薄壁结构大规模数值分析及设计敏度计算研究

发布时间：2017-11-01 19:07

  本文关键词：薄壁结构大规模数值分析及设计敏度计算研究

  更多相关文章： 薄壁结构 多边值工况 通用结构单元 设计敏度 并行计算 刚性面及弹性轴

【摘要】：薄壁结构因其高效的结构承载效率广泛应用于航空、航天、航海及汽车等工程领域。由于科学技术的发展和现代工业的需求,有限元数值分析方法与工程结构优化设计相结合已成为现代工程结构设计的典型技术特征,是实现高精度高效率工程设计的重要技术手段。由于现代工程结构固有的多学科复杂性,现代结构数值分析与设计呈现出精细化、大规模、多工况及多求解器等特点,这给大规模工程数值计算精度与计算机软件技术的效率提出了更高要求。与此同时,工程结构中构件截面构型参数对结构多学科性能的影响同样是工程分析及设计所关心的重要技术信息,也是基于设计敏度导数的数值优化设计必需的技术参量。结构大规模敏度导数计算的主要特点是响应函数多,设计变量维数高,这同样要求高效的计算机算法系统。现代国际主流大型商用工程软件系统历经三十余年的发展历程,已实现了上述技术功能的集成。但细致分析研究,可发现其若干细节技术方面仍存在较大的技术空间尚待发展及完善。另外,一些重要的结构后处理功能也是现代多学科综合分析设计所关心的,同时也是现代大型商用工程分析软件系统所忽略或欠缺的,如气动弹性分析中翼面结构的刚性面与弹性轴的确定及刚度分布特性的计算。针对上述方面,本文开展了航空器薄壁结构大规模线弹性静力数值分析及设计敏度导数的高效率算法研究,实现了算法软件的系统编程。本文主要研究工作摘要如下：(1)基于顺序表数据结构理论,采用了大规模数据的一维动态顺序表存储管理方案,实现了算法软件系统中原始数据及生成数据的高效存储及访问。为实现本文算法软件系统大型稀疏线性方程组和大型稀疏矩阵特征值问题的高效求解,综合分析研究了大型稀疏直接求解器DSS和大型稀疏矩阵特征值求解器ARPACK,并通过对DSS内存工作空间句柄的合理利用,实现了对其分解矩阵的高效管理,避免了大型矩阵的重复分解,并实现了内存空间的及时释放。为提高算法系统效率,本文主要采取了两项技术措施：其一、在计算密集代码区引入OpenMP并行编程环境,充分发掘了现代多核、大内存计算机的计算资源；其二、基于本文算法框架,有针对性地实施了代码优化,主要包括循环结构的合理利用、提高代码利用率及大型矩阵乘积的高效计算。(2)为实现薄壁结构大规模精细化的数值分析,本文采用了三类通用薄壁结构单元(通用Timoshenko单元TM3、通用三角形板壳单元OTS3和通用四边形板壳单元QTS4)。为实现多类型结构性能及响应分析,本文发展了三类通用薄壁单元的应力／应变计算式、几何刚度矩阵以及一致质量阵。(3)为实现大规模数值分析中多工况问题的高效求解,提出并设计了基于节点重排序的多位移边值工况总刚存储及动态拼装技术。基于以上多位移边值处理框架,构造了多载荷工况求解策略,推导了位移边界约束反力计算式及完整载荷列阵表达式。为获得航空器翼面结构的翼剖面扭转角,利用单位载荷法推导了扭转角计算式。(4)基于单元级解析导数的链式法则,发展了薄壁结构大规模、多工况、高维设计变量的解析法设计敏度导数计算技术。推导了本文三类通用薄壁结构单元的各类单元矩阵解析导数,包括单元刚度矩阵、应力/应变计算式、几何刚度矩阵及一致质量阵；为提高本文算法软件系统的敏度计算效率,本文采取了多项技术策略：针对不同的敏度导数分析模型,本文对直接解析法及伴随变量法的合理选择进行了分析研究。为提高大规模数值模型线性屈曲特征值的解析法敏度计算的效率,采用了OpenMP并行技术和基于本文算法框架的代码优化技术；基于子结构技术,推导了适合大规模数值模型优化设计的直接解析子结构敏度导数计算技术。另外,在大规模数值模型的解析敏度导数计算中,除了考虑敏度分析的效率以外,不同类型的结构响应还存在实施难易的区别,本文在全面论证分析五类响应的基础上给出了各类响应最适宜的数值解析敏度导数计算方法。(5)基于多位移边值处理技术,提出了翼面结构刚性面及弹性轴的数值计算方法,并建立了翼面结构刚度数值计算模型,通过对大展弦比机翼的数值试验,获得了合理的数值结果。
【关键词】：薄壁结构 多边值工况 通用结构单元 设计敏度 并行计算 刚性面及弹性轴
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-19
• 1.2.1 通用薄壁结构单元技术12-14
• 1.2.2 大型结构数值敏度技术14-16
• 1.2.3 大型结构软件系统16-18
• 1.2.4 并行计算技术18-19
• 1.3 本文的研究内容19-21
• 2 大型工程结构数值算法系统的体系构造技术基础21-37
• 2.1 大规模数据结构及其管理技术22-27
• 2.1.1 顺序表数据管理22-25
• 2.1.2 顺序表的动态化25-26
• 2.1.3 综合性的数据传递方式26-27
• 2.1.4 大型稀疏矩阵的一维存储管理27
• 2.2 大型稀疏矩阵求解器的应用27-30
• 2.2.1 大型稀疏矩阵直接求解器DSS28-29
• 2.2.2 大型稀疏矩阵特征值求解器ARPACK29-30
• 2.3 OpenMP并行编程技术30-33
• 2.3.1 OpenMP编程环境31-32
• 2.3.2 内存模型定义32
• 2.3.3 并行性能影响因素32-33
• 2.4 大型结构程序代码优化技术33-36
• 2.4.1 循环结构的合理组织33-34
• 2.4.2 提高代码的利用率34-35
• 2.4.3 大矩阵乘积运算的处理35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 通用薄壁结构单元技术37-82
• 3.1 通用薄壁结构单元刚度矩阵37-54
• 3.1.1 通用Timoshenko单元TM337-42
• 3.1.2 通用三角形板壳单元OTS342-49
• 3.1.3 通用四边形板壳单元QTS449-54
• 3.2 通用薄壁单元的应力/应变和几何刚度矩阵分析54-66
• 3.2.1 通用薄壁单元的应力/应变分析54-59
• 3.2.2 通用薄壁单元的几何刚度矩阵59-66
• 3.3 通用薄壁结构单元的质量阵66-72
• 3.3.1 Timoshenko梁单元的质量阵66-70
• 3.3.2 三角形板壳单元的质量阵70-72
• 3.3.3 四边形板壳单元的质量阵72
• 3.4 本章算例72-80
• 3.4.1 典型薄壁结构静力分析73-77
• 3.4.2 典型薄壁结构线性屈曲分析77-80
• 3.5 本章小结80-82
• 4 大规模结构总刚矩阵的存储管理及多工况计算技术82-106
• 4.1 多位移边值工况的总刚矩阵数据结构及管理策略82-85
• 4.2 多位移边值工况的节点重排序85-87
• 4.3 多位移边值总刚矩阵的模拟投放87-91
• 4.3.1 总刚矩阵节点单链表87-88
• 4.3.2 多位移边值总刚矩阵线性表88-91
• 4.4 多位移边值总刚矩阵91-95
• 4.4.1 多位移工况单元刚度矩阵的投放92-94
• 4.4.2 多位移工况总刚矩阵消零元处理94-95
• 4.5 多位移边值总刚矩阵动态拼装95
• 4.6 大型薄壁结构多工况计算技术95-100
• 4.6.1 载荷工况及其处理96-98
• 4.6.2 线性静力分析中的其他计算98-100
• 4.7 本章算例100-104
• 4.7.1 M6机翼模型分析100-101
• 4.7.2 T型尾翼模型分析101-102
• 4.7.3 无人机模型分析102-104
• 4.8 本章小结104-106
• 5 大规模结构的解析法敏度计算及其应用106-163
• 5.1 解析法敏度计算106-115
• 5.1.1 直接解析法106-110
• 5.1.2 伴随变量法110-115
• 5.2 通用薄壁结构单元的解析导数数值解115-137
• 5.2.1 单元刚度矩阵的解析导数115-126
• 5.2.2 单元应力/应变的解析导数126-132
• 5.2.3 单元几何刚度矩阵的解析导数132-135
• 5.2.4 单元质量阵的解析导数135-137
• 5.3 大规模结构的敏度导数方法选择137-138
• 5.4 大规模结构敏度导数算法优化及子结构方法138-149
• 5.4.1 大规模结构敏度导数算法优化技术139-144
• 5.4.2 直接解析子结构法144-149
• 5.5 本章算例149-161
• 5.5.1 典型薄壁结构的敏度分析149-159
• 5.5.2 直接解析法的子结构敏度分析159-161
• 5.6 本章小结161-163
• 6 翼面结构刚性面及弹性轴的数值计算方法163-180
• 6.1 翼面结构刚性面和剪心的数值确定方法163-166
• 6.2 翼面结构弹性轴的数值确定方法166
• 6.3 机翼刚度的数值计算方法166-172
• 6.3.1 机翼弯曲刚度的计算166-170
• 6.3.2 扭转刚度的计算170-172
• 6.4 翼面结构刚度特性数值分析模块172-174
• 6.5 本章算例174-178
• 6.6 本章小结178-180
• 7 总结与展望180-186
• 7.1 本文工作总结与创新180-183
• 7.1.1 工作总结180-182
• 7.1.2 主要创新点182-183
• 7.2 工作展望183-186
• 参考文献186-196
• 致谢196-198
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况198-199

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 侯吉林;欧进萍;Lukasz JANKOWSKI;;基于局部主频率的子结构损伤识别研究与试验[J];工程力学;2012年09期

2 侯吉林;欧进萍;;基于局部模态的约束子结构模型修正法[J];力学学报;2009年05期

3 ;Application of the quadrilateral area coordinate method:a new element for laminated composite plate bending problems[J];Acta Mechanica Sinica;2007年05期

4 张平;赵荣彩;李清宝;董春丽;;共享内存结构OpenMP并行程序的自动生成[J];计算机科学;2004年12期

5 袁明武,陈璞,孙树立,陈斌;工程结构分析的高性能软件技术[J];工程设计CAD与智能建筑;2000年12期

6 岑松,龙志飞,龙驭球;对转角场和剪应变场进行合理插值的厚薄板通用四边形单元[J];工程力学;1999年04期

7 岑松，龙志飞;对转角场和剪应变场进行合理插值的厚板元[J];工程力学;1998年03期

8 张传立,舒干,彭兴黔;动力子结构技术下的灵敏度分析[J];华中理工大学学报;1997年S1期

9 许覃,荣见华;结构特征灵敏度的子结构综合方法[J];机械强度;1997年01期

10 兆文忠，顾谦农，于连友;位移敏度分析的子结构法[J];大连铁道学院学报;1996年02期

，

本文编号：1128113