刚度约束条件的周期性拓扑优化研究

板条状结构的设计域具有较大的长宽比,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、易于加工的拓扑形式或求解困难。提出了一种刚度约束条件下基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型(SIMP)的周期性拓扑优化的方法。建立了以结构的体积作为目标函数,单元相对密度为设计变量的周期性拓扑优化问题的数学模型。为了保证优化结构可以获得周期性的拓扑形式,在数学模型中设置额外的约束条件。通过优化准则法推导出虚拟子域设计变量的迭代公式,利用刚度约束计算出拉格朗日乘子。引入过滤函数解决拓扑优化容易出现数值计算不稳定,导致棋盘格、网格依赖性等问题。利用所提出的方法,对平面矩形悬臂梁结构进行拓扑优化研究,获得清晰的、易于加工的周期性拓扑形式。结果表明:当子域数目取值不同时,均可获得清晰的、易于加工的周期性拓扑形式,且具有良好的一致性。通过该典型算例验证了利用变密度理论SIMP插值模型实现周期性拓扑优化的可行性和有效性。

基于非线性刚度约束下的精密机床主轴系统优化设计

采用“卸积木式”力学模型及以拟静力学模型建立的主轴轴承刚度矩阵对机床主轴系统的结构进行优化 ,通过数学变换较大地减少计算量 ;经过对多种机床主轴系统的分析计算 ,实现了体积和刚度的优化 .并以 M2 110 A型内圆磨床的磨头为例 。

用多项式变量进行复合材料层合板带刚度约束优化设计

对复合材料层合板进行了带刚度约束的优化设计 ,在刚度及尺寸约束下使结构重量最小化。铺层的厚度分布由一个双二次多项式描述 ,其 6个系数被用作设计变量。刚度分析用有限元法完成 ,其中采用了一种考虑横向剪切影响的三角形单元。敏度分析用解析法完成。优化问题用约束变尺度法求解。

满足刚度约束的筒形机身防火墙结构设计研究

通用飞机机身防火墙结构用于隔离发动机舱与驾驶舱,当结构发生变形时,必须保证防火墙结构不与发动机等重要组件发生空间干涉。为满足防火墙结构苛刻的设计要求,以某筒形机身结构为研究对象,通过分析增压工况下结构的整体刚度/强度特性,确定防火墙结构的变形特性,并在不满足结构刚度约束的条件下,对防火墙结构进行了尺寸及布局设计。结果表明,相对初始构型而言,尺寸设计无法满足刚度约束和重量要求,而采用辐射状筋条布局形式可大幅度地减小变形。

基于刚度约束的飞机复合材料货舱门优化设计

民用飞机在飞行过程中,舱门要承受很大的压差载荷。随着轻量化要求的日益严格,复合材料舱门逐渐成为一种趋势,而舱门在设计中除了满足强度要求外还必须满足刚度要求。为了研究复合材料在舱门上应用的减重潜力,完善了舱门刚度约束条件,包括最大变形量、波纹度、阶差、间隙等多种刚度要求,在此基础上按照强度及铺层比例等要求,提出了一种考虑多种刚度约束的复合材料舱门优化设计方法。以飞机前货舱门为例,以刚度、强度及铺层比例为约束条件,应用NASTRAN进行了蒙皮、横梁和纵梁的铺层优化,实现了复合材料前货舱门的轻量化设计。结果表明前货舱门采用复合材料并经过优化分析后结构重量降低了24.30%,具有很大的减重潜力,研究结果为复合材料在飞机货舱门上的应用提供了一定参考。

考虑结构空间作用的RC框架梁轴向约束刚度研究

为真实反映结构对框架梁的空间约束作用,提出了轴向约束刚度指标以量化结构空间约束,并建立可模拟框架结构空间约束作用的数值模型。对比足尺框架结构试验数据表明,按规范计算的框架梁抗弯承载力与试验值相对误差为42%~75%,考虑结构轴向约束作用后相对误差缩小至25%以内,说明该模型可较好地模拟框架结构轴向约束作用,验证了该数值模型的合理性和可靠性。在有限元软件SAP2000中建立等效弹性数值模型,通过单参数分析得到对RC框架梁轴向约束刚度有显著影响的关键变量。在常见工程的取值范围内对关键变量进行充分的排列组合,开展规模化数值分析并总结结构空间约束的作用机理与RC框架梁极限状态下轴向约束刚度分布规律,得出了极限状态下RC框架梁轴向约束刚度的计算方法。

岩体原位点触探测试的约束刚度差异性表征及影响分析

为了分析不同约束刚度差异性对岩体点触探特性的影响,通过理论分析和数值分析修正给出以应变状态为标准的约束刚度差异性表征方法,并通过室内试验研究不同约束刚度对岩体点触探测试的影响。研究结果表明:在不同孔径和试样尺寸条件下,点触探压头下方拉伸应变不同,表明各条件下岩体结构的约束刚度存在差异性,原位钻孔条件下触探岩体的约束刚度最大,原位半空间条件下的其次,有限试样条件下触探岩体的约束刚度最小。若有限试样尺寸越大,则触探岩体的约束刚度越大;若原位钻孔孔径越小,则触探岩体的约束刚度越大。不同约束刚度对岩石点触探特性有重要影响。对于不同的约束刚度条件,试样初次破裂之前,其荷载-位移曲线斜率基本保持一致,随着约束刚度提高,试样的初次破裂位移与荷载逐渐提高;初次破裂后,点触探加载刚度弱化逐渐减小,最终试样破坏荷载逐渐增加。基于试验得到的初次破裂荷载比与本文给出的约束刚度比有较好的一致性,因此,通过横向拉伸应变条件定义的约束刚度比能够对刚度影响下的点触探指标进行合理表征。

试验台约束对滑动轴承动特性识别精度的影响

在滑动轴承的动特性测试中,试验台参数对动特性测试精度有重要的影响。以某倒置式轴承动特性试验台为研究对象,基于轴承动力学正反问题,提出滑动轴承动特性系数识别精度的仿真评估方法,分析不同激振频率时试验台约束参数对轴承动特性系数识别精度的影响规律,并对激振频率和约束参数的取值范围进行优选。结果表明:在较低激振频率的条件下,当约束刚度和约束阻尼取值较小时,动特性系数的识别精度受测试误差的影响不大,随着约束刚度和约束阻尼取值增大到一定值,动特性系数的识别精度受测试误差的影响迅速增大。针对研究的试验台,选择激振频率在30~300 Hz之间,选择试验台约束刚度小于试验轴承刚度的0.3%,试验台约束阻尼小于试验轴承阻尼的7%时,能够保证较好的轴承动特性系数的测试精度。

H形钢梁考虑有限翘曲约束刚度的扭转效应分析

为考虑半刚性连接对H形钢梁翘曲变形的有限约束,引入翘曲约束刚度的概念,提出介于简单支承和固定支承之间的半刚性连接H形钢梁约束扭转计算方法。结合数值算例,验证本文方法的正确性,详细分析翘曲约束刚度变化对翘曲正应力和二次剪应力的影响。研究结果表明:翘曲约束刚度引起的双力矩沿跨度呈线性变化,翘曲正应力随翘曲约束刚度的增大而减小,二次剪应力随翘曲约束刚度的增大而增大。

悬浮隧道考虑竖向弹性约束的子结构模型与涡振响应特性

通过将跨内支撑锚索与连接边界条件简化为竖向弹性约束,采用尾流振子考虑均匀流作用下结构的流固耦合效应,研究多跨锚索支撑式悬浮隧道的涡振特性。基于Euler-Bernoulli梁理论建立可考虑跨内/边界竖向支撑刚度对涡振特性产生影响的悬浮隧道管体子结构模型,分析多组跨内锚索支撑刚度与边界约束刚度组合下管体的涡振响应规律。研究结果表明:当两类约束刚度增大、结构固有频率增大时,高阶模态越难以被激发,能有抑制涡振响应的作用;当锚索支撑刚度较小和较大时,靠近端部位置的涡振响应幅值随边界约束刚度的增大而减小,且跨度范围内的涡振响应峰值关于中点对称,当锚索支撑刚度中等且相邻阶次频率相差较大时,管体位移由单一模态主导,当相邻阶次频率接近时,在涡振锁定区间内可观察到由模态耦合所导致的“凹陷”和“凸起”的非线性现象;不同位置之间跨内位移响应的极大值在边界约束刚度较小、较大时分别出现在两端、中点位置。

一种四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围约束机理及刚度取值研究

对一种四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围约束刚度的取值进行研究。这种防屈曲支撑的外围约束构件由四个角钢通过螺栓连接,由于螺栓数目有限,所以与外围整体式防屈曲支撑相比,其外围约束刚度应进行一定程度的折减。根据外围约束构件的受力特点,提出一个简化的桁架模型,基于该模型给出一种确定外围约束刚度的方法。其中,四个角钢间的连系刚度是决定整体约束刚度的重要参数,其受到角钢分肢板件的面内刚度与面外刚度的共同控制。通过理论与数值分析相结合的手段,在参数分析的基础上,提出角钢间连系刚度的拟合计算公式。数值分析表明,该方法可用于精确确定这种四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围约束刚度。

一种四槽钢组合约束型防屈曲支撑的外围约束机理与约束刚度取值研究

四槽钢组合约束型防屈曲支撑的外围构件由4个槽钢通过沿纵向分布的多组螺栓拼装而成,外围构件的连接呈现离散的分布特征,故其外围约束机理与约束刚度计算理论较为复杂。相比外围整体式防屈曲支撑而言,这类装配式组合防屈曲支撑的外围约束刚度要考虑螺栓连接的影响。绕x轴弯曲时,外围构件刚度的折减效应主要由螺栓连接附近处的槽钢板件的面内与面外变形产生;绕y轴弯曲时,折减效应主要源自上、下槽钢的扭转变形。详细剖析了这两种情况的受力机制,并结合理论推导与数值分析,分别给出了绕不同主轴弯曲时的外围约束刚度的简化计算方法。该方法得到了精细有限元数值计算结果的验证。

基于连跨效应的船撞作用下连续梁桥墩顶约束刚度分析

基于弹性分析,重点考察连续梁桥上部结构对被撞桥墩的约束作用,通过分向传播法分析连续梁桥支座横向剪切刚度、桥墩跨数、跨距、边跨桥墩抗侧刚度对被撞桥墩的影响,归纳各参数对被撞桥墩墩顶位移的影响作用。在此基础上,通过有限元软件分析苏通大桥引桥在船舶撞击力作用下上部结构对被撞桥墩的顶端约束刚度,并与理论推导出的约束刚度进行对比。研究结果表明:与悬臂墩模型相比,在相同撞击力作用下,考虑连跨效应的被撞桥墩墩顶位移减小9.94%;随着边跨桥墩抗侧刚度、跨距、支座横向剪切刚度的增大,被撞桥墩墩顶位移逐渐减小;随着跨数的减少,对被撞桥墩的约束作用越小;相邻第1跨对被撞桥墩约束的影响率在90%以上。

约束刚度对砌体结构中现浇楼板裂缝影响的试验分析

通过对设和不设圈梁及构造柱的两种砌体结构模型进行试验 ,并应用ANSYS软件对其进行理论分析 ,研究圈梁及构造柱对砌体结构现浇楼板非荷载裂缝的影响 ,得出一些有益的结论。

冷弯薄壁卷边槽钢弹性畸变屈曲分析中的转动约束刚度

畸变屈曲是冷弯薄壁卷边槽钢的重要屈曲模式,腹板提供给翼缘板的转动约束刚度是影响其畸变屈曲性能的关键因素之一。该文对冷弯薄壁卷边槽钢弹性畸变屈曲分析中腹板提供给翼缘板的转动约束刚度取值进行了全面深入的研究。首先推导了腹板在8种不同应力情况与变形形状下的转动约束刚度理论计算公式;接着利用这些公式详细讨论了腹板变形形状的影响;最后提出了计算简便且精度较高的转动约束刚度统一近似公式。研究成果为解析法分析卷边槽钢的弹性畸变屈曲、进而提出畸变屈曲荷载的实用计算公式提供了依据和方便。

边界约束刚度不确定的结构振动特征值

利用摄动法 ,将随机的微分方程和边界条件化为一系列的确定性微分方程和边界条件。运用有限元离散方法 ,推导了统计特征值的二阶摄动近似表达 ,用算例对本文方法进行了说明并和

施工期变约束刚度对混凝土楼板温度应力的影响研究

混凝土楼板由于温度作用产生变形,且受到周围梁柱的约束不能产生自由变形,从而产生温度应力导致结构开裂.针对梁对混凝土楼板温度应力分布及发展状况的影响,通过改变约束混凝土楼板梁的宽度角度,建立了梁宽分别为200、250、300、350 mm的有限元模型,并对其进行数值模拟,以研究施工期变约束刚度对混凝土楼板温度应力的影响情况.数据及研究表明随着梁宽度增加,约束刚度增强,楼板温度应力会呈现整体增长,并由板角高应力区逐渐向板中底应力区域扩散,达到混凝土抗拉强度的区域面积因此逐渐增大.梁宽度为200 mm时,角柱及边柱的各自梁约束处楼板板角底面和顶面均达到混凝土抗拉强度,中柱及梁约束处板角应力则没有达到混凝土抗拉强度.随着梁宽度不断增大至350 mm,中柱及梁约束处板角顶面会逐渐达到混凝土抗拉强度,但是板角底面仍为弹性.

变截面双肢薄壁高墩基础约束刚度动力识别方法

以汝郴高速公路山店江大桥1号高墩为工程背景,基于Rayleigh能量法和South-well频率合成法导出变截面双肢薄壁桥墩结构复合振动基频计算公式,将基频表示成各惯性元和变形元所组成子系统的频率合成。在此基础上建立结构基础约束刚度识别方法,利用结构固有基频和地基约束刚度的关系,采用脉动实验测得桥墩2个不同施工阶段的振动频率,估算出基础约束刚度,并与设计值进行比较,为桥梁桥基施工质量评估提供了科学依据。

拱效应下纵向约束刚度对GFRP筋混凝土桥梁面板力学性能的影响

混凝土桥梁面板受到外围构件的约束时会在内部形成拱效应,在拱脚处产生沿板跨纵向的约束力。为了研究纵向约束刚度对板带力学性能的影响,对6块端部受到转动约束及纵向约束的GFRP筋混凝土试件进行了破坏性实验。从实验中发现:随着纵向约束刚度的增加,约束力逐渐增强,试件受压区范围随之增大,筋材应变减小,跨中挠度及裂缝的发展减缓,板带的正常使用性能及承载力极限值均得到提高。结合前期研究把纵向约束刚度对受压区高度的作用进行量化后,可得到约束力的计算公式,其预测值与实验测得的约束力较为接近。纵向约束力的计算值及实验结果均表明,当纵向约束刚度与板带纵向受压刚度的比值为0.25～2.00时,纵向约束将明显提高板带的力学性能。

基于柔度系数求解桥梁桩基对桥墩约束刚度的有限元数值分析

以桥梁桩基础为研究对象,基于弹性地基梁"m"法理论,通过柔度系数提出桥梁桩基础对桥墩约束刚度的有限元数值计算方法,探讨桩基有关参数诸如桩径、入土深度、地面以上长度、地质条件以及桩数对约束刚度的影响规律。研究结果表明:本文结果对桥墩设计、桥墩承载能力与桥墩抗震防灾能力评估具有一定的指导意义。