数据驱动的半无限介质裂纹识别模型研究

缺陷识别是结构健康监测的重要研究内容,对评估工程结构的安全性具有重要的指导意义,然而,准确确定结构缺陷的尺寸十分困难.论文提出了一种创新的数据驱动算法,将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)与自编码器(autoencoder,AE)、因果膨胀卷积神经网络(causal dilated convolutional neural network,CDCNN)相结合用于半无限介质中的裂纹识别.在该模型中,SBFEM用于模拟波在含不同裂纹状缺陷半无限介质中的传播过程,对于不同的裂纹状缺陷,仅需改变裂纹尖端的比例中心和裂纹开口处节点的位置,避免了复杂的重网格过程,可高效地生成足够的训练数据.模拟波在半无限介质中传播时,建立了基于瑞利阻尼的吸收边界模型,避免了对结构全域模型进行计算.搭建了CDCNN,确保了时序数据的有序性,并获得更大的感受野而不增加神经网络的复杂性,可捕捉更多的历史信息,AE具有较强的非线性特征提取能力,可将高维的原始输入特征向量空间映射到低维潜在特征向量空间,以获得低维潜在特征用于网络模型训练,有效提升了网络模型的学习效率.数值算例表明:提出的模型能够高效且准确地识别半无限介质中裂纹的量化信息,且AE-CDCNN模型的识别效率较单CDCNN模型提高了约2.7倍.

考虑外圈变形和轴承座支承作用的球轴承动力学研究

高速、重载或薄壁球轴承等情况下的外圈结构弹性变形和柔性外圈与轴承座的配合支承特性对轴承及其系统的动力学性能有着重要的影响。采用等效刚体单元和Timoshenko梁单元建立了柔性外圈等效力学模型,考虑钢球与柔性外圈的分段滚道之间、柔性外圈与轴承座之间的动态接触作用,建立了计及外圈结构弹性变形和轴承座支承作用的球轴承多体接触动力学模型。运用广义-α方法计算分析了外圈弹性变形和轴承座支承作用对轴承载荷分布规律和动态配合特性的影响规律,获得了不同配合间隙、内部游隙、外圈厚度和径向力等因素下球轴承的动态作用力、载荷分布角和相对位移等动力学结果。结果表明:外圈增加至一定厚度,球轴承内部载荷分布与刚性套圈理论具有很好的一致性,刚性外圈与刚性轴承座的支承接触区域相对较小;随着外圈壁厚的减小,柔性外圈与轴承座的支承接触力逐渐由平滑曲线变为典型的多点极值和非光滑分布的动态变化规律,且相邻极值的差值,随着外圈壁厚的减小,配合间隙、内部游隙和径向力的增加而明显增加;随着配合间隙或内部游隙增大,球轴承载荷分布范围和轴承座的支承接触区域总体上呈现减小趋势;不同的配合间隙、内部游隙或径向载荷下薄壁外圈更容易发生近似对称的压缩、扩张、拉伸或压扁等不同形式的结构弹性变形。提出的动力学模型为滚动轴承及其系统的动力学研究和动态设计提供新方法。

考虑累积效应的35 kV油浸式三相变压器温升特性仿真与试验研究

变压器长期处于不停机运行状态,焦耳热、电磁热等热源产生的温升会严重影响变压器的运行状态和使用寿命。为了更准确地得到35 kV油浸式变压器的热点温度和温升特性,针对现有研究未考虑温度影响下参数的时间尺度变化特征的问题,考虑温度累积效应带来的影响,围绕油浸式变压器的温升特性展开研究。首先,建立时变电流密度、磁感应强度的理论模型;其次,基于电磁热流多物理场耦合仿真方法,对油浸式变压器带负载工作过程进行电磁场、温度场及流场的有限元仿真分析,得到了铁心、绕组及漏磁损耗作用下油箱内部温度变化及其分布特性;最后,完成油浸式变压器长期带负载运行实验,并采集得到升高座下方及初级、次级绕组温度。仿真发现绕组附近温度约为95℃,铁心的直角区域及升高座下方也存在高温区,原因是该位置油流流速较大,仿真结果约为28 mm/s。实验与仿真的对照结果表明,考虑累积效应的仿真结果与实测值较为接近。研究内容可为油浸式变压器的温升特性提供技术参考。

基于SBFEM的剪切型裂纹动态开裂模拟

剪切型断裂是岩土工程中常见的破坏模式,了解剪切破坏机理并准确预测剪切型裂纹的萌生、扩展过程对保障工程结构的安全性与稳定性具有重要意义.文章建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)和非局部宏-微观损伤模型的剪切型裂纹动态开裂模拟方法,定义了基于偏应变概念的物质点对的正伸长量,可作为预测剪切型裂纹扩展行为的动态开裂准则,一点的损伤定义为该点影响域范围内连接的物质键损伤的加权平均值,而物质键的损伤则与基于偏应变概念的物质点对的正伸长量相关联,并引入能量退化函数建立结构域几何拓扑损伤与能量损失之间的关系,将拓扑损伤与应力应变联系起来,通过能量退化函数修正了SBFEM的刚度系数矩阵,得到了子域在损伤状态下的刚度矩阵,推导了考虑结构损伤的SBFEM动力控制方程,采用Newmark隐式算法对控制方程进行时间离散.最后,通过3个典型算例验证了建议的模型可较好地模拟剪切型断裂问题,能够很好地捕捉剪切型裂纹的扩展路径,并得到较为准确的载荷-位移曲线.

超声椭圆振动铣削钛合金的稳定性研究

超声椭圆振动铣削是一种能够降低切削力、改善工件表面质量、抑制颤振、提高加工效率等的切削加工技术。目的 为了实现无颤振铣削钛合金材料,方法 采用超声椭圆振动铣削加工技术,并对加工系统的稳定性展开研究。超声椭圆振动铣削在加工过程中具有高频断续的加工特性,瞬态切厚模型与普通铣削不同。为了求出该系统的真实瞬态切厚,利用MATLAB软件仿真求解超声椭圆振动铣削的刀尖运动方程并分析刀尖运动轨迹,采用坐标法建立窗口函数,预判求解刀齿的瞬时切厚。在此基础上利用非线性周期函数的线性化理论,建立超声椭圆振动铣削的动力学模型。通过全离散法求解系统状态转移矩阵的特征值,利用Floquet定理判定系统的稳定性,获得不同转速对应的临界切深,构建超声椭圆振动铣削和普通铣削系统的稳定性预测曲线,并通过颤振试验进行验证和分析。结果 结果表明:超声椭圆振动铣削系统随着转速增加,系统的轴向切深极限值和稳定性区域不断增加;转速达到6 000 r/min时,轴向切深极限值急剧增加;转速小于3 000 r/min时,超声椭圆振动铣削无颤振加工的轴向切深极限值比普通铣削提高了50%。结论 数值仿真结果与试验结果吻合较好,验证了理论模型和预测稳定性曲线是有效和可靠的。

基于有限元软件海水置换泵连接管线机械激励振动分析

受动设备产生机械激励的影响,管道往往会出现振动问题,对海上平台的安全生产造成严重威胁。通过分析产生机械激励的原因,探究了管道产生机械激励振动的机理,可将其分为动设备自身问题和管道系统设计缺陷两种类型。对当前机械激励振动有限元分析方法进行了梳理,总结出完整且可靠的机械激励振动分析流程,并以某海上平台海水置换泵连接管线为例,采用有限元分析软件进行管线三维建模、模态分析和谐波响应分析。通过对计算结果进行分析评估,得到了共振频率下管道的振动结果,并针对振动较大位置采取了减振措施。经有限元软件再次分析检验,验证了处理机械激励振动问题时对振幅较大管段添加约束形式支架方案的切实可行性,为实际管道振动中处理机械激励振动的相关问题提供了参考。

基于IPSO-BP的船舶航迹预测研究

目的面对复杂的海上交通及密集的物流交通流,及时有效地对船舶航迹进行跟踪预测显得尤为重要,针对传统船舶航迹预测方法精确度低且效率低下的问题,提出一种改进方法。方法在船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)数据的基础上,建立改进粒子群算法(IPSO)与BP神经网络相结合的船舶轨迹预测模型,利用船舶历史航行轨迹数据,实现对未来船舶运动的预测。选取宁波舟山港的船舶历史轨迹数据进行实验,并将IPSO-BP模型的实验结果与其他模型进行比较。结果不同模型航迹预测对比结果表明,IPSO-BP模型的性能较好,其预测精度较高,适用于船舶轨迹预测。结论使用IPSO-BP模型能够更加精准地预测船舶航迹,在船舶危险预警、船舶异常监测等方面具有重要的指导作用。

基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析

为了研究O形橡胶密封圈(以下简称O形圈)的压缩率与接触压强的关系,首先通过ANSYS Workbench有限元分析软件对装置结构进行必要的模型简化,其次进行关键的边界条件设置及载荷的施加等操作,最后完成非线性静态有限元分析。采用后处理分析技术,得到该装置结构的变形量及von Mises应力分布图。结合实际工况,分析螺栓预紧力、O形圈压缩率及接触压强之间的关系,保证介质(含压气体或液体)密封的接触压强满足工况需求,确保介质密封的有效性和可靠性。

菠菜播种收割一体机结构设计与有限元分析

针对现有菠菜收割机留根、铲根深浅不一以及播种机撒播效率低、线绳播种成本高等问题,通过理论计算和SolidWorks建模分析,设计了一种犁地深度可调、整株收割、定量等距播种的菠菜播种收割一体机。采用Simulation模块对优化的机架和犁进行有限元分析发现,机架的大部分最大应力点位于机架前端的输料口处,在制造时需提高此处的焊接质量;犁须选用耐腐蚀性好的材料以减少其在腐蚀性土壤环境中的损坏。通过综合比较和有限元分析发现,机架所受最大应力均小于玻璃钢屈服极限,若通过合理成型设计弥补玻璃钢的成形性差等问题,有望使其成为未来农机具中犁制造的优选材料。研究结果可为菠菜播种收割一体机设计和关键部件优化提供一定理论参考。

基于MATLAB-GUI的定向多波束自组网仿真平台设计与实现

利用数学仿真软件MATLAB实现定向多波束网络环境的模拟,设计并实现了基于项目研发的定向多波束自组网交互式仿真平台。采用分层模块化结构设计思想,利用底层数据存储模块实现数据存储及调用;利用中层TDMA进程模块实现TDMA体系结构通信,包括邻居发现时段中邻居发现和资源预分配进程,以及业务传输时段中数据通信和资源动态分配进程;利用上层GUI交互模块实现人机交互。仿真实验证明所设计的平台可以模拟多种定向自组网络环境,不同环境下对时隙资源和频率资源申请和分配均有所影响,可为定向多波束自组网数据链路层资源分配的研究开发工作提供参考。

非对称荷载下内撑式基坑支护结构参数分析及设计优化探讨

非对称荷载作用下,内撑式基坑会向荷载小侧整体偏移,这将不利于基坑的稳定,因此有必要对支护结构进行设计优化。本研究以某偏压综合管廊基坑为例,通过有限元软件PLAXIS 2D对该基坑进行了仿真模拟,模拟结果与实测数据吻合良好,验证了模型的有效性。进一步对该基坑进行参数分析,研究了支护结构长度、等效厚度和弹性模量对支护结构变形和基坑安全性的影响。研究结果表明,在两侧支护结构均按偏压侧进行设计的基础上,增大某侧支护结构长度,会使该侧支护结构水平位移最大值增大,分别增大两侧支护结构等效厚度、弹性模量,均可以减小该侧支护结构水平位移最大值和非偏压侧支护结构顶部逆向位移。基于参数分析,提出一种针对非对称荷载基坑的简单有效、经济可行的优化思路,并通过数值模拟对优化效果进行了分析,证明了该优化思路的可行性。

动车组头车声固耦合模态分析及多目标优化

目前针对高速列车领域声固耦合共振现象的产生机理和影响因素尚缺乏深入探讨,并且基于声固耦合共振理论的车体优化设计也需进一步开展。该研究基于模态等效和质量等效原则建立动车组头车有限元模型,分别进行结构模态、声场模态和考虑内外声场影响的声固耦合模态分析。分析结果表明:结构模态频率符合头车设计规范;声场模态存在与结构模态相近的特征频率,为后续耦合共振优化提供依据;内外声场的耦合作用导致结构和声场系统的模态参数变化,论证了模态分析中考虑声固耦合因素的必要性。基于模态分析结果,对动车组头车结构进行了两项优化设计:以车体质量最小化为目标,车身厚度为设计变量,在满足一阶垂弯模态频率约束条件下进行车体减重设计;为避免耦合共振影响,提取结构和声场固有频率值接近的模态阶次,将二者的频率差最大化作为优化目标,引入车体减重设计模型,形成头车轻量化与舒适性指标同步提升的多目标优化体系。

基于浮动投影方法的三维非线性结构拓扑优化研究

针对三维非线性拓扑优化设计时的单元畸变现象与刚度准则选取问题,以涉及几何与材料非线性的超弹性结构为研究对象,对三维非线性结构拓扑优化进行了研究。首先,将物理场变量与Mooney-Rivlin模型线性相乘以表征设计域的超弹性,并提出了一种用于线性插值方案的改进附加超弹性技术,通过将Yeoh超弹性材料加入到低刚度区域,缓解了单元畸变现象;然后,基于三场密度模型,构造了三维超弹性结构拓扑优化的数学列式,在该框架下,比较了最小化末端柔度和最大化平衡势能两种刚度准则,推导了相应的灵敏度表达式,并采用浮动投影方法施加了设计变量的0/1约束;最后,采用两个数值算例对该方法的有效性进行了验证。研究结果表明:大变形情况下,不同目标函数的优化结果在拓扑构型和结构响应方面具有显著差异,但与线性设计相比,其均具有更优的力学性能。

管漏产生的渗流水受挡水效应后对产生渗蚀的影响

为研究水力管线渗漏渗蚀产生的流动效应受地下构筑物阻挡后对形成渗蚀的影响,在流固双向耦合原理基础上,用离散单元法模拟管线渗漏流经地下构筑物的过程。用PFC模拟渗流水与地下构筑物相接触时产生的绕流现象,用Fluid Dynamics Simulation模拟绕流的完整过程。结果表明:渗流水在流经地下构筑物时会产生绕流现象;相同条件下渗流水流经构筑物时绕流速度不同,圆形构筑物的绕流速度最大,长方形构筑物的绕流速度最小;地下构筑物对渗流的阻挡效应强弱与构筑物的挡水宽度成正比,长方形构筑物的挡水效应最优,圆形构筑物的挡水效应最差。

基于MATLAB矢量化物质点法的车身防撞梁碰撞分析

基于MATLAB矢量化的物质点法(material point method,MPM)框架,分析车身前防撞梁的碰撞冲击问题。MPM在每一迭代步将物理参数在物质点和背景网格间相互映射,使用MATLAB矢量化框架可以使用户在快速入门的同时保证求解效率,其应力更新采用车身结构材料的弹塑性本构模型。前防撞梁碰撞冲击数值算例结果表明,MPM可以保证求解精度,同时矢量化技术可以大幅提高求解效率。

基于人工蜂鸟算法与三参数威布尔分布的机械密封可靠性评估

为了对机械密封件进行快速准确的可靠性评估,采用三参数威布尔(Weibull)分布对机械密封故障数据进行建模,将机械密封可靠性评估问题转化为约束优化问题,提出基于人工蜂鸟算法(Artificial Hummingbird Algorithm,AHA)的可靠性评估方法,并通过数值模拟和实例分析比较了极大似然估计(Maximum Likelihood Estimation,MLE)法、改进哈里斯鹰优化(Improved Harris Hawks Optimization,IHHO)算法和AHA在求解Weibull分布参数估计问题中的计算精度及运行效率。结果表明,基于AHA进行参数估计具有收敛速度快和计算精度高的优点,较MLE和IHHO算法寻优时间缩短且精度提高,从而为机械密封的可靠性评估提供了一种新的高效方法。

D类干粉灭火剂传热行为有限元模拟的可行性

为了探究有限元模拟对D类干粉灭火剂传热行为预测的可行性,采用实验和数值模拟方法,以吸热速率、温升速率和吸热量为表征指标,考察不同加热方式、3种热物性参数和不同粒径条件下的实验结果和模拟结果。结果表明:在不同加热方式、不同热物性参数和不同粒径条件下,模拟预测结果变化趋势与实验结果变化趋势均呈现良好的一致性,可以准确反映不同灭火组分在特定性能上的优劣、大小和极值关系;2种加热方式下的模拟结果与实验结果误差不超过10.33%,不同热物性参数条件下的模拟结果与实验结果误差不超过12.51%,不同粒径条件下的模拟结果与实验结果误差不超过5.57%;有限元模拟可为D类干粉灭火剂研制提供快捷的组分筛选和性能评定的方法。

磨粒间距和材料特性对磨削温度影响的有限元仿真研究

针对磨削过程中,磨粒间距和工件材料特性对工件表面温度的影响规律进行了有限元仿真研究,结果表明,随着磨削过程的进行,工件表面温度逐渐升高;磨削过程中,相比多磨粒磨削,单颗磨粒磨削的工件表面温度更低,且随时间增加上升速度更小;磨粒间距越大,工件表面温度越低且随磨削过程的进行变化速度越小;工件材料导热率越大,工件表面温度越低,当导热率大于1 W/(m·K)时,温度随导热率增大而下降的趋势不再明显;工件的比热容和密度对磨削温度的影响规律相似,随着比热容、密度增大,工件表面温度降低,且当比热容大于200 J/(kg·℃)、密度大于4000 kg/m3时,工件表面温度随比热容、密度持续增大而降低的趋势不再明显,且温度随时间推移而上升的速度下降。

基于有限元分析的橡胶回弹性模拟

借助有限元分析软件ABAQUS模拟了橡胶材料回弹测试的实验过程,探讨了回弹过程中的能量变化情况,为橡胶材料黏弹性的进一步研究做了铺垫。结果表明,新方法的表征结果与实际测试结果基本一致,证明拟合的本构方程与材料本身属性相符,同时表征了回弹过程中能量的准确变化。在冲击过程中,摆锤的动能主要转化为试样的弹性势能和耗散能。此外,通过分析试样模型温度场的变化,更加直观地观察到橡胶变形过程中的能量损耗导致的温度上升,说明部分损失的动能转化为热能散失到了环境中。

用分光计测三棱镜折射率光路图的MATLAB动画演示

建立了三棱镜光路图的数学模型,应用MATLAB绘制光路图,检验了模型的正确性.随着三棱镜的旋转,直观地演示了分光计中光路图和偏向角的变化过程,指出了最小偏向角.