄板结构吸声性能严格的解析理论和幂级数近似表达式,本文获得的结果使薄板理论的吸声机理更加清晰,计算也更加简化。通过低频水声管对薄板结构进行了测试,测试结果和理论计算结果吻合得较好,验证了本文理论的正确性。

关键词：薄板结构吸声性能弹性薄板载流计算结果近似表达式吸声结构动能因子

非平稳激励下薄板结构减振附加阻尼层的拓扑优化

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振动与冲击 2020年第8期39卷 250-257页

作者：李雪平林猛峰魏鹏苏成华南理工大学土木与交通学院亚热带建筑科学国家重点实验室广州510640

讨论了附加阻尼层的薄板结构在非平稳随机力作用下以减振为目标的阻尼材料层的拓扑优化问题。建立了以阻尼材料的相对密度为设计变量,以结构非平稳响应位移方差最小化为目标和阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。由于结构受到非平... 详细信息

讨论了附加阻尼层的薄板结构在非平稳随机力作用下以减振为目标的阻尼材料层的拓扑优化问题。建立了以阻尼材料的相对密度为设计变量,以结构非平稳响应位移方差最小化为目标和阻尼材料用量为约束条件的拓扑优化模型。由于结构受到非平稳随机激励作用,其随机响应可以采用时域显式法快速求解;随机响应方差对设计变量的灵敏度采用了基于伴随变量法的时域显式法进行分析,并采用优化准则法求解优化问题。数值算例验证了所提方法在非平稳随机激励作用下进行动力拓扑优化减振的可行性与有效性。

关键词：非平稳随机激励薄板结构附加阻尼层减振拓扑优化