柔性悬臂梁的有限元屈曲失效分析及结构优化设计

发布时间：2021-10-24 06:28

　　由于柔性悬臂梁在实际工程中具有独特的优势,现在已逐渐成为微电子系统（MEMS）、航天航空、建筑工程和桥梁等各个领域重要的一部分。针对柔性悬臂梁在实际工况下出现结构的失效,结构复杂化以及参数不确定性的情况下,本文提出了一种将结构的各个设计参数在临界值的显著性应用到结构优化设计中的新方法,从而使柔性悬臂梁达到轻量化效果,降低了材料损耗和生产成本,也提升了其承载性能,起到了预防屈曲失效的效果,为今后的工程设计中提供了理论基础,以薄壁柔性悬臂梁作为研究对象开展以下工作:（1）针对薄壁柔性悬臂梁本身的屈曲失效问题,首先,用有限元软件ANSYS Workbench对闭口矩形薄壁柔性悬臂梁进行线性屈曲分析,结合弧长法再对其进行非线性屈曲分析,两者之间的误差很小;其次,对柔性悬臂梁类型进行对比分析,为悬臂梁选材方面提供了依据;最后,对闭口矩形薄壁柔性悬臂梁和圆形薄壁柔性悬臂梁进行屈曲失效分析,找出屈曲失效的影响因素,分析屈曲失效原因,为预防屈曲失效奠定了基础。（2）针对薄壁柔性悬臂梁在工程机械中受到的屈曲问题,以闭口矩形薄壁柔性悬臂梁为例。在施加载荷下对其进行受力分析,得出了临界值的理论推导计算公式。... 

【文章来源】：江西理工大学江西省

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图2.2分支点屈曲

屈曲分析可以划分为分支点屈曲分析和极值点屈曲分析[50]，如图2.2和图2.3所示，P 为施加负载， u 为变形位移。分支点屈曲分析是在无缺陷情况下，随着位移的增加达到平衡状态，随着位移继续增加可能会处于任一个平衡状态，视为分支点屈曲[51]。第二种屈曲表现在结构不稳定的情况下，随着位移的变化下，不存在任何新的变化，平衡状态也是趋于平稳，这种不稳定叫极值点屈曲[52]。图 2.2 分支点屈曲 图 2.3 极值点屈曲分叉点和极值点都属于结构的临界点，两者相同的地方：齐次方程有非零解。0tK （2.7）区别在于：于极值点来说 ( )tf R K

3.5 案例分析当前，针对柔性悬臂梁屈曲失效问题分析有三种方法：解析法、实验法、有限元法。使用解析法必须建立在多种假设问题的基础上，计算出来的解准确性并不高。实验法是早期研究柔顺机构一种很普遍的实验方法，因为对结构进行实验时，实验中所得出的数据都是瞬间产生的，在采集数据上有很大的难度，所以实验法有很大的局限性。现代科技不断的进步，计算机和仿真软件层出不穷，有限元法就被人们大量的使用，使用有限元法操作简单，结构模型相对要求低，运算速度快和精度也相对比较高，深受现在人们的喜爱[63]。以闭口矩形薄壁柔性悬臂梁为例，材质为铝合金，尺寸参数悬臂梁截面长a 150mm，宽为 b 100mm，截面所有壁厚都为 t 10mm，悬臂梁长度为l 600mm，弹性模量为 E 69608MPa，屈服极限为 280Mpa，泊松比为 0.33，截面一端约束，另一端施加轴向载荷力，对闭口矩形薄壁柔性悬臂梁进行线性屈曲分析，图 3.5 是线性屈曲分析流程图。

【参考文献】：
期刊论文
[1]轻量化工艺在车身开发中的应用研究[J]. 王镝.  汽车工艺与材料. 2019(01)
[2]塔式起重机臂架腹杆布局及尺寸优化设计[J]. 吴青龙,周奇才,熊肖磊,焦洪宇.  东北大学学报(自然科学版). 2018(09)
[3]基于拓扑优化与灵敏度分析的公交车车身骨架轻量化[J]. 丁明亮,严运兵,杨勇,陈涛,郑志阳,沈琪.  机械强度. 2018(02)
[4]一阶模态缺陷条件下蛋形耐压壳屈曲特性研究[J]. 王明禄,张建,唐文献,王纬波,潘宝俊.  江苏科技大学学报(自然科学版). 2017(04)
[5]精密定位平台柔性支撑杆屈曲分析[J]. 伍建军,汪辉,欧阳丹,李南,廖泰健.  组合机床与自动化加工技术. 2017(06)
[6]基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计[J]. 白煜,丁晓红.  上海理工大学学报. 2017(01)
[7]基于田口方法柔性铰链应力对设计参数的灵敏度分析[J]. 伍建军,谢周伟,黄裕林,吴小明.  机械强度. 2016(02)
[8]裂纹齿轮应力强度系数的有限元分析[J]. 王志,熊人焱.  机械制造. 2016(02)
[9]基于弧长法的桁架臂结构全过程非线性稳定性分析[J]. 王殿龙,骆广,王欣,高顺德.  中国工程机械学报. 2015(06)
[10]弹性扭转约束下矩形薄壁悬臂梁屈曲分析[J]. 王鹏飞,曹其新.  华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)

博士论文
[1]复合材料薄壁结构的屈曲和后屈曲分析[D]. 陈庆远.上海交通大学 2015
[2]集装箱船船体结构极限强度研究[D]. 师桂杰.上海交通大学 2011
[3]楔形变截面工字钢梁腹板的抗剪承载力研究[D]. 金阳.浙江大学 2010
[4]开口薄壁梁柱的空间稳定分析[D]. 熊晓莉.重庆大学 2008
[5]箱形截面构件相关稳定承载力及滞回性能研究[D]. 刘涛.清华大学 2005

硕士论文
[1]重型自卸车车架的拓扑结构设计与轻量化方法研究[D]. 樊晓冬.中北大学 2017
[2]大客车车身骨架结构拓扑优化设计[D]. 赵永辉.武汉理工大学 2008
[3]基于小波分析的梁桥结构损伤识别研究[D]. 刘海兵.大连理工大学 2006
[4]箱形截面梁和梁柱的弹塑性稳定极限承载力分析[D]. 朱俞江.浙江大学 2003



本文编号：3454760