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項目簡介運用有限元方法開展汽車及零部件的結構靜動態特性研究，可進行的研究有：（ 1）結構靜態分析；（ 2）結構動態分析，包括模態分析、頻響分析、譜分析、疲勞分析等；性能指標仿真分析的精度能夠滿足工程需要所處階段成熟

本發明提供了一種基于聚類分析的復合材料結構有限元模型修正方法，建立初始有限元分析模型，測得結構的實驗模態頻率和模態振型，計算待修正參數的相對靈敏度矩陣，利用分層聚類算法對待修正參數進行參數分組，再對聚類參數進行相對靈敏度分析，選擇各參數中相對靈敏度平均值最大的聚類參數進行修正，構造分析模型的模態頻率和實測模態頻率的殘差向量，建立分析模型修正所需的目標函數，構建目標函數的優化反問題對復合材料結構的有限元模型進行修正。本發明結合數值模擬、試驗和優化技術，采用參數的相對靈敏度矩陣進行聚類分析，減少待修正參數數量，提高修正程序穩定性，為工程應用提供了一種準確的基于數值模擬、試驗和優化相結合的復合材料等效有限元模型參數修正方法。

本發明公開了一種基于逆向子結構的有限元模型修正方法。該 方法包括以下步驟：首先，測量實際工程結構的試驗模態，建立整體 結構的試驗模態；通過獨立子結構試驗模態參數和整體結構試驗模態 參數之間的關系，將整體結構的試驗模態分解為獨立子結構的試驗模 態；然后，基于獨立子結構的試驗模態建立目標函數，調整獨立子結 構參數，使目標函數最小化，獲取子結構最優結構參數，根據所述最 優結構參數修正獨立子結構有限元模型；最后，根據結構損傷前后有 限元模型結構參數的變化完成結構損傷識別。本發明通過修正獨立子 結構模型，避免

JIFEX是中國具有自主版權的大型通用有限元分析和優化設計軟件。它是在大連理工大學工程力學研究所研制多層子結構分析軟件JIFEX、微機有限元分析軟件DDJ—W、計算機輔助結構優化軟件MCADS等基礎上發展的集成化軟件系統。1995年在全國自主版權CAD支撐軟件評測中獲得有限元軟件唯一的一等獎。1997年獲國家八五科技攻關重大科技成果獎。1998年被列為863/CIMS目標產品發展計劃支持項目。 JIFEX具有Windows95環境下全新的圖形交互式操作環境，是新一代的有限元分析與優化設計軟件，具有自己特色的強大功能：方便靈活的有限元模型化功能，多層子結構方法，三維多體彈塑性接觸分析，大型組合結構穩定性計算，多功能實用化的結構優化設計功能——特別是結構優化和動態性能優化 Windows95/NT下的圖形交互與視算一體化環境，與AutoCAD集成的有限元建模及數據全自動生成，微機上的大規模計算能力——數萬節點規模的大型結構強度分析和接觸應力計算。

信息化和全球化給制造業帶來了空前的挑戰。企業必須應對快速、嚴峻和多變的市場競爭，開發具有高速度、高精度和高可靠特性的產品。企業逐漸意識到設計的不可靠、高成本和高風險，缺乏相應的技術手段和測試方案來評估和分析產品設計過程與產品動態特性，企業對產品難以做到“心中有數”。 以有限元為基礎的計算機輔助工程(CAE)技術，以及動態測試與信號分析技術，能夠為產品開發、運行和維護的各個環節，即從概念設計、虛擬原型、性能確認到監測診斷和運行維護，提供集成解決方案以及快速高效的信息化、數字化開發平臺，優化產品設計，提高產品質量與動態特性，降低新產品成本并縮短上市時間， 西安交通大學機械工程學院機械工程及自動化研究所，長期從事有限元、動態分析與故障診斷的研究與應用工作，配備有高性能的計算機和完備的工程CAE軟件，并且擁有一系列先進的測試實驗設備。先后承擔了國家973計劃、863計劃、自然科學基金重點和面上、國際合作項目的研究工作。課題組多年來致力于高精度新型有限元、動態測試與故障診斷理論與技術研究，獲得多項國家級和省部級獎勵。提出了適宜奇異性求解和高精度建模的小波有限元有法，取得了原始創新成果，發表多篇國際期刊論文，獲得多項國家發明專利，在科學出版社出版《小波有限元理論及其工程應用>專著，在清華大學出版社出版《Ansysworkbench設計、仿真與優化》教材。課題組集研究、開發和服務于一體，其研究成果廣泛應用于航空航天、汽車工業、鋼鐵石化、電子通訊、自動機械、通用機械等行業，如中國航天科工集團、中國船舶工業集團、兵器部202所、江鈴汽車、柳工機械、武漢鋼鐵、濟南石化、華為電子、上海紫明、浙江南大、西安科達機器人等和理光公司等制造企業。

本項成果運用Pro/Engineer或者SolidWorks軟件建立設備精確的三維模型，繼而采用計算流體力學（CFD）方法對于設備內部的溫度場或者流場的情況進行模擬與仿真，能夠得到設備內部包括溫度場或流場在內的熱力性能等重要參數，從而為熱能設備的優化設計奠定基礎。我們運用該項技術成功地解決了以下技術問題：1）         平面或者圓管型金屬反射式保溫層（壓力容器或者核電站管道用）建模及其傳熱

1.   技術內容及其先進性 本項成果運用Pro/Engineer或者SolidWorks軟件建立設備精確的三維模型，繼而采用計算流體力學（CFD）方法對于設備內部的溫度場或者流場的情況進行模擬與仿真，能夠得到設備內部包括溫度場或流場在內的熱力性能等重要參數，從而為熱能設備的優化設計奠定基礎。我們運用該項技術成功地解決了以下技術問題：1）      

本發明公開了一種基于譜隨機有限元模型的隨機動載荷識別方法。本發明的方法包括步驟：Ｓ１、對含不確定性參數的結構開展同工況下多次模態試驗，建立不確定性系統的譜隨機有限元模型；Ｓ２、測量隨機動載荷作用下含不確定性參數結構的隨機動響應樣本；Ｓ３、利用隨機動響應樣本均值識別結構上所受隨機動載荷的均值；Ｓ４、利用識別的隨機動載荷均值求解僅考慮系統參數不確定性時的結構隨機動響應協方差；Ｓ５、計算僅考慮動載荷隨機性引起的隨機動響應協方差的近似值；Ｓ６、識別獲取隨機動載荷的統計特征。本發明能夠同時考慮了動載荷和系統參數的不確定性，利用實測結構動響應樣本，識別結構系統上作用隨機動載荷的統計特征。

強度和韌性的“倒置關系”是材料研究領域長期存在的難題。大量的實驗表明，隨著金屬材料內部晶粒尺寸的降低，在強度獲得提升的同時，韌性將大打折扣。目前，廣泛采用的高強材料韌化策略有：（1）改變組分，通過引入和調整材料的多種主要元素，同時激活多種塑性變形機制，高熵合金材料就是采用這種思路；（2）改變微結構，在材料內部引入一種或多種梯度分布的微結構，避免由于特征長度突變帶來的性能突變，有效克服金屬材料強度和韌性的失配問題，這種材料被稱為梯度納米結構材料。 圖1 梯度結構金屬材料的類型（摘自：李毅，梯度結構金屬材料研究進展，中國材料進展，2016, 35: 658-665）人工制備的梯度納米金屬結構主要包括以下幾種：梯度晶粒，梯度位錯，梯度孿晶，梯度固溶物，梯度相，以及包含兩種以上的梯度混合結構。在已經發展成熟的金屬材料內部引入梯度納米結構，可以進一步提高其強韌性匹配能力。例如，通過表面研磨處理（SMAT）在孿晶誘發塑性（TWIP）鋼表面引入大量的塑性變形，使其表面晶粒細化，隨著深度的增加，晶粒細化的程度逐漸降低，同時塑性變形也會導致位錯演化和孿晶的產生，因此在TWIP鋼內部形成了包含梯度晶粒，梯度位錯和梯度孿晶的梯度混合結構。這種梯度納米結構TWIP鋼的強度可以提升50%，斷裂應變僅從60%下降到52%，具有更高的強韌性匹配能力。目前，關于梯度納米結構TWIP鋼的研究集中于實驗，反映物理機制的本構模型研究還鮮見報道。西南交通大學力學與工程學院張旭教授與德國馬普鋼鐵所、中國鋼鐵研究總院等機構開展合作，指導博士生陸曉翀發展出考慮位錯滑移和變形孿晶等物理機制的微結構尺寸相關晶體塑性本構模型。依托DAMASK平臺將該模型移植有限元，并對梯度納米結構TWIP鋼的單軸拉伸變形行為展開模擬，揭示了其微結構演化與宏觀性能之間的關系，量化了不同梯度結構對材料強韌性的貢獻。相關研究工作已在金屬材料與固體力學交叉領域頂級期刊《International Journal of Plasticity》上在線發表，論文題目為Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel。 論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703作者首先使用不同晶粒尺寸Fe-15Mn-2Al-2Si-0.7C (wt.%) TWIP鋼的單拉實驗數據驗證該模型的合理性，結果表明該模型對不同尺寸下的應力應變響應和應變強化行為都可以較好地描述，特別是細晶TWIP鋼硬化率曲線中的up-turn效應。通過對內變量演化的分析及對比性模擬，作者發現這種up-turn效應源自于細晶中顯著的背應力。 圖2 對比不同晶粒尺寸TWIP鋼的單拉實驗和模擬結果由于梯度納米結構TWIP鋼的微結構十分復雜，晶粒數目眾多，通過采用三維均勻化方法，建立了宏觀試樣尺寸的有限元模型。通過對每層單元賦予不同的晶粒尺寸，初始位錯密度和孿晶體積分數，離散地描述材料內部微結構的梯度分布，并通過梯度網格劃分方法進一步減少單元數目。對于材料表層微結構變化劇烈的區域，采用密度較高的網格，以保證更加精確地描述微結構的梯度變化。 圖3三維均勻化方法示意圖作者利用發展的晶體塑性模型，對均勻和梯度納米結構的Fe-10Mn-0.5C-3Ni (wt.%) TWIP鋼的單拉變形行為進行模擬。結果表明，在合理描述均勻結構TWIP鋼應力-應變響應的基礎上，通過引入微結構的梯度分布，無需修改任何參數就可以較好地描述梯度納米結構TWIP鋼的單拉力學行為。通過對比變形云圖，作者發現均勻和梯度納米結構TWIP鋼的表面都會變的粗糙不平，但梯度納米結構的表面粗糙度更加明顯，產生的應變局域化形成了兩個凹陷區，且凹陷區在垂直于平面方向也會發生收縮。隨著深度的增加，收縮程度逐漸降低。通過對比性模擬，作者發現表面凹陷區的出現就是梯度納米結構TWIP鋼韌性略微下降的原因。而應變局域化的產生與表面納米層晶粒的應變強化能力有關，提高表面納米晶的硬化能力，就可以抑制表面凹陷區的出現和韌性的下降。此外，作者通過分析不同層位錯密度的演化，進一步證實了上述觀點。作者還通過對比性模擬量化了不同梯度結構對材料強韌性的貢獻。結果表明：強度的提升源于梯度位錯結構，梯度晶粒和梯度孿晶結構有助于保持材料的應變強化能力。 圖4 均勻結構和梯度納米結構TWIP鋼的模擬結果對比分析。

本發明公開了一種縫合式夾芯板有限元參數化建模方法，包括如下步驟：（１）、獲取縫合式夾芯板的幾何特征參數；（２）、獲取縫合式夾芯板的有限元建模特征參數；（３）、采用幾何匹配關系建立縫合式夾芯板有限元模型數據庫；（４）、將上述步驟編成參數化建模腳本程序即完成構建縫合式夾芯板的有限元模型。本發明的建模方法在對縫合式夾芯板進行有限元建模中，采用參數化建模方法，可以快速、方便的得到縫合式夾芯板在不同尺寸、縫合線密度等參數變量下的有限元分析模型，并通過ＭＡＴＬＡＢ與ＭＳＣ．ＰＣＬ語言交互編程實現，進而有效縮短建模周期、提升單元質量、提高分析效率和分析精度，能夠實現縫合式復合材料夾芯板的高效、高精度分析。