采用Midas软件的土石坝动力非线性有限元分析

作为水利工程中承担防洪、蓄水等重要功能的建筑物,大坝抗震安全非常重要。以乌斯通沟水库土石坝为例,基于动力平衡计算公式及等价线性黏弹性模型,采用Midas软件,建立三维有限元模型,对土石坝的施工和蓄水过程进行模拟,分析得到最大加速度反应、最大永久变形都位于坝顶,与实际情况相符,符合规律及规范要求,验证了大坝结构设计的合理性和工程的安全可靠性,可为土石坝的设计、施工及运行管理提供依据。

柔性连接填充墙RC框架结构非线性有限元分析

为了研究橡胶作为新型柔性连接材料对填充墙钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能的影响,在7榀1/2缩尺填充墙RC框架结构低周反复加载试验的基础上,采用DIANA有限元软件分析了填充墙与框架之间的连接方式、砌块材料、柔性连接材料以及砂浆强度对填充墙RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:与刚性连接相比,以橡胶作为新型柔性连接材料,能减缓结构的强度和刚度退化,极大降低结构的破坏程度,显著提高结构的抗震性能;高弹性橡胶和高阻尼橡胶作为柔性连接材料均表现出优异的抗震性能,而聚苯板(EPS)作为柔性连接材料的抗震性能要比橡胶差;刚性连接方式下不同砌块材料对结构抗震性能影响很大,当使用强度较高的砌块材料时建议采用柔性连接方式以减弱墙-框相互作用;合理降低砂浆的强度等级,可以改变填充墙的破坏模式,对抗震有利。

PVC膜材剪切模量非线性研究及有限元分析

基于气承式膜结构顶部受不同水平荷载时位移呈非线性变化这一现象,从膜材剪切特性入手,通过双轴偏伸试验研究膜材剪切性能,得出膜材剪切应力与剪切模量的变化关系,发现膜材剪切模量并非常数。为验证这一结论,引入ABAQUS有限元分析,依据试验中得到的膜材剪切模量与剪切应力关系建立材料模型,以气承式膜结构为例进行分析。在考虑膜材剪切特性基础上,通过模拟得到的气承式膜结构顶部水平荷载-位移曲线也呈非线性趋势,剪切模量为常数条件下模拟位移与试验位移误差率均值在20%左右,而膜材剪切模量随剪切应力变化条件下模拟位移与试验位移的误差率在10%左右。验证了膜材剪切模量不为常数这一假设,表明膜材剪切模量变化对气承式膜结构位移变形的影响不能被忽略。

基于时间有限元的非线性系统周期响应求解及稳定性分析

非线性现象广泛存在于结构分析之中,获取非线性系统的周期响应对分析结构的频响特征、分岔与稳定特性至关重要。为此,一种基于时间有限元的非线性系统周期响应求解方法被提出。该方法在伽辽金时间有限元法的基础上,引入周期边界条件,并结合牛顿迭代法进行求解。该方法的优势在于:能够简单地处理非光滑周期荷载(如阶跃或冲击周期荷载);能够直接根据时间有限元的系统矩阵计算传递矩阵和Floquet乘子,进而判定周期解的稳定性。最后,通过数值算例验证了所提时间有限元在非线性系统周期响应求解及稳定性分析中的正确性、收敛性以及精度。

非线性BBM方程BDF2混合有限元方法的超逼近分析

针对非线性Benjamin-Bona-Mahony (BBM)方程,在时间上构造了2阶的Backward differential formula (BDF2)时间离散格式,在空间上采用双线性单元和零阶RT单元的混合有限元方法,研究了其超收敛性质.首先,利用变换技巧给出关于逼近方程的稳定性.其次,利用逼近解的有界性得到关于其原始变量u的一个超逼近结果,进而得到其中间变量q的超逼近结果.最后利用一个算例验证理论结果的正确性.

基于非线性有限元分析的公路桥梁抗震性能优化设计

文章基于非线性有限元分析,对公路桥梁的抗震性能展开优化设计。首先对钢桁梁柔性拱桥建立非线性有限元模型,并对其抗震性能进行了位移响应分析。分析结果显示,在纵向和横向地震组合下,拱肋和主桁的位移均较大,但整体抗震性能良好,且受到横向地震组合的主要控制。

加腋大板结构非线性有限元分析

加腋大板结构在地下室工程中应用较广,但目前有关加腋大板结构的计算分析及其设计方法尚未统一。为深入了解加腋大板结构的受力特性,文中以一个3×3跨加腋大板地下室顶板结构为研究对象,通过有限元软件MidasFEANX,建立了加腋大板结构的三维实体及钢筋有限元模型,进行了非线性有限元分析。分析结果表明,加腋大板结构为典型的梁、板混合受力模式;加腋大板结构存在一定的拱效应,有利于对其裂缝的控制;加腋大板柱顶区域受力较为集中,设计应予以有效加强,梁端箍筋应力较大,设计时可按梁承担所有剪力考虑。采取有针对性的加强措施后,采用梁板有限元方法进行加腋大板结构的设计是经济合理且安全可靠的,有关计算及设计建议可为同类工程提供参考。

全装配式钢结构楼板动力性能及舒适度有限元分析

针对全装配式楼板刚度偏低、舒适度不足的问题,优化设计一种已有的新型全装配式钢结构楼板;基于承载力和自振频率对该楼板的承重结构进行选型,并建立考虑构造体的全装配式钢结构楼板精细化有限元模型,采用有限元方法分析该楼板的动力性能,研究全装配式钢结构楼板特型波纹板厚度、高度和楼板跨度对楼板自振频率及加速度响应的影响。结果表明:优选的全装配式钢结构楼板特型波纹板具有较大承载力并可以满足楼板自振频率要求;增大全装配式钢结构楼板特型波纹板厚度、高度,减小楼板跨度,可以增大楼板的自振频率,减小峰值加速度,有效改善楼板的舒适度;全装配式钢结构楼板特型波纹板厚度宜选为1.5 mm,并得到常用全装配式钢结构楼板特型波纹板高度的适用楼板跨度范围。

小山口水电站砂砾石面板坝三维静、动力有限元计算分析

鉴于小山口水电站为软岩基础,坝体较长,且混合坝接头部位非常复杂。为了解决该坝体面临的变形控制难、坝体抗震等级高等设计难题,结合砂砾石面板坝结构、坝壳料设计,通过构建三维有限元模型,该模型包括坝体、泥岩和沙质泥岩基础组成。在静力本构分析中,采用了非线性邓肯E-B模型,而在动力本构分析中,则使用了等效线性粘弹性模型。通过这个模型,对坝体的应力和变形进行了全面系统的研究和分析,同时对坝体的抗震性能和抗震稳定性进行了验证。结果表明,在各种工况下坝体所表现出的变形规律合理。同时在混凝土面板最大拉应力和压应力都符合所采用混凝土材料的允许应力要求,坝体的抗震性能和抗震稳定性满足规范要求。

双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明:随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。

股骨颈动力交叉钉联合空心钉治疗Pauwels Ⅱ型中青年股骨颈骨折的有限元分析

背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈动力交叉钉联合空心螺钉治疗PauwelsⅡ型中青年股骨颈骨折的生物力学特性。方法:根据提取的志愿者股骨CT数据建立Pauwels角为50°的股骨颈骨折模型,将股骨颈均分为3等分,构建4组模型:A组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间1/3;B组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3;C组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3+空心螺钉位于股骨颈上1/3;D组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间偏前内侧1/3+空心螺钉位于股骨颈中间偏后内侧1/3。在1200 N的载荷下测量4组股骨、内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力分布。结果与结论:①通过有限元分析可知,C组的股骨及内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力均小于其余3组;②B组相较于A组有着更小的股骨骨质、内固定物和骨折断面应力和位移,说明股骨颈动力交叉钉头钉放置于股骨颈下1/3比中1/3更稳定;③结果表明,股骨颈动力交叉钉头钉位于股骨颈下1/3联合股骨颈上1/3平行放置螺钉对青壮年PauwelsⅡ型股骨颈骨折具有更好的稳定性,是治疗该类型骨折的有效选择。

考虑材料非线性特性的永磁电机电磁场动网格有限元快速计算

电机电磁场有限元建模需要充分考虑材料非线性特性以及转子运动特性,这使得电机电磁场有限元模型在保证计算精度和提高计算速度方面面临新的挑战。以一台36槽6极内置式永磁同步电机为例,结合一阶网格剖分单元构建其电磁场有限元计算模型;采用Dirichlet和周期边界条件降低求解维度,运用牛顿迭代法考虑非线性材料特性,并结合Moving Band动网格技术对转子运动进行精确建模;其中Moving Band动网格和周期边界条件的联合运用能够有效保证求解矩阵维度的恒定,有利于在不同转子位置处继承上一步求解的磁矢位,为牛顿迭代提供有效初始解,实现加快牛顿迭代速度。通过对比提出的快速算法和传统有限元算法所计算的结果,验证了算法的准确性和快速性。

股骨颈动力交叉钉系统(FNS)的临床疗效观察及有限元分析

目的:探讨股骨颈动力交叉钉系统(FNS)的有限元分析及其治疗股骨颈骨折(FNF)的临床疗效。方法:选择自2021.12~2022.12在青岛市市立医院接受内固定治疗的年轻股骨颈骨折患者60例,以手术方式进行分组,空心加压螺钉(CCS)组30例接受CCS固定治疗,FNS组30例接受FNS固定治疗。观察两组患者围手术期相关指标,术后采用X线摄片、髋关节CT评估骨折愈合及股骨头是否出现缺血坏死,采用髋关节功能Harris评分对术后临床功能疗效进行评估。利用Solid Works建立股骨颈模型,Ansys workbench软件模拟并分析FNS固定股骨颈骨折的受力情况及特点,通过上述有限元分析技术探究FNS在治疗股骨颈骨折时的力学机制。结果:1) 两组患者性别、年龄、BMI水平、受伤致手术时间等基本资料比较,无统计学意义(P > 0.05);而FNS组患者术前术后血红蛋白差值、手术时间、透视次数、失血量、切口长度等指标均低于CCS组,有统计学意义(P < 0.05)。2) FNS组患者的骨折愈合时间及术后6个月复诊时Harris评分均优于CCS组,有统计学意义(P < 0.05)。3) FNS组患者术后并发症发生率6.67%、低于CCS组患者并发症22.22%,有统计学意义(P < 0.05)。4) FNS组件在杨氏模量、泊松比、体积模量、剪切模量、拉伸屈服强度、拉伸极限强度等力学指标的分析研究中,各项性能均优于股骨。结论:1) 对于年轻股骨颈骨折患者使用CCS与FNS内固定手术治疗,结果分析表明FNS内固定治疗更符合微创理念,手术创伤更小,减少透视次数,操作简单,有助于术后快速康复。2) FNS内固定手术可以降低患者术后并发症的发生。3) FNS固定治疗对恢复患者髋关节功能作用更为显著,可早期功能锻炼,可更好提高患者生活质量。4) FNS内固定材料可以满足人体功能需求,可以作为一种可靠的内固定方式供临床选择。

考虑材料非线性的高层建筑结构动力响应分析与抗震设计

本文针对高层建筑结构在地震作用下的动力响应进行了深入研究,考虑了材料的非线性特性,首先,介绍了高层建筑结构在地震中的受力情况及其对结构安全性的影响,然后,分析了材料非线性对结构动力响应的影响机制,接着,提出了一种基于有限元方法的动力响应分析模型,并结合实际案例进行了验证和分析,最后,针对动力响应结果,提出了相应的抗震设计建议以提高高层建筑结构的抗震性能。

车辆动载荷系数非线性有限元研究

为准确评估采用静力学分析车辆载荷时的动载荷系数,采用非线性有限元方法模拟车辆通过车辆甲板的动态过程,分析车辆载荷对水平车辆甲板和倾斜车辆甲板的影响,研究不同车速条件下水平车辆甲板及倾斜车辆甲板的应力情况,探讨较为合理的车辆通行动载荷系数和撞击系数。研究结果表明:车辆行驶速度为20、30、40 km/h时,水平车辆甲板的动载荷系数分别为1.13、1.54、2.05,水平车辆甲板与倾斜车辆甲板连接处的撞击系数分别为2.56、3.09、3.59。

基于有限元分析技术的新能源汽车动力电池包安全性分析

探索新能源汽车动力电池包的模态分析方法与静力学分析方法,分析动力电池包的固有频率,并模拟电池包的挤压试验,进而对动力电池包的安全性进行分析与验证。

基于有限元的直升机桨毂整流罩动力学特性分析

直升机桨毂整流罩模态频率及振型是整流罩结构设计的关键参数,当其固有频率与激振频率相接近时会发生共振,造成结构破坏或脱落,进而影响飞行安全。尾桨整流罩由于其安装位置的特殊性及振动环境的复杂性,需进行模态分析以保证其结构设计合理。基于有限元法对整流罩进行建模,开展了不同转速及不同安装边界约束的模态分析。研究结果表明:随着转速增大,整流罩受到的预应力增大,从而造成拉伸刚度、弯曲刚度和扭转刚度发生不同程度的变化;相比于转速变化,整流罩安装边界约束条件改变对频率影响更明显;该整流罩频率与各阶激振频率都具有一定间隔,说明其结构设计合理。

橡胶缓冲器有限元分析及车辆动力学研究

为了研究橡胶缓冲器特性,从缓冲器中的橡胶取样进行了相关力学试验,确定了橡胶材料本构模型Mooney-Rivlin模型的相关参数。将相关参数代入到建立的橡胶缓冲器有限元模型中,将分析计算结果与试验验证进行了对比分析,验证了建立的有限元模型的准确性。将模型代入到多体动力学软件中进行了计算,并与组装好的橡胶缓冲器的动车组动力学进行了研究对比,发现在动车组纵向动力学过程中,各车辆仿真与试验的最大载荷和位移趋势较为接近,橡胶缓冲器能够较好地吸收冲击能量,满足使用要求。

基于向量式有限元的网壳结构地震易损性分析

为解决网壳结构地震易损性研究中,增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)所面临的结构非线性分析耗时长且求解困难的问题,提出了一种基于向量式有限元的IDA方法。首先,以一个Kiewitt-8型单层球面网壳为例,验证了向量式有限元方法求解结构地震响应的准确性,其次选取12个不同参数的Kiewitt-8型单层球面网壳为研究对象,并考虑材料不确定性进行IDA分析,以地震峰值加速度与结构最大节点位移比为参数,绘制了结构在地震作用下的IDA曲线和轻微破坏、严重破坏及倒塌这三种性态下的易损性曲线。结果表明:向量式有限元能高效且准确的求解网壳结构的地震响应,屋面质量和矢跨比的增加均会增加三种性态点的超越概率;对于本文的网壳结构算例,求解时间仅为传统有限元方法的1/15,误差在3%以内,屋面质量和矢跨比的改变导致地震危险性最大增加了75%。

浅水浮式风电结构非线性波浪荷载及动力响应特性研究

浮式风电结构在浅水海域中承受的波浪荷载及运动响应表现出非线性特征,对浮式风电安全性提出很高要求。本文建立了风机-浮式基础-系泊系统耦合分析模型,对于不同水深、不同波浪荷载计算方法下的频域水动力系数和时域计算结果分别进行了对比,讨论了水深以及波浪荷载计算方法对浮式风电结构响应和系泊张力的影响。结果表明:浮式风电结构的水动力性能和动力响应随水深变化显著。水深较浅时,浮体响应和系泊张力的低频部分明显增大,二阶波浪荷载的影响更加显著。同时,Newman近似方法与全二次传递函数方法相比,在浅水条件下会明显低估二阶波浪荷载效应,进而影响平台响应和系泊张力的分析。