结构/机构力学分析

一、培训目的、意义和专题特点
电子（机电）设备系统在运输和工作过程中不可避免会受到振动和冲击等机械力的影响，各种机械力因数是引起设备系统失效的主要诱因之一。为了提高设备系统的可靠性，对其进行力学仿真分析是必不可少的。
本专题具有很强的针对性、系统性、实战性、互动性。专题内容源于专家长期的研发工程实践、工程案例多，生动、直观，避免枯燥，有助于学员理解力学分析的各种问题。
二、培训内容
第一部分（9学时）    
1、结构力学分析的基本概念
桁架结构的静力学有限元分析 ；             刚架结构的静力学有限元分析
振动的分类；                              振动的各种问题
离散结构的固有特性（固有频率、固有振型）； 隔振概念
连续弹性体振动分析与离散化有限元分析；    简谐激励下的结构振动响应
冲击激励下的结构振动响应；                随机激励下的结构振动响应
2、结构有限元建模与分析的要点问题
网格划分；              单元类型选择；         接触设置；
边界条件处理；          模型导入、干涉检测、修正和简化；
梁与实体单元的连接；    基础运动载荷的输入；   非线性与大变形设置；  
柔索结构的找形分析；    流固耦合；  
有限元分析软件与其他程序的交互技术；
ANSYS与WORKBENCH的联合仿真；                  APDL编程求解；
3、典型案例
案例一、机载电子设备有限元建模技术及仿真分析
   机箱是安装和保护各种电路单元、元器件及机械零部件的重要电子设备，其结构的机械性能将直接影响电信号的传输以及电子系统的可靠性。然而，机箱在运输、使用过程中不可避免的要受到各种机械力的作用，其中振动与冲击对电子设备的危害最大。故在机箱的设计过程中，应用有限元仿真技术对机箱抗振动冲击的能力进行分析是很有必要的。
（1）印制电路板的建模方法；
（2）印制电路板常用固定方式在有限元建模中的实现；
（3）前锁紧装置的有限元建模；      （4）机载机箱的模态分析
（5）机载机箱的冲击响应分析；      （6）机载机箱的随机振动分析
案例二、机翼液压管路疲劳试验平台的结构设计与力学仿真分析
机翼模拟梁发生模拟气流导致的大幅度弯曲及微幅振动，根据运动要求进行平台的设计与分析。
（1）结构设计；               （2）螺栓预紧力的加载设置；
（3）结构的接触连接设置；     （4）机翼模拟梁的变截面结构优化设计
（5）机翼模拟梁的模态分析；   （6）机翼模拟梁的瞬态分析
（7）机翼模拟梁的疲劳分析
案例三、弹载摄像机有限元动力仿真分析
摄像机装置是一种精密的光学设备，对结构中光学镜片的力学性能，抗振动冲击性能要求很高。在对摄像机装置的有限元仿真分析中，主要对其进行了四个方面的性能分析：结构固有特性分析、谐响应分析、随机振动分析、冲击响应分析。由于摄像机装置光学镜片和PCB板是整个结构中关键的部件，所以主要研究在各种振动环境下，镜片和PCB板的响应分析。
（1）摄像机模型简化及修复； （2）结构固有特性分析；（3）正弦振动分析验证；          （4）随机振动分析验证；    （5）冲击响应分析
案例四、面天线力学仿真分析
（1）自重载荷响应分析；     （2）模态分析；     （3）等效静风荷响应分析；      
（4）随机风振模拟及响应分析；                  （5）稳定性分析
案例五、机翼模拟梁液压管路的振动特性分析
飞机液压管路系统正向高压化方向发展，高压管路在外干扰激励下会引起强烈的振动，会降低管路的疲劳寿命和液压系统的性能，严重时甚至会导致液压管路支撑结构的破坏以及管路的断裂，造成灾难性的事故。因此，弄清楚飞机液压管路在实际环境应力下的振动特性，对于设计新型液压管路系统的安全可靠性是非常重要的。
（1）液压管路模型的检测、修正和简化； （2）等效质量法的管路模态分析
（3）液压管路的单向耦合分析；         （4）液压管路的双向耦合分析
案例六、索网天线结构的有限元分析
索网结构作为大跨度空间结构的一种形式，属于柔性体系，必须施加一定的预应力使其产生刚度才能承载。采用非线性有限单元法建立索网模型进行求解，分析索网风载荷作用下各导线张力及垂度，确定一种在最大风压下能同时满足强度和垂度要求的索网初始形态。
（1）索网有限元模型的建立；      （2）索网结构非线性找形的两种方法
（3）线网风载荷等效加载方法；    （4）不同分析工况下的线网力学分析
案例七、索牵引飞艇结构的有限元分析
（1）网格生成技术，包括结构化网格和非结构化网格及其子类；
（2）飞艇出库过程中的风载数值模拟；  （3）飞艇有限元建模及模态分析；
（4）飞艇出库过程中的风载有限元仿真分析；
（5）非线性问题的求解方法和克服收敛性问题的方法。
案例八. 雷达车结构的有限元分析
天线作为车载雷达的重要组成部分，要保证在恶劣工况下能安全工作并满足天线电性能指标；同时保证雷达车结构在风载作用下不发生侧翻。
（1）结构有限元建模； （2）雷达车整体结构（不包括天线和天线座）模态分析；
（3）雷达车结构（包括天线升降机构、方舱、车架、调平机构）在风荷及重力作用下的强度及刚度分析；
（4）雷达车在静风荷作用下侧翻的稳定性分析。
案例九、 挂弹弹射机构 (GDG-II1)多体动力分析及复位弹簧动塑性失效分析
弹射挂弹钩复位弹簧在寿命试验过程中发生塑性变形失效，复位弹簧为两端带锥形过渡圈的螺旋拉伸弹簧，为了找出该类弹簧的失效机理，改进设计，提高弹射挂弹钩的弹射性能，提出对弹射挂弹钩弹射系统进行动力分析，对复位弹簧进行动响应分析和使用寿命分析，并根据分析结果，对弹簧的应力分布、塑性变形、使用寿命做出整体评价，并给出可以实施的设计优化方案
（1）弹射机构虚拟样机建立；         （2）虚拟样机动力学仿真分析
（3）复位弹簧动塑性失效分析；       （4）优化方案
案例十、大射电望远镜精调平台多体动力学分析及对柔索牵引系统的动力耦合影响
针对大型射电望远镜两级子系统间的动力学耦合影响，通过虚拟样机技术对其进行研究，探讨在精调平台做不同运动时舱体与动平台的质量比对动力学耦合作用的影响，从而为减小其动力耦合影响，保证馈源的高定位精度提供参考依据。
（1）Stewart平台的逆运动学与逆动力学模型及算例分析；
（2）柔索的参数化建模与平面索杆混合结构的动力学耦合分析；
（3）柔索牵引系统在精调平台扰动下的动力响应分析。

第二部分（3学时）       
1、工程设计研发的常规方法介绍
工程实验；              解析法；             有限元离散法：
2、有限元法的常规步骤
物理模型的建立；    几何模型的建立和离散化；     初边值的定义
 求解微分方程；      生成计算结果，建立云图。
3、Abaqus有限元分析的大致流程
（1）建立几何模型；   （2）定义材料模型并赋值；   （3）定义分析步；
（4）定义边界条件和初始条件；    （5）施加结构载荷；
（6）定义单元类型并划分网格；    （7）计算求解并分析结果
4、典型案例及分析要点
案例一、  手持设备跌落有限元分析
手持设备在安装、运输和使用过程中很容易发生各种意外事故如跌落，这种冲击对手机的危害非常大，尤其是对液晶显示屏等敏感元器件。因此在手持设备的设计过程中，引用有限元分析对考察手持设备的抗跌落性能是很有必要的。
（1）手持设备的建模方法；           （2）部件的常用材料类型及材料本构
（3）手持设备与跌落面的装配注意事项
（4）手持设备螺钉与卡扣的常用简化连接方法的实现
（5）机壳与lcd、电池、相机等接触方式的设置
（6）手持设备跌落的显式动力分析；   （7）手持设备支撑筋的结构优化
案例二、空气弹簧流固耦合分析
空气弹簧因为其良好的机械特性在商业汽车、巴士、轨道车辆和机械设备底座等得到广泛应用。设计空气弹簧时，须充分考虑弹簧的刚度特性、振动特性和使用中的安全性。有限元方法能真实模拟空气弹簧在各种工况条件下的运动和变形，为设计工程师提供有力的设计依据
（1）空气弹簧的建模方法；             （2）空气弹簧中气体单元的实现
（3）空气弹簧中橡胶胶囊与气体的流固耦合分析的实现
（4）初始应力下空气弹簧的固有模态分析
（5）3D试验平台上动子的简谐振动分析  （6）空气弹簧的刚度特性评价
5、基于python的Abaqus结构仿真二次开发
（1）python介绍；                      （2）python与Abaqus的关系
（3）abaqus脚本接口与abaqus内核通信； （4）python开发可以实现的功能
（5）python在abaqus二次开发中的应用案例
三、专家介绍
XXX老师：多年的力学强度分析实战经验；将传统的机械设计、力学分析与先进的计算机设计、分析软件相结合，面向机械工程领域中设计与分析等方面的科学研究和工程技术问题，进行建模、仿真、分析、优化与验证。相关技术与研究所和生产厂的先进数字化设计及制造工作相匹配。主持或承担863子项目、国家自然科学基金重点项目等项目多项，获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖3项。科研论文被SCI、EI检索50余篇次。
XXX老师：历任华为技术有限公司产品工程部产品工程师，Flextronics深圳研发中心CAE工程经理；目前XXX公司技术总监