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。

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.

有限元法中单元划分优化及约束反力求解策略

针对复杂形状问题的有限元的单元优化及速解,研究了有限元法中单元划分优化及约束反力求解策略。在分析对象的几何形状的基础上,提出了将物体划分为由若干个全等图形和相似图形的单元优化划分方法,并给出了二维典型单元的单元刚度矩阵的计算公式。同时,针对基于刚性有限元法快速求解约束反力的问题,提出了基于整体刚度矩阵伪逆直接求解约束反力的方法。对典型复杂零件的单元划分的结果表明,单元刚度矩阵计算量减少了83%。对机床支撑筋板螺栓设计的计算结果表明,基于整体刚度矩阵伪逆直接求解约束反力可快速、精确实现螺栓的设计。将提出的单元优化划分方法和直接求解约束反力的求解方法有机结合,可有效提高有限元的计算效率和计算精度。

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。

基于一步逆成形有限元法的约束展平算法

为了展平成形后的工件或修正初始毛坯构形,提出了一种基于一步逆成形有限元法的约束展平算法[Constrained Unfolding Algorithm based on one-step inverse FEM(Finite Element Method),简称CUA]。CUA将展平或修正过程考虑为一个约束优化问题,然后采用适用于约束问题的有限内存拟牛顿法L-BFGS-B来求解。分别列举了带约束地展平成形工件、带约束地修正初始坯料以及无约束地展平最终构形几个典型实例,它们成功地消除了成形工件展平后的打折单元,提高了初始毛坯构型的质量。这些例子验证了CUA既可以求解约束问题,也可以求解无约束问题,并且具有占用内存小、计算速度较快和精度较高的优点,可以为设计者在产品设计阶段提供便利。

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。

一步逆成形有限元法的叉车机罩坯料轮廓优化

本文运用一步逆成形有限元法,对某型叉车发动机罩成形面进行分析,得出轮廓的尺寸,与经验法得到的轮廓尺寸进行比较,再适当的优化,最后进行生产性验证。本设计使用solidworks三维建模,使用dynaform的BSE模块做坯料分析。说明一步逆求法可以准确的预测毛坯的形状,为冲压件的毛坯形状设计提供依据。

基于缩减基有限元法的灭弧室快速优化

针对高压电气设备电场逆问题的快速求解,将缩减基技术和有限元法有效结合,提出了一种用于快速求解电气设备电场逆问题的新方法,即缩减基有限元方法(reduced basis finite element method,RBFEM),分析了RBFEM的基本原理,并以气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)灭弧室的触头优化为例,详细介绍了基于RBFEM的快速优化算法的实现过程,包括建立数学模型、目标函数和设计变量的选定、给出优化策略、样本参数采样策略的选择、子域的分解以及样本参数N值的取值等关键问题。并对优化后的灭弧室触头形状利用ANSYS求解计算,得到的计算结果与RBFEM求得的计算结果相比误差为1.3%,可知RBFEM算法是有效的。

基于有限元法的高压SF_6断路器三维电场分析

为了满足多介质复杂结构三维电场逆问题对三维电场数值计算提出的高精度和高效率的要求,以有限元方法为基本理论,编制了基于四面体网格剖分的三维电场有限元计算平台.运用计算平台对高压SF6断路器灭弧室内的三维电场进行了准确计算,根据灭弧室内的电场分布对动触头结构进行优化分析,得到了高压SF6断路器内部等位线分布图、等电场强度分布图和不同动触头结构下的最大电场强度值.算例计算结果证明了该计算平台能被应用于三维电场逆问题的求解.

确定活塞环自由态外形的变分有限元法

把活塞环自由态形状的确定作为弹性力学反命题来求解。首先采用人工逆过程概念,把它转化为一个对偶的弹性力学正命题,即可建立它的变分原理,然后以变分原理为基础,按常规有限元法求数值解。这种方法精度较高,且计算程序通用化,实用方便,可以成为活塞环工程设计的基本计算工具之一。

大增量有限元法及其在非线性分析中的应用

为克服位移法有限元法在计算效率方面的不足,基于一般逆矩阵理论,采用最优化理论,在不同坐标系内,即整体坐标系和局部坐标系内分阶段求解大增量有限元法控制方程,给出了用大增量有限元法求解单调荷载作用下弹性体系非线性分析的求解步骤。最后以非线性索膜结构为例,用该算法对其进行非线性分析,并将结果与用位移有限元法软件ANSYS得到的结果作比较分析。结果表明:大增量有限元法计算效率高,结果准确,可应用于弹性体系非线性分析中。

基于三节点逆元法与光纤传感器的机翼形态重构方法

基于应变信息的飞机机翼结构形态重构技术,可为“仿生式机翼”的气动外形、气弹特性以及隐身性能控制提供数据支撑。为实现对飞机机翼的变形监测,本文提出一种基于三节点逆有限元法和应变信息采集的形态重构方法,并给出相应的光频域反射型分布式光纤传感器布局形式。首先,建立飞机机翼简化模型,开展基于有限元分析结果的形态重构方法仿真验证。其次,构建基于分布式光纤传感器的机翼简化模型应变监测与形态重构试验系统。研究表明,自然下垂工况下,机翼简化模型形态重构相对误差平均值约为4.01%;弯扭组合工况下,机翼简化模型形态重构相对误差平均值约为6.34%。本文所提方法适用于不同载荷工况下飞机机翼变形监测,能够为可变体机翼形态调控与机载共型天线相位补偿提供帮助。

有限元逆算法与板料成形工艺的评价

依据理想形变理论 ,研究开发了冲压成形过程模拟的有限元逆算法 ,根据变形体的整体塑性功取相对极值的条件 ,导出了逆算法有限元方程。提出了求逆算法初始解以及求解与给定形状的毛坯相对应的冲压件形状的迭代计算方法。采用有限元逆算法预测了与冲压件形状相对应的冲压件毛坯的展开形状 ,根据给定的板坯形状计算了冲压件最终构形及应变分布。分析计算实例表明 ,逆算法可用于对板料成形工艺方案进行快速评价 。

有限元逆算法及其在板料成形工艺优化中的应用

采用三角形单元开发了精度较高的有限元逆算法,算法中考虑了摩擦、压边力、拉深筋、背压力、曲压料面等实际工艺条件.方程组求解引入快速求解算法,比一般的LDLT解法快几倍,尤其对于大型复杂冲压件问题来说求解效率提高更多.用此算法对典型的L型件进行了模拟,并与增量算法和实验结果进行了比较.可以看出该算法已经达到很高的精度,而且模拟过程迭代收敛速度快,计算时间很短.在此基础上以工件的厚向应变作为目标函数,采用一种实用性很强的工艺参数快速优化算法,即黄金分割法对压边力进行优化.仍以L型件为例,优化过程的计算时间说明快速优化算法相对传统增量算法具有明显的优势.

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。