摘要：对于遭受各种随机环境载荷的海洋结构物而言,在设计阶段对其进行疲劳损伤评估尤为重要。海洋结构物的响应经常呈现出宽带特性和非高斯统计特征。因此,本文提出一种基于神经网络模型的宽带非高斯随机过程疲劳损伤评估方法。采用多种功率谱与不同带宽参数、S-N曲线斜率参数以及非高斯过程偏度与峰度的组合对所提出的神经网络模型进行训练和测试。分析输入层神经元、隐藏层神经元个数以及隐藏层层数对模型预报精度的影响,确定最优的神经网络结构。以时域雨流计数法计算的疲劳损伤结果作为基准,采用真实双模态功率谱进行数值试验,并与多种频域疲劳损伤分析方法进行比较,证明本文所建立的神经网络模型具有更好的准确性和鲁棒性。

摘要：为了探索提高变几何涡轮效率的可能性,采用数值模拟方法研究了转子速度为2700 r/min,导叶转动角为-5.0°、-2.5°、0°、+2.5°和+5.0°时,枢轴直径系数、枢轴截面形状、端部间隙以及动导叶间距对涡轮气动性能的影响。并针对等熵效率对上述设计参数的敏感性以及流场机理展开分析。研究结果表明:直径系数D/L每增加1.0%,等熵效率能够提升0.064%。菱形枢轴对涡轮效率的提升效果最佳,在各个导叶转动角下,效率提升均在0.8%以上。端部间隙是涡轮效率最敏感的影响参数,当端部间隙从0.5%增加到1.0%跨距时,等熵效率最小降低2.08%,最大为4.54%。增加动导叶间距能够一定程度提高涡轮性能,减小间距对提升涡轮效率不利。选取合适的设计参数能够有效提升低转速下变几何涡轮的工作效率。

摘要：点阵结构因其轻质高强、高设计自由度,在承载、缓冲吸能和减振降噪方面具有广阔的应用前景.然而,传统类型的点阵结构很难同时具备较好的吸声性能和较强的承载性能.本文提出了一种新型三维轻质多功能结构——中空十四面体杆板(HTTP)混杂点阵结构,利用增材制造技术制备了实验试样.基于传递矩阵法建立了多级联类亥姆霍兹共振腔的理论模型,并进行了有限元数值模拟和阻抗管实验,实验、理论和数值结果具有良好的一致性.结果表明,板厚0.5 mm的HTTP在第二吸声峰处实现阻抗匹配,同时具有较高的平均吸声系数和宽带半吸收.通过数值均匀化方法和准静态压缩实验研究了HTTP的力学性能,结果表明,HTTP在板厚0.3 mm处实现了弹性各向同性.在压缩过程中杆件与板件相互作用形成了更加稳定的渐进弯曲变形模式,使其在塑性阶段表现出较高且稳定的平台应力.本文提出的HTTP多功能混合点阵结构可同时实现高吸声和强力学性能,为多功能轻质结构的设计提供了一种新的范式.

摘要：液体晃荡砰击载荷是液化天然气(LNG)运载装备液舱结构设计的关键载荷之一。液体晃荡砰击载荷过大时,会导致液舱结构产生局部破坏,进而导致液舱内液体泄露,甚至船体倾覆。基于前期数值结果,本文设计了梯形体和正方体两种壁面结构,开展了不同壁面结构下的液体晃荡砰击试验。针对自由液面演化过程以及液体晃荡砰击载荷分布特性,结合统计分析方法,定性和定量地分析了壁面结构对液体晃荡砰击的抑制效果。研究结果表明,壁面结构的存在改变了液体晃荡砰击过程中的流场分布,使砰击由液体直接砰击改变为裹气液体的间接砰击。裹气液体晃荡砰击过程中产生了大量气液混合物和气泡,从而有效地降低了砰击载荷,并且正方体结构抑制砰击载荷的效果优于梯形体结构。

摘要：目的研究巨型水电站深孔门槽处的水动力特性,并探究门槽金属在恶劣流态下的损伤行为。方法采用k-ε双方程紊流模型和有限体积离散方法,对电站深孔水流进行数值模拟,研究深孔局部体型的变化对水流的影响,并通过冲刷腐蚀喷嘴实验,探究流速对门槽钢衬的腐蚀影响。结果深孔局部体型的变化对水流压强和流速分布的影响很大,100 m量级水头可使深孔出口最大流速达45 m/s,且流速越大,门槽钢衬的点蚀电流增大。结论304不锈钢的点蚀趋势随着流速的增大而增加,并且随着流速继续提升至真实运行工况,冲刷腐蚀和空蚀问题会愈加突出,需采取一定防护措施。

摘要：多环套装重金属结构设计是一种有效提高核主泵飞轮转动惯量的结构设计方法之一,为保证其在严苛工作条件下的结构强度安全,采用有限元法,在考虑过盈配合预应力以及离心力的基础上,首次对高温工作环境下的核主泵多环套装重金属钨合金飞轮进行稳态热应力分析,探讨工作环境温度因素对核主泵飞轮结构设计的影响。通过建立由内轮毂、中间层重金属钨合金以及外保持环三层结构组成的核主泵飞轮结构有限元模型,研究其在高温工作环境下的结构热应力;此外将整体式与分块式钨合金层结构飞轮进行比较,研究两种结构形式下的热应力特性;为寻求钨合金层分块设计的最佳分块数,研究了不同分块数下的核主泵飞轮结构热应力。研究表明,在高温工作条件下,核主泵飞轮中间钨合金层会产生很大的热应力,通过钨合金层的分块设计以及采用合适的钨合金分块数可以有效降低这种热应力。

摘要：对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.

摘要：随着结构拓扑优化理论的成熟及其在工程中的广泛应用,大多数商用CAE软件都相继开发了结构拓扑优化模块。为了开发一款既能满足工程方面的实用性需求,又能满足科研方面的开放性需求的拓扑优化系统。基于具有良好开放性和灵活扩展性的SiPESC平台,采用面向对象的软件设计思想,提出了软件设计方案,基于C++语言和插件技术实现了新一代拓扑优化系统***。目前该软件系统已经实现了结构最大刚度设计、结构基频最大化设计、结构最优散热设计等功能,并成功应用于多个工程问题。

摘要：基于计算机辅助设计(Computer aided design,CAD)和计算机辅助工程(Computer aided engineering,CAE)集成技术,开发三维参数化结构形状优化设计平台POSHAPE,为复杂三维机械零部件的设计提供一种通用的工具。为实现优化设计流程的自动化,将三维参数化CAD系统、有限元分析、优化求解和有限元建模等模块集成为完整的通用三维实体参数化形状优化设计系统,形成开放式的结构分析与优化设计集成系统。以CD6140A车床的导轨部分为例,在三维参数化特征造型CAD系统中,以三维实体结构几何模型为对象,以几何尺寸参数为优化设计变量,采用POSHAPE对结构进行形状优化设计,在降低车床质量的同时提高结构刚度和结构自振频率。优化设计结果为机床设计提供重要理论依据。

摘要：LNG运输船设计关键技术之一是液舱围护系统的结构安全设计。为了保证LNG液体的运输安全,需要特别关注围护系统的结构设计,其中对结构失效模式及其发生机理的研究具有很高参考价值。为了能够全面研究薄膜型液舱结构特性,采用基于有限元的数值模拟方法,针对在晃荡荷载下的结构响应,建立了一种简化的二维有限元模型。根据层式复合材料特点,分别选取对应的强度失效准则,分析结构的失效模式。数值分析结果显示,首层聚氨酯泡沫层在晃荡荷载作用下最先发生压溃破坏,在MARKⅢ型液舱设计中应该被重点关注;其他的结构失效模式依次为:次层聚氨酯泡沫层压溃失效、层合板剪切失效以及树脂绳压溃失效。采用数值模拟进行围护系统的截面失效模式分析,能够快速高效地指导LNG液舱结构设计,是在液舱设计领域新的应用尝试。