Lumped Mass Finite Element Method of the Nonlinear BBM Equation

In this paper, the full-discrete approximation scheme of the lumped mass nonconforming finite element method for BBM equation is discussed. Without the Riesz projection used in the traditional finite element analysis, the optimal error estimations are derived based on interpolation technique and special properties of element.

利用CiteSpace分析有限元技术在法医学中的应用现状

本文利用CiteSpace可视化软件对CNKI和ISI Web of Science数据库所收录的有限元技术在法医学中应用的研究文献进行统计和可视化对比分析,得出国内外法医领域有限元应用研究文献的关键词、机构合作、作者合作的可视化知识图谱。在此基础上,作者对文献内容进行深入研究,发现有限元技术在法医学中的研究及应用主要集中在损伤机制分析方面,以车祸损伤、高坠损伤、钝器损伤、锐器损伤、枪弹损伤等为重点,研究方法主要是通过对人体、致伤物等建立高仿真模型,利用有限元技术,以数字化、可视化、可量化的方式研究各类损伤的生物力学机制。目前,国内外法医学者主要借助Mimics等软件将人体影像数据转换为分割化的三维模型,依托较为成熟的THUMS、ANSYS等有限元系统构建多种损伤模型,有效揭示了各类损伤的发生机制,在一定程度上推动了法医病理损伤专业的发展,为法医学者开展相关研究提供了参考和借鉴。同时,有限元技术在法医学中的应用属于学科交叉,但目前的研究人员多以法医为主,缺少相关学科专业技术人员的深度介入,在某种程度上限制了该技术在法医学中的应用发展,有必要加强与从事有限元等相关研究的专业技术人员之间的交流合作。

Numerical simulations of shake-table experiment for dynamic soil-pile-structure interaction in liquefi able soils

A shake-table experiment on pile foundations in liquefi able soils composed of liquefi able sand and overlying soft clay is studied. A three-dimensional(3D) effective stress fi nite element(FE) analysis is employed to simulate the experiment. A recently developed multi-surface elasto-plastic constitutive model and a fully coupled dynamic inelastic FE formulation(u-p) are used to model the liquefaction behavior of the sand. The soil domains are discretized using a solid-fl uid fully coupled(u-p) 20-8 noded brick element. The pile is simulated using beam-column elements. Upon careful calibration, very good agreement is obtained between the computed and the measured dynamic behavior of the ground and the pile. A parametric analysis is also conducted on the model to investigate the effect of pile-pinning, pile diameter, pile stiffness, ground inclination angle, superstructure mass and pile head restraints on the ground improvement. It is found that the pile foundation has a noticeable pinning effect that reduces the lateral soil displacement. It is observed that a larger pile diameter and fi xed pile head restraints contribute to decreasing the lateral pile deformation; however, a higher ground inclination angle tends to increase the lateral pile head displacements and pile stiffness, and superstructure mass seems to effectively infl uence the lateral pile displacements.

Fracture Behavior of Epoxy Asphalt Pavement on Steel Bridges based on Optical Fiber Sensing Technology and Numerical Simulation

The distributed optical fiber sensing technology was used to investigate the fracture behavior of the Epoxy Asphalt Mixture. The spatial distribution and variation of the strain development with crack propagation were acquired using the brillouin optical time-domain reflectometer through the loading experiments of the composite beam structure. In addition, a finite element model of the composite beam structure was developed to analyze the mechanical responses of the epoxy asphalt mixture using the extended finite element method. The experimental results show that the development of crack propagation becomes instable with the increase of the load, and larger loads will generate deeper cracks. Moreover, the numerical results show that the mechanical response of the crack tip changes with the crack propagation, and the worst areas that subjected to crack damage are located on both sides of the composite beam structure.

明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道的影响研究

为研究明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道的影响,文章以济南某明挖基坑近接既有地铁隧道为背景,基于midas GTS NX有限元软件,考虑3个方面因素并假设28种对比工况,开展数值模拟对比分析。得到不同因素影响下明挖卸荷施工对下卧既有地铁盾构隧道影响规律,并提出相应的建议措施。研究结果表明,明挖基坑与既有隧道夹角保持在45°及以上,可降低明挖卸荷施工对既有隧道的影响;明挖基坑与既有隧道竖向距离在0.5D(D为隧道直径)以上时,竖向距离对于控制隆起变形效果较为明显;在0.5D以下时,竖向距离对于控制隆起变形并不明显;明挖基坑横向卸荷面积对既有地铁隧道竖向变形影响随基坑加宽或加深而呈线性增加,基坑深度因素影响尤为显著。

CAD技术、RP技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响研究

目的研究计算机辅助设计(computer aided design,CAD)技术和快速成型(rapid prototyping,RP)技术联合三维有限元分析对骨科临床教学成绩、实践技能的影响。方法选取2021年12月—2022年12月苏州大学附属第一医院骨科临床医学实习生60名作为研究对象,以随机数表法分为两组,对照组(共30名)采取以问题为基础的教学(problem-based learning,PBL)模式,观察组(共30名)以对照组为基础,并采取CAD技术、RP技术联合三维有限元分析进行教学,对两组学生考试成绩、实践技能、满意度、自我能力、问卷评分和教学质量进行对比观察。结果观察组考试成绩、实践技能均显著优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。观察组满意度为96.67%,较对照组的76.67%明显更高,差异有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,观察组学生自我能力明显更优,差异有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,观察组学生问卷评分明显更优,差异有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,观察组教学质量明显更优,差异有统计学意义(P<0.05)。结论在骨科临床教学中运用CAD技术、RP技术联合三维有限元分析,可对教学质量提升、满意度提升起到促进作用,并有效增强学生教学成绩、实践技能以及自我能力。

1100 kV GIS断路器合闸电阻紧固螺栓断裂分析

某型1 100 kV断路器合闸电阻触头发生故障,其中两颗短螺栓呈脱落状态,两颗长螺栓断裂分离。通过宏观检查、尺寸测量、金相分析等技术手段,从材料、连接和运行工况等方面进行分析。建立高精度有限元分析模型,考虑长、短螺栓的螺孔高度差异和运行荷载作用,分析其故障成因。结果表明:长、短螺栓材质均完好,但长螺栓呈现明显疲劳断裂形貌。进一步分析发现,当合闸电阻和主动弧触头压气缸完全紧固后,长、短螺栓的螺孔高度差异形成张力,使得长螺栓发生松动,连接板部位产生缝隙,长螺栓在长期分、合闸作用下发生疲劳断裂。螺孔高度差可认定为合闸电阻紧固螺栓断裂的主因。

散货船双层底纵桁板缝布置和尺寸优化设计

[目的]为提高有限元结构强度校核效率,减少尺寸优化迭代成本,提出散货船双层底纵桁的板缝布置和尺寸优化方法。[方法]首先,基于理论公式论证子模型技术的可靠性,提出双层底纵桁优化设计的多工况筛选方法。然后,以某散货船双层底纵桁为例,对纵桁进行板格划分,以板格厚度为变量、《散货船和油船共同结构规范》(HCSR)的许用应力为约束条件进行尺寸优化,用穷举法列举所有板缝布置方案对优化后的板格厚度进行合并,选出重量最轻的板缝布置优化方案。最后,基于HCSR舱段有限元计算的屈服强度要求,对上述散货船双层底纵桁需加强的区域进行板缝布置优化,在此基础上,采用尺寸优化方法实现满足屈服强度要求的结构尺寸优化。[结果]结果显示,采用提出的基于尺寸优化的板缝布置优化和结构加强方法能减轻优化区域重量4.9%。[结论]所提方法能有效减少人为有限元加强时的随机性,优化有限元结构加强方案,减轻结构加强重量。

基于有限元法分析颅骨骨折的致伤方式

本文采用有限元法对颅骨骨折的致伤方式进行生物力学分析,为判断颅骨骨折的致伤方式提供可视化、可量化的辅助分析技术。根据实际案例信息,利用有限元法模拟比较:1)高坠时,THUMS4.02(Total Human Model for Safety4.02)人体模型以8.04 m/s速度左头顶部着地时的应力分布;2)钢管击打时,钢管模型以5.8 m/s速度击打左头顶部时的应力分布。模拟结果结合案例信息从生物力学角度分析颅骨骨折的致伤方式。应力云图显示,高坠时应力最先从接触部位开始,随着颅骨塌陷,应力向四周传导,最后形成类圆形应力区,而钢管击打时应力最早分布在钢管与头部的接触区,中心区应力分布不明显,结合案例左顶骨凹陷骨折形态呈锥形,提示受力由圆心向内推挤,分析认为左顶骨凹陷骨折符合高坠形成。利用有限元法可实现颅骨凹陷骨折致伤方式可视化、量化的分析。

基于有限元法分析肋骨骨折致伤方式

本研究利用有限元法对拳击、胸外按压致肋骨骨折进行模拟,以期为肋骨骨折致伤方式分析提供一种可视化、可量化的辅助技术。通过采用有限元法分别模拟:1)设置拳头模型以6 m/s击打THUMS4.02(Total Human Model for Safety 4.02)人体模型的左胸;2)设置按压锤模型以400 N竖直向下的力按压THUMS4.02人体模型的心前区。比较二者模拟结果的肋骨骨折分布、形态特点,从生物力学角度分析二者的损伤机制,并将模拟结果与文献报道进行比较。模拟结果显示:1)肋骨骨折形态、分布:拳击致肋骨骨折的断端形态为向内弯曲,分布于直接击打处;按压胸部致肋骨骨折的断端形态为向外翻折,分布在肋骨非直接受力处。2)生物力学响应:拳击胸部时,应变集中分布在拳击肋骨处,击打处肋骨外侧面产生压应力,内侧面产生拉应力。按压胸部时,除按压处存在应变分布外,按压侧的肋骨腋前线处出现明显应变分布,腋前线处肋骨外侧面产生拉应力,内侧面产生压应力。本研究模拟结果均得到文献支持,提示利用有限元法可实现对肋骨骨折致伤方式可视化、可量化的辅助性分析与解释。

印制板组件回流焊表面温度场的建模仿真技术

采用有限元分析方法,基于材料实际参数建立印制板组件的三维模型。对照回流炉实际温度设置方式,通过研究炉体结构、加热方式和空气流动,然后以传热学中的射流模型估算得到的对流系数值作为有限元模型的边界条件,通过模拟仿真得出组件表面各个位置在再流焊过程中的温度变化情况和温度场的分布情况。在印制板组件表面设置测温点,测量实际回流曲线,与模拟仿真结果进行对比,验证了仿真的有效性。

微波组件绝缘子与微带线连接故障分析及改进

某型微波组件射频绝缘子与外部微带线采用焊锡直接焊接方式,在产品试验验证阶段出现了绝缘子与外部微带线的连接故障。先对故障现象进行分析判断,再利用有限元仿真软件比较焊锡焊接(硬连接)和铜带搭焊(软连接方式之一)在温度循环载荷下的应力情况,从而获得最优化的连接方式;最后在产品上使用铜带搭焊方式进行试验验证和技术指标仿真验证,验证结果证明铜带搭焊方式可靠。研究结果可为同类产品中绝缘子和微带线互联提供了一定的参考。

新能源汽车车架有限元分析及结构优化

从汽车行业的发展趋势看,电动汽车已成为传统燃油汽车的替代品。在车辆结构方面,车架是汽车最重要的承载部件,因此,电动汽车的车架结构优化对电动车的使用性能有较大影响。本论文以某款新能源汽车的车架为研究对象,分析现有的受力特点,找出其中的设计缺陷,并利用ANSYS进行优化完善,提升车辆的整体性能。

循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究

为准确模拟结构的地震响应,寻找在循环荷载下钢材的本构关系,采用工程常用Q235B及Q345B钢材共50个试件,施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、宏观微观破坏形态、延性特征以及损伤退化特性,并采用Ramberg-Osgood模型对循环加载骨架曲线进行拟合,进而得到Q235B及Q345B钢材在循环荷载下的一维应力应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定,确定了两种等级钢材本构模型的关键材料参数,并结合通用有限元程序ABAQUS对试验结果进行有效模拟,为今后准确计算结构在地震荷载下的反应提供重要依据.结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的本构关系有很大差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;循环的圈数以及幅值会严重影响构件的断裂延性,钢材在循环荷载下的破坏应变不能按照单调荷载来确定.

基于强度折减弹塑性有限元方法的路堤稳定性分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机理的边坡稳定弹塑性有限元分析模型。以数值计算迭代不收敛作为失稳判据,对路堤边坡的稳定性进行了变动参数计算与对比分析;进而针对车辆荷载作用下的路堤边坡及多级路堤边坡的稳定性进行了数值分析。结果表明:车辆荷载作用下的路堤边坡稳定性明显降低,但其破坏模式仍为典型的对称式滑移破坏;有限元数值计算迭代不收敛判据适用于车辆荷载下的路堤及多级路堤的稳定性分析。

三维液体大幅晃动及其抑制的数值模拟

利用 AL E( Arbitrary L agrange- Euler)有限元方法 ,以速度和压力为基本变量 ,数值模拟了圆筒形贮腔中不可压粘性三维液体的大幅晃动问题 .为了避免混合插值在求解三维问题中的数值计算麻烦 ,推导了分步插值的有限元计算格式 ,得到了横向强迫晃动下的速度及压力响应 .根据工程需要 ,对带有圆环形肋板的圆筒形贮腔中的非线性晃动进行了数值模拟计算 ,得到了强迫激励下的速度及压力响应 ,并将得出的一些重要结论与有关实验结果进行了对比分析 .

水工闸门流固耦合自振特性数值分析

以某工程平板闸门的动力学问题为背景,考虑流固耦合效应对闸门结构自振特性的影响,应用ANSYS软件对闸门的自振特性进行了分析计算,取得了流体对结构自振特性的影响规律:闸门自振频率随门前水体的增加而减少,最大频率下降率达45%。此外,还探讨了流固耦合液相长度的取值范围,当液相长度取闸门高度的10倍时各阶固有频率已趋稳定,可以满足计算精度的要求,为闸门流固耦合振动特性研究提供了依据。

斜井射孔完井地层破裂压力三维有限元分析

对于斜井射孔完井地层破裂压力的研究,国内外相对较少。在分析总结前人成果的基础上,提出了研究斜井射孔完井地层破裂压力的坐标变换方法,将几何复杂性转化为载荷复杂性,大幅度提高了有限元计算的效率;建立了考虑压裂液渗流影响的三维弹塑性斜井射孔完井地层破裂压力分析模型。根据所建立的力学模型,分析了射孔条件、井斜角和方位角对于破裂压力的影响规律:射孔密度增加,破裂压力明显减小;方位角不同,破裂压力随着井斜角的变化规律不同。

铜扁线挤压模腔内材料成形的数值模拟

在分析了铜扁线连续挤压机成形部件结构的基础上 ,运用I -DEAS创建节点和单元 ,构造出坯料及成形零部件的有限元模型 ,并用DEFORM软件对其进行有限元分析 ,建立金属三维空间塑性变形流动模型 ,得到各场量分布 。

内外轴式磁性联轴器的优化设计

对磁性联轴器的国内外研究现状做了评述,建立了实用的优化设计评判指标和数学模型。改进了等效磁荷法,从求解效率和求解精度两方面将其与改进前的等效磁荷法、片电流方法和三维有限元法进行了比较。将正交实验法引入优化过程中,提出了一种实用的磁性联轴器优化设计方案。求解结果表明:等效磁荷法的求解时间和精度较不稳定,改进的等效磁荷法的求解精度比原方法提高了约5%,求解效率提高了约55%。片电流法求解效率极高,但精度较低。三维有限元的求解精度较稳定,误差约为5%,但求解效率较低,求解每组模型需花费约9 min的时间。通过正交实验法,仅需使用9组分析模型即可获得适合的初始参数值,结合标准的最优值搜索技术可方便获得多组最优参数设计值。该方案可满足磁性联轴器优化设计的稳定可靠、精度高、方便实用等要求。