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结构优化与非线性有限元技术在炮闩闭气结构中的应用研究

Form: 论文之家作者：张国栋 Publish: 2003-9-30 Hits:-

【中文题名】

结构优化与非线性有限元技术在炮闩闭气结构中的应用研究

【英文题名】

【学科专业】

机械制造及其自动化

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2003-9-30

【中关键词】

有限元,接触,结构优化,遗传算法,参数化建模,MSC.PATRAN

【英关键词】

Finite Element Analysis,Contact,Structural Optimization,Genetic Algorithm,Parameterized Modeling,MSC.PATRAN,MSC.MARC,

【分类导航】

工业技术>一般工业技术>工程基础科学>工程数学>数学分析与函数的应用>

【论文摘要】

以某自动迫击炮炮闩闭气结构为背景，对结构优化与非线性有限元技术在多构件非线性结构(装配体)系统中的应用进行研究，着重在对存在接触关系的多构件非线性结构系统进行优化设计的方法和技术途径方面进行了研究和探索。研究工作主要有以下几个方面：①提出了一种对存在接触关系的多构件非线性结构(装配体)系统进行优化设计的新方法，该方法将遗传算法与结构几何及有限元参数化建模方法相结合，在通用CAE软件平台(MSC.PATRAN+MSC.MARC)中通过二次开发编程环境对存在接触关系的多构件非线性结构(装配体)系统进行优化设计。②阐述了遗传算法的原理以及结构有限元分析的理论基础。③建立了炮闩闭气结构的三维装配体几何实体模型和有限元模型，对炮闩闭气结构刚强度和闭气性能进行了准静态及动态多体接触弹塑性有限元分析，分析结果与试验结果相吻合，进一步研究了摩擦系数对其闭气性能的影响。④研究了在通用CAE软件(MSC.PATRAN)环境下，快速实施结构几何和有限元参数化建模的方法，并对炮闩闭气结构实施了参数化建模。开发了实施参数化建模和程序参数调试的界面，编制了遗传算法优化程序，对炮闩闭气结构进行了闭气性能优化，并研究...

【论文题纲】

摘要	2-3
ABSTRACT	3-8
1 绪论	8-17
1.1 选题的背景和意义	8-9
1.2 国内外结构优化与非线性有限元技术研究和发展现状	9-15
1.2.1 结构优化方法概述	9-11
1.2.2 结构优化技术进展与应用前景	11-14
1.2.3 有限元技术研究和发展现状	14-15
1.3 本文研究内容和方法	15-17
2 结构优化的原理与方法	17-30
2.1 概述	17
2.2 结构优化方法选择	17-19
2.3 遗传算法的基本实现技术	19-28
2.3.1 编码	19-21
2.3.2 初始群体设定	21-22
2.3.3 适应度评价	22-24
2.3.4 选择算子	24-25
2.3.5 交叉算子	25
2.3.6 变异算子	25-27
2.3.7 收敛判定	27
2.3.8 遗传算法的关键参数确定	27-28
2.4 遗传算法的数学基础	28-30
3 结构有限元分析的理论基础与技术原理	30-45
3.1 概述	30
3.2 有限元法的基本步骤	30-32
3.3 增量形式的虚功方程	32-34
3.4 非线性有限元基本方程	34-35
3.5 非线性有限元方程的求解方法	35-38
3.6 有限元动力学分析	38-43
3.6.1 概述	38
3.6.2 动力学有限元基本方程	38-39
3.6.3 动力学有限元微分方程求解方法	39-42
3.6.4 精度与稳定性	42-43
3.7 有限元分析软件及应用环境	43-44
3.8 结构分析的有限元建模	44-45
4 炮闩闭气结构刚强度及闭气性能有限元分析	45-64
4.1 概述	45
4.2 炮闩闭气结构三维装配体几何模型	45-47
4.3 炮闩闭气结构准静态有限元分析	47-57
4.3.1 闭气结构静力学有限元模型	47-48
4.3.2 弹塑性材料模型	48-50
4.3.3 接触非线性问题	50-52
4.3.3.1 接触算法	50-51
4.3.3.2 摩擦模型	51-52
4.3.4 边界条件及工况	52-54
4.3.5 结果分析	54-57
4.4 炮闩闭气结构动态有限元分析	57-63
4.4.1 动力学有限元分析模型	57-58
4.4.2 动力学边界条件及工况	58-60
4.4.3 结果分析	60-63
4.5 炮闩闭气结构刚强度及闭气性能评价	63-64
5 炮闩闭气结构闭气性能优化	64-82
5.1 概述	64
5.2 多构件非线性结构系统优化方法	64-66
5.3 基于MSC.PATRAN二次开发的优化程序设计环境	66-70
5.3.1 二次开发语言PCL简介	66-67
5.3.2 PCL函数	67
5.3.3 客户化Motif界面开发	67-70
5.4 优化数学模型建立	70-71
5.4.1 确定目标函数及设计约束	70
5.4.2 确定设计变量及其设计空间	70-71
5.5 基于PCL的几何与有限元参数化建模	71-75
5.5.1 基于PCL的参数化建模方法	71-72
5.5.2 参数化几何模型	72
5.5.3 几何模型分区	72-73
5.5.4 参数化有限元模型	73-75
5.5.5 边界条件和载荷	75
5.6 遗传算法具体实施策略	75-78
5.7 遗传算法优化程序设计	78-79
5.8 优化结果分析	79-80
5.8.1 优化结果	79
5.8.2 优化前后设计变量对比	79-80
5.8.3 优化后的有限元模型	80
5.8.4 闭气环外圆周结点径向位移对比	80
5.9 遗传算法控制参数对优化结果的影响	80-81
5.10 摩擦系数对结构形式的影响	81-82
6 炮闩闭气结构优化前后刚强度及闭气性能对比	82-89
6.1 优化后的炮闩闭气结构装配体几何模型	82
6.2 优化后的炮闩闭气结构刚强度及闭气性能有限元分析	82-87
6.2.1 准静态有限元计算及结果分析	82-85
6.2.2 动态有限元计算及结果分析	85-87
6.3 闭气结构优化前后刚强度及闭气性能对比	87-89
6.3.1 优化前后最大Von Mises等效应力对比	87
6.3.2 优化前后闭气结构闭气性能对比	87-89
7 结束语	89-92
7.1 工作总结	89-90
7.2 应用前景	90
7.3 展望	90-92
致谢	92-93
参考文献	93-94

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.15789



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