武器类专业课程思政教学建设与探索——以有限元法及应用课程为例

开展思想政治教育是专业课程教学中实现良好育人效果的重要途径。以有限元法及应用课程为例,分析了武器类专业开展课程思政建设的必要性和途径,深挖专业课程中的思政元素,从教学案例出发设计课程教学和思政环节,引导学生树立爱国奉献精神和投身国防事业的坚定决心。

基于支持向量机的机械零件剩余寿命区间估计

为提高机械零件剩余寿命估计精度,提出了一种基于支持向量机(support vector machine,SVM)的剩余寿命区间估计模型.简要介绍SVM的线性及非线性理论,分析SVM输入变量与输出变量间的统计关系,将机械零件性能退化指标和剩余寿命分别作为SVM输入变量及输出变量.假设输入变量与残差相互独立且残差分布类型已知,采用极大似然法估计残差的分布参数,在此基础上推导一定置信水平下SVM输出变量置信区间.将均方误差作为SVM预测误差的衡量指标,应用变步长网格搜索法确定SVM参数.通过实例说明所提模型能够准确对机械零件剩余寿命进行区间估计,具有较强的工程应用价值及通用性.

两端支承式输流管路的强迫振动分析

研究水平放置的两端支承式输流管路的强迫振动问题,将欧拉-伯努利梁模型视为管路的简化力学模型.利用格林函数法对无量纲的强迫振动微分方程进行推导,得到一般支承形式管路的格林函数,并最终得到挠度的一般表达式.在此基础上研究一端固定、另一端弹性支承输流管路的振动响应,分别利用微分变换法和伽辽金法验证其正确性与准确性,并研究了集中载荷和分布载荷情况下的振动响应.利用该方法可以得到封闭的精确解,比其他数值方法具有较大的优势.

具有弹性支承输流管路的强迫振动分析

将欧拉-伯努利梁和平推流理论分别用于描述细长输流管路的力学模型及其内部的流体流动模型,利用格林函数法推导了固定-弹性支承式输流管路的格林函数,并得到了挠度的解析表达式。分别分析管路的挠度与激振位置,激振频率,内部流体的流速,弹簧的刚度系数以及质量比的关系。在给定数据的基础上,利用格林函数法计算得到了临界激振位置的具体数值。在分析激振频率对挠度影响的同时求解了管路的固有频率并与微分变换法的解作了对比,发现格林函数法具有较高的精度。方法可推广至研究任意支承形式,多个激励的强迫振动问题。研究内容可为后续的可靠性设计提供精确的计算结果,为设计人员提供方法上的指导。

基于损伤力学的疲劳裂纹萌生及扩展规律研究

针对金属构件疲劳裂纹的萌生、扩展寿命及其规律等问题,应用损伤力学理论与有限元相结合的方法,建立了计算疲劳裂纹全寿命的统一模型。引入附加载荷法,通过MATLAB编程计算,实现了对刚度矩阵的连续计算,并给出了编程的流程。通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化;通过计算各个构件损伤单元寿命,进而给出了金属构件总体疲劳寿命。分析得到了微裂纹萌生及扩展寿命占总体疲劳寿命的80%以上,并应用有限元软件ANSYS模拟给出了缺口件裂纹萌生及扩展过程。理论计算的结果与试验数据对比基本一致,验证了本工作方法的准确性。

具有弹性支承输流管路的振动分析

为研究截面内流速不均以及弹性支承对输流管路振动问题的影响,利用伽辽金法对考虑了流动模型修正因子的具有弹性支承的两端固定式输流管路的振动微分方程进行了推导,得到了一般形式下输流管路强迫振动稳态响应的表达式。结果发现:流动形式为层流时管路的固有频率和临界流速均小于理想流动模型(平推流模型)的值;前者的发散临界流速比后者小约13.4%,与理论结果一致;固有频率随弹簧安置位置的增加而呈现振荡的变化,但始终大于无弹性支承时的值。该方法可作为设计支承形式的基础,可以推广用来研究其他类型管路的振动问题,并为设计人员提供精确的计算结果。

铣削颤振及其可靠度分析

通过铣削颤振动力学建模,考虑了影响参数的随机性,在解析法分析铣削系统阻尼比、刚度、固有频率、铣削径向切削宽度以及铣削力系数对铣削颤振稳定性的影响的基础上,应用蒙特卡洛算法,分别对不同阻尼比和刚度的铣削系统进行了铣削颤振可靠性分析。结果表明,主轴转速和铣削颤振可靠度呈现明显的非线性关系。在稳定域按照极限切削深度进行铣削加工时,仅有在特定速度段能够保障不发生颤振现象,刚度的增加几乎不会影响铣削颤振可靠度,增加铣削系统阻尼可容易地得到铣削稳定域所对应的主轴速度。

火箭深弹水下减阻技术研究

基于Fluent软件,对火箭深弹的水下减阻技术进行了研究。提出了火箭深弹中部补气的减阻方式。通过对下潜速度和通气量2个影响因素的分析,得到了火箭深弹在8～100 m/s速度范围的流场计算结果。计算结果表明,中部补气能有效地减小阻力,最大减阻效率达到25%;火箭深弹在水中所受阻力随通气量的增大而减小,在通气量相同的条件下,减阻效率随下潜速度的减小而增大。计算结果与实验结果基本一致。

典型构件疲劳微裂纹全寿命预测方法研究

基于损伤力学理论建立金属疲劳裂纹损伤模型,结合有限元法预估疲劳微裂纹萌生及扩展全寿命。引入附加载荷法,实现了对刚度矩阵的连续计算,应用Matlab编程计算,通过对单个单元的损伤计算,得到了单元从无损到破坏过程中等效应力的变化,进而给出疲劳裂纹损伤模型,并对不同规格金属试件的疲劳寿命预估。将计算结果与试验结果进行对比,得到的相对误差在接受范围内,验证了该模型的准确性,对于研究金属试件微观损伤以及疲劳寿命预估具有重要的参考意义。

火箭深弹水中阻力特性研究

为了进一步对火箭深弹的减阻方式进行研究,利用Fluent研究了火箭深弹在水下运动的阻力特性,得到并分析了火箭深弹下潜速度及其相对应的空泡状态与阻力特性的关系。研究结果表明,阻力成分中压差阻力占主要部分。当超空泡存在时,随着速度的减小,压差阻力增大,粘性阻力减小,阻力系数增大;当超空泡溃灭后,压差阻力减小,粘性阻力增大,阻力系数迅速减小。将仿真数据与水洞试验数据进行了对比,两者基本一致。

基于响应面法和蒙特卡罗法的齿轮热弹耦合接触特性研究

首先运用摩擦学、传热学和有限元法研究了齿轮的本体温度场,然后利用间接耦合法对齿轮进行了结构分析,以齿轮材料的线膨胀系数、油温、主动轮转速、主动轮功率及齿面许用接触应力为随机变量,基于响应面法得到了齿面接触强度的极限状态函数,并通过蒙特卡罗法得到了各随机变量对该极限状态函数的概率敏感性。结果表明,响应面-蒙特卡罗法有效简化了复杂结构的可靠性灵敏度分析。

供弹机虚拟样机刚柔耦合动力学特性

以多刚体动力学和多柔体系统理论为基础,运用ADAMS软件建立供弹机虚拟样机模型,对供弹机供弹过程的运动规律和动力学特性进行分析.考虑供弹机关键部件——拨弹机构的柔性化处理,建立刚柔耦合系统模型,得到拨弹机构多阶固有频率拨和动力响应曲线,与刚体模型进行对比分析.结果表明:与刚性模型相比,刚柔耦合模型则考虑到由于构件的柔性特征在运行时的反向角速度引起的转动偏差,因此计算分析结果更符合实际工况,提高了供弹机工作的可靠性,为供了弹系统设计的合理性检验提供了重要的参考依据.

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。

火箭深弹超空泡形态模拟研究

运用Fluent软件对火箭深弹的超空泡现象进行了数值模拟分析。基于结构化网格,运用k-ε湍流模型模拟火箭深弹在水下的运动过程,研究空化器规格、锥角及通气量等参数对其超空泡成型的影响。结果表明,火箭深弹形成临界超空泡时,速度越大,所需通气量越大;速度相同时,空化器直径越大,其形成临界超空泡时所需通气量越小。对比两种空化器形成的超空泡形态,应用圆盘倒截锥空化器更易控制超空泡的成型。数值计算结果与试验结果基本吻合。

移动交界面流固耦合传热的数值稳定性分析

研究了交界面移动情况下流固耦合稳态传热的数值稳定性问题.考虑Dirichlet-Robin组合边界条件,用速度表征交界面的移动情况,流体域和固体域分别采用有限体积法和有限单元法进行离散及数值求解,利用Goudonov-Ryabenkii理论正则模态分析方法重点研究了交界面移动时数值方法的稳定性,最终获得了一条由耦合系数和移动速度组成的最优曲线,并且证明了当耦合系数和移动速度在这条曲线上取值时,离散的求解域能够达到最快的收敛速度及绝对的稳定性特征.为设计人员进行数值仿真时选取合理的参数提供了参考.

具有弹性支承输流管路的流体诱发振动分析

利用微分变换法分析具有弹性支承的悬臂式输流管路的流体诱发振动问题.首先对振动微分方程无量纲化,其次采用微分变换法获得各阶微分的递推关系,进而求解得到不计流速时的前四阶固有频率及振型函数的通用表达式.在此基础上,计算并得到了计及流速时固有频率随流速和弹性系数的变化,同时研究了不同弹性系数及质量比下的临界流速及稳定性.通过对比和分析,证实了微分变换法具有较高的精度和实用性.微分变换法可作为设计管路支承形式的参考.

带有圆盘空化器的火箭深弹阻力特性分析

应用Fluent6.3对带有圆盘空化器的火箭深弹阻力特性进行数值计算,得到火箭深弹阻力系数随速度及通气量的变化关系。结果表明:火箭深弹在水中运动时主要受到压差阻力及粘性阻力的影响,且压差阻力占总阻力的成分较大。安装圆盘空化器进行通气后,深弹受到的压差阻力得到明显改善;速度相同时,总阻力随通气量的增加先急剧减小后缓慢增加。火箭深弹的理论计算结果与水洞试验结果基本一致.

身管内膛涂层界面裂纹的应力强度因子分析

针对火炮身管内膛的损伤、裂纹扩展及涂层剥落问题,基于断裂力学理论,结合有限元分析软件ANSYS对火炮身管内膛涂层界面裂纹进行仿真分析。应用APDL语言对内膛基体与涂层的界面裂纹结构进行参数化建模,对裂纹尖端应力场进行分析,探究不同裂纹尺寸、载荷等因素对界面裂纹扩展及I型、II型应力强度因子的影响。结果表明,I型、II型应力强度因子均随裂纹尺寸、涂层层数及施加载荷大小的变化而变化,且I型张开型裂纹是导致裂纹扩展的主要因素,也是导致膛内涂层剥落的重要因素。本研究为进一步预测火炮身管内膛表面镀铬层-钢基体材料的服役寿命提供参考作用。

考虑安装与制造误差的齿轮动态接触仿真

根据齿轮精度标准中误差的定义和说明,提出一种用于齿轮动力学分析的安装与制造误差等效定义,采用Pro/E二次开发,建立带有安装与制造误差的齿轮参数化模型;基于动态接触力学和显式动力学有限元算法,建立齿轮有限元模型;采用大变形显式动力学软件ANSYS/LS-DYNA对其进行动态仿真,从而实现求解齿轮在接触过程中安装与制造误差影响下的动态接触应力.研究表明,各类随机误差愈大,则对齿轮啮合冲击应力的影响愈大,其中齿距方向的偏差和啮合面上转角误差对齿轮接触应力的影响最大,啮合垂直面上转角误差的影响最小,当齿轮的安装误差与制造误差同时存在时,齿面接触应力变化最为剧烈.

基于响应面和MCMC的齿轮接触疲劳可靠性

针对齿轮接触失效,建立带有安装与制造误差的齿轮参数化模型,通过大变形显式动力学仿真软件来模拟齿面动态接触应力.然后,根据应力-强度干涉模型,建立齿轮响应面状态函数.为了提高齿轮响应面功能函数的拟合精度,提出了一种基于响应面和Markov chain Monte Carlo(MCMC)的可靠性分析方法,并进行可靠性灵敏度分析,以定量概率反映安装误差、制造误差及外载荷等随机因素对齿轮传动可靠性的影响程度.最后,将Monte Carlo模拟100 000次的计算结果与所提方法的结果进行比较,验证了可靠性分析方法的正确性.