基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模−计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性−铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结构位移检测结果和SPTSM计算出的结构变形结果,SPTSM输出的结构变形云图属于合理范围,结合SPTSM输出的内力云图和荷载分布云图,SPTSM可以近似反映隧道结构局部位置的变形或位移趋势。综上,SPTSM可为盾构隧道的智能化结构设计提供有力支撑。

基于分层壳单元的楼板面内受力性能研究

为研究楼板在地震作用下的受力性能,采用非线性有限元软件ABAQUS分层壳单元对剪力墙试验结果进行模拟对比,确定所采用混凝土与钢材本构以及计算参数的可靠性。针对典型混凝土楼板在复杂受力状态下的受力性能进行有限元分析,考察简化计算方法对评估楼板面内拉、压、剪承载力的适用性。分析结果表明,采用简化方法确定混凝土楼板在设防烈度下的承载力时,与有限元计算结果较为一致。根据工程中混凝土楼板在地震作用下的损伤判别标准,提出楼板抗震性能加强措施。

薄壁结构数值计算中的壳单元标定技术

机身等薄壁结构冲击、坠撞的数值仿真中大量地采用壳单元进行计算,壳单元是一类高效的计算单元,在大型有限元数值模拟中,选择壳单元计算,可适度减少问题的分析规模,节约计算资源。针对壳单元计算中的网格尺度效应,本文提出了壳单元标定技术、介绍了该技术的实现过程,并通过数值算例验证了壳单元标定技术的有效性和可靠性。壳单元标定技术的实现为提高薄壁结构数值计算效率提供了有益的参考,为解决工程应用中有限元数值仿真的计算效率与精度的矛盾提出新的思路和方法。

有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究

板单元与实体单元之间的连接由于本身自由度的不同使转动自由度不连续 ,这个问题是有限元计算中比较难以解决的问题。本文采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡 ,复合单元可以看成是板单元与实体单元的组合 ,其刚度矩阵可以看成是板单元刚度矩阵与实体单元刚度矩阵的叠加 ,即复合单元具有三个方向的位移自由度和三个方向的转动自由度。通过对全实体有限元模型和具有复合单元的有限元模型的计算证明 ,采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡 ,其计算结果与全实体有限元模型的计算结果偏差较小 。

壳单元应用于薄板多道焊焊接数值模拟的方法探讨

针对目前薄板焊接残余应力有限元数值模拟中效率不高的情况,采用基于薄壳和复合层理论的壳单元来取代3D实体单元进行薄板多道焊数值模拟以预测残余应力方法的尝试,通过使用定义壳单元截面材料点数量来表征薄板厚度,在热分析中依靠解析方法得到温度分布,使用ABAQUS及多个用户子程序来完成力场残余应力分析的实现,通过与传统的3D单元模型计算薄板多道焊模拟的结果分析可知,采用复合层壳单元进行较为复杂的薄板焊接模拟效率相对较高,而精确度并没有下降。

DKT板壳单元及其在板料成形一步模拟法中的实现

研究了基于离散Kirchhoff理论(DKT)的DKT9和DKT6平板弯曲单元,推导了各自的应变-位移矩阵,实现了两种板单元与线形三角形(CST)薄膜单元的叠加.考虑了薄膜内力及弯曲应力的综合作用,较为真实地反映了实际变形情况,在开发的一步模拟法求解器InverStamp/one-step中得到了实现.通过一筒形件的拉深成形分别对这两种单元进行了分析.通过比较,证明了在板料成形一步模拟法中两种单元均能够较为真实地反映实际变形情况,DKT6比DKT9板单元具有较好的计算效率,计算精度相差不大.

一种新的实体壳单元在板料成形中的应用

开发了一种新的实体壳MSSS单元,在厚向划分一层网格采用多点积分,精确获得了厚向应力应变分布;采取粘性沙漏控制算法,克服了零能模式。厚向多点积分求解内力以及应力应变的更新,使得MSSS单元表现出了极好的单元性能,可以准确描述板料成形回弹现象。基于FASTAMP板料成形模拟软件,论文给出了一个方板拉深成形算例,以及两个NUMISHEET国际标准考题回弹算例,并且与实验结果以及相关文献中的模拟结果做了比较。

加劲环式压力钢管局部稳定性分析的有限柱壳单元法

采用半解析有限柱壳单元法,分析了水电站加劲环式压力钢管的局部稳定性问题.在分析过程中考虑了初始缝隙和加劲环的影响,建立了圆柱壳单元的刚度矩阵.计算结果可以较好地与经典的理论解及试验结果相吻合,为加劲环式压力钢管局部稳定性问题分析提供了一种新的可行方法.

ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究

在实际中经常会遇到三维连续体和薄壁板壳组成的结构,对其进行有限元分析的合理方案是将其分别离散为三维实体单元与板壳单元进行计算。即使这两种单元在交接处有共用节点,但由于节点自由度的不同而存在转动自由度不连续的问题,导致计算结果与实际偏差很大。ANSYS中约束方程法与MPC法都能够实现三维实体单元与板壳单元正确联结,文中分别说明了其原理与步骤,并结合算例的计算结果对两种方法进行了综合比较,得出了在三维实体单元与板壳单元的组合建模中MPC法可取代约束方程法的结论。

有限元中体壳单元的耦合问题研究

由于转动自由度的不连续,使得体单元与壳单元之间的耦合成为有限元计算中比较难以解决的问题。通常在工程实践中采用MPC(Multipoint Constraint)法。文中提出了约束体壳单元连接处共用节点的某一旋转自由度的方法,通过与MPC法的计算对比,证明了该方法在便于实现的同时,同样有着很高的精确度。这为有限元分析中体壳单元的耦合处理提供了一种很好的借鉴方法。

基于壳单元的焊接接头的结构应力求解

以T形焊接接头和十字非承载接头为研究对象,采用壳单元求解焊接接头结构应力集中系数.详细推导了壳单元的结点力与沿焊趾截面的分布内力的关系;给出了采用壳单元求解结构应力的求解步骤;给出了采用壳单元模拟焊缝时壳单元的厚度参考值,基于壳单元建模技术得到的结构应力集中系数与平面实体单元的获得的结构应力集中系数非常相近;同时也证实这种基于壳单元的建模技术具有网格划分不敏感性.

基于混合壳单元法预应力混凝土T梁的受力性能

为了准确预测与评估预应力混凝土T梁的力学性能,利用混合壳单元建立了T梁有限元计算模型,对T梁从完好状态至破坏状态的力学行为进行了非线性分析。T梁中弯曲预应力钢筋采用组合壳单元模型,应用虚功原理推导了其对组合壳单元刚度矩阵的贡献,梁底平直预应力钢筋采用分层壳单元模型;利用Owen双参数屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土材料非线性特性,采用双折线本构模型模拟钢筋材料。分析结果表明:混合壳单元法计算结果与试验结果吻合良好,弹性阶段的T梁刚度折减不明显,非线性阶段刚度发生明显折减,跨中预应力钢筋应力增长幅度最大,因此,混合壳单元法对预应力混凝土T梁力学行为分析是有效的。

基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析

为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能,基于分层壳单元与非线性纤维梁单元,在ABAQUS软件中进行用户材料模型子程序二次开发。用分层壳单元模拟剪力墙,纤维梁单元模拟外围组合框架,分别对钢管混凝土组合框架、带钢管混凝土边框柱及型钢混凝土边框柱的组合剪力墙进行低周往复加载试验数值模拟。计算、试验结果总体吻合较好。在此基础上,对比分析该类组合剪力墙滞回性能、受力特征及破坏特征,数值模拟获得墙板在典型时刻的裂缝分布等与实测结果接近。研究表明,采用分层壳单元与纤维梁单元能较准确、有效模拟带边框柱组合剪力墙体系的滞回性能,亦能较好描述剪力墙裂缝发展情况。该方法可为实现高层建筑钢与混凝土混合结构体系抗震性能有效、准确的数值模拟分析提供参考。

压电曲壳单元及其形状控制

板壳结构作为航空、航天工程中的主要工作元件,要承受多种环境荷载,而对形状变化非常敏感的机翼、天线等结构,有必要进行形状控制。推导了空间压电曲壳单元的有限元方程,采用约束方程法连接压电曲壳和主体结构,建立了整体结构的有限元分析模型,并基于等效应变原则验证了模型的正确性。在此基础上,利用最小二乘法对结构进行了形状控制,得到压电驱动器上电压的最优分布。算例表明:该文模型能提高计算精度和速度,达到形状控制的要求。

体壳单元连接MPC法的计算精度分析

在对体单元和壳单元组合模型进行分析计算时,常使用ANSYS软件中的MPC法,其计算精度比共节点法高,通过研究发现,多点约束(MPC)法的计算精度受连接处体单元和壳单元网格划分方式的影响。利用有限元理论分析其原理,结合算例定性地说明其影响方式,最终给出了连接处体单元和壳单元合理的网格划分方式,提高了计算精度。

全承载大型客车车身骨架梁单元与壳单元模型有限元计算对比

建立某款全承载大客车车身骨架梁单元、壳单元有限元模型并分析计算,对比模态、扭转静刚度和静强度分析结果并进行了试验验证。从反映整车性能的模态和扭转静刚度分析结果看,两种模型吻合较好,且与试验结果的相对误差小;从反映整车局部性能的静强度分析结果看,两种模型计算结果存在差异,壳单元模型计算结果与试验结果较吻合,梁单元模型计算得到的应力值普遍低于试验结果。

四边形板壳单元等值线的简易生成

本文基于三角形网格等值线的生成方法 ,通过引入虚节点将空间任意四边形网格剖分为 4个三角形 ,快速有效地实现了冲压变形有限元仿真过程中任意时刻变形壳单元网格上等值线的生成问题。该方法避开了复杂的等值点跟踪搜索算法 。

一个基于膜板比拟理论的四节点二十四自由度的平板壳单元

应用膜板比拟关系 ,可以避开 c1 连续性的困难 ,为板单元的构造提供了一种新的途径 ,并已成功地构造出一系列相应的板单元。本文构造了一个四节点二十四自由度的平板壳单元 ,该单元由平面四节点理性元 RQ4(膜部分 )和由膜板比拟理论构造的一个四节点十二自由度的板单元 (弯曲部分 )构成。该单元构造简单 ,数值结果表明具有很好的收敛性和精度。

基于正交异性壳单元的悬索桥非线性静风稳定性分析

基于正交各向异性空间壳单元的大跨度桥梁静风稳定分析方法,通过对江阴长江大桥的静风稳定分析表明,大跨度悬索桥在静风荷载作用下存在两种破坏形式,即静力扭转发散与风荷载超过结构极限承载力造成的破坏,结构的具体破坏形式可能因攻角不同而改变。通过与空间梁单元模型的比较分析表明:两种方法计算的整体变形比较一致,但传统空间梁单元模型存在一定的局限性,而壳单元法能比较全面地考虑结构的整体与局部失稳。

一种分析AGS结构的三角形加筋板壳单元

基于精细三角形Mindlin板单元构造了21个自由度三角形复合材料加筋板壳单元。在该单元构造过程中,考虑了肋骨弯曲、扭转、面内剪切和横向剪切变形的影响;由于肋骨和蒙皮的位移插值函数采用了相同的形函数,保证了两者变形的协调性,同时又放松了肋骨转动的约束,故与传统的板单元相比,能较好地反映了蒙皮和肋骨的变形特征。在此单元中,肋骨放置的数量、位置和角度可以任意,为结构的单元网格剖分带来了很大的便利。算例结果验证了单元的有效性,特别是在分析高肋结构时,显示出其比传统加筋板单元具有更高精度的优点。还以一典型的先进复合材料等格栅加筋板(AGS)为例,讨论了该结构弯曲变形的力学特性。