結(jié)構(gòu)性能
關(guān)注創(chuàng)建者：江丙云 創(chuàng)建時(shí)間：2018-09-19
結(jié)構(gòu)性能的視頻教程
06-汽車方向盤結(jié)構(gòu)性能分析系列課程
第一節(jié)-汽車方向盤結(jié)構(gòu)性能分析系列課程 第二節(jié)-方向盤模態(tài)分析流程及細(xì)節(jié) 第三節(jié)-方向盤輪心載荷分析流程及細(xì)節(jié) 第四節(jié)-方向盤輪緣載荷分析流程及細(xì)節(jié) 第五節(jié)-方向盤扭轉(zhuǎn)載荷分析流程及細(xì)節(jié) 第六節(jié)-方向盤壓潰分析流程及細(xì)節(jié) 第七節(jié)-方向盤沖擊分析流程及細(xì)節(jié) 第八節(jié)-方向盤擺振分析流程及細(xì)節(jié)
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結(jié)構(gòu)性能的實(shí)例教程
設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車以提高結(jié)構(gòu)性能
電動(dòng)汽車制造商在保持輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，要優(yōu)化驅(qū)動(dòng)范圍面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。充電后，電動(dòng)汽車通常有望提供200英里或200英里以上的續(xù)航里程，至少需要70-80 kW-h的電能。這種口徑的電池系統(tǒng)通常重達(dá)500公斤或更多。雖然增加電池續(xù)航力和減少車輛重量似乎是相互沖突的目標(biāo)，但可以通過(guò)車輛結(jié)構(gòu)內(nèi)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)電池組周圍的保護(hù)結(jié)構(gòu)。
制造商正在探索可折疊的多功能電池組結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最佳的行駛里程/車輛重量平衡。通過(guò)用吸收能量的電池組組件和外殼代替底盤中的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制造商可以管理車輛的重量要求并提高其效率和續(xù)航里程。電池盒外殼應(yīng)在發(fā)生碰撞事件時(shí)成為負(fù)載路徑的一部分。因此，至關(guān)重要的是，外殼的設(shè)計(jì)不會(huì)對(duì)車輛的耐撞性產(chǎn)生不利影響，也不會(huì)增加電池在碰撞中損壞或?qū)Τ藛T造成傷害的可能性。
傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員避免將電池組放置在車輛前部附近。車輛的前部專門用于能量消耗和負(fù)載路徑管理，以實(shí)現(xiàn)正面碰撞安全，這是車輛碰撞中最常見的碰撞方式。因此，電池組通常沒有被設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)部件。然而，最近，車輛制造商現(xiàn)在正在考慮將電池組的結(jié)構(gòu)接合作為正面和傾斜沖擊期間能量耗散的一部分。我們?cè)贓xponent的團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)進(jìn)行仿真和測(cè)試來(lái)評(píng)估電池組和外殼設(shè)計(jì)以及在各種撞擊情況下的放置情況，從而幫助實(shí)現(xiàn)提高車輛性能和耐用性以及在不同碰撞模式下保護(hù)乘員的總體目標(biāo)。
評(píng)估電動(dòng)汽車的耐撞性和結(jié)構(gòu)性能
電動(dòng)汽車的安全預(yù)防措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS）。多年以來(lái)，測(cè)試已經(jīng)發(fā)展到包括碰撞后檢查，以檢查是否將高電壓從機(jī)箱中隔離出來(lái)，揮發(fā)性氣體的泄漏以及系統(tǒng)的物理?yè)p壞。
展開 2 已有設(shè)計(jì)方法的缺陷
結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法先后經(jīng)歷了基于力、基于位移、基于能量與基于性能的設(shè)計(jì)方法[6 - 9]，基于力的設(shè)計(jì)方法假設(shè)結(jié)構(gòu)為剛體，無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形; 基于位移的設(shè)計(jì)方法通過(guò)控制結(jié)構(gòu)變形把我結(jié)構(gòu)的抗震性能，此方法無(wú)法反應(yīng)結(jié)構(gòu)的累積破壞; 基于能量的設(shè)計(jì)方法認(rèn)為地震作用實(shí)際上能量輸入，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)耗能能力調(diào)整結(jié)構(gòu)抗震性能，但無(wú)法考慮某次結(jié)構(gòu)的較大位移變形造成的結(jié)構(gòu)破壞; 基于性能的設(shè)計(jì)方法目標(biāo)在于依據(jù)結(jié)構(gòu)重要性與使用功能使得不同的結(jié)構(gòu)有不同的抗震能力，我國(guó)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)理念就體現(xiàn)了基于性能的設(shè)計(jì)思想，使得結(jié)構(gòu)在小震下不發(fā)生破壞，中震下可以修復(fù)，大震下不發(fā)生倒塌，但目前國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范大多仍停留在基于位移的設(shè)計(jì)方法上，基于性能的設(shè)計(jì)方法也是基于位移的設(shè)計(jì)的方法，均無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)累積破壞。因此，需要更合理的設(shè)計(jì)方法，基于損失的設(shè)計(jì)方法，綜合考慮結(jié)構(gòu)的變形能力與累積損失，將結(jié)構(gòu)變形與耗能能力加權(quán)組合，提出適用于結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)控制指標(biāo)調(diào)整結(jié)構(gòu)抗震性能。
3 改進(jìn)措施
唐山大地震之后，大量砌體結(jié)構(gòu)受到毀滅性破壞，引起了研究人員和設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注，提出了通過(guò)增設(shè)圈梁與構(gòu)造柱提高結(jié)構(gòu)整體性的措施。隨后的國(guó)內(nèi)地震資料顯示，增設(shè)圈梁與構(gòu)造柱確實(shí)一定程度提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性，但仍會(huì)造成造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，結(jié)構(gòu)整體性將無(wú)法保證，因此仍需對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的整體性進(jìn)行加強(qiáng)。
( 1) 計(jì)算問(wèn)題。目前砌體墻片計(jì)算僅考慮平面內(nèi)抗彎，不能反映出墻片的平面外抗彎與穩(wěn)定性的情況，很多震害資料顯示，造成砌體結(jié)構(gòu)縱橫墻破壞與倒塌的原因很大程度是由于墻片在平面的穩(wěn)定性與抗傾覆能力較差，在地震作用下外閃所導(dǎo)致的。因此，需通過(guò)構(gòu)造措施加強(qiáng)縱橫墻的連接、設(shè)置水平配筋帶等措施需要提高砌體結(jié)構(gòu)平面外穩(wěn)定性與抗傾覆能力。
展開 具有可再加工和自修復(fù)能力的高性能交聯(lián)聚合物材料及其結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究一直是高分子科學(xué)中備受關(guān)注的研究課題。環(huán)氧樹脂作為一種常見的典型熱固性聚合物具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它難以再加工循環(huán)利用。近年來(lái)通過(guò)引入Diels-Alder(DA)鍵等可逆共價(jià)鍵，文獻(xiàn)報(bào)道了多種具有熱修復(fù)和再加工能力、以及具有形狀記憶性質(zhì)的熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂的制備與應(yīng)用，但其微觀的動(dòng)態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系的研究很少報(bào)道。為了闡明熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂中微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院孫平川研究員在《高分子學(xué)報(bào)》2018年第7期“何炳林先生誕辰100周年紀(jì)念”專輯發(fā)表的論文中采用熱分析、13C變溫原位固體核磁共振技術(shù)和力學(xué)性能測(cè)試等多種表征技術(shù)，詳細(xì)研究了該熱可逆交聯(lián)聚合物中的熱可逆轉(zhuǎn)變過(guò)程、動(dòng)態(tài)交聯(lián)化學(xué)鍵演化以及交聯(lián)度對(duì)力學(xué)性能的影響。
通過(guò)DSC和DMA等熱分析研究結(jié)果表明，可逆共價(jià)鍵的化學(xué)交聯(lián)作用提高了材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，隨著交聯(lián)度的增大，熱可逆共價(jià)鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及玻璃化轉(zhuǎn)變協(xié)同作用導(dǎo)致材料軟化溫度顯著提高，進(jìn)而提高了材料的耐熱性。通過(guò)變溫13C直接極化(DP)和交叉極化(CP)兩種不同的固體NMR實(shí)驗(yàn)技術(shù)原位監(jiān)測(cè)了DA/retro-DA反應(yīng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該熱可逆交聯(lián)環(huán)氧樹脂中DA反應(yīng)形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在高溫解交聯(lián)，生成呋喃與馬來(lái)酰亞胺小分子化合物，而低溫時(shí)呋喃與馬來(lái)酰亞胺化合物又再次反應(yīng)得到DA加成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而從分子水平上為材料的熱可逆交聯(lián)特性提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。而原樣品和溶液法再加工樣品的力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可逆交聯(lián)DA反應(yīng)不但使樣品具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，而且使交聯(lián)聚合物具有了很好的再加工能力。
展開 基于SimSolid的燃料電池自卸車結(jié)構(gòu)性能分析.pdf
然而，這些技術(shù)通常僅限于制備1D/2D結(jié)構(gòu)（纖維或薄膜）。雖然已經(jīng)證明了3D/4D打印可以獲得兼具復(fù)雜結(jié)構(gòu)和有序CNC的潛力，但這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)通常具有非連續(xù)表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術(shù)中的許多參數(shù)會(huì)影響CNC在三維成型結(jié)構(gòu)中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能，在含有CNC的三維復(fù)合材料中，有序排列的CNC如何發(fā)揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程。
近日，德國(guó)哥廷根大學(xué)張凱教授課題組通過(guò)“拉伸-松弛-干燥”動(dòng)態(tài)共價(jià)水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖1）。這種方法的特點(diǎn)是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續(xù)性：基于機(jī)械拉伸和空氣干燥過(guò)程，動(dòng)態(tài)水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學(xué)增強(qiáng)之外，還提供額外的光學(xué)雙折射現(xiàn)象（圖2）；所獲得的類雙曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)可由原始水凝膠的形態(tài)和機(jī)械拉伸的條件控制；類雙曲面結(jié)構(gòu)的表面可以通過(guò)空氣干燥過(guò)程進(jìn)一步優(yōu)化，從而獲得光滑、連續(xù)和彎曲的表面。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)這種3D形狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結(jié)構(gòu)固有的幾何形狀有很大關(guān)系（圖3）。這些結(jié)果將為設(shè)計(jì)和制造具有固定形態(tài)、力學(xué)性能和功能的先進(jìn)材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。
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結(jié)構(gòu)性能的最新內(nèi)容
本次直播將介紹 Ansys Discovery 實(shí)時(shí)仿真如何賦能汽車工程創(chuàng)新，幫助研發(fā)人員在概念設(shè)計(jì)和方案驗(yàn)證階段快速評(píng)估流體、熱管理、結(jié)構(gòu)性能等關(guān)鍵問(wèn)題。借助實(shí)時(shí)結(jié)果反饋，團(tuán)隊(duì)可以更快識(shí)別設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、驗(yàn)證創(chuàng)意可行性，并減少后期返工?；顒?dòng)將結(jié)合汽車行業(yè)典型應(yīng)用案例，展示 Discovery 如何支持更敏捷的工程決策流程，助力企業(yè)提升研發(fā)效率與創(chuàng)新能力。
拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在給定的設(shè)計(jì)空間、材料和工況下，找到材料的最優(yōu)分布，使結(jié)構(gòu)在滿足多種性能要求（如剛度、強(qiáng)度、頻率）的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化。
“多工況加權(quán)柔度響應(yīng)”指的是將結(jié)構(gòu)在多種不同載荷工況下的柔度（Compliance） 進(jìn)行加權(quán)求和，作為拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)或約束條件。柔度是剛度的倒數(shù)，柔度越小，意味著剛度越大。
一、核心概念解析
1.
當(dāng)傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)面臨周期長(zhǎng)、成本高的困境，建筑風(fēng)環(huán)境仿真的優(yōu)點(diǎn)在于：
（1）費(fèi)用省、周期短、效率高；
（2）可方便探討各種參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響；
（3）基本不受結(jié)構(gòu)尺度和構(gòu)造的影響，可盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)以及所處的環(huán)境，克服試驗(yàn)中難以滿足雷諾數(shù)相似的困難；
（4）數(shù)值模擬的結(jié)果可利用豐富的可視化工具，提供風(fēng)洞試驗(yàn)不便或無(wú)法提供的繞流流場(chǎng)信息。
文章還指出，拉伸織構(gòu)和壓縮織構(gòu)在不同壓潰模式下表現(xiàn)出不同的吸能優(yōu)勢(shì)，這說(shuō)明“材料制造歷史”并不是可以忽略的背景信息，而是可能影響結(jié)構(gòu)服役性能的重要因素。
這篇文章對(duì)我們的啟發(fā)在于：晶體塑性并不只能用于單晶拉伸、RVE 或微觀變形分析，也可以嵌入顯式動(dòng)力學(xué)框架，用于研究真實(shí)工程結(jié)構(gòu)中的局部變形、吸能和織構(gòu)演化。
通過(guò)精確控制這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍層厚度、結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。
二、工藝流程
三、不同基材的工藝差異
注：導(dǎo)電差的基材需額外做導(dǎo)電處理；表面曲率大的基材需調(diào)整噴槍角度和移動(dòng)速度，確保噴鍍均勻。
采用Ansys仿真平臺(tái)，能夠?qū)C(jī)器人用的電機(jī)、電機(jī)控制器、PCB板、電源、電池等，進(jìn)行電磁性能、電磁兼容性能、溫度性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多物理場(chǎng)的仿真分析和優(yōu)化，協(xié)助用戶設(shè)計(jì)出性價(jià)比高、性能穩(wěn)定的機(jī)器人。
過(guò)大的變形量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因此將為關(guān)節(jié)增設(shè)阻尼，以改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能。
圖 4 變形頻率響應(yīng)提取設(shè)置
圖 5 Z 向變形頻率響應(yīng)
7、為關(guān)節(jié)增加阻尼并重新開展仿真計(jì)算。返回 Workbench 平臺(tái)，復(fù)制諧響應(yīng)分析系統(tǒng)。在新分析項(xiàng)目中，為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)統(tǒng)一賦予阻尼值：100 N?mm?s/rad，之后重新求解計(jì)算。
T 型梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)景：
土木橋梁：檢測(cè)混凝土、鋼制 T 梁抗彎承載力、開裂性能與結(jié)構(gòu)剛度，用于建筑、橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)與安全評(píng)估。
機(jī)械工程：標(biāo)定型鋼、復(fù)合材料構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度與變形特性，服務(wù)設(shè)備支架、輕量化結(jié)構(gòu)研發(fā)。
科研試驗(yàn)：獲取純彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，研究材料破壞、屈曲及疲勞特性。
STAR模塊作為Ansys與Zemax的核心接口，可準(zhǔn)確追蹤FEA數(shù)據(jù)集，將包含剛體位移的面型數(shù)據(jù)分配至對(duì)應(yīng)光學(xué)表面，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與光學(xué)性能的直接關(guān)聯(lián)。通過(guò)Zemax模擬溫度載荷下的鏡頭離焦量，輸出調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線（如圖3所示），直觀評(píng)價(jià)成像質(zhì)量。
img.jishulink.com/202604/imgs/b7128d7c234e49bcaf2e710f14f56dde"></p><p class="ql-align-center"><strong>郭文強(qiáng) | 中創(chuàng)新航科技集團(tuán)股份有限公司 仿真主任工程師</strong></p><p>2021年畢業(yè)后就職于中創(chuàng)新航公司，從事結(jié)構(gòu)仿真相關(guān)工作，現(xiàn)已有5年工作經(jīng)驗(yàn)；工作期間，始終以提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能為核心目標(biāo)
