复杂结构的动态响应有限元分析技术和应用

论文摘要

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。

论文目录

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