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基于耐撞性的塑性变形教学改革
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作者 任毅如 方棋洪 《力学与实践》 北大核心 2023年第5期1154-1159,共6页
塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装... 塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。 展开更多
关键词 塑性变形 塑性铰 耐撞性 教育改革
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考虑惯性载荷的多材料结构拓扑优化
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作者 任毅如 杨林海 +3 位作者 米栋 张立章 何杰 向剑辉 《湖南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期135-141,共7页
基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型,在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题,采用材料属性有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,RAMP... 基于导重法构建了惯性载荷作用下的多材料结构拓扑优化数学模型,在体积约束下使得其结构柔度最小.将多材料拓扑优化问题分解为一系列单材料拓扑优化问题,采用材料属性有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties,RAMP)来表达密度与弹性模量间假定的非线性函数关系,利用导重法建立惯性载荷下设计变量的迭代表达式并通过数值算例验证导重法在考虑惯性载荷作用下多材料结构拓扑优化的有效性.算例结果表明:RAMP插值方法相比其他常用插值模型得到的拓扑构型更清晰,灰度单元更少,在算例1的对比中结构柔度最高降低了35.2%.受惯性载荷影响越大的设计区域其分布的材料弹性模量越大,且高模量密度比能够显著提升结构刚度. 展开更多
关键词 导重法 惯性载荷 拓扑优化 数值模型 多材料结构
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圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究 被引量:1
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作者 杜浩然 聂璐 +1 位作者 任毅如 吕睿 《力学与实践》 北大核心 2023年第1期75-82,共8页
为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性,提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型,对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究,分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下,曲边蜂窝具有比传... 为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性,提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型,对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究,分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下,曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能;面内冲击情况下,会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式;冲击速度较大时,变形模式趋近于“一”字型;吸能能力随着冲击速度的增大而增加。 展开更多
关键词 蜂窝结构 吸能 破坏模式 塑性变形
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基于BESO算法的涡轮盘拓扑优化
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作者 孟子皓 丁超 +3 位作者 任毅如 米栋 钱正明 张立章 《力学与实践》 北大核心 2023年第6期1349-1354,共6页
涡轮盘作为航空发动机的核心部件之一,其轻量化设计对航空发动机效率提升至关重要。基于双向渐进结构优化算法(bidirectional evolutionary structural optimization,BESO)拓扑优化模型,使用灵敏度过滤的方法抑制棋盘格现象,用ANSYS的... 涡轮盘作为航空发动机的核心部件之一,其轻量化设计对航空发动机效率提升至关重要。基于双向渐进结构优化算法(bidirectional evolutionary structural optimization,BESO)拓扑优化模型,使用灵敏度过滤的方法抑制棋盘格现象,用ANSYS的参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)编写拓扑优化程序,对离心载荷作用下的涡轮盘进行结构优化,并通过施加叶片等效载荷的方式,考虑叶片对于优化结果的影响。结果表明,使用编写的算法进行拓扑优化迭代步数减少,显著提升优化效率,在减重26%的条件下,拓扑出的新的结构模型结构总应变能降低48%,结构刚度提升,最大等效应力降低25%且应变能和应力分布更均匀合理。 展开更多
关键词 涡轮盘 双向渐进优化算法 拓扑优化 离心载荷 ANSSYS参数化设计语言
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基于导重法的自重载荷下悬臂梁结构拓扑优化 被引量:6
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作者 任毅如 向剑辉 +2 位作者 何杰 宁克焱 杨玲玲 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期1338-1344,共7页
针对自重载荷悬臂梁结构拓扑优化末端区域材料分布不收敛的问题,提出了一种拓扑优化方法。根据虚功相等原理,利用四节点矩形单元的形函数、单元体积密度和质量的关系建立了载荷等效方法。根据优化模型的Kuhn-Tucker条件推导出了导重准则... 针对自重载荷悬臂梁结构拓扑优化末端区域材料分布不收敛的问题,提出了一种拓扑优化方法。根据虚功相等原理,利用四节点矩形单元的形函数、单元体积密度和质量的关系建立了载荷等效方法。根据优化模型的Kuhn-Tucker条件推导出了导重准则,以及目标函数的灵敏度公式和考虑自重载荷拓扑优化的迭代算法。针对自重载荷作用下悬臂梁结构拓扑优化存在的末端区域材料分布模糊问题,研究了变密度法和非结构质量相结合的求解策略,揭示了典型因素对拓扑结构的影响规律。结果表明:所提方法能够解决自重载荷下悬臂梁末端区域材料分布模糊问题。 展开更多
关键词 拓扑优化 导重法 变密度法 自重载荷 材料属性有理近似函数插值(RAMP)模型
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干片式制动器支撑结构的拓扑优化方法 被引量:5
6
作者 任毅如 向剑辉 +1 位作者 杨玲玲 宁克焱 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期19-27,共9页
提出了一种干片式制动器支撑结构的拓扑优化设计建模方法.基于变密度法,以支撑结构关键控制点位移最小为目标函数,建立了优化模型.通过设定关键点与其对应目标坐标之间的距离最小达到控制支撑结构关键位置变形的目的.采用关键点的权重... 提出了一种干片式制动器支撑结构的拓扑优化设计建模方法.基于变密度法,以支撑结构关键控制点位移最小为目标函数,建立了优化模型.通过设定关键点与其对应目标坐标之间的距离最小达到控制支撑结构关键位置变形的目的.采用关键点的权重因子来突出优化目标的主次关系.分析了三种不同设计域情况下支撑结构的拓扑构型,研究了约束条件对拓扑结构的影响规律.支撑结构优化支柱表现为一个复合孔槽结构,右下角为类三角形的通孔并且在外表面为较大的浅槽结构.结果表明在体积减少量增加的情况下,支撑结构的最大变形和最大应力会随之增加.在最大变形不变情况下,体积减少了10.2%;在体积相当的情况下,最大变形减少了9.4%;在体积减少6.0%的情况下,最大变形减少了4.1%. 展开更多
关键词 拓扑优化 干片式制动器 结构优化 变密度法
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干片式制动器典型结构材料高温性能研究 被引量:1
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作者 杨玲玲 任毅如 +1 位作者 宁克焱 马新星 《热加工工艺》 北大核心 2021年第6期62-66,共5页
针对干片式多片盘式制动器支撑体高温材料特性问题,研究了温度对典型制动器结构材料性能的影响规律。选取了38CrSi、30CrMnSiA、40CrA、1Cr13、35SiMn等典型制动器结构材料,对高温刚度、强度等力学性能以及热力学材料性能进行了分析。... 针对干片式多片盘式制动器支撑体高温材料特性问题,研究了温度对典型制动器结构材料性能的影响规律。选取了38CrSi、30CrMnSiA、40CrA、1Cr13、35SiMn等典型制动器结构材料,对高温刚度、强度等力学性能以及热力学材料性能进行了分析。采用高温力学性能测试仪器对高温弹性模量和屈服强度进行了研究,同时对热导率、比热容和热膨胀系数等进行了对比。结果表明:材料力学性能随温度升高而降低,1Cr13、40CrA在0~500℃内均具有最大的弹性模量,38CrSi具有较好的高温力学性能。35SiMn、38CrSi具有较好的热传导性能,40CrA的比热容稍大于1Cr13和38CrSi的,38CrSi、40CrA等线膨胀系数较高。 展开更多
关键词 制动器 高温 结构材料 力学性能 热导率
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履带车辆干片式制动器圆锥滚子加压机构研究
8
作者 任毅如 刘守河 +3 位作者 杨玲玲 宁克焱 杨士磊 马新星 《湖南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期46-52,共7页
为了提高履带车辆干片式制动器服役性能,提出了一种新型圆锥滚子加压机构,并对其结构性能进行研究.将滚子母线延长线与加压机构轴线相交保证圆锥滚子与制动器的纯滚动条件.提出圆弧全凸型和圆弧修正型等结构改善圆锥滚子力学特性.采用... 为了提高履带车辆干片式制动器服役性能,提出了一种新型圆锥滚子加压机构,并对其结构性能进行研究.将滚子母线延长线与加压机构轴线相交保证圆锥滚子与制动器的纯滚动条件.提出圆弧全凸型和圆弧修正型等结构改善圆锥滚子力学特性.采用显式有限元方法建立圆锥滚子的数值仿真模型,基于罚函数接触算法对典型制动条件下的球形弹子、圆锥滚子及其改进型进行了结构分析.结果表明新型圆锥滚子将球形弹子的点接触转换为线接触,圆弧全凸型和圆弧修正型能够消除直线型圆锥滚子的边缘效应问题,圆弧全凸型圆锥滚子不仅能显著降低最大有效应力,并且应力沿着轴线方向分布非常均匀,显著改善了转动盘和弹子的受力状态. 展开更多
关键词 车辆工程 制动器 加压机构 显式有限元 圆锥滚子
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含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应 被引量:1
9
作者 金其多 任毅如 +1 位作者 胡绚 蒋宏勇 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期194-204,共11页
研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确... 研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场.基于Hamilton能量变分原理,推导了动力学控制方程组.通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态.随后,结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动−伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明,接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡. 展开更多
关键词 低速冲击 后屈曲梁 FG-GRC 跳跃振荡 黏弹性
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基于非线性铺设角复合材料层合板的抗低速冲击性能研究 被引量:4
10
作者 任毅如 邓亚斌 《航空科学技术》 2021年第12期84-90,共7页
复合材料层合板由于具有轻质高强、设计性强等优良性能,在航空航天等领域得到广泛运用。其每层的铺设角度对层合板的力学性能具有重要影响。为了提高层合板抗低速冲击性能,对层合板的铺设角进行了设计,并对其在低速冲击下进行破坏机理研... 复合材料层合板由于具有轻质高强、设计性强等优良性能,在航空航天等领域得到广泛运用。其每层的铺设角度对层合板的力学性能具有重要影响。为了提高层合板抗低速冲击性能,对层合板的铺设角进行了设计,并对其在低速冲击下进行破坏机理研究,建立了非线性铺设角层合板低速冲击有限元模型。采用渐进损伤模型研究了材料的破坏行为,采用基于应力的破坏准则、断裂能准则和刚度退化法模拟纤维、基体和分层界面损伤开始及演化。通过对非线性铺设角层合板的最大峰值载荷、能量吸收和破坏行为的分析,详细揭示非线性铺设角对层合板抗低速冲击性能的影响及其失效机理。结果表明,非线性铺设角对层合板抗低速冲击性能有重要影响。本研究为改善层合板抗低速冲击性能提供了一定的设计依据。 展开更多
关键词 低速冲击 复合材料层合板 非线性铺设角 耐撞性 有限元
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仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝结构耐撞性 被引量:19
11
作者 任毅如 蒋宏勇 +1 位作者 金其多 朱国华 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期308-318,共11页
基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝(ARH),并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构... 基于自然界微观生物结构的启发,设计了1种新型仿生负泊松比拉胀内凹蜂窝(ARH),并对其耐撞性能进行数值模拟。结合竹子的梯度结构和椰子树的同心胞结构,提出了2种单向梯度和2种双向梯度同心ARH结构。梯度同心结构设计方法不仅可诱导结构渐进的冲击行为,而且因其较低的等效壁厚可改善其比吸能能力。与传统ARH结构相比,对仿生ARH结构的平台应力和吸能特性进行研究,并分析耦合压溃变形模式、收缩变形机理和负泊松比效应等来揭示结构的增强机理。结果表明:预测的耐撞响应和压溃变形模式与参考结果相似;相对传统的ARH,梯度同心ARH有更高的平台应力和比吸能,且平台应力的上升和压溃变形模式均呈梯度变化;梯度方向对压溃变形模式和各层变形顺序影响较大;双向梯度同心ARH比单向梯度同心ARH因耦合变形具有更高的吸能能力;同心胞数对蜂窝各层的收缩变形有较大影响。 展开更多
关键词 负泊松比 蜂窝结构 仿生设计 耐撞性 增强设计 梯度
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复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃失效行为 被引量:5
12
作者 邓亚斌 任毅如 蒋宏勇 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期1790-1797,共8页
有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。... 有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。建立引入半圆凹槽触发机制的圆管有限元模型,采用界面和层内非线性损伤演化模型来模拟其真实的压溃失效模式。通过对比模拟和实验对应的轴向压溃载荷、吸能和失效模式来验证圆管的准静态压溃模型。进而,预测斜向压溃角度(10°~50°)对圆管在半圆凹槽触发机制下压溃行为的影响,并详细揭示其轴向和斜向压溃失效机制及其区别。结果表明,压溃载荷、吸能及失效面积随角度增大而明显减小,不稳定的压溃过程使材料失效耗能不充分。圆管在轴向压溃下表现为渐进破坏,而在斜向压溃下以“渐进破坏”向“失稳破坏”过渡为特征,导致斜向压溃载荷与吸能曲线均存在一个过渡。本研究加深了对圆管在外部触发机制下斜向压溃失效机制的理解,为改善斜向压溃失稳行为提供了一定的设计依据。 展开更多
关键词 复合材料 吸能 触发机制 渐进失效 耐撞性
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Crashworthiness uncertainty analysis of typical civil aircraft based on Box–Behnken method 被引量:3
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作者 ren yiru Xiang Jinwu 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2014年第3期550-557,共8页
The crashworthiness is an important design factor of civil aircraft related with the safety of occupant during impact accident. It is a highly nonlinear transient dynamic problem and may be greatly influenced by the u... The crashworthiness is an important design factor of civil aircraft related with the safety of occupant during impact accident. It is a highly nonlinear transient dynamic problem and may be greatly influenced by the uncertainty factors. Crashworthiness uncertainty analysis is conducted to investigate the effects of initial conditions, structural dimensions and material properties. Simplified finite element model is built based on the geometrical model and basic physics phenomenon. Box-Behnken sampling and response surface methods are adopted to obtain gradient information. Results show that the proposed methods are effective for crashworthiness uncertainty analysis. Yield stress, frame thickness, impact velocity and angle have great influence on the failure behavior, and yield stress and frame thickness dominate the uncertainty of internal energy. Failure strain and tangent modulus have the smallest influence on the initial peak acceleration, and gradients of mean acceleration increase because the appearance of material plastic deformation and element failure. 展开更多
关键词 Box-Behnken method Civil aircraft CRASHWORTHINESS Failure behavior Uncertainty analysis
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Crashworthiness analysis of aircraft fuselage with sine-wave beam structure 被引量:1
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作者 ren yiru Xiang Jinwu +1 位作者 Zheng Jianqiang Luo Zhangping 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2016年第2期403-410,共8页
An integrated design concept for crashworthy fuselage using sine-wave beam and strut is proposed and investigated. The finite element model of aircraft fuselage is built first. The structures above cabin floor, occupa... An integrated design concept for crashworthy fuselage using sine-wave beam and strut is proposed and investigated. The finite element model of aircraft fuselage is built first. The structures above cabin floor, occupant and seat are simplified as two rigid blocks. The fuselage frame is rede- signed, and the sine-wave beam is arranged under the frame. The impact dynamic performance of the aircraft with bottom sine-wave beam structure is studied and compared with that of conven- tional type. To obtain better crashworthiness performance, different rigidity of strut is combined with the sine-wave beam bottom structure. Numerical simulation result shows that the proposed sine-wave beam bottom structure could not only dissipate more proportion of impact kinetic energy but also reduce the initial peak acceleration. The structure and rigidity of strut have great influence on the crashworthiness performance. To give a better fuselage structure, both of the strut and bottom structure should be properly integrated and designed. 展开更多
关键词 AIRCRAFT CRASHWORTHINESS Energy absorption structureSine-wave beam STRUT
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