大跨度木结构蒙古包的设计与工程实践

在我国“双碳”目标的实现和新时代中国民族建筑复兴的背景下,木结构建筑市场再次兴起。在原民族建筑文化内涵的基础上对结构进行创新,以满足现代市场的需求已成为新的研究方向。本文针对希拉穆仁草原景区设计了一座大跨度蒙古包,在不改变建筑材料的基础上,采用木网壳结构体系对传统建筑结构进行创新与优化,其最大跨度为23.5 m,最大高度为11.5 m,且整体结构稳定。在此基础上,利用有限元软件进行建模,对可能出现的各种工况进行静力计算和屈曲分析,验证了该结构的可靠性。本研究对我国大跨度木结构的发展和传统木结构建筑的创新具有重要的借鉴意义。

嵌于CAD系统的有限元建模方法及其应用

研究目的:当下,多数有限元分析应用的建模功能较为薄弱,导致复杂结构体系的有限元分析既琐碎又麻烦。另一方面,虽然计算机辅助设计(CAD)应用在建模方面十分强大,由CAD应用建立的模型通常无法用作有限元分析。为此,本文提出一种嵌于CAD系统的有限元建模方法,为说明其有效性及实用性,进一步研发了一款名为DirectMesh的Rhinoceros插件并将其应用于武汉站有限元分析中。研究结论:(1)利用CAD系统所提供的交互性环境及各种建模工具可大幅提高有限元建模的效率;(2)本文所提独立网格生成单元可生成代表单个对象的网格;(3)本文所提综合网格生成单元可生成含多个对象的综合网格系统;(4)本文所提有限元模型生成器可通过网格有效生成复杂结构系统的有限元模型;(5)本文所提方法可大幅提高有限元建模的易用性及效率,有助于提高机械工程、土木工程及岩土工程中仿真模拟工作的智能化程度。

基于有限元分析的液压缸密封圈磨损分析

液压缸密封圈磨损原因较多,难以通过肉眼直观观察,很难找到直接原因,提出基于有限元的液压缸密封圈磨损量分析方法。基于液压缸密封圈几何模型、材料模型和物理模型,分析了橡胶密封圈在应力和应变上的非线性,通过定义应变密度函数,构建了液压缸密封圈的有限元模型。根据液压缸活塞的密封结构,分析了液压缸活塞的运动特点,利用Archard模型描述密封圈的外观特征变化,通过计算密封圈接触面上任意一点的磨损深度,分析液压缸密封圈的磨损量。试验结果表明,所研究方法可以对液压缸密封圈的裂纹深度与裂纹扩展角度进行有效分析,两项指标的试验分析与实测结果基本一致,裂纹深度的试验分析误差最大值仅为0.002 mm。方法有助于提高液压缸设计的密封可靠性。

基于Hypermesh的有限元前置优化设计

网格质量是指网格几何形状的合理性,网格质量不好将影响计算精度,甚至会中止计算。因此,工程师往往在CAE分析工程中要花费大量的时间来建立有限元模型和修改模型。作为一个高性能的有限元前后处理器,Hypermesh有效地解决了有限元软件存在的前后置处理的问题,大大提高了生产率。文中给出了Moldflow模流分析前处理实例。

一种板状结构网格模型破口面积快速算法

论文针对板状网格模型破口面积的快速定量计算问题,设计了一种快速算法,并针对一批某鱼雷对某驱逐舰爆炸毁伤数值仿真结果进行了计算,验证了该算法的有效性。该算法应用主成分分析方法,可实现对各类板状结构产生的不规则破口区域面积的快速计算,可为相关结构物毁伤评估提供支撑。

应用HyperMesh和Ansys WorkBench分析阀体应力

介绍了应用Hyper Mesh网格划分软件建立阀体的有限元模型,并使用Ansys Work Bench软件对阀体进行应力分析,阐述了两种软件在阀门网格划分及应力分析中的使用技巧及分析方法。

基于hypermesh的汽车车身有限元建模方法研究

基于某汽车车身有限元建模，首先将CATIA建立的汽车车身几何模型导入到hypermesh中，再利用hypermesh强大的前处理功能研究了几何清理、分特征2D网格划分、网格质量调整、不能抽取中面情况下的网格划分等主要问题。重点介绍了汽车车身的几种典型结构特征，根据不同的结构特征布置不同的网格，完成了汽车车身的较高质量的2D网格划分，同时提出一种hypermesh误操作后恢复的方法，为复杂的车身有限元建模思路提供了很好的参考。

三维广域电磁法自适应有限元正演

为了进一步提高广域电磁法正演求解精度,采用基于电流密度法向连续为依据的后验误差估计策略的自适应有限元技术,实现了三维广域电磁法正演模拟。首先,从麦克斯韦方程出发,推导了可控场源满足的电场方程,采用非结构四面体网格的矢量有限元技术对电场方程进行离散,从而形成大型稀疏复线性方程组;其次,设计电流密度法向连续的后验误差估计策略,并将其融入大型稀疏复线性有限元方程组,实现了高精度三维广域电磁法正演计算;最后,采用一种优化Brent‑Dekker求根算法,提高广域视电阻率计算的稳定性,并利用层状介质模型验证了自适应算法的正确性,同时设计了典型的地形和球状地电模型,分析广域电磁响应特征。研究结果表明,自适应有限元法能够避免人为设计网格带来的低效率问题,通过对重点区域进行局部网格加密提升正演模拟精度;同时,在同等收发距情况下,广域电磁法相比可控源音频大地电磁(CSAMT)具有更大勘探深度与勘探范围,受非平面波的影响更小。

三圆弧齿廓谐波齿轮的负载啮合性能仿真

为揭示负载工况下谐波齿轮传动的多齿啮合状态,提升负载传动性能,建立三圆弧空间齿廓实体单元谐波齿轮有限元模型。定义柔轮与波发生器、齿面间的面-面接触关系,对刚轮施加逐步增大的转角位移,模拟空载、额定转矩至瞬间容许最大转矩时齿面的啮合状态,提取轮齿啮合力和齿面接触压力大小及分布;分析不同工况下轮齿啮合力周向分布和齿面接触压力的变化规律,评估柔轮齿向修形的三圆弧空间齿廓谐波齿轮的负载啮合性能。结果表明:三圆弧空间齿廓在波发生器的长轴区设置最小初始侧隙,形成的凸-凹啮合区可以以更低的接触压力承载更大的负载转矩;利用齿向修形设置从中截面向后截面逐渐增大的初始侧隙有利于形成轴向更宽的齿面接触区;随负载增大,最大啮合力向长轴右侧偏移,右侧啮合力增幅快,呈平台分布;最大接触压力沿周向呈3个峰值分布,且最大值发生在有波发生器径向支撑的中截面,可有效增加负载刚度,提升承载能力。

格宾网片拉伸试验的有限元法数值实现

格宾网片是格宾防护结构的重要组成部分,广泛应用于土木与水利工程等领域。通过建立格宾网片三维模型,基于Abaqus有限元软件平台对网片准静态拉伸试验进行了数值仿真实现。对该数值实现过程进行了阐述,同时对模拟结果进行了探讨分析,并利用物理试验结果对数值结果进行了验证。首先,探讨并标定了网丝材料的本构模型参数,确保其适用于数值模拟。进而,分析了网片系统的能量历程,论证了数值模拟结果的可靠性。数值模拟与物理试验结果对比表明:本文数值模拟很好地反映了对应工况下格宾网片的力学特征,为格宾结构力学性能的后续深入研究奠定了基础。

一种钢丝绳有限元模型的参数化建模方法

钢丝绳作为柔性传力机构获得了广泛的应用,钢丝绳一般由多根高强度、细直径的制绳钢丝按照一定的结构形式捻制而成。以结构为6×7-WSC的钢丝绳为对象,建立一种交互捻钢丝绳有限元模型的参数化建模方法,将绳内钢丝分为芯股芯丝、芯丝外丝、外股芯丝和外股外丝,选取了钢丝代表性体积单元,兼顾与相邻钢丝之间的接触形式,建立了参数化的代表性钢丝单元并进行网格划分。由建立的交互捻钢丝绳的参数化有限元模型,分析了股捻距和绳捻距的变化对钢丝之间接触形式的影响及钢丝绳轴向最小周期的影响,选取了典型钢丝绳有限元模型进行了拉伸应力状态分析,不同捻距的钢丝绳有限元模型计算结果与静态拉伸试验数据对比表明了建立的参数化钢丝绳有限元模型的有效性。

基于有限元分析的大型豪华邮轮船型研究

为找出初期大型豪华邮轮船体造型中存在的缺陷,提出基于有限元分析的大型豪华邮轮船体造型研究方法。以某大型豪华邮轮资料实施对标分析构建船体有限元模型,选取四节点减缩积分板单元S4R划分网格,依照相关标准在模型内引入初始几何缺陷。将不同的工况与载荷加载至船体有限元模型上,并设定相应的边界条件,在此基础上分析船体造型的应力与相对变形情况。结果显示:研究对象受整体纵弯矩包络线载荷影响,底部甲板中间区域形成较大面积无法满足应力标准的区域;受整体纵剪力包络线载荷影响,部分强框架局部区域产生的应力变化不符合相关标准;外底板与内底板结构的屈曲应力成分主要为短边受压应力,随甲板高度提升,板格屈曲应力成分从短边受压应力转换成剪切应力。

基于有限元模型的裂纹故障齿轮系统动力学响应分析

为更好地揭示齿根裂纹故障对齿轮系统动力学特性的影响,开展了“故障机制分析—齿轮系统建模—裂纹故障试验”的全过程研究。首先,考虑更为真实的齿根过渡曲线和有效齿厚削减限制线,建立了更严格的裂纹轮齿模型,对传统势能法求解啮合刚度进行改进,研究了6种不同深度裂纹的刚度变化;其次,针对传统集中参数模型的不足之处,基于Timoshenko梁单元理论建立了齿轮-转子系统有限元动力学模型;最后,采用Newmark-β法求解正常/不同深度裂纹故障的齿轮系统的动力学响应,考虑转速的影响,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,齿根存在裂纹时,加速度响应存在周期性冲击特征,频域中的边频带现象出现在啮合频率及其谐波附近;冲击成分在时域和频域中的强度与裂纹深度、转速均成正相关关系。仿真结果和实测信号表现出一致特征,验证了该方法的正确性。

基于Ansys和Nastran的太阳电池阵建模及模态分析

用Ansys与Nastran两种求解器对同一个太阳电池阵模型进行求解,详细介绍模型创建、网格特性检查和单元属性设置的方法。通过模态分析并比较计算结果,验证同一个模型在不同求解器下参数设置的正确性,为有限元模型格式的转化提供参考。

有限元建模中的几何清理问题

在有限元建模中,直接将较复杂的实体模型进行有限元造型将会遇到很多困难,必须先对模型进行几何清理,对实体进行系统、有效的几何清理,可以快速、高质地实现有限元网格的划分。文章基于HyperMesh的有限元造型,进行了几何清理问题的分析,得到了几何清理的原则、应注意的事项和几何清理过程中亟待解决的问题。

准确构建个体化膝关节有限元解剖模型的方法

目的利用多模态影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法准确构建膝关节有限元解剖模型,为研究膝关节生物力学行为奠定基础。方法采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入Mimics软件,提取骨、软骨、韧带和半月板,分别构建三维工程化模型。以外部标记物为参照进行模型的配准融合。将膝关节工程化模型导入SC/Tetra和Hypermesh软件,分别进行干涉面删除、网格自定义划分、局部网格优化和体网格划分,构建包含多解剖结构的膝关节有限元模型。结果基于CT和MRI影像数据构建出膝关节骨、软骨、韧带和半月板的三维工程化模型。以三维工程化模型为基础,多种建模软件协同应用构建的有限元模型充分保持了膝关节各结构的解剖学特征。结论利用CT和MRI影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法可以构建活体膝关节有限元模型,并保持膝关节各解剖结构的解剖真实性,为准确模拟膝关节生物力学特征提供前提。

可实现特殊网格划分的个性化动脉瘤实体模型的构建

目的通过建立一个可以用于有限元分析,可进行分区域网格划分的个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,探索一种能满足特殊网格划分要求的个性化实体模型的建立方法。方法采用逆向工程的思想方法,借助Geomagic和Pro/E软件,以原始STL格式的表面模型为依据,建立了一个个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,并加入理想化支架模型,导入ANSYS有限元分析软件最终完成实体模型的建立和分块。结果建立的有限元模型,可进行针对边界层和支架的分区域网格划分,并完成了一个血流动力学模拟仿真。结论建立的模型基本满足对特定区域网格细划分的需要,可以为支架介入治疗动脉瘤的血流动力学仿真提供基础。所建模型的方法是可行的,可以为将来建立其他类似模型提供参考。

基于Block-Controlled网格划分法的儿童胸部建模及验证

针对目前缺乏合适的儿童胸部有限元模型,基于临床治疗过程中获得的儿童CT和MRI数据,采用Block-Controlled网格划分法建立了具有详细解剖结构的10岁儿童胸部有限元模型。模型的材料参数由成人胸部材料参数比例缩放获得。利用心肺复苏急救中获得的儿童胸部响应数据对模型进行验证。结果表明该模型能较好地预测10岁儿童的胸部响应刚度,具有良好的生物逼真度,可用于低速碰撞下的儿童损伤机理和损伤防护的研究。

Theoretical design and dynamic simulation of new mining paths of tracked miner on deep seafloor

With comprehensive considerations of the operational safety and collection efficiency for the tracked miner collecting the seafloor poly-metallic nodules, two new improved mining paths for the miner on the deep seafloor were proposed. Compared to the conventional mining path, the design principles and superiorities of the two new paths are that the miner turning with relative long radius should avoid large sinkage and high slip, so as to ensure its operational safety, while the space between its straight-line trajectories before and after the turning is optimum, which is designed as the total width of the miner, and collect nodules as more as possible, so as to ensure its collection efficiency. To realize the new mining paths, theoretical designs and quantitative calculations were carried out to determine the exact positions for the speed controls of the miner during its whole operation process. With the new dynamic model of the miner, and through regulations of the speeds of the left and right tracks of the miner on the exact motion positions according to the theoretical calculations, the two new improved mining paths for the miner on the seafloor were successfully simulated, thus the turning radius of the miner in the simulation is about 21.8 m, while the distance between the straight-line trajectories before and after the turning is about 5.2 m. The dynamic simulation results preliminarily prove the feasibility of these two new mining paths, and further can provide important theoretical guidance and useful technical reference for the practical tracked miner operation and control on the seafloor.

参数化网格划分方法研究及其系统实现

介绍了参数化有限元分析(PFEA)的概念和内容,提出了参数化网格划分的概念。详细阐述了通过参数化网格划分来建立有限元模型的途径;研究了参数化网格划分的具体内容和实现方法;给出了在Uni-graphics(UG)上实现参数化网格划分的工作流程。通过编程,在UG上开发了基于历史的曲面参数化网格划分系统——ParaMesh,实现了对曲面的参数化网格划分,并给出了若干参数化网格划分的实例。