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复杂结构的动态响应有限元分析技术和应用

作　者: 卢其辉
导　师: 顾克秋
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 复杂结构动力学有限元发射动力学自行火炮参数辨识小波变换
分类号: TJ30
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 43次
引　用: 1次
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内容摘要

自行火炮是一个典型的复杂结构,其发射过程是一个高瞬态、强载荷的非线性过程,伴随着剧烈的运动、冲击和振动,严重制约着自行火炮的性能和使用寿命。随着战场环境的变化,要满足火炮轻量化应用的迫切要求,必须对原有自行火炮进行再设计。因此,必须采用计入各种非线性因素的有限元建模方法,对其发射过程的动力学行为进行细致研究,从而对火炮实验获得准确的预测结果。本文结合动力学有限元常用建模方法与技巧,提出了系统建模方法。该方法涵盖两个层次：部件建模和部件连接关系建模。在这两个层次分别阐述了切实有效的建模技术,以解决模型计算规模控制和非线性因素模拟问题。同时,讨论了求解动力学问题的基础理论,并结合应用经验,阐述了提高求解效率、精度和稳定性一些措施。应用该系统建模方法,建立某自行火炮发射动力学有限元模型,利用了大滑移接触、用户接口程序、多点约束和连接器等技术,解决了反后坐装置、履带悬挂系统等部件的连接模拟问题,并计算了自行火炮在0°方向射角、0°和60°高低射角两种发射状态下的动力学行为。计算结果与实弹测试对比,误差最大为5.1%,满足分析要求,验证了该系统建模方法的正确性与有效性。至此,基于有限元法的自行火炮发射动力学研究平台已建立完全。在这基础上,可以对火炮设计和改型设计的有效性进行评估,同时还可以进一步研究部件结构优化、轻量化、火炮与底盘匹配性等问题。动力学有限元模型能否解决工程中的实际问题,既取决于建模方法的正确性,又取决于模型参数的准确性。模型参数包括尺寸、质量、载荷、位移、刚度、间隙等,来源于对物理模型的测量。对于难以直接测量的参数,需要采用参数辨识方法获取。该方法以数学实验为基础,从响应结果中提取对参数变化敏感的指标,该指标与参数值对应。应用这一指标能够对物理模型参数的进行间接测量。本文通过小波变换,对动态响应结果进行数据分析,得到对部件连接刚度和间隙参数变化敏感的指标——标准差和峰度系数,也称为辨识指标。有了这些辨识指标,对物理模型的参数辨识才能得以实现。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 选题背景和意义  8-9
  1.2 国内外研究进展  9-12
    1.2.1 非线性有限元  9-10
    1.2.2 火炮发射动力学  10-11
    1.2.3 模型参数辨识  11-12
  1.3 本文研究的主要内容  12-14
2 复杂结构的动力学有限元建模  14-34
  2.1 引言  14
  2.2 建模原理  14-15
  2.3 部件建模方法  15-19
    2.3.1 几何模型简化  15
    2.3.2 网格划分原则  15-17
    2.3.3 混合单元建模技术  17-18
    2.3.4 应用软件与建模流程  18-19
  2.4 连接关系建模方法  19-24
    2.4.1 接触碰撞定义  19-21
    2.4.2 用户接口程序  21-23
    2.4.3 多点约束方程法  23-24
    2.4.4 连接器  24
  2.5 动力学分析方法  24-32
    2.5.1 动力学问题的有限元方程  25-26
    2.5.2 显式时间积分方法  26-28
    2.5.3 隐式时间积分方法  28-32
    2.5.4 接触问题求解  32
  2.6 提高计算效率、精度和稳定性措施  32-33
  2.7 本章小结  33-34
3 某自行火炮动力学有限元建模与分析  34-58
  3.1 研究对象与研究目的  34
  3.2 自行火炮动力学有限元建模的总体策略  34-35
  3.3 部件建模  35-40
    3.3.1 几何模型简化  35-36
    3.3.2 部件有限元建模  36-39
    3.3.3 材料特性  39
    3.3.4 模型配重  39-40
  3.4 连接关系建模  40-45
    3.4.1 概述  40
    3.4.2 大滑移接触定义  40-41
    3.4.3 反后坐装置连接  41-42
    3.4.4 高低机连接  42-43
    3.4.5 平衡机连接  43
    3.4.6 座圈连接  43
    3.4.7 履带悬挂系统  43-45
  3.5 工况载荷与边界条件  45-46
  3.6 动力学分析方法与算法设置  46
  3.7 计算结果与分析  46-54
    3.7.1 位移动态响应结果  46-48
    3.7.2 复进机力、制退机力和后坐阻力响应结果  48-49
    3.7.3 应力动态响应结果  49-53
    3.7.4 结果对比与分析  53-54
  3.8 结果修正与试验对比  54-56
  3.9 本章小结  56-58
4 模型参数辨识研究  58-74
  4.1 概述  58
  4.2 小波变换  58-61
    4.2.1 小波变换的应用  58-59
    4.2.2 连续小波变换  59-61
  4.3 数学实验  61-64
    4.3.1 研究对象和方法  61
    4.3.2 有限元建模  61-62
    4.3.3 计算结果  62-64
  4.4 计算结果小波变换分析  64-68
    4.4.1 材料阻尼改变时小波变换结果  64-65
    4.4.2 扭转刚度改变时小波变换结果  65-67
    4.4.3 间隙改变时小波变换结果  67-68
  4.5 辨识指标—峰度系数和标准差  68-72
  4.7 本章小结  72-74
5 结束语  74-76
  5.1 工作总结  74
  5.2 展望  74-76
致谢  76-78
参考文献  78-81

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