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項(xiàng)目簡(jiǎn)介運(yùn)用有限元方法開展汽車及零部件的結(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足工程需要所處階段成熟

本發(fā)明提供了一種基于聚類分析的復(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，利用分層聚類算法對(duì)待修正參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分組，再對(duì)聚類參數(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。

本發(fā)明公開了一種基于逆向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法。該 方法包括以下步驟：首先，測(cè)量實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)，建立整體 結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)；通過獨(dú)立子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài) 參數(shù)之間的關(guān)系，將整體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分解為獨(dú)立子結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)?態(tài)；然后，基于獨(dú)立子結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)建立目標(biāo)函數(shù)，調(diào)整獨(dú)立子結(jié) 構(gòu)參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)最小化，獲取子結(jié)構(gòu)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)所述最 優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)修正獨(dú)立子結(jié)構(gòu)有限元模型；最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷前后有 限元模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化完成結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。本發(fā)明通過修正獨(dú)立子 結(jié)構(gòu)模型，避免

JIFEX是中國具有自主版權(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)試方案來評(píng)估和分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與產(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)了國家973計(jì)劃、863計(jì)劃、自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上、國際合作項(xiàng)目的研究工作。課題組多年來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)表多篇國際期刊論文，獲得多項(xiàng)國家發(fā)明專利，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)，如中國航天科工集團(tuán)、中國船舶工業(yè)集團(tuán)、兵器部202所、江鈴汽車、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)問題：1）      

本發(fā)明公開了一種基于譜隨機(jī)有限元模型的隨機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別方法。本發(fā)明的方法包括步驟：Ｓ１、對(duì)含不確定性參數(shù)的結(jié)構(gòu)開展同工況下多次模態(tài)試驗(yàn)，建立不確定性系統(tǒng)的譜隨機(jī)有限元模型；Ｓ２、測(cè)量隨機(jī)動(dòng)載荷作用下含不確定性參數(shù)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)動(dòng)響應(yīng)樣本；Ｓ３、利用隨機(jī)動(dòng)響應(yīng)樣本均值識(shí)別結(jié)構(gòu)上所受隨機(jī)動(dòng)載荷的均值；Ｓ４、利用識(shí)別的隨機(jī)動(dòng)載荷均值求解僅考慮系統(tǒng)參數(shù)不確定性時(shí)的結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)響應(yīng)協(xié)方差；Ｓ５、計(jì)算僅考慮動(dòng)載荷隨機(jī)性引起的隨機(jī)動(dòng)響應(yīng)協(xié)方差的近似值；Ｓ６、識(shí)別獲取隨機(jī)動(dòng)載荷的統(tǒng)計(jì)特征。本發(fā)明能夠同時(shí)考慮了動(dòng)載荷和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，利用實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)樣本，識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上作用隨機(jī)動(dòng)載荷的統(tǒng)計(jì)特征。

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)度突變帶來的性能突變，有效克服金屬材料強(qiáng)度和韌性的失配問題，這種材料被稱為梯度納米結(jié)構(gòu)材料。 圖1 梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的類型（摘自：李毅，梯度結(jié)構(gòu)金屬材料研究進(jìn)展，中國材料進(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)院張旭教授與德國馬普鋼鐵所、中國鋼鐵研究總院等機(jī)構(gòu)開展合作，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鋼硬化率曲線中的up-turn效應(yīng)。通過對(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，通過引入微結(jié)構(gòu)的梯度分布，無需修改任何參數(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。

本發(fā)明公開了一種縫合式夾芯板有限元參數(shù)化建模方法，包括如下步驟：（１）、獲取縫合式夾芯板的幾何特征參數(shù)；（２）、獲取縫合式夾芯板的有限元建模特征參數(shù)；（３）、采用幾何匹配關(guān)系建立縫合式夾芯板有限元模型數(shù)據(jù)庫；（４）、將上述步驟編成參數(shù)化建模腳本程序即完成構(gòu)建縫合式夾芯板的有限元模型。本發(fā)明的建模方法在對(duì)縫合式夾芯板進(jìn)行有限元建模中，采用參數(shù)化建模方法，可以快速、方便的得到縫合式夾芯板在不同尺寸、縫合線密度等參數(shù)變量下的有限元分析模型，并通過ＭＡＴＬＡＢ與ＭＳＣ．ＰＣＬ語言交互編程實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而有效縮短建模周期、提升單元質(zhì)量、提高分析效率和分析精度，能夠?qū)崿F(xiàn)縫合式復(fù)合材料夾芯板的高效、高精度分析。