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項(xiàng)目簡(jiǎn)介運(yùn)用有限元方法開(kāi)展汽車(chē)及零部件的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性研究，可進(jìn)行的研究有：（ 1）結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析；（ 2）結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析，包括模態(tài)分析、頻響分析、譜分析、疲勞分析等；性能指標(biāo)仿真分析的精度能夠滿(mǎn)足工程需要所處階段成熟

JIFEX是中國(guó)具有自主版權(quán)的大型通用有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。它是在大連理工大學(xué)工程力學(xué)研究所研制多層子結(jié)構(gòu)分析軟件JIFEX、微機(jī)有限元分析軟件DDJ—W、計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件MCADS等基礎(chǔ)上發(fā)展的集成化軟件系統(tǒng)。1995年在全國(guó)自主版權(quán)CAD支撐軟件評(píng)測(cè)中獲得有限元軟件唯一的一等獎(jiǎng)。1997年獲國(guó)家八五科技攻關(guān)重大科技成果獎(jiǎng)。1998年被列為863/CIMS目標(biāo)產(chǎn)品發(fā)展計(jì)劃支持項(xiàng)目。 JIFEX具有Windows95環(huán)境下全新的圖形交互式操作環(huán)境，是新一代的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，具有自己特色的強(qiáng)大功能：方便靈活的有限元模型化功能，多層子結(jié)構(gòu)方法，三維多體彈塑性接觸分析，大型組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算，多功能實(shí)用化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能——特別是結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化 Windows95/NT下的圖形交互與視算一體化環(huán)境，與AutoCAD集成的有限元建模及數(shù)據(jù)全自動(dòng)生成，微機(jī)上的大規(guī)模計(jì)算能力——數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的大型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和接觸應(yīng)力計(jì)算。

信息化和全球化給制造業(yè)帶來(lái)了空前的挑戰(zhàn)。企業(yè)必須應(yīng)對(duì)快速、嚴(yán)峻和多變的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，開(kāi)發(fā)具有高速度、高精度和高可靠特性的產(chǎn)品。企業(yè)逐漸意識(shí)到設(shè)計(jì)的不可靠、高成本和高風(fēng)險(xiǎn)，缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段和測(cè)試方案來(lái)評(píng)估和分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與產(chǎn)品動(dòng)態(tài)特性，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品難以做到“心中有數(shù)”。 以有限元為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)，以及動(dòng)態(tài)測(cè)試與信號(hào)分析技術(shù)，能夠?yàn)楫a(chǎn)品開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即從概念設(shè)計(jì)、虛擬原型、性能確認(rèn)到監(jiān)測(cè)診斷和運(yùn)行維護(hù)，提供集成解決方案以及快速高效的信息化、數(shù)字化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量與動(dòng)態(tài)特性，降低新產(chǎn)品成本并縮短上市時(shí)間， 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化研究所，長(zhǎng)期從事有限元、動(dòng)態(tài)分析與故障診斷的研究與應(yīng)用工作，配備有高性能的計(jì)算機(jī)和完備的工程CAE軟件，并且擁有一系列先進(jìn)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備。先后承擔(dān)了國(guó)家973計(jì)劃、863計(jì)劃、自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上、國(guó)際合作項(xiàng)目的研究工作。課題組多年來(lái)致力于高精度新型有限元、動(dòng)態(tài)測(cè)試與故障診斷理論與技術(shù)研究，獲得多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。提出了適宜奇異性求解和高精度建模的小波有限元有法，取得了原始創(chuàng)新成果，發(fā)表多篇國(guó)際期刊論文，獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，在科學(xué)出版社出版《小波有限元理論及其工程應(yīng)用>專(zhuān)著，在清華大學(xué)出版社出版《Ansysworkbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化》教材。課題組集研究、開(kāi)發(fā)和服務(wù)于一體，其研究成果廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、鋼鐵石化、電子通訊、自動(dòng)機(jī)械、通用機(jī)械等行業(yè)，如中國(guó)航天科工集團(tuán)、中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)、兵器部202所、江鈴汽車(chē)、柳工機(jī)械、武漢鋼鐵、濟(jì)南石化、華為電子、上海紫明、浙江南大、西安科達(dá)機(jī)器人等和理光公司等制造企業(yè)。

本項(xiàng)成果運(yùn)用Pro/Engineer或者SolidWorks軟件建立設(shè)備精確的三維模型，繼而采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)于設(shè)備內(nèi)部的溫度場(chǎng)或者流場(chǎng)的情況進(jìn)行模擬與仿真，能夠得到設(shè)備內(nèi)部包括溫度場(chǎng)或流場(chǎng)在內(nèi)的熱力性能等重要參數(shù)，從而為熱能設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。我們運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)成功地解決了以下技術(shù)問(wèn)題：1）         平面或者圓管型金屬反射式保溫層（壓力容器或者核電站管道用）建模及其傳熱

1.   技術(shù)內(nèi)容及其先進(jìn)性 本項(xiàng)成果運(yùn)用Pro/Engineer或者SolidWorks軟件建立設(shè)備精確的三維模型，繼而采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)于設(shè)備內(nèi)部的溫度場(chǎng)或者流場(chǎng)的情況進(jìn)行模擬與仿真，能夠得到設(shè)備內(nèi)部包括溫度場(chǎng)或流場(chǎng)在內(nèi)的熱力性能等重要參數(shù)，從而為熱能設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。我們運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)成功地解決了以下技術(shù)問(wèn)題：1）      

強(qiáng)度和韌性的“倒置關(guān)系”是材料研究領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的難題。大量的實(shí)驗(yàn)表明，隨著金屬材料內(nèi)部晶粒尺寸的降低，在強(qiáng)度獲得提升的同時(shí)，韌性將大打折扣。目前，廣泛采用的高強(qiáng)材料韌化策略有：（1）改變組分，通過(guò)引入和調(diào)整材料的多種主要元素，同時(shí)激活多種塑性變形機(jī)制，高熵合金材料就是采用這種思路；（2）改變微結(jié)構(gòu)，在材料內(nèi)部引入一種或多種梯度分布的微結(jié)構(gòu)，避免由于特征長(zhǎng)度突變帶來(lái)的性能突變，有效克服金屬材料強(qiáng)度和韌性的失配問(wèn)題，這種材料被稱(chēng)為梯度納米結(jié)構(gòu)材料。 圖1 梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的類(lèi)型（摘自：李毅，梯度結(jié)構(gòu)金屬材料研究進(jìn)展，中國(guó)材料進(jìn)展，2016, 35: 658-665）人工制備的梯度納米金屬結(jié)構(gòu)主要包括以下幾種：梯度晶粒，梯度位錯(cuò)，梯度孿晶，梯度固溶物，梯度相，以及包含兩種以上的梯度混合結(jié)構(gòu)。在已經(jīng)發(fā)展成熟的金屬材料內(nèi)部引入梯度納米結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)韌性匹配能力。例如，通過(guò)表面研磨處理（SMAT）在孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼表面引入大量的塑性變形，使其表面晶粒細(xì)化，隨著深度的增加，晶粒細(xì)化的程度逐漸降低，同時(shí)塑性變形也會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)演化和孿晶的產(chǎn)生，因此在TWIP鋼內(nèi)部形成了包含梯度晶粒，梯度位錯(cuò)和梯度孿晶的梯度混合結(jié)構(gòu)。這種梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的強(qiáng)度可以提升50%，斷裂應(yīng)變僅從60%下降到52%，具有更高的強(qiáng)韌性匹配能力。目前，關(guān)于梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的研究集中于實(shí)驗(yàn)，反映物理機(jī)制的本構(gòu)模型研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院張旭教授與德國(guó)馬普鋼鐵所、中國(guó)鋼鐵研究總院等機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，指導(dǎo)博士生陸曉翀發(fā)展出考慮位錯(cuò)滑移和變形孿晶等物理機(jī)制的微結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)晶體塑性本構(gòu)模型。依托DAMASK平臺(tái)將該模型移植有限元，并對(duì)梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的單軸拉伸變形行為展開(kāi)模擬，揭示了其微結(jié)構(gòu)演化與宏觀性能之間的關(guān)系，量化了不同梯度結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)韌性的貢獻(xiàn)。相關(guān)研究工作已在金屬材料與固體力學(xué)交叉領(lǐng)域頂級(jí)期刊《International Journal of Plasticity》上在線(xiàn)發(fā)表，論文題目為Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel。 論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703作者首先使用不同晶粒尺寸Fe-15Mn-2Al-2Si-0.7C (wt.%) TWIP鋼的單拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的合理性，結(jié)果表明該模型對(duì)不同尺寸下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和應(yīng)變強(qiáng)化行為都可以較好地描述，特別是細(xì)晶TWIP鋼硬化率曲線(xiàn)中的up-turn效應(yīng)。通過(guò)對(duì)內(nèi)變量演化的分析及對(duì)比性模擬，作者發(fā)現(xiàn)這種up-turn效應(yīng)源自于細(xì)晶中顯著的背應(yīng)力。 圖2 對(duì)比不同晶粒尺寸TWIP鋼的單拉實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果由于梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的微結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，晶粒數(shù)目眾多，通過(guò)采用三維均勻化方法，建立了宏觀試樣尺寸的有限元模型。通過(guò)對(duì)每層單元賦予不同的晶粒尺寸，初始位錯(cuò)密度和孿晶體積分?jǐn)?shù)，離散地描述材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的梯度分布，并通過(guò)梯度網(wǎng)格劃分方法進(jìn)一步減少單元數(shù)目。對(duì)于材料表層微結(jié)構(gòu)變化劇烈的區(qū)域，采用密度較高的網(wǎng)格，以保證更加精確地描述微結(jié)構(gòu)的梯度變化。 圖3三維均勻化方法示意圖作者利用發(fā)展的晶體塑性模型，對(duì)均勻和梯度納米結(jié)構(gòu)的Fe-10Mn-0.5C-3Ni (wt.%) TWIP鋼的單拉變形行為進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，在合理描述均勻結(jié)構(gòu)TWIP鋼應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入微結(jié)構(gòu)的梯度分布，無(wú)需修改任何參數(shù)就可以較好地描述梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的單拉力學(xué)行為。通過(guò)對(duì)比變形云圖，作者發(fā)現(xiàn)均勻和梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的表面都會(huì)變的粗糙不平，但梯度納米結(jié)構(gòu)的表面粗糙度更加明顯，產(chǎn)生的應(yīng)變局域化形成了兩個(gè)凹陷區(qū)，且凹陷區(qū)在垂直于平面方向也會(huì)發(fā)生收縮。隨著深度的增加，收縮程度逐漸降低。通過(guò)對(duì)比性模擬，作者發(fā)現(xiàn)表面凹陷區(qū)的出現(xiàn)就是梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼韌性略微下降的原因。而應(yīng)變局域化的產(chǎn)生與表面納米層晶粒的應(yīng)變強(qiáng)化能力有關(guān)，提高表面納米晶的硬化能力，就可以抑制表面凹陷區(qū)的出現(xiàn)和韌性的下降。此外，作者通過(guò)分析不同層位錯(cuò)密度的演化，進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)。作者還通過(guò)對(duì)比性模擬量化了不同梯度結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)韌性的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：強(qiáng)度的提升源于梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，梯度晶粒和梯度孿晶結(jié)構(gòu)有助于保持材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力。 圖4 均勻結(jié)構(gòu)和梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的模擬結(jié)果對(duì)比分析。

1. 項(xiàng)目概述有限元法已經(jīng)成為當(dāng)今工程問(wèn)題中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。ANSYS軟件是經(jīng)全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)推薦的用于壓力容器及管道強(qiáng)度評(píng)定分析的集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件包。本項(xiàng)目應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及載荷作用下的壓力容器及管道進(jìn)行有限元應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定。目前，已擁有下列結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元分析技術(shù)：A. 固定管殼式（含膨脹節(jié)）換熱器及U形管換熱器分析設(shè)計(jì)；B. 承受管道附加載荷的設(shè)備接管局部應(yīng)力分析設(shè)計(jì)；C. 卡箍連接快開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；D. 制冷裝置蒸發(fā)器、冷凝器分析設(shè)計(jì)；E. 考慮地震與風(fēng)載荷的立式反應(yīng)器及塔設(shè)備支座熱應(yīng)力分析；F. 滅菌柜設(shè)備門(mén)封頭組件分析設(shè)計(jì)；G. 紡絲裝置加熱箱箱體分析設(shè)計(jì)；H. 刮膜式薄膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)；另外，在對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力容器及管道進(jìn)行缺陷評(píng)定。2. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)擁有全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)頒發(fā)的壓力容器SAD（應(yīng)力分析設(shè)計(jì)）審核資格及常規(guī)一，二，三類(lèi)壓力容器審核資格，擁有正版ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，從技術(shù)上為壓力容器及管道強(qiáng)度評(píng)定技術(shù)提供保障。3. 技術(shù)水平傳統(tǒng)的有限元單向建模—校核評(píng)定過(guò)程分析工作量大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，參數(shù)化有限元分析技術(shù)是有限元分析的高級(jí)技術(shù)，本項(xiàng)目開(kāi)展的壓力容器及管道參數(shù)化有限元技術(shù)有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，提高企業(yè)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力。

有限元法已經(jīng)成為當(dāng)今工程問(wèn)題中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。ANSYS軟件是經(jīng)全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)推薦的用于壓力容器及管道強(qiáng)度評(píng)定分析的集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件包。本項(xiàng)目應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)及載荷作用下的壓力容器及管道進(jìn)行有限元應(yīng)力分析及強(qiáng)度評(píng)定。目前，已擁有下列結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元分析技術(shù)：（1）固定管殼式（含膨脹節(jié)）換熱器及U形管換熱器分析設(shè)計(jì)；（2）承受管道附加載荷的設(shè)備接管局部應(yīng)力分析設(shè)計(jì)；（3）卡箍連接快開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；（4）制冷裝

成果簡(jiǎn)介工程車(chē)是一個(gè)工程建設(shè)的主干力量， 由于它們的出現(xiàn)才使工程的進(jìn)度倍增，大大減少了人力。 混凝土攪拌車(chē)與泵車(chē)是工程建設(shè)中運(yùn)用最廣泛的工程車(chē)。 混凝土攪拌車(chē)在使用過(guò)程中， 會(huì)經(jīng)歷加速、 減速、 急剎車(chē)、 轉(zhuǎn)彎、 上坡以及行駛在不平路面等各種工況， 這使得混凝土攪拌車(chē)在使用過(guò)程中會(huì)承受各種復(fù)雜載荷， 車(chē)架及薄弱環(huán)節(jié)易產(chǎn)生開(kāi)裂； 混凝土泵車(chē)工作環(huán)境惡劣， 移動(dòng)頻繁， 在澆注過(guò)程中臂架姿態(tài)復(fù)雜多變， 易造成各臂架之間聯(lián)接件的破壞。 因此對(duì)混凝土攪拌車(chē)與泵車(chē)等工程車(chē)整車(chē)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件靜動(dòng)力特性

本發(fā)明提供了一種基于聚類(lèi)分析的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元模型修正方法，建立初始有限元分析模型，測(cè)得結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和模態(tài)振型，計(jì)算待修正參數(shù)的相對(duì)靈敏度矩陣，利用分層聚類(lèi)算法對(duì)待修正參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分組，再對(duì)聚類(lèi)參數(shù)進(jìn)行相對(duì)靈敏度分析，選擇各參數(shù)中相對(duì)靈敏度平均值最大的聚類(lèi)參數(shù)進(jìn)行修正，構(gòu)造分析模型的模態(tài)頻率和實(shí)測(cè)模態(tài)頻率的殘差向量，建立分析模型修正所需的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化反問(wèn)題對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正。本發(fā)明結(jié)合數(shù)值模擬、試驗(yàn)和優(yōu)化技術(shù)，采用參數(shù)的相對(duì)靈敏度矩陣進(jìn)行聚類(lèi)分析，減少待修正參數(shù)數(shù)量，提高修正程序穩(wěn)定性，為工程應(yīng)用提供了一種準(zhǔn)確的基于數(shù)值模擬、試驗(yàn)和優(yōu)化相結(jié)合的復(fù)合材料等效有限元模型參數(shù)修正方法。