混合型復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)多場耦合瞬態(tài)響應(yīng)分析

智能材料如壓電材料和熱釋電材料，在現(xiàn)代工程中常作為感應(yīng)元件或作動元件，與其它新材料制成的主體結(jié)構(gòu)共同組成一種多層形式的混合型復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)的一體化，這種混合型復(fù)合智能結(jié)構(gòu)在外界激勵的作用下具有力－（熱）－電等多場耦合的特性。由于結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)與作用的載荷形式、材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)幾何特性、界面特征、邊界條件以及初始條件等都密切相關(guān)，因此研究結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)對了解和評估結(jié)構(gòu)的動力特性以及在健康監(jiān)測、智能控制、無損檢測及智能結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用。本項目的研究重點在解決用解析和半解析的方法給出多場耦合的不同形式混合型復(fù)合柱殼和球殼結(jié)構(gòu)受不同機械載荷或溫度載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)解。結(jié)合數(shù)值分析，考察材料性質(zhì)、界面特性、初始應(yīng)力以及梯度效應(yīng)對瞬態(tài)響應(yīng)的影響，探討復(fù)合智能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合方式，提高混合型復(fù)合智能結(jié)構(gòu)的性能和功能。

（1）通過與缸蓋有限元靜態(tài)分析結(jié)果的對比，修正了缸蓋有限元瞬態(tài)響應(yīng)分析模型，保證了動態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果與靜態(tài)分析結(jié)果的應(yīng)力增減趨勢一致，對于動態(tài)應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力之間的差別是否與真實情況相吻合，需要通過試驗來驗證。

（2）缸蓋在工作過程中，高應(yīng)力部位既有多軸比例載荷應(yīng)力，又有多軸非比例載荷應(yīng)力，在疲勞壽命評價時可以根據(jù)情況區(qū)別對待。 2100433B

瞬態(tài)響應(yīng)，指系統(tǒng)在某一典型信號輸入作用下，其系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程。瞬態(tài)響應(yīng)也稱動態(tài)響應(yīng)或過渡過程或暫態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)好的器材應(yīng)當(dāng)是信號一來就立即響應(yīng)，信號一停就戛然而止，決不拖泥帶水。

瞬態(tài)動力學(xué)分析是確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應(yīng)力，應(yīng)變和力。瞬態(tài)動力學(xué)分為完全法、模態(tài)疊加法和縮減法，完全法、縮減法是基于直接積分法求解的一種方法。完全法不需要選取主自由度和振型，允許裝配結(jié)構(gòu)的非線性接觸，不涉及質(zhì)量矩陣的近似，在一次處理過程中即可求出需要的結(jié)果，具有一定的方便性，但是求解時間較長。

建立氣缸蓋裝配結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，采用完全法對其進行動態(tài)響應(yīng)分析得到瞬態(tài)應(yīng)力，通過與缸蓋靜力學(xué)分析結(jié)果的對比來判斷分析模型的可信性。

瞬態(tài)響應(yīng)分析缸蓋的結(jié)構(gòu)離散

氣缸蓋裝配結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格模型是基于結(jié)構(gòu)的三維實體模型離散得到的。結(jié)構(gòu)離散前的實體模型中不需要考慮所有細節(jié)，如果對缸蓋的所有細節(jié)都加以考慮，不僅對計算機的硬件要求極高而且也要耗費大量的時間。在保證高應(yīng)力部位結(jié)構(gòu)細節(jié)的前提下對缸蓋結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)?shù)暮喕咨w上的加工倒角和直徑小于5mm的螺栓孔全部省略，缸蓋底面通水孔省略，所有螺紋孔用不帶螺紋的圓孔來替代，低應(yīng)力部位的鑄造圓角省略；對發(fā)動機機體做了高度簡化處理，在保證氣缸蓋螺栓孔方向上的機體剛度前提下，將其簡化為一個帶加強筋的外方內(nèi)圓的桶狀結(jié)構(gòu)，只保留了缸體部位的結(jié)構(gòu)；氣缸墊圈簡化為同一種材料的實體結(jié)構(gòu)；缸蓋螺栓去掉連接螺紋，簡化掉其上的倒圓和倒角。

網(wǎng)格離散時，選取的單元類型為10節(jié)點的四面體二階單元，將缸蓋螺栓設(shè)定為螺栓單元，缸蓋、機體的材料為蠕墨鑄鐵，墊圈為鋁合金，缸蓋螺栓為42CrMo，裝配結(jié)構(gòu)剖分后單元總數(shù)為121478、節(jié)點總數(shù)為200922。

瞬態(tài)響應(yīng)分析載荷邊界條件

考慮的載荷類型為兩種：一種是施加在缸蓋螺栓上的預(yù)緊載荷，另一種是作用在缸蓋火力面上的氣體壓力載荷。

缸蓋安裝螺栓分為主、副螺栓兩類，主螺栓預(yù)緊力為130000N，副螺栓預(yù)緊力為85000N，預(yù)緊載荷在第二個載荷步施加，在第三個載荷步上鎖定，在后續(xù)的載荷步中螺栓預(yù)緊力載荷由力轉(zhuǎn)化成位移施加在有限元分析模型上。通過柴油機的缸內(nèi)工作過程仿真分析，得到標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下的缸內(nèi)氣體工作過程壓力曲線，將其擴展為3個周期的時間歷程的缸內(nèi)壓力曲線，作為缸內(nèi)氣體壓力載荷施加于缸蓋火力面上，氣體壓力載荷方向垂直缸蓋底面向上。

瞬態(tài)響應(yīng)分析接觸與約束邊界條件

缸蓋有限元裝配結(jié)構(gòu)模型共有4組接觸對：8個缸蓋螺栓頭底面與缸蓋頂面的接觸對；8個缸蓋螺栓的螺紋部分與機體螺栓孔的接觸對；缸蓋底面與氣缸墊的接觸對；缸套上定位凸沿與氣缸墊的接觸對。接觸對的接觸類型均采用柔性的面面接觸；接觸單元為TARGE170和CONTA174號單元；螺栓與機體接觸對的接觸類型為綁定，其它接觸對的接觸類型均為標(biāo)準(zhǔn)接觸類型。在發(fā)動機的缸體底面的斷面上選取所有節(jié)點施加全約束。限制氣缸體的剛體位移，其它零件的剛體位移通過在接觸面設(shè)定摩擦系數(shù)后產(chǎn)生的摩擦力來約束。