A NEW METHOD FOR SOLUTION OF 3D ELASTIC-PLASTIC FRICTIONAL CONTACT PROBLEMS

The solution of 3 D elastic-plastic frictional contact problems belongs to the un specified boundary problems where the interaction between two kinds of nonlinearities should occur. Considering the difficulties for the solution of 3 D frictional contact problems, the key part is the determination of the tangential slip states at the contact points, and a great amount of computing work is needed for a high accuracy result. A new method based on a combination of programming and iteration methods, which are respectively known as two main kinds of methods for contact analysis, was put forward to deal with 3 D elastic-plastic contact problems. Numerical results demonstrate the efficiency of the algorithm illustrated here.

基于3D有限元模拟的螺栓接头变形—内力关系及在设计中的应用

考虑螺纹的三维螺旋线形几何特征和各组件结合面之间的摩擦接触关系,利用MSC.Marc软件建立螺纹螺栓—被连接件组合结构(接头)的三维接触有限元模型,并进行计算,给出接头轴向力与轴向变形之间的非线性关系曲线、残余预紧力和螺纹段最大等效应力随被连接件所受轴向外力的非线性变化关系曲线。分析这些非线性曲线的规律,得到相应的结论。基于这些曲线,提出确定螺栓接头预紧力和允许外力的方法。

含复杂裂隙网络岩质边坡三维稳定性计算方法

岩质边坡稳定性主要受控于结构面的空间组合关系,二维稳定性计算结果往往忽略结构面切割的空间效应,无法准确反映其真实稳定性情况。基于离散裂隙网络模型(DFN)提出了考虑复杂裂隙网络分布的岩质边坡三维稳定性计算方法,该模拟方法假定岩体由岩块和裂隙面组成,分别采用实体单元和无厚度摩擦接触界面单元模拟,基于有限元强度折减法求得岩质边坡的潜在滑动面及安全系数。结果表明,该方法可有效分析含多条裂隙面三维边坡稳定性;二维平面应变模型无法准确反映真实三维边坡失稳问题,忽略三维效应的边坡稳定性分析易出现过于保守设计的情况;在保证精度的前提下,所提方法可有效减小前处理网格剖分难度,对于解决含复杂裂隙网络岩质边坡三维数值模拟问题具有优势。

裂纹故障对盘式拉杆组合转子系统应力重组的影响研究

在含裂纹一般整体转子研究中,难以有效反映裂纹尖端奇异效应及其三维形态特征,同时一维方法难以反映复杂组合转子系统的裂纹故障应力影响范围、系统应力重组情况及对系统整体初始形态的影响。针对上述一些问题,以典型三盘拉杆组合转子系统为例,研究了三维裂纹故障对复杂拉杆组合转子系统应力重组及整体弯曲形态的影响,并进行了实验验证。首先,基于三维有限元方法,采用三维等参奇异裂纹有限元建模技术和三维有限软件,建立了三维裂纹子模型及系统有限元模型;然后,采用有限元仿真技术,分析了裂纹及其深度变化对此类组合转子系统的应力分布重组及整体弯曲特性的影响;最后,采用实验方法,验证了裂纹对此类系统整体初始弯曲特性的影响情况。研究结果表明:盘式拉杆组合转子系统裂纹故障的产生会使得裂纹位置区域局部柔性增强,系统的主要界面及系统应力分布发生变化且重组,系统应力分配不均匀,且呈现不对称性,转子整体弯曲形态发生变化;在裂纹深度较浅(0.5 mm)时,裂纹诱发的转子附加弯曲效应并不明显;随着裂纹深度的增加,系统应力分布重组和附加弯曲越趋于严峻,当裂纹深度较深(1.5 mm或2.5 mm)时,裂纹诱发的转子附加弯曲效应较为突出。该研究对此类复杂组合转子系统的静动力学特性的精确分析和裂纹引发的异常振动原因的探究具有一定的指导意义。

速度400 km/h轮对初始旋转惯性对滚动接触有限元模型的影响

基于显式动力学有限元方法所建立的三维轮轨滚动接触模型是研究高速铁路轮轨相互作用的有效工具。该模型既考虑轮轨的真实几何形状(包括不平顺)和材料非线性,又详细考虑轮轨间的几何接触关系和轮轨系统的纵向动力学性能,得到广泛的应用。在具体实现模型仿真时,采用隐式-显式相结合的办法。传统的做法是,隐式计算时不考虑车轮的旋转,只考虑重力作用下的静态位移场,然后将得到的静态结果作为显式计算的初始条件,同时对车轮施加前进速度和转动角速度以及转矩等条件,求解轮轨的相互作用。大量文献表明,用这种做法来启动显式动力学求解,会产生剧烈的初始瞬态响应,导致求解时间过长,甚至不收敛,尤其在速度高达400 km/h时。基于此,对上述模型进行了改进,在进行隐式计算时,首先考虑车轮的旋转,得到车轮在离心力作用下的位移,在此基础上再考虑车轮受重力作用与钢轨发生接触,得到接触斑、法向接触应力以及车轮的应力应变等,然后将更新后的结果作为显式计算的初始条件进行显式动力学求解。算例表明:改进后的模型可大大减小初始瞬态响应,减少有限元节点和网格数,从而加快计算的收敛过程,提高计算效率;轮轨力频谱存在无衰减频带,在该频带内轮轨力随着模型长度的增加几乎不衰减,传统方法难以通过增加求解区的方式得到稳态轮轨力。

坝体变位和内水压力对坝后背管结构应力的影响

用三维接触单元模拟背管与坝体接触面,分析坝体变形和内水压力对李家峡坝后背管结构应力的影响。坝体变位对背管结构轴向应力的影响表现为上部为拉应力下部为压应力,并且拉应力由背管的上弯段向下弯段逐渐减小,部分轴向拉应力值大于混凝土设计抗拉强度;背管内水压力对背管结构环向应力的影响表现为环向拉应力,并且管腰外缘和管顶内缘混凝土环向拉应力是混凝土设计抗拉强度的2-4倍。根据应力的大小分布可以确定,坝体变形是背管产生较大轴向拉应力的主要因素,是产生环向拉应力的次要因素;内水压力是使背管产生较大环向拉应力的主要因素,是产生轴向拉应力的次要因素。

汽轮机高压缸三维热弹性接触模型及其气密性分析

汽轮机高压缸中的高温和高压蒸气经常会造成缸体较大的变形 ,从而在汽缸法兰中分面产生漏气。为了分析汽缸的气密性 ,文中结合汽缸温度场和三维弹性接触理论 ,建立汽缸三维热弹性接触有限元模型。利用建立的模型完成一个 10 0MW汽轮机高压缸的温度场及应力、变形计算 ,并且应用于实际的高压缸改造。实践表明这些计算结果可以作为汽缸设计的重要依据 。

基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法

采用三维有限元方法建立了电力连接器的瞬态温度场模型,通过仿真分析得到连接器触头温度和其接线端部温度之间的定量关系,从而实现连接器触头温升的间接测量。进一步分析了接触电阻变化和电流波动对连接器触头温升的影响。结果表明,接触电阻变化对温升影响明显,而10%以内的电流波动对仿真结果影响可以忽略。

引入三维接触单元模拟冻土与桩共同工作

运用虚位移原理推导出三维非线性接触单元的等效单元刚度一约束矩阵;通过建立冻土地基的热弹塑性-蠕变增量应力应变关系及几何方程得出冻土地基的热弹塑性-蠕变单元平衡方程。根据桩土共同作用的工作特性,通过引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来,建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,通过模型计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。

钢桥面铺装非均布轮载效应分析

为了对非均布轮载作用于不同钢桥面系的效应进行预估,在建立三维有限元接触分析模型的基础上,运用有限元正交数值模拟试验分析了凸形、凹形分布荷载的非均布荷载效应(非均布荷载作用下铺装层各力学指标相对于均布荷载作用下对应值的增幅),并应用逐步回归分析方法回归出非均布荷载效应的近似计算公式.分析结果表明,凸形分布产生明显正的非均布荷载效应,凹形分布产生负的非均布荷载效应;而精度分析表明回归公式具有较高的精度,可用来近似计算非均布荷载效应.

三维高速轮轨瞬态滚动接触有限元模型及其应用

采用显式有限元法建立三维瞬态滚动接触模型,用于求解高速铁路的轮轨瞬态滚动接触问题。该模型考虑轮轨的真实几何形状,可引入任意接触面不平顺,并可考虑材料的非线性行为。显式有限元的条件稳定性以及由此所决定的极小时间步长使得该模型适合于时域内求解轮轨高速滚动过程中的高频动态或瞬态现象,如分析钢轨焊接接头和波浪形磨损引起的轮轨瞬态冲击响应。因数值重现三维轮对的真实滚动行为,与之相关的自旋、陀螺仪效应等因素自动包含于模型之中。进一步考虑车辆、轨道系统的相关部件,着重研究高速车辆-轨道系统在钢轨波浪形磨损处的瞬态响应及相应的瞬态滚动接触行为。结果显示波浪形磨损与其所激发的动态轮轨接触力间存在相位差,且该相位差随滚动速度增加而减小。这解释了高速线路上波浪形磨损出现后很快进入稳态的现象。

增压器压气机三维弹塑性接触的研究

以某柴油机涡轮增压器的压气机为例,采用由参变量变分原理导出的有限元参数二次规划法,并结合多重子结构技术分析求解叶轮与轴套、轴套与轴的三维弹塑性接触问题,针对不同的过盈量、转速和轴套壁厚进行了大量计算,获得了叶轮、轴套与轴之间接触应力的相应分布规律。分析表明随着叶轮与轴套间过盈量的减小,轴套的外表面与内表面的接触应力是线性减小的,而且内表面的接触应力减小较为迅速。因而在采用压力组装法时应严格控制轴套与轴的过盈量,使得轴套和轴间有足够的压力保证叶轮、轴套和轴不会相互脱离,又满足结构强度的要求,并使其产生的不良影响减至最小。当转速一定时,叶轮与轴套接触点的法向相对位移与叶轮的质量分布存在着明显的联系。建议采用非均匀的初始过盈量,以保证不发生相对位移和接触应力的均匀性。这些对于确定合理过盈量,改进设计和提高压气机的寿命,具有实际参考意义。

不同运动状态下国产人工膝关节接触压力分布有限元分析

为研究力轴一致时不同运动对人工膝关节各组件接触压力的影响,拍摄下蹲、上楼梯和步行运动过程并解析得到运动学数据,基于国内厂家提供的图纸,建立人工膝关节的三维有限元模型,对其施加运动和载荷进行计算分析.结果表明:双腿直立时各组件上的接触压力峰值最小,而下蹲90°时股骨组件最大,下蹲120°时胫骨垫组件最大,上楼梯时各组件峰值介于下蹲90°和120°之间;步行过程中,单腿支撑、脚趾离地和脚跟着地时各组件的压力峰值依次降低.这表明该国产人工膝关节符合国人膝关节的解剖结构,内、外侧接触压力峰值适中且具有较大的接触面积,可以满足临床上的要求.

300MW汽轮机高中压外缸强度分析

在汽轮机高中压外缸的设计过程中,必须考虑其强度、刚性和法兰中分面密封性问题。本文采用三维弹性接触理论,建立300M W汽轮机高中压外缸的有限元模型,进而计算了汽缸的温度场、应力和变形。计算结果与实际情况较好吻合,可作为汽缸设计的依据,确保汽缸的安全可靠性。

复合式碾压混凝土路面荷载应力分析

采用ANSYS三维有限元分析技术,建立弹性地基上双层板三维路面结构模型,对复合式碾压混凝土路面结构进行了多种因素影响下的路面荷载应力分析,包括基层和面层的层间接触状况分析,临界荷位分析,碾压混凝土面层的模量和厚度、水泥稳定碎石基层的模量和厚度、以及路基的模量等因素对板底弯拉应力的影响分析,以试验路的荷载应力、温度应力理论计算以及回弹弯沉实测结果,作为路面典型结构的路用性能参考。

行车荷载及路面结构对车辙影响的有限元分析

基于车辙的产生机理,采用实测轮胎接地压力,对柔性基层和半刚性路面结构内的剪应力进行三维有限元分析,结果表明,相同荷载条件下两种路面结构所受的剪应力有较大差异,水平力对剪应力亦有较大的影响;基层模量、面层厚度、面层模量对沥青层内的剪应力影响均比较显著.因此,为防治车辙,应该在路面设计时对路面结构组合类型的抗车辙能力进行充分的考虑,并严格控制超载.

水平荷载作用下桶形基础性状的数值分析

通过三维有限元的数值分析方法 ,建立桶形基础三维有限元模型 ,并与试验结果比较 ,验证了三维有限元程序功能的可靠性。通过三维有限元的数值模拟 ,研究了在水平荷载作用下不同土体特性对桶体变位。

荷载形状对钢桥面铺装力学响应的影响

针对轮胎接地形状的不规则性,构造理想传力垫层、运用三维有限元接触分析方法分析了矩形、椭圆、长圆3种简化荷载形状在具有不同单轮横向宽度及两轮中心距时铺装层的力学响应。结果表明单轮横向宽度与两轮中心距对横向拉应变有较大影响,而矩形形状荷载计算结果较椭圆和长圆形状荷载小。与实测数据的对比分析表明:以往计算采用的单轮横向宽度偏小,长圆荷载的计算结果与实测值更接近,在用简化矩形均布荷载分析钢桥面铺装力学响应时,单轮横向宽度与两轮中心距应该尽量按实际情况选取,并进行荷载形状修正。

底火复杂结构的有限元分析与研究

基于三维小尺寸、多接触、不规则的底火模型,运用三维非线性有限元分析方法,得到了应力应变精确的数值解,找出了有可能影响其性能的有严重应力集中的区域,分析了底火各部件的应力情况,证明了有限元模拟是可行的,其设计能满足使用的结构强度要求。

基于三维动态有限元模型的轮轨磨耗数值分析

提出基于三维动态有限元模型的轮轨形面磨耗的数值预测方法,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,对轮轨滚动接触过程中的磨耗问题进行数值仿真研究。分析中,轮、轨材料采用双线性的弹塑性本构模型,联合使用有限元隐式(静态)和显式(瞬态)求解方法模拟轮轨瞬态滚动接触过程;采用基于微面积的Archards磨耗模型的积分形式,对轮轨材料的滚动磨损进行计算;用基于三次样条插值函数的曲线光滑技术,对磨耗过程的磨损量分布进行光滑化处理,再根据光滑化后的磨损分布来更新轮轨形面;用Laplace网格光滑技术对车轮踏面和轨轮轨头内部的有限元网格进行光滑化处理。以以往轮轨试验为实例对数值分析模型和方法进行了验证,试验结果与数值分析结果具有良好的一致性。