基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。

基于逆有限元的基坑围护桩等效水平位移监测方法

针对传统工程测量方法在深基坑围护桩形变监测中存在的局限性,提出了一种基于逆有限元的应力等效几何形变监测方法。该方法通过获取围护桩钢筋笼的轴向应力,采用逆有限元算法建立相关关系模型,等效求解围护桩在受土体等压力下产生的几何形变,并且通过模拟和实例对模型进行验证。试验结果表明,在不同的工况下,逆有限元关系模型均能实现桩体位移量的等效转换,且具有很好的精确度和稳健性。本文方法弥补了传统监测方法在结构内部监测中的不足,为深基坑围护桩等地下空间变形监测提供了一种思路,对监测工作自动化与科学预测形变有积极的推动作用。

热载荷下星载天线逆有限元变形重构方法

为实现星载天线结构在服役过程中的实时变形监测,针对真实分布式热载荷下的星载天线板结构,研究了基于应变监测的逆有限元变形重构方法.首先,针对星载天线板结构提出了一种基于四节点四边形逆向壳单元的变形监测方法,通过建立基于位移梯度的单元划分方法,对逆有限元单元划分进行优化,采用最小二乘误差函数构造结构应变与位移的矩阵关系.其次,建立天线板热试验系统,获取典型热载荷下的结构温度分布.然后,建立典型实验温差状态下的复合材料星载天线板结构有限元模型,获取结构表面应变和位移.最后,在典型热载荷下,验证所提变形重构方法的有效性.结果表明,变形重构的位移误差不超过0.5 mm,说明逆有限元法能够在典型热载荷下准确重构天线板变形.

基于逆有限元法的结构位移与应变场反演方法

舰船梯形结构作为封盖船体或将其分隔成层的平面板状结构,对于保证船体强度及不沉性具有重要作用。梯形结构受力不均匀会产生巨大拉扯力,易造成梯形结构变形与疲劳应力集中。基于此,本文提出研究一种基于逆有限元法(iFEM)和光纤应变感知的舰船梯形结构位移与应变场反演方法,并给出了相应光纤Bragg光栅(FBG)传感器布局形式。利用Ansys有限元分析方法,开展了基于仿真结果的相关反演方法验证。在此基础上,构建了基于光纤传感器的梯形结构位移、应变分布监测与反演实验系统。研究表明,双端固支梯形结构的位移重构均方根误差(RMSE)为0.076,应变场重构平均相对误差为6.59%。本文所提方法突破了iFEM因形函数阶次低而无法直接求解结构应变场的难题,能够为舰船梯形结构健康监测与舰载武器基座位姿精度提升提供技术支撑。

基于逆有限元方法的结构变形重构研究

针对海洋平台结构健康状态难以实时监测的问题,提出一种利用应变信息重构位移场的逆有限元方法。基于Timoshenko梁和最小二乘变分理论,通过提取结构表面应变计算截面中性轴应变,推导应变场及位移场函数,并将应变信息作为逆有限元重构的输入条件,对结构变形进行回构。为提升该方法的容差性,分析了应变片位置偏差及信号噪声对精度的影响。以海洋平台立柱为试验对象,分别利用有限元分析结果及实测结构应变信息来重构位移场。试验结果表明,提出的逆有限元法在不同载荷形式下均有较高的重构精度。

基于逆有限元法的船体加筋板结构位移场重构

在船舶遭遇事故时,加筋板是最先受到载荷的结构,为了解该结构在动载荷作用下的位移场,以船体加筋板结构为对象,通过逆有限元法(iFEM)对结构在时域动态载荷作用下的位移场进行重构。先对其进行模态分析,确定其固有频率后对结构施加频率超过1阶固有频率的动态载荷,然后进行有限元动态响应模拟,将得到的节点位移结果作为参考解,并将应变数据作为逆有限元输入应变数据进行位移场重构。提出一种较精确的测点布置方案,与其他数量相近但布置方式不同的测点布置方案相比,该测点布置方案的位移场重构误差降低了一半以上,总体保持在5%以内。

基于逆有限元的应变模态损伤检测方法

基于光纤光栅传感器(fiber Bragg grating,简称FBG)逆有限元方法(inverse finite element method,简称iFEM),仅利用有限测点的应变数据进行全域应变场重构,得到近似完全测量应变模态,提高了直接采用实测应变数据来构建应变模态损伤指标的实用性。利用基于损伤应变模态差分原理的损伤指标法,只需用损伤后应变模态数据即能定位损伤,并给出了损伤指标数学模型。计算结果表明,基于光纤光栅传感器和逆有限元方法可以快速进行全域应变场重构,为基于应变模态的损伤检测提供数据保障,而应变模态差分曲线只在损伤处发生剧烈变化,损伤程度不同,曲线突变程度略有不同但规律一致。最后以某板的实验结果证明了该方法的有效性。

改进型逆有限元法在某轿车翼子板快速成形模拟中的应用

为提高一步成形逆有限元法的模拟精度,将四节点等参膜单元应用于一步成形计算,并对空间四边形单元的四个节点可能不在同一平面引起的单元翘曲进行了修正,编写了计算机程序,对某轿车翼子板进行了实际模拟,通过一步模拟结果与增量法模拟结果和实验结果的对比,发现改进后的一步成形模拟结果与增量模拟结果已非常接近,而计算时间不到增量法的1/30,进而验证了本文方法的有效性。

改进型逆有限元法在轿车翼子板快速成形模拟中的应用

本文为进一步提高一步成形逆有限元法的模拟精度,将四节点等参膜单元应用于一步成形计算,并对空间四边形单元的四个节点可能不在同一平面引起的单元翘曲进行了修正,编写了计算机程序,对某轿车翼子板进行了实际模拟,通过一步模拟结果与增量法模拟结果和实验结果的对比,发现改进后的一步成形模拟结果与增量模拟结果已非常接近,而计算时间不到增量法的三十分之一,进而验证了本文方法的有效性。

基于逆有限元的机翼蒙皮变形监测方法仿真研究

针对机翼蒙皮变形动态监测需求,研究基于逆有限元法和应变信息的蒙皮变形重构方法。首先采用三节点三角形单元进行结构离散,并结合Kirchhoff板壳弯曲理论进行力学建模;然后通过理论推导得出应变与位移的关系,完成变形重构算法的构造,并开发出了实时显示机翼蒙皮结构变形的可视化软件平台;最后以翼形蒙皮结构和方形蒙皮结构为研究对象,通过仿真计算分析验证了重构算法的正确性和通用性。研究结果表明,在应变测点密度为2个/m^(2)条件下,结构变形重构均方根误差为1.2%,重构时间<20ms。基于逆有限元法的变形重构方法可用于机翼蒙皮变形重构,在飞行器结构变形监测领域具有应用前景。

改进型逆有限元法在弯曲成形模拟中的应用

研究了汽车车身中以弯曲为主要特征的结构件成形特点,对一步成形逆有限元法进行了改进,提出了一种基于截面线不动点轨迹线展开的初始场预示算法,将其应用于弯曲成形件的一步成形模拟中。对客车牵引架和货车纵梁(前端)两个实际算例进行了一步成形模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,收到良好效果。

基于逆有限元法和网格映射的板材成型坯料优化

在金属板材成型中.坯料经拉延成型后得到无缺陷与无多余材料的零件.意味着坯料设计必须合理.由于坯料的非均匀流动和各向异性特性产生的凸耳与不均匀法兰,成型零件与目标零件存在形状差异.为获得合理的坯料,提出节点网格映射方法.结合逆有限元分析和增量分析,根据映射关系和材料点流动趋势优化坯料形状.为了验证提出的方法.分别对方盒件成型和某电动车B柱成型进行坯料设计.结果表明,对于较为复杂的工业零件,所提出的方法经过有限次优化后可得到合理坯料形状,所需的目标零件形状与采用合理坯料成型后的形状一致.

基于iBeam3单元逆有限元法的冻土区管道变形研究

形状传感技术结合了应变-形状算法,使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化,可实现动态实时监测。该文提出了一种基于i Beam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。建立了基于iBeam3单元的逆有限元法的理论框架模型;试验验证了其合理性;设计了冻土区管道变形试验,结合应变传感器所测表面应变信息建立逆有限元分析模型;实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果表明:该方法不仅能实时监测管道随土体冻融循环的完整变形过程,而且可以保证精度。在解决寒区管道结构健康监测问题上潜力巨大。

基于逆有限元法的形状还原传感阵列及桥梁挠度监测试验

桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标,对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列,该传感阵列基于逆有限元方法,仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置,将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究,分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载,通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明:形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点,不仅可以准确还原出桥梁挠度,而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状,能够有效地评估桥梁工程性能质量。

基于逆有限元的蜂窝板结构形状传感研究

蜂窝铝芯夹层复合材料因其优异的力学性能以及良好的隔热、减震性能而广泛应用于航空航天领域。但是,复杂的结构形式给后续的结构健康监测以及剩余寿命评估带来了困难。大量文献证明逆有限元方法在形状传感以及应力应变场重构方面具有独特的优势。在实际应用中,应变传感器的布设数量受到成本等各种因素限制,因此传感器的数量和位置的合理选择是准确重构结构变形的关键因素。基于精细化的蜂窝板模型以及等效的夹层板模型,利用不同的应变传感器布设方案,研究了最佳的蜂窝板状态重构策略。通过算例分析可知,基于均质的夹层板模型,利用少量的应变数据(方案C)也可以准确地重构出蜂窝板的变形,而精细化的蜂窝板模型则需要大量的应变输入。

基于逆有限元方法和位移振型函数的薄板动载荷识别方法

动载荷识别对于结构设计和健康监测具有重要意义。利用在工程实践中容易获得的应变响应,提出了一种基于逆有限元方法和位移振型函数的薄板动载荷识别方法,能够同时识别动载荷空间分布和时间历程。首先,逆有限元方法可以利用离散应变数据重建离散位移场。然后,采用位移振型函数拟合得到连续位移场,将拟合良好的振型函数代入薄板微分控制方程中确定识别载荷。最后,通过薄板集中载荷和全局分布载荷识别的两个数值算例,验证该方法的可行性和准确性。结果表明,提出方法对于薄板动载荷的识别是有效且准确的。

逆有限元法在船体加筋板结构变形重构中的应用

对结构变形重构技术进行了研究,利用基于最小二乘变分原理的逆有限元法对多种案例的船体加筋板结构进行位移重构,研究了逆有限元模型网格对重构误差的影响,通过MPE误差分析验证了逆有限元法的可行性以及对复杂结构的适用性。为了使逆有限元法更具有工程实用性,结合改进的遗传算法为离散测点的数量和位置选择提供了依据,结果表明通过优化测点布置,可以在保持高精度逆有限元重构结果的同时,大量减少逆有限元模型中测点的数量。

基于应变梯度理论和逆有限元法的Timoshenko梁形状传感建模

大型结构的几何非线性变形严重威胁着结构体系的安全.因此,对在役结构变形进行实时监测具有重要意义.然而,目前基于线弹性理论提出的逆有限元法(iFEM)并不适用于非线性变形,为此,提出了一种非线性逆有限元法来建立结构形状感知模型.首先给出了应变梯度Timoshenko梁模型的运动学和动力学变量,并建立了其几何非线性变形控制方程.然后,推导出了转角函数的解析解,并建立了非线性形状感知模型.其中,采用等几何分析(IGA)方法构造插值形状函数.由于位移函数以旋转形式表示,所以可以有效地避免“剪切锁定”问题.随后,利用离散表面应变测量值推导出了实际转角函数,并建立了转角自由度在直角坐标系与曲线坐标系之间转换关系.最后,以一悬臂梁为例,将重构位移与理论位移进行了比较.数值结果表明,不论是集中荷载还是分布荷载,所提的非线性逆有限元法均具有良好的重构性能,重构误差都小于2.5%.

基于二维连续小波变换与数据融合技术的逆有限元法-伪激励法结构损伤识别方法

在逆有限元法(iFEM)与伪激励法(PE)相结合的损伤识别方法框架下,通过引入二维连续小波变换与数据融合技术,增强了iFEM-PE方法的抗噪能力及工程适用性。通过算例分析可知,iFEM能够借助有限应变测量数据实时准确地重构结构位移,进而使PE方法摆脱了对在线位移测量的依赖。另一方面,PE法对结构损伤具有高敏感性,适用于损伤的精确定位与定量。针对iFEM-PE方法对噪声的敏感性,二维连续小波变换可以在时频域实现信号联合分析,加强损伤特征并抑制噪音。另一方面,数据融合技术通过对不同工况下损伤识别结果的综合处理,有效提升了损伤识别的适用性与稳定性。结果显示,以上方法在噪音影响下可对复合材料结构的分层损伤进行精确定位。

基于几何映射法的钣金展开有限元逆算法

在现有线性变形逆向映射法的基础上 ,采用几何映射法计算变换单元 ,避免单元刚度矩阵出现畸形 ,提高钣金展开有限元逆算法的稳定性和收敛速度 ,对几何映射法与投影法所计算的变换单元进行了对比 ,数值计算结果表明用几何映射法计算的初始估算展开料形状更接近于最终的钣金件展开形状。以涡轮叶片和曲柄轴箱盖的展开为例对改进后的有限元逆算法进行了实验和数值验证 ,试验结果显示 。