海上自安装平台高应力区域有限元分析及应力监测点选择

自安装平台是海洋油气勘探开发的重要设施,但其关键结构长期面临风、浪、流等交变载影响,易产生交变应力,进而造成疲劳损伤,因此监测自安装平台关键结构应力十分必要。利用有限元软件,分析自安装海洋平台的桩腿和主体部分结构的应力分布,以便确定平台桩腿、上下环梁、围阱区、隔水管架及海水泵架结构的高应力区域,然后选取适用的应力传感器及安装位置。结果表明,选择自安装平台桩腿结构的桩销连接处、上下环梁区域的提升装置与甲板的连接处、围阱区下甲板区域、隔水套管与甲板连接点及海水泵架与甲板连接处作为高应力区域监测点,有利于准确诊断平台状况和及时预警,消除安全隐患。

70吨岸边起重机有限元分析及应力监测

70t岸边集装箱起重机是中国港口的主要装卸设备,为保证岸边集装箱起重机的安全稳定运行,需对起重机进行实时应力监测。为分析岸边集装箱起重机的受力状态以及确定应力监测点布点位置,对起重机钢结构进行三维建模,依据起重机的使用工况对起重机钢结构进行计算分析,确定拉杆与大梁连接处铰点下方箱型梁、海侧上横梁、陆侧上横梁为应力监测的高风险区域,拉杆为中风险区域,在不同的风险区域共布置22个应力监测点,并对岸边集装箱起重机进行应力实测。研究结果表明,有限元计算结果与现场测试结果较为吻合,测点能够准确的反应该型起重机应力变化,确保起重机安全稳定运行。

结合渗流应力监控及有限元分析的大坝危险性监测研究

大坝是保证水库正常运行的核心部分,因此对大坝的危险性监测至关重要。研究提出渗流应力监控混合模型,采用有限元和统计模式计算模型分量。结果表明,通过对大坝各变量进行预测,实测值与预测值接近,能够描述测点水平位移、应力和渗流的变化趋势;F检验显著性水平为0<0.001,回归分析显著,复测定系数R^(2)分别为0.883、0.859、0.977,接近于0.9或1。表明研究提出模型能有效预测大坝危险性情况,对水利大坝安全监测具有参考意义。

新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁抗剪性能有限元分析

为解决施工现场中现有装配式混凝土叠合梁、梁柱结点钢筋相互影响的问题,设计一种新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁。为进一步研究该叠合梁的抗剪性能,共设计6个叠合梁、3个整浇梁进行ABAQUS有限元模拟,分析其破坏特征机理、荷载–跨中挠度曲线等,研究试件剪跨比、底板厚度参数对抗剪性能的影响,以及新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁与整浇梁的抗剪性能对比。数值模拟分析结果显示,新型叠合梁与整浇梁均为剪切破坏,在底板厚度相同的情况下,随着剪跨比的增大,叠合梁的极限承载力略微降低。此外,预制高度增加会导致叠合梁的极限承载力减小。叠合梁表现出与整浇梁相似的受剪性能,随着剪跨比增加,叠合梁相对于整浇梁表现出更好的抗剪性能。综合而言,新型预应力混凝土钢管桁架叠合梁具有良好的抗剪性能。

氧化铝耐火材料制备中热应力有限元分析

氧化铝耐火材料在制备过程中所产生的裂纹等轻微损伤,是潜在的安全风险。为提高材料的使用性能,研究了在烧成过程中模型尺寸、热处理温度、升温速率、降温速率以及气孔率等因素对氧化铝耐火材料裂纹产生的影响。结果表明:在模型尺寸增大时,对应的最大热应力值也随之增大,产生裂纹的风险也越大;最大热应力峰值出现在1200~1600℃温度区间内;只改变1000~1350℃温度区间内的升温速率时,升温速率越大对应的最大热应力值越大;窑炉从1600℃降到室温时,降温初期最大热应力值迅速增大,且降温速率越大对应的最大热应力值越大;对于气孔率分别为5%、7%和10%的氧化铝砖坯,在相同的烧成条件下,气孔率10%砖坯的最大热应力值于1200℃、1300℃、1400℃及1500℃均最小,因此气孔率为10%比5%和7%更有利于降低烧成过程中裂纹产生的风险。

不同应力水平对支架降解影响的有限元分析

目的建立多种腐蚀因素共同作用的支架降解模型,探究不同应力水平对可降解支架的降解行为及服役性能的影响。方法基于连续损伤力学原理,通过在有限元框架下为独立单元设置腐蚀属性和材料属性,对支架降解过程中的力学强度和几何变化进行模拟,由此建立均匀腐蚀、应力腐蚀及点腐蚀多种因素共同作用下的支架动态降解模型。分别将支架扩张至血管直径的1.05、1.1、1.2倍为支架提供不同的应力水平,对三种不同工况的降解过程进行数值模拟,分析降解过程中的支架形态、质量损失率及服役时间等。结果支架植入后的应力水平会对其服役性能产生显著影响。随着扩张比的增加,三种应力水平下支架断裂的时间分数分别为0.95、0.82和0.78,断裂时的质量损失率分别为73%、63%和60%。降解过程中由应力腐蚀主导移除的单元数量分别为112、125和139;应力腐蚀作为主导因素的时间分数分别为0.93、0.82和0.78。血管塌陷的时间分数分别为0.83、0.72和0.68,并且血管塌陷发生在支架失去其几何完整性之前。结论对于可降解支架,选择恰当的扩张比对获得良好的支架治疗效果有重要影响。高扩张比在更好维持管腔通畅性的同时也通过提高花冠处的应力水平使局部应力腐蚀作用增加,从而缩短了支架的服役时间,导致其更容易发生不均匀降解。

气固输送尾气管道弯头结构的有限元应力分析

为了准确评价气固输送尾气管道弯头的安全稳定性,分别选取了反应器出口尾气管道的高温段弯头和低温段弯头为研究对象,建立了三维几何结构模型并进行网格划分,在温度、压力载荷耦合作用下开展了管道弯头的有限元分析计算,研究了2个管道弯头的应力与应变的分布特征与规律,探索了结构模型变形量分布及形成机理,对管道弯头安全性和稳定性进行了合理评价。结果表明,在温度和压力载荷作用下,两段管道弯头结构安全性和稳定性较好,但高温段管道弯头的斜切喷射管H2、低温段管道弯头斜切接管L1,都存在应力集中、应变和变形明显增大的问题,这主要与外部载荷、接管位置、安装条件和管系结构等因素相关。

基于下颌第一前磨牙根管预备前后牙本质应力分布差异的CBCT和三维有限元分析

目的:分析下颌第一前磨牙根管直径并利用有限元分析法模拟3种不同预备方式下牙本质的应力分布,为临床下颌第一前磨牙根管预备策略提供依据。方法:选择21例锥形束计算机断层扫描(CBCT)图像资料完整的患者,将CBCT原始数据DICOM格式文件导入Mimics 21.0软件,测量距下颌第一磨牙根尖孔3、6、9和12 mm处根管直径并分段计算根管锥度,在此基础上构建牙体组织和牙周组织三维有限元模型,分为对照组、最大直径预备组、均匀预备组和0.06锥度器械预备组。在ANSYS Workbench 17.0有限元分析软件中,对各组颊尖舌斜面分别施加200 N载荷,分析各组下颌第一前磨牙牙本质所受应力。结果:距离下颌第一前磨牙根尖孔3~6 mm段、6~9 mm段和9~12 mm段的根管锥度分析,近远中向距根尖孔3~6 mm根管锥度基本相同;颊舌向距根尖孔6~9 mm段根管锥度平均为0.29,大于根尖1/3和根上1/3。在相同的载荷下,各组下颌第一前磨牙牙本质的应力峰值依次增大,分别为4.693 6、16.304 0、14.278 0和18.682 0 MPa。最大直径预备组受力集中于根管壁且应力最大,均匀预备组受力集中于牙根表面且各截面应力均小于最大直径预备组,0.06锥度器械预备组应力集中于根尖1/3牙根表面。结论:下颌第一前磨牙根管具有椭圆形变锥度的特殊形态,近远中向和颊舌向根管直径与锥度相差较大,不同预备方式对根管壁的应力不同,均匀预备扩大根管的预备方式最佳。

青少年颈椎间盘突出症有限元模型建立及应力分析

背景:颈椎间盘突出症可引起肩颈部疼痛、上肢放射性疼痛,发病率逐年上升并趋于年轻化,充分了解青少年颈椎生物力学特点,对于延缓青少年颈椎间盘突出症具有重要意义。目的:利用有限元分析技术重建正常青少年及青少年颈椎间盘突出症患者的颈椎模型,分析C_(1)-T_(1)颈椎椎体活动度和纤维环、髓核、终板及小关节软骨的生物力学特征。方法:选择正常青少年和青少年颈椎间盘突出症患者各1例,将连续扫描的颈椎CT原始影像数据以DICOM格式导入Mimics 21.0,分别重建C_(1)-T_(1);随后将建立好的模型导入3-Matic软件进行椎间盘重建,将完善的模型导入Hypermesh软件,对椎体、髓核、纤维环、韧带进行网格划分,生成有效的几何模型,赋予材料属性后将最终模型导入ABAQUS软件中。观察C_(1)-C_(7)各节段颈椎椎体在不同工况下的关节活动度,并分析各节段颈椎纤维环、髓核、终板及小关节软骨的生物力学特征。结果与结论:(1)正常青少年与颈椎间盘突出症青少年患者颈椎模型C1在6种工况下的关节活动度均高于其他椎体,且正常青少年各节段颈椎椎体活动度均大于颈椎间盘突出症青少年患者;(2)正常青少年颈椎模型纤维环及髓核应力最大值在C_(2-3)左侧屈工况(0.43 MPa,0.17 MPa),颈椎间盘突出症青少年患者颈椎模型应力最大值在C_(7)-T_(1)左侧屈工况(0.54 MPa,0.18 MPa);(3)正常青少年颈椎模型终板应力最大值在C_(3)上终板左侧屈工况(1.46 MPa),颈椎间盘突出症青少年患者模型终板应力最大值在C7下终板左侧屈工况(1.32 MPa);(4)正常青少年颈椎小关节软骨应力最大值在C_(2-3)左旋转工况(0.98 MPa),颈椎间盘突出青少年患者的小关节软骨在不同工况下以C_(1-2)应力增加最明显,应力最大在左侧屈(3.50 MPa);(5)提示与正常青少年相比,颈椎间盘突出症青少年患者颈椎曲度改变,颈椎整体关节活动度下降;颈椎间盘突出症青少年患者纤维环、髓核及终板在C_(7)-T_(1)节段应力明显增大;C_(1-2)左侧小关节软骨应力明显,颈椎曲度异常可能是引起应力改变的主要因素。

脊柱胸腰段应力分布与骨折相关性的三维有限元分析

目的:观察脊柱胸腰段骨折与椎体骨性结构及韧带间应力分布的相关性,探索脊柱胸腰段椎体骨折的力学机制。方法:招募8名健康男性青年志愿者,行脊柱全长X线片和CT检查排除脊柱畸形、肿瘤及骨病,对脊柱各椎体及股骨行骨密度测定排除骨质疏松。均行自T11椎体上终板至L2椎体下缘CT薄层扫描,将8名志愿者CT图像参数导入ABAQUS 2016软件中进行标准化,并进行有限元网格化构建。应用MIMICS 17.0、GEOMAGICS 15.0和PRO/ENGINEER 5.0软件处理,建立脊柱胸腰段有限元模型,测量模型相关参数,并验证模型有效性。在T11椎体上终板上加载竖直轴向载荷500N、附加扭矩10N·m模拟垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转7种运动状态,使用ABAQUS软件对有限元模型7种运动状态下的应力分布特点及变化规律进行分析,观察应力分布与脊柱胸腰段骨折的相关性。结果:建立的三维有限元模型共有309583个节点和428760个单元,包括4个椎体、3个椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带等结构。7种运动状态下的数据与文献报道的数据无明显偏差,模型有效。T11~L2椎体椎弓根截面积分别为135mm^(2)、154mm^(2)、105mm^(2)、139.2mm^(2)。应力云图结果显示各运动状态下高应力区存在于椎体的松质骨、椎弓根及其周围骨皮质。在垂直压缩状况下,T12椎体所受应力最大(617.4MPa),前屈状态下T11所受应力最大(200.7MPa),后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体所受应力最大(314.2MPa、574.4MPa、626.2MPa、641.3MPa、527.1MPa),且前屈体位时椎体所能承受的应力最小,左旋转时所能承受的应力最大。垂直压缩状况下T12椎体发生骨折,前屈状态下T11发生骨折伴韧带损伤,后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体发生骨折伴韧带损伤。骨折发生时,前纵韧带在后伸、左右侧屈状态下存在高应力区,后纵韧带在前屈状态下存在高应力区,横突间韧带和棘间韧带在前屈、左右侧屈、左右旋转状态下存在高应力区。结论:在构建包括重要韧带、椎间盘等软组织结构的脊柱胸腰段三维模型中,椎体松质骨、椎弓根及其周围骨皮质、韧带均存在高应力区,不同状态下所受应力最大椎体不同,发生骨折的椎体和韧带损伤也不同;L1椎弓根截面积最小,最易发生骨折。

基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

快开盲板电测应力实验及有限元分析

为了解决液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)接收站大型高压快开盲板国产化的技术难题,对压力环型快开盲板(PN15 MPa DN1 300 mm)开展电测应力实验,并与有限元分析结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。将有限元分析结果采用应力分类法和弹—塑性分析法分别进行强度校核,并利用有限元模型对快开盲板头盖厚度进行了优化。结果表明,压力环型快开盲板密封良好,各部件强度满足要求,优化后的头盖能满足强度要求。分析结果可为今后大型高压快开盲板的国产化设计提供借鉴。

大直径预应力混凝土储煤筒仓有限元分析

为研究大直径混凝土贮煤筒仓静力荷载下的受力性能,对内径为44.8m高度为56.05m的大型贮煤筒仓结构进行了三维有限元分析。建立了不同荷载状态下的计算模型,分析了变形和内力计算结果。分析表明,储料和温度作用是造成仓壁出现环向拉应力的主要原因,环梁和楼面板的约束作用对仓壁和筒壁环向受力的影响较为明显;预应力的施加可明显改善仓壁和筒壁的受力状态;楼面活荷载和风荷载对筒仓结构的受力较小。研究成果可为同类结构的优化设计提供参考。

胫骨平台不同内侧髁间棘线悬出对单髁置换应力分布的有限元分析

目的探讨内侧髁间棘线(the medial eminence line,MEL)向内侧悬出的5种不同程度对内侧固定平台单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)膝关节假体及胫骨平台应力分布和大小的影响,以期为UKA治疗膝骨关节炎提供参考。方法纳入遂宁市中心医院收治的100例膝骨关节炎患者,使用断层扫描、核磁共振等影像学技术及三维扫描技术获取膝关节各结构影像学数据,应用有限元软件分别建立10%、12%、14%、16%、18%这5种MEL悬出比例的膝关节模型,模拟5种MEL悬出情况下的内侧UKA,网格划分后于股骨段施加载荷,观察单髁假体各部件及胫骨平台应力大小及分布。结果在1000 N载荷时,5种内侧单髁置换模型应力分布及大小均有不同程度的差异,10%~14%MEL悬出时股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体、胫骨近端应力分布较均匀,高应力值较小;16%~18%MEL悬出时股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体、胫骨近端应力分布较集中,并且高应力值较10%~14%MEL悬出时大;其中18%MEL悬出时各部件及胫骨近端应力分布及高应力达到最大。结论行内侧固定平台UKA时,测量MEL悬出程度是评估预后的有效方法。建议对于10%~14%MEL悬出的膝骨关节炎患者行内侧固定平台UKA,对于16%~18%MEL悬出的膝骨关节炎患者行UKA时结合患者个体因素综合分析。

基于BIM-Tekla的钢结构框架梁柱焊接接头残余应力有限元分析

为提升钢结构框架梁柱焊接接头残余应力有限元分析的全面性,提出基于BIM-Tekla的钢结构框架梁柱焊接接头残余应力有限元分析。该方法首先对钢结构框架梁柱有限元建模时的热应力、生热率及屈服强度等参数进行计算;基于BIM-Tekla平台,完成钢结构框架梁柱焊接接头有限元模型的建立;根据建立的有限元模型,确定梁柱焊接接头残余应力值与不同温度、位置、角度、路径、材料参数之间的关系,获取钢结构框架梁柱不同焊接接头残余应力值分布,从而实现对钢结构框架梁柱焊接接头残余应力的有限元分析。试验结果表明,梁柱的焊接接头残余应力值随着板材梁翼缘厚度增大而不断缩减,而钢结构框架梁的焊接接头残余应力值则随着板材梁翼缘厚度增大而不断增大;当焊接接头坡口角度为60°~210°时,残余应力值分布较为均匀,无明显波动变化,而在210°~360°时,接头的残余应力波动幅度较大;焊接接头的残余应力受框架直径比值影响较大。

基于三维有限元分析的边荷载对水闸结构应力影响研究

某水闸位于惠州市沙河,是1座宽6 m的单孔水闸。闸室为压型钢筋混凝土底板的墩墙结构,施工期间闸室充排水时,发现闸室出现了较大的不均匀沉降。根据水闸的设计、施工等具体情况,采用三维有限元方法对水闸的沉降进行了计算分析,研究了不均匀沉降的成因,并对闸后沉降进行了预测。由于洞室自重已基本完成沉降,不会有实质性沉降;在运行期堵水情况下,洞室在河外侧和河内侧的沉降增量分别为0.3mm和0.4mm;通过处理,闸室沉降不会影响水闸的正常运行。

三维表面裂纹应力强度因子参数敏感性有限元分析

三维表面裂纹是许多工程结构中普遍存在的一种缺陷,无论是在损伤容限设计或缺陷评估阶段,人们都要求对裂纹的应力强度因子进行精确的估计,这一参量对裂纹的预测和剩余疲劳寿命的估计起到至关重要的作用。借助有限元软件Abaqus和断裂力学软件Franc3d建立三维半椭圆表面裂纹实体模型,依据断裂力学相关知识,采用M-积分法,对含有表面裂纹的模型进行数值模拟,研究了模型在不同裂纹形状比(a/b=1.5、1.36、1.25和1.15)以及裂纹倾角(θ=0°、15°、30°和45°)下的裂纹扩展情况和应力强度因子参数敏感性。主要研究内容与结论如下:裂纹形状比a/b越大,应力强度因子越小,应力强度因子分布形貌由“凹”向“凸”转变;裂纹倾角达到0°时,裂纹深处应力强度因子最大,裂纹更容易扩展,随着裂纹倾角(0°、15°、30°和45°)的增大,应力强度因子逐渐减小。

基于有限元方法的液压支架应力分析

以ZY15000/26.5/55D型液压支架为研究对象,利用有限元软件对支架在顶梁和底座两端加载、扭转加载等7种工况下的受力情况进行应力分析,得出了支架在不同工况下的应力规律,对支架选材及结构优化提供了理论依据。

基于有限元模型的薄板压力圆筒焊缝应力分析与应用

由于数字仿真技术在焊缝应力分析中有着重要的作用,研究将ANSYS有限元分析软件应用到薄板压力圆筒焊缝应力分析中,并探究其具体仿真模拟流程。研究结果表明,有限元分析模型能够简单直观地对焊缝形成过程进行分析,在实际焊缝操作中有着重要的应用价值。

地下室底板跳仓法施工温度与应力的有限元分析

跳仓法施工对于减少超长、超厚、超薄大体积混凝土的施工裂缝具有显著效果。以湖南某商业综合体地下室施工项目为例,针对长199m,宽172m的地下室底板采用Midas FEA进行流水施工仿真模拟,分析了底板跳仓法施工的温度及应力。计算结果表明:底板最大升温20.22℃,满足大体积混凝土在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃的要求;里表最大温差17.28℃,满足大体积混凝土里表温差不宜大于25℃的要求;各仓格施工阶段主拉应力均不超过混凝土轴心抗拉强度标准值2.2MPa,满足跳仓法施工要求。