混凝土中灌浆套筒的本构模型研究

提出了通过改变灌浆套筒位置处钢筋弹性模量模拟套筒连接混凝土构件的有限元建模方法,套筒和钢筋本构模型采用双折线本构模型,通过汇总60个灌浆套筒钢筋拉拔试验结果并对数据进行拟合,给出了套筒本构曲线与钢筋本构曲线之间的关系式。使用推导出的关系式计算套筒本构曲线,通过ABAQUS有限元软件,利用非线性弹簧模拟钢筋粘结滑移、粘性接触模拟钢筋粘结滑移和界面裂缝,对3个灌浆套筒连接预制构件进行滞回分析。通过对比滞回曲线、钢筋应变、钢筋滑移量和界面裂缝,发现模拟结果与试验值吻合程度较高。

基于非线性接触特征的角接触球轴承动态响应分析

针对角接触球轴承几何结构特征,建立一种基于复杂工况下角接触球轴承动态响应分析模型,并考虑角接触球轴承非线性接触特征的影响。将考虑能量损耗的耗散接触力模型和Coulomb摩擦力修正模型引入到角接触球轴承动力学方程中,采用Newton-Rapson法获得含间隙的角接触球轴承动力学特性,并在滚动轴承实验台上进行动态响应特征实验,分析不同工况下间隙对角接触球轴承动力学特性的影响规律。计算结果表明:间隙的引入增加了角接触球轴承元素之间的非线性接触特征,并会引起高频冲击,而工况条件的变化会引发角接触球轴承动态响应的变化。

计及接触非线性的钢丝编织增强软管精细化有限元建模方法

聚四氟乙烯软管是一种用于航空发动机管路中的钢丝编织复合柔性软管,为了较为准确预测其疲劳寿命,需要建立有效的力学模型。针对以往研究未考虑编织层间接触状态影响软管力学性能等不足,提出根据软管多层结构参数建立钢丝尺度精细化有限元模型的方法,该模型可计算编织层间的接触状态、钢丝间的摩擦应力和软管力学性能的非线性变化。通过应变测量实验验证了模型的有效性,在压力载荷下,软管呈径向膨胀轴向缩短变形状态,中间区域应变基本一致,且应变以周向为主,轴向为周向的20%~30%。在0~20MPa工作压力范围内,由于编织层接触状态的改变,软管表现出3种不同的力学性能,压力从3MPa增加到4MPa过程中,编织层逐渐发生接触,编织层应变、应力曲线出现转折点,而内管和橡胶层转折点略迟于编织层。

车辆-轨道空间非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

基于有限元法建立了车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学模型,提出了将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学的方法。车辆-轨道空间非线性耦合模型包含车辆子系统和轨道子系统,其中车辆子系统为31自由度的整车模型,轨道子系统采用空间梁单元、黏弹性弹簧阻尼元件和三维块体单元模拟,两子系统通过轮轨相互作用实现耦合。轮轨接触几何关系采用“迹线法”与“最小距离法”计算,运用Newmark数值积分交叉求解车辆子系统动力学方程和轨道子系统动力学方程。为验证算法的可行性,进行了算例对比计算。作为应用实例,分析了CRH2高速动车通过CRTSⅡ无砟轨道时引起车辆和轨道结构的动力响应,并选择列车速度和轨道不平顺对车辆-轨道耦合系统动力响应的影响进行了参数分析。计算结果表明,将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力问题的算法具有计算精度高、收敛速度快和程序编制容易的特点。

不同横缝初始间隙的拱形重力坝-地基体系地震响应分析研究

本文构建了某拱形重力坝三维全坝段-地基体系有限元分析模型,综合考虑了坝体横缝和坝基交界面接触非线性,采用基于拉格朗日乘子法的动接触力模型模拟接触非线性问题,采用黏弹性人工边界考虑无限地基辐射阻尼效应,分别开展横缝初始间隙0、2和20 mm下的重力坝-地基体系非线性有限元动力时程分析,揭示不同横缝初始间隙对大坝动力响应的影响,为工程抗震设计提供科学依据.

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。

螺栓紧固件参数化有限元建模平台及有限元分析

由于螺栓紧固件复杂的螺旋线几何形状,在开展有限元分析时,网格划分过程较为烦琐且难以保证单元质量。螺栓紧固件不规则的网格划分往往会导致数值模拟时螺纹副之间的接触计算不宜收敛,因此提出一种螺栓紧固件有限元参数化建模方法。该方法通过螺旋线解析公式参数化建立螺栓紧固件的有限元模型,使得螺栓外表面和螺母内表面的接触区离散节点之间能够精确配对,在接触定义和接触计算时大大提高数值收敛性。建模平台依靠参数化精确建模的优势,能有效解决螺栓紧固件数值计算时接触非线性难以收敛的难题。为了针对不同型号的螺栓紧固件能够进行快速有限元建模,基于Qt开发平台和OpenGL理论,根据螺纹紧固件连接设计标准,建立了基于C++编程语言的螺栓螺母有限元参数化建模平台。通过使用建模平台生成的螺栓紧固件有限元模型开展有限元数值分析,将数值计算结果与解析的计算结果进行对比得出,具有良好的一致性,进一步验证了建模方法的正确性和建模平台的有效性。

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变-偏应力曲线和轴向应变-体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。

柔性多体系统碰撞动力学研究

针对工程中常见的柔性多体系统碰撞过程,详细的分析了柔性多体系统的接触碰撞条件,基于非线性等效弹簧阻尼模型建立了柔性体的碰撞模型,并基于库仑摩擦模型考虑两体碰撞时的切向摩擦作用。在此基础上把柔性体碰撞模型综合到柔性多体系统动力学方程中,建立了含接触碰撞的柔性多体系统动力学模型,此模型适用于一般含碰撞的多体系统。仿真算例以柔性梁在重力场中的接触碰撞过程为对象进行动力学仿真,研究柔性梁碰撞前、碰撞过程及碰撞后的动力学特性和动态响应,以及碰撞过程碰撞力的变化规律,并与刚性梁在重力场中的接触碰撞过程进行详细的比较和分析,结果表明基于非线性等效弹簧阻尼模型建立的柔性多体系统碰撞动力学模型可以有效的分析接触碰撞过程的动力学性能,验证了模型的有效性和正确性。

弧齿锥齿轮啮合过程动态应力分析

介绍了利用ANSYS对弧齿锥齿轮进行瞬态啮合的前置处理、划分网格、使加约束的方法。基于目前弧齿锥齿轮的应力分析研究现状。对齿面啮合质量进行了齿面接触分析(TCA),并且利用在CAE方面有很强能的ANSYS软件对弧齿锥齿轮进行啮合状态下的动态仿真[5-7],得到较为准确的齿面接触应力和齿根弯曲应力。建立了弧齿锥齿轮三维有限元非线性接触模型,对弧齿锥齿轮在一定的转速和负载转矩下进行了动态啮合仿真,得到了一个啮合周期下的齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的变化规律。进行了轮齿加载接触分析(LTCA),得到了轮齿啮合传动中的齿面接触应力、弯曲应力变化过程。该方法可以进一步为弧齿锥齿轮强度分析和疲劳寿命计算提供理论依据。

流体密封橡胶圈密封性能分析

对通用的O形橡胶密封圈结构进行简化,采用罚函数接触单元法,对其中的关键密封元件O形橡胶密封圈采用超弹性单元建立了包含接触的非线性模型,并运用通用大型有限元分析软件ANSYS对其进行了求解。对于不同变形情况下的压缩量,以及压缩后施加侧压后的应力进行了分析。同时还对照计算了O形圈接触界面摩擦因数不同情况下的变形及扭转。结果表明,所采用的方法能够预测O形圈压缩中的变形和应力等特征参数,增加对O形密封圈密封性能的了解,并对同类密封结构设计有一定的指导意义。

含多个间隙铰的舵机传动系统动力学特性研究

为了满足舵机传动系统中铰链小间隙、大力载和大接触区域的特点,建立了一种适用于大面积接触碰撞过程且考虑非线性变刚度系数和轴承轴向尺寸的法向接触力模型。通过在不同间隙尺寸、恢复因数、初始碰撞速度和轴承轴向尺寸等各种工况下的仿真分析,验证模型的适用范围。进一步通过ADAMS软件中用户自定义子程序接口,将该接触力模型通过编译、链接嵌入舵机传动系统的动力学模型中,仿真结果表明:多个间隙铰下的系统动态响应并非单个间隙下响应的简单叠加,其相互耦合作用加剧了系统的振荡及非线性特性。该研究为含间隙铰飞行器的结构优化及控制策略设计提供理论参考。

考虑齿面接触温度的齿轮系统非线性动力学建模及分析

为研究齿轮啮合过程中齿面接触温度对系统动力学的影响,基于Block闪温理论,计算主、从动轮的齿面闪温,推导齿面接触温度随时间变化的表达式,计算由齿面接触温度变化导致的齿廓形变;通过Hertz接触理论,推导随齿面接触温度变化的啮合刚度的表达式。建立综合考虑齿面接触温度、时变啮合刚度、齿面摩擦、齿侧间隙、综合啮合误差等因素的单级直齿圆柱齿轮系统非线性动力学模型。对该模型进行研究,分析摩擦因数、载荷对齿面闪温的影响及系统的动力学特性。计算结果显示,齿面闪温在齿根和齿顶啮合时达到最大,而在节点附近接近于零。这表明所提出的齿面闪温计算方法能在一定程度上反映齿轮啮合时的温度变化和滑动情况,该方法在计算齿面温度变化时其基本规律是正确的。对比考虑齿面接触温度与否的分岔图发现,齿面接触温度对系统动力学行为有明显的影响。

三板溪水电站泄洪洞进水塔应力与变形分析

本文采用三维有限元法,对三板溪进水塔塔身混凝土、弧门支座钢梁和预应力锚索联合受力空间结构完成了应力与变形分析,有限元分析模型模拟了弧门支座钢梁与塔身混凝土之间的非线性接触,得到了各设计工况的应力分布和变形结果,可为类似工程的设计提供参考。

三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析

针对三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析,提出了一种符合接触性质的新的接触模型:在接触点处,钻柱的横向位移应限制在给定的环空间隙值内,同时,还必须让横截面绕变形曲线副法线轴的转角为零。利用新的接触模型,采用忽略横向剪切变形的三维空间曲梁单元对三维曲井内钻柱的接触非线性进行了有限元分析,给出了一套计算方法。算例结果表明:新的接触模型与计算方法,对于有解析解的平面问题其精度高,避免了随着单元划分的不同导致解时大时小而不稳定的现象。工程算例——三维曲井内钻柱的接触非线性分析结果偏于安全。

基于非线性接触的风电基础数值模拟

运用通用有限元分析软件ANSYS程序,对风力机基础的简化模型试验进行基于面面接触的非线性有限元模拟与分析,并对其内部钢板表面的应变分布以及钢-混凝土的滑移粘结等性能进行研究,建议基础环的锚固长度为700 mm。根据简化试验模型的非线性接触模型参数,建立足尺风力机基础有限元模型,研究风电基础在极端工况下的混凝土、基础钢环及钢筋的应力应变分布。计算结果表明,该实际风力机基础在极端工况下尽管出现了局部混凝土受拉破坏,但由于钢筋的参与抑制了裂缝的开展,整体结构受力良好,完全能保证上部结构的正常运行。

螺栓连接接触非线性对钢结构动力学特性的影响

为研究钢结构中螺栓连接的不同建模方式对该结构动力特性的影响,本文针对两种典型的螺栓连接双层钢结构,建立了相应的线性动力学模型和非线性接触动力学模型;通过动力响应分析,研究了结构中实际存在的非线性摩擦接触问题及其预紧力对结构动力特性的影响。文中首先建立了二维螺栓连接桁架结构的完全固连模型、螺栓固连模型、非线性摩擦接触模型,分别进行了模态分析和动力响应分析,发现与完全固连模型相比,螺栓固连模型的结果与接触模型的更接近;随后,在此基础上,建立了三维螺栓连接壳结构的螺栓固连模型和非线性接触模型,对比研究了摩擦预紧力对结构动力响应的影响。数值结果表明:非线性接触模型中预紧力对沿X方向响应的影响较小,但对其它方向响应的影响十分显著;若施加足够大的预紧力,可以显著减小接触模型和螺栓固连模型之间的误差比。

土与结构间一种新接触单元的数值解

推导了基于非线性弹性-理想塑性本构模型的接触带单元的单元刚度矩阵,并对接触带厚度的确定、非线性迭代方法等数值计算中一些重要的细节问题进行了论述.最后对某一典型算例进行了分析,分析结果表明,所提出的接触带单元能够合理地模拟接触面上的变形机理和受力状态,是一种比较适用的模型,在土与结构相互作用分析中具有一定的应用前景.

砌块墙体开裂过程数值模型及模拟分析

选取剪压复合状态下的砌块墙体为研究对象,基于损伤力学与断裂力学理论,采用简化的分离式建模方法和可考虑组合块材之间接触界面粘结强度、损伤演化与摩擦滑移的内聚力界面模型,对砌块墙体开裂全过程进行数值模拟。讨论了3种迭代算法,对影响抗剪性能与开裂模式的主要因素,包括顶部竖向荷载、墙体高宽比等进行了探讨,并与汶川地震建筑震害进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟位移场较好地反映了顶部竖向荷载、高宽比对开裂荷载与开裂模式的影响;数值模拟方法可较为精确地反映裂缝的萌生、扩展、贯通整片墙体的全过程,模拟结果与汶川地震建筑震害吻合较好。本文研究方法及结论对于准确模拟砌块墙体开裂的非线性过程、结构可靠性分析具有借鉴意义。

地下厂房岩锚梁接触面非线性有限元模拟方法

地下厂房岩锚梁接触面是岩锚梁整体结构薄弱环节,建立合理的接触面模拟方法是岩锚梁有限元数值分析的重要内容。针对地下厂房岩锚梁与围岩接触问题,分别构建模拟岩锚梁与围岩接触面非线性特征的有限元数学模型和力学模型。在Desai薄层单元基础上,推导岩锚梁接触面单元有限元数学模型,该数学模型形式简单,便于有限元计算;结合非线性弹性理论和弹塑性理论,提出岩锚梁接触面3维非线性力学模型,该力学模型能够模拟岩锚梁接触面弹性阶段的非线性现象和塑性阶段的损伤软化现象。针对岩锚梁接触面闭合、张开、剪切滑动等变形特征,提出考虑接触面黏结、开裂、滑移现象的分段式抗滑安全系数。详细论述了所提模型的有限元实现方法,并据此编写了有限元程序。将本文模型应用于某地下厂房岩锚梁有限元分析计算中,与接触面等效连续模型相比,所提模型计算得到的岩锚梁梁体应力稍小,荷载更多的是由长锚杆承担,梁体的整体变形量增加了2~3 mm,说明接触面的存在使得岩锚梁整体稳定性降低,岩锚梁接触面处的安全系数也稍小,局部出现拉裂损伤,与实际工程岩锚梁接触面开裂现象相吻合,说明所提模型能够合理反映岩锚梁接触面非线性接触特征。为地下厂房岩锚梁稳定分析提供了一种有效的有限元分析方法。