工业装备结构分析国家重点实验室研究工作介绍

工业装备结构分析国家重点实验室研究工作介绍顾元宪徐新生大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连１１６０２４工业装备结构分析国家重点实验室，利用世界银行贷款建于大连理工大学，拥有ＣＲＡＹＳ／ＭＰ小巨型机和ＳＧＩ图形工作站等计算机系统，以及ＭＴＳ...

工业装备结构分析国家重点实验室

工业装备结构分析国家重点实验室，是世界银行贷款重点学科发展项目建设的第2批国家重点实验室．于1988年开始可行性论证，1989年6月经国家计委确认，1991年启动建设，1995年5月通过国家教委验收并正式对外开放．

旁通阀结构对燃料电池系统阴极压力控制效果的分析

为减小压力波动对燃料电池寿命的不利影响,通过仿真及对比试验,探究增加旁通阀对阴极供给系统压力波动的改善效果。根据对燃料电池输出特性与各组件工作原理的分析,建立机理与控制模型;采用基于自抗扰的反向解耦方法实现流量与压力的解耦控制;运用模糊PI方法实现压力波动控制。通过Matlab/Simulink仿真验证了解耦方法在该系统结构下的控制效果,在对比试验中,压力波动峰值分别为无旁通阀1.82kPa与有旁通阀1.09kPa,旁通阀的增加减小了压力波动,使阴极流道压力的稳定性得到了更有效的控制,对提升燃料电池寿命有重要意义。

基于疲劳分析的车身关键结构焊点布置方案研究

作为车身主要承载部件的B柱,由于其在使用过程中载荷情况的复杂性,焊点处疲劳破坏问题尤为严重。针对汽车传统B柱焊点布置不合理的问题,文中提出11种分区等距式焊点布置方案;利用有限元法求解出静力条件下各方案的结构应力,结合疲劳寿命预估理论进行软件间联合仿真分析,完成对各方案的焊点疲劳寿命计算,拟合出分区等距式布置方案中焊点间距与焊点寿命之间的关系曲线,最终确定一种最优方案,与原B柱焊点布置相比,既提高了焊点寿命,又减少了焊点个数,从而实现了焊点布置优化,达到了节省生产成本的目的。

飞机结构螺栓连接细节疲劳断裂失效机制与寿命分析

针对随机块谱作用下飞机典型螺栓连接接头的疲劳失效,利用显微观测技术分析宏观和微观断口形貌特征,揭示螺栓连接结构细节的失效模式和微观失效机制。结合连接结构细节的疲劳载荷谱和微观疲劳条带特征,基于Paris公式定量反推接头的疲劳裂纹扩展和萌生寿命,建立载荷循环数、飞行小时数与疲劳裂纹长度之间的演化规律。研究表明,螺栓接头的疲劳裂纹萌生于螺栓孔下部表面应力集中处,呈多源模式,断面包括裂纹源区、扩展区和瞬断区等典型疲劳特征;寿命反推表明,两段函数式能够合理表征全寿命周期内疲劳裂纹扩展长度与载荷循环次数和飞行时间之间的演化规律;疲劳裂纹扩展和萌生寿命分别为3147.7 h、615.4 h,连接接头的设计方案与工艺尚需改进以满足安全寿命设计要求。

基于IDA的西安站改东配楼结构地震易损性分析

为评估复杂连体结构在地震作用下的抗震性能,通过增量动力分析法对结构整体的抗震性能进行易损性分析。分别将最大层间位移角,扭转角和损伤参数作为DM值,获取结构易损性曲线,根据超越概率密度函数得到了各部件和整体结构的易损性矩阵。结果表明:在不同工况的PGA输入下,连体结构各部分均能满足抗震规范所规定的8度罕遇地震的要求,大跨桁架始终满足抗震性能要求;随着整体结构破坏程度的不断加大,角钢预埋件的破坏随着大跨桁架在强震作用下扭转的增大而逐渐增大,各水准的超越概率均大于其它部分的超越概率,因而大跨桁架支座端的角钢预埋件1和2是决定连体结构整体抗震性能的关键。

钢结构氧气切割开孔残余应力数值分析与实验研究

氧气切割是船体结构临时开孔工艺中的首选方法,其产生的残余应力对后序封孔焊接与结构安全性均有重要影响.基于氧气切割原理,建立了预热火焰与铁氧反应生热的组合热源模型;基于热弹塑性有限元法,建立了氧气切割开孔过程的数值计算模型,并分析了切割温度场与残余应力场分布规律.通过氧气切割开孔实验进行结果验证,采用红外热像仪测量表面温度分布,应用压痕应变法测量残余应力,实验结果与计算结果基本吻合.研究结果表明:在割缝边缘存在超过材料屈服点的拉应力区,其宽度受切割速度、开孔尺寸与纵向约束等因素的影响.

空投方舱入水静力分析研究

针对降落伞空投方舱入水问题进行了静力分析,以得到典型载况下的最佳入水角.确定了方舱主尺度及船型参数.首先,假定入水角,计算不同吃水深度下的静水力特性;然后,假定重心高度,计算艏部和艉部入水时的复原力矩,得到复原力矩曲面图谱;最后,通过计算超载、满载和空载3种典型载况下的倾覆力矩,进一步确定入水静力平衡曲线,得出3种典型载况下的最佳入水角.结果表明:在艏部入水时,超载下最佳入水角为38°,满载下最佳入水角在10°~90°,空载下最佳入水角为12°;在艉部入水时,超载下最佳入水角为58°,满载下最佳入水角为55°,空载下最佳入水角为51°.并可将结果用于约束其他载况下的最佳入水角.通过空投方舱入水角要求可约束某一载况下重心高度可行域,为后续设计和空投入水提供技术参考数据.

基于同伦分析方法和神经网络的复杂腐蚀缺陷海底管道屈曲压力计算方法

针对含复杂形状腐蚀缺陷海底管道屈曲压力计算难的问题,本研究中采用同伦分析方法对含复杂腐蚀缺陷海底管道的屈曲压力进行了计算,并用有限元方法进行了对比验证,进而根据计算结果提出了基于神经网络模型的海底管道屈曲压力的计算方法。结果显示:同伦分析方法可以有效、准确地计算含复杂腐蚀缺陷海底管道的屈曲压力,在相同情况下抛物线形腐蚀管道的临界屈曲压力大于椭圆形管道的临界屈曲压力。基于神经网络模型的腐蚀海底管道屈曲压力计算方法具有良好的泛化性能,可以很好地应用于工程现场的计算。

点阵构型对夹层结构抗鸟撞性能的影响

空心夹层叶片由于同时具备轻量化与吸能特性而被广泛应用于航空发动机设计,研究了四种不同点阵构型对填充式叶片等效模拟件的抗鸟撞能力的影响。通过均匀化方法给出四种点阵构型的等效刚度,然后基于随形自适应点阵填充结构的建模方法建立点阵填充的曲板模型,通过3D打印将单胞填充平板结构制造出来进行鸟撞试验并进行数值仿真。从变形机理和能量吸收的角度分析了四种不同单胞下填充结构的抗鸟撞性能,BCC具有更好的抵抗z方向挠度和面内y方向的褶皱两种变形的表现且相比于其他几种结构的吸能作用更优,所以BCC具有更好的抗鸟撞能力。

变截面多稳态梁结构减振吸能分析与优化设计

基于多稳态梁结构具有吸能且可重复使用的特点,本文研究包含变截面多稳态梁的单胞结构及其周期性排布的减振吸能效应及其优化设计方法。对多稳态结构进行考虑几何非线性的位移加载/卸载有限元仿真,根据其载荷-位移曲线分析多稳态结构的减振吸能原理,并研究串联与并联周期性排布形式对结构整体吸能特性的影响规律。研究基于多参数调控的变截面梁结构形状表征方法,根据多稳态结构储能特点建立变截面多稳态单胞结构的结构优化模型,通过求解优化问题获得总质量不变条件下最优变截面梁结构形状。进一步地通过对优化结果的有限元分析验证优化的有效性,并对结构进行瞬态冲击荷载下动响应分析,证明多稳态结构的冲击保护作用。

太阳光压与地球阴影作用下的空间柔性梁结构振动分析与控制

针对运行在地球同步轨道平面内的超大型航天结构,研究其在太阳光压和地影作用下的动态力学行为及控制问题。将超大型航天结构简化为柔性梁结构,基于绝对节点坐标法建立柔性梁的振动控制方程。数值结果表明地影对柔性梁的结构振动幅值有着非常显著的影响。进一步修正分析模型,建立超大型航天结构的准静态分析模型,通过数值试验,验证了模型的有效性;鉴于太阳光压力和地影给柔性梁结构带来的较大幅度振动问题,通过调整轨道控制力,提出一种新的控制方法,数值试验表明:由地影引发的大幅振动得到很好控制。

热辐射及重力梯度对大型空间柔性梁结构振动影响分析

鉴于大型航天器在轨服役期间会受到万有引力梯度、热辐射等复杂载荷作用,致使结构诱发热-结构耦合振动现象.因此,本文将研究万有引力梯度和热辐射载荷作用下大型空间柔性梁的动力学行为.首先,基于绝对节点坐标方法和热-结构耦合理论,建立柔性梁的数学模型;其次,通过Legendre变换,推导出Hamilton体系下柔性梁结构的对偶方程;然后通过数值仿真,研究了无地球阴影时柔性梁的热致振动,发现柔性梁结构的位移响应包括万有引力梯度引起的振动和热致振动,其运动较为稳定;进一步的,数值结果表明地球阴影对柔性梁的热致振动幅值以及稳定性有着非常显著的影响.同时,针对地球静止轨道上的柔性梁,发现热致振动影响大于万有引力梯度,并比较了柱形阴影和锥形阴影的影响.

大型海洋工程结构全频域噪声分析

鉴于求解大型海洋工程结构全频域噪声单一方法的局限性,在介绍基本原理的基础上,运用不同软件混合求解平台噪声,以实现对大型海洋平台的全频域噪声分析。结合有限元法(Finite Element Method,FEM)、边界元法(Boundary Element Method,BEM)和统计能量分析(Statistical Energy Analysis,SEA),利用ESI-VA ONE和Nastran两种软件对建立的模型进行求解。在考虑空气声、结构声及声固耦合作用下不同噪声传播的基础上完成全频域噪声分析,取得整个平台的噪声分布,并且分析包含防风墙工况和无防风墙工况噪声情况。虽然求解难度较大,但是该技术实践结果可行,满足设计要求及标准和规范,对大型海洋工程结构的声振分析有一定的指导意义和参考价值。

飞机结构X射线裂纹图像智能评定

飞机结构X射线图像评定过程存在复杂背景下裂纹分割不准确、检出难等问题。基于高效层聚合网络提出一种飞机结构X射线裂纹图像智能评定模型(ELAN-Seg),将ELAN-Seg模型和DeepLabv3+模型的射线图像裂纹分割能力进行对比,结合图像处理技术对模型分割的裂纹长度进行评估,利用飞机强度试验及外场维护过程采集的X射线图像对模型进行验证。结果表明:分割的最小裂纹长度约为3 mm,ELAN-Seg模型对复杂背景射线图像裂纹分割更加准确,裂纹漏检率小于3.8%,该模型具有工程适用性。

可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控

调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。

基于分布式光纤的蜂窝夹层结构脱粘损伤监测

航空航天蜂窝夹层结构服役环境恶劣,需要发展相应的结构健康监测技术以保证结构的安全运行。脱粘损伤因发生在内部胶层而难以监测,该文采用埋入胶层的分布式光纤传感器对蜂窝夹层结构脱粘损伤进行监测。在预埋损伤监测试验中采用高强光纤和边界浅槽的方式提高传感器存活效率,得到脱粘损伤应变特征。采用参数化建模方式对不同损伤位置进行大量有限元模拟,加入白噪声后得到含有脱粘损伤特征的13500组数据。将模拟数据代入卷积神经网络进行训练,训练后的网络对试验损伤数据的识别准确率达到98.84%。该方法能够识别20 mm^(2)脱粘损伤,同时定位平均误差小于4 mm。

非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

考虑不确定性情况下的故障树重要度分析方法及应用

为了度量底事件发生概率不确定性对顶事件的影响程度,在建立故障树概率组成函数的基础上,基于矩独立重要性测度提出了考虑底事件发生概率不确定性情况的故障树重要度分析方法。以某飞机结冰探测系统为例,利用所提出的重要度方法分析了底事件发生概率不确定性对该系统故障的影响程度,设计者可根据重要度结果更有针对性地开展分析与设计,同时也验证了所提方法的合理性。

极地半潜式海洋平台在不同环境载荷下的动态响应分析

北极地区拥有丰富的油气资源,在该海域进行油气资源的开发和利用具有巨大的发展前景,但也极具挑战性。当前海洋平台的设计规范并未充分考虑海冰的影响。北极海域存在无冰期和有冰期,为了实现平台全年在海上进行作业,需要联合考虑波浪载荷和冰载荷的作用。本文研究某半潜式海洋平台在波浪、平整冰以及碎冰不同工况下的动态响应,采用势流理论和莫里森方程计算波浪载荷,利用离散元方法求解冰载荷,使用细长体有限元的方法分析锚泊系统,通过非线性时域计算求解得出平台的运动以及锚泊系统受力。结果显示:相较于其他环境载荷,平整冰作用下锚链的张力最大;在较小的海冰厚度、海冰密集度和冰块平均面积下的碎冰区,平台的运动符合现行安全规范。本文的研究可为北极地区油气资源的安全开发提供参考价值。