单步无条件稳定显式结构动力学算法

在结构动力学分析中,数值积分方法通常被用来高效和准确地求解复杂结构系统在动态负载下的响应。基于量纲分析的原理,提出一种求解结构动力学问题的单步无条件稳定显式算法。首先对所构造的关于位移和速度的函数关系式进行无量纲化处理,然后通过算法精度要求、无条件稳定条件和数值阻尼可控条件确定了其最终递推格式,并根据算法最终递推格式分析得出算法耗散与弥散特性、超调和自启动特性和多自由度系统计算步骤,最后通过数值算例验证了算法的收敛精度、可控数值阻尼和计算效率优势。研究结果表明:对于线性和非线性系统,该算法都兼具显式算法的非迭代特性和隐式算法的无条件稳定特性;该算法能实现真正意义上的自启动并且在速度和位移上均无超调;该算法的数值阻尼由单自由参数控制,数值耗散和弥散对系统低模态响应的影响可以忽略不计,与具有代表性的非迭代显式算法KR-α法相比,该算法在引入数值阻尼滤除虚假高频模态的同时更真实地保留了低阶振型的贡献,从而表现出更好的计算精度;该算法在求解非线性结构动力学问题时相较于常用隐式算法有着显著的计算效率优势,并略优于两求解器非迭代显式算法KR-α法。研究结果很有希望成为求解非线性结构动力学问题的最新且更加有效的显式算法。

改进的基于特征线理论的流体力学有限元法

通过沿特征线求解动量方程,并运用局部泰勒级数展开对方程的离散进行简化,在传统的基于特征线离散的分裂算法的基础上,推导了一种精确的显式离散方法,详细给出了基于局部泰勒级数展开的特征线离散过程,并推导了有限元控制方程.通过自主研发的空间结构自动分析设计系统(简称AADS)流体模块中的三维算例计算,表明文中的分析是正确的,提出的改进方法具有较高的计算精度.

螺旋桨在冰桨铣削下的强度计算分析

冰区航行时,相比于水动力,螺旋桨冰铣削工况下的冰载荷对螺旋桨的危害更大,故冰区航行对螺旋桨的强度要求较高。本文以显示算法理论为基础,利用ANSYS/LS-DYNA为工具,在模拟球形冰和刚体的碰撞与相关实验对比验证选用的计算方法的正确性后,冰桨铣削工况下的螺旋桨载荷响应进行了模拟研究,计算监视了冰桨铣削过程中桨叶的等效应力、位移响应以及冰的破坏过程并得到分析计算结果。计算结果表明:冰桨铣削过程螺旋桨受到的等效应力主要集中在叶梢及导边区域,应力值在冰桨接触后迅速达到峰值;在铣削过程中叶梢受到的的弯曲变形最为严重,在冰区桨设计环节应着重关注叶梢部分。

Rayleigh阻尼和振型阻尼在大规模建筑结构显式动力分析的实现及应用

为了弥补Rayleigh阻尼和"简化"振型阻尼在显式动力分析的不足,本文在精细化有限元模型的基础上提出了振型阻尼结合质量阻尼的"修正"振型阻尼(即:"M-M D"),并从显式求解精度、稳定性以及对高阶振型放大响应的抑制作用的角度对Rayleigh阻尼和"M-M D"进行了分析。利用PKPM-SAUSAGE软件,对采用了这两种阻尼的显式动力时程计算结果进行了对比,分析了高阶振型放大响应对结构动力分析的影响以及两种阻尼模型对高阶振型放大响应的抑制作用,结果表明"M-M D"的效果更好。

基于LS-DYNA直齿轮动态啮合特性分析

基于接触有限元分析理论和显式计算方法,利用LS-DYNA软件,可以高保真地模拟齿轮动态啮合过程。通过建立某实验研究中齿轮的精确啮合有限元分析模型,利用上述方法,模拟实验齿轮的动态啮合过程,根据数值计算结果分析齿轮动态啮合过程的振动特性。研究表明:齿轮动态啮合过程的数值模拟结果与实验结果具有很好的一致性;薄壁齿轮易产生结构振动,且其轮缘振动明显;降低轮缘及腹板的厚度,会使得轮缘及腹板承担齿轮啮合载荷的比重增大;当腹板位置不在齿宽中心时,会导致直齿轮动态啮合过程产生轴向啮合力。此外,研究还得出齿轮的共振条件以及齿轮共振状态的判定方法。

基于Bouc-Wen模型的消能减震结构显式非线性时程分析

该文基于Bouc-Wen模型构造了一种2节点12自由度的显式消能器单元;利用修正的向前Euler算法实现了单元内力计算。将该文显式单元及其内力计算方法在完全自主研发的非线性有限元分析程序中完成开发。为提高显式分析效率,自主研发程序采用了CPU+GPU异构并行计算技术。通过与低屈服点钢剪切滞回试验对比,验证了该文显式消能器单元的正确性和适用性。采用该文显式消能器单元模拟某实际消能减震结构的金属消能器;基于结构整体动力分析结果,讨论了金属消能器的减震效果。

轨道车辆通过钢轨凹坑时的响应分析

为研究钢轨凹坑对列车造成的动力学响应,采用实测的钢轨凹坑数据,建立轮轨滚动瞬态接触模型,通过Abaqus动力学显式算法求解车轮通过凹坑时的滚动状态。计算得到车轮通过凹坑后钢轨的Mises应力、轮轨接触力、轴箱处垂向加速度等数据。结果表明,钢轨凹坑会对列车产生短时较大冲击,此时轮轨接触位置Mises应力为681.7 MPa,改变轮轨接触状态,危害行车安全。且在车轮进入凹坑后的0.01 s内激发波长为42.67 mm的振动。从等效塑性应变计算结果可以看出钢轨凹坑会进一步扩大,且凹坑后扩大趋势大于凹坑前。