内燃机曲轴振动特性的三维模拟——基于二次Timoshenko梁单元

本文在有限元法的基础上,采用基于一阶剪切变形理论的三节点、二次Timoshen-ko梁单元模拟内燃机曲轴结构,对一直列式四缸发动机曲轴进行了自由振动特性分析,并与相关研究和实验数据进行了比较;随后,进一步模拟此曲轴的三维动态振动特性,计算并分析了其动态振动响应的结果。

轴力二次效应对梁单元的耦合影响

在6个自由度有限梁元基础上,采用单一系数将轴力二次效应对梁单元的影响引入到梁的分析刚度矩阵中,并考虑到梁单元约束扭转时不可避免发生翘曲作用,增加了翘曲角自由度,建立了即能用于通常梁,更能适用于薄壁梁单元的7个自由度的单元分析统一模型,同时将轴向力、弯矩和双力矩的贡献引入到几何刚度矩阵中,得出了综合考虑轴向拉压、弯曲、扭转以及轴力二次效应和翘曲及其耦合影响的变形状态刚度矩阵.线性和非线性算例均表明轴力二次效应对细长构件结构内力和位移的影响不能忽视.

脆性梁弯曲断裂所激发的弯曲波

脆性细长结构在弯曲载荷作用下突然断裂,可能导致断裂点附近出现二次断裂。传统的Euler-Bernoulli梁理论难以描述突加载荷或突卸载荷所导致的波动现象,而Timoshenko梁中的弯曲波速度为有限值,具有一个内禀特征时间,因此基于Timoshenko梁理论来分析弹性梁的弯曲断裂问题。使用Timoshenko梁理论,结合一个包含断裂能的脆性内聚力弯曲断裂模型,建立一维弯曲波传播问题的初边值问题,采用特征线方法求解3种边界条件下半无限长梁中卸载弯曲波的传播问题;进一步分析了断裂能对断裂时间以及峰值弯矩的影响,然后通过数值计算给出这3种情况下梁的动力学响应过程。研究结果表明:处于纯弯曲状态的梁一旦发生瞬时断裂,二次断裂发生点距离初次断裂点的最短距离为梁截面回转半径的5倍,因为该距离以内的弯矩不会出现过冲;最有可能发生二次断裂的位置与无量纲断裂能和无量纲开裂角度有关,在距离初始断裂点17.7个特征长度的位置会产生幅值达到1.67倍初始弯矩的峰值弯矩;较大的断裂能将延长断裂时间,导致弯矩峰值点位置偏远,相应的峰值载荷也降低。

澜沧江特大桥钢管拱二次竖转的计算与分析

以大瑞线澜沧江特大桥为例,选取梁单元模拟主拱,对拱肋二次竖转施工过程进行模拟,对结构进行计算及分析,给出了计算结果及总体评价意见。

碳纤维加固钢筋混凝土梁受弯性能非线性有限元分析

研究混凝土、受拉钢筋和CFRP在开裂、屈服、破坏各阶段的工作状态和受力特点,对认识CFRP加固机理和性能有着重要意义。应用ANSYS建立碳纤维加固钢筋混凝土梁有限元模型,利用单元生死技术模拟CFRP的不同工作状态,对试件梁开裂、屈服、破坏全过程进行非线性有限元分析。分析表明:在钢筋屈服后,CFRP加固钢筋混凝土梁在后期抗弯刚度、延性和极限承载能力方面均有增强;在结构承受较大初始荷载情况下,二次受力问题对加固梁的抗弯刚度、极限承载能力、延性存在一定影响;由于CFRP是在钢筋进入屈服阶段,应力停止增长后才发挥巨大作用,二次受力时的加固也能取得较好效果;分析结果与实测数据吻合。