基于细观刚体弹簧元的轻骨料混凝土力学性能数值模拟

采用基于二维细观刚体弹簧元的数值方法,模拟了轻骨料混凝土静态加载下的力学性能,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析。得出的主要结论为:加载边界无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低31.4%、55.6%;立方体试件抗压强度、峰值应变随尺寸的增大而减小,100mm×100mm×100mm、200mm×200mm×200mm非标准立方体试件抗压强度换算系数分别为0.95和1.09,峰值应变换算系数分别为0.91和1.08,通过数值模拟得到了棱柱体试件单轴受压、单轴受拉状态下的应力应变关系全曲线,并给出了单轴拉压强度之间的关系。与试验结果的比较分析表明,二维刚体弹簧元数值方法能较好地预测轻骨料混凝土的静态力学性能,可以用于分析轻骨料混凝土结构。

用刚体弹簧元研究拱坝的地震破损过程

在满足刚度、强度和荷载等效的基础上 ,本文采用三维刚体弹簧元模型模拟连续 -非连续介质系统 ,通过拱坝在自重和水压荷载作用下的位移场和应力场的计算 ,并且与有限元方法计算的结果对比 ,表明该法在模拟连续介质方面的精度在工程上可以接受。随后应用这一模型分析某拱坝的地震破损过程 ,计算结果表明 ,地震加速度峰值对拱坝整体性受损存在一临界值 ,对于研究的某拱坝 ,在选定的几何参数和物理参数条件下 ,当地震加速度峰值小于 0 4g时 ,坝体的整体性保持较好 ,地震引起的动力残余位移较小且呈线性变化 ;当地震加速度峰值大于 0 5g时 ,由于强震的往复作用 ,横缝以及水平施工缝的开裂造成拱坝中上部产生分离的混凝土块体 ,拱坝整体性受损较重。因此 。

混凝土细观刚体弹簧元法在劈裂试验中的应用

系统总结了细观刚体弹簧元法的理论框架,即随机骨料的生成过程、细观刚体单元的划分原理、刚体弹簧元模型的确定方法、本构关系的建立过程等,并评述了各国细观刚体弹簧元法的最新研究进展及成果;在模拟混凝土劈裂试验时,考虑劈裂试验的加载特点,对劈裂试件刚体单元的划分方法进行了局部调整。结果表明:细观刚体弹簧元法能够应用于混凝土劈裂试验的数值模拟。

锦屏一级高拱坝坝肩刚体弹簧元动力抗滑稳定分析

锦屏一级水电站地质条件复杂:拱坝右岸由特定结构面f13断层、f14断层及SN向裂隙参与形成了7个控制滑块;左岸为反向坡,存在煌斑岩脉、f2断层、f5断层、f8断层、f42-9断层且左岸坝肩松弛严重,左岸坝肩稳定是关键性的技术问题。利用刚体弹簧元法对锦屏一级高拱坝左、右岸坝肩控制滑移块体进行了地震动力稳定分析。通过计算分析,左岸最小动安全系数出现在L5滑块且其Kd为1.434,右岸最小动安全系数出现在R4-3滑块且其Kd为2.166,拱坝的坝肩抗滑动安全系数均在合理范围内,其左右岸坝肩均能满足稳定性要求。

基床式大直径薄壁圆筒结构内力计算的弹簧元数值模型

将大直径薄壁圆筒结构基底与基床间的接触边界处理为一种新的数值接触模型——弹簧元模型 ,并运用大型通用有限元软件 ANSYS进行二次开发对薄壁圆筒结构的变形、基底应力与内力进行计算和分析。通过算例的计算与无基床沉降效应的全铰接模型和港工规范中重力式结构的常规计算方法进行了比较分析 。

模拟水泥基复合材料细观断裂过程的随机弹簧元

叙述了水泥基复合材料从微观裂缝发生到断裂形成的一个计算机模拟系统。该系统主要是通过把骨料和水泥基分别看成具有不同性质的构造单元考虑水泥基复合材料的非均质性;用弹簧元法的单元形状任意性与变位不连续性模拟其构造上的随机性及其断裂形成过程。并以数值模拟混凝土试件的拉伸断裂和压缩断裂为例,探讨材料的裂缝细观进展机理及其和宏观力学特性的关系。

有限弹簧元在桥梁结构分析中的应用研究

有限弹簧元以任意形状单元的任意点的平动与转动位移作为基本未知量,用单元间虚拟弹簧网的作用功评价其内部变形能,在模拟非均质、非连续性的材料或结构的受力过程时具有较好的应用前景。叙述了有限弹簧元基本原理以及在桥梁结构数值分析中的应用研究成果。

水垫塘反拱底板稳定性的块体弹簧元分析

本文首次建立用于分析水垫塘反拱底板稳定的块体弹簧元的数学模型 ,并编制了相应的计算程序 ,结合黄河拉西瓦工程分析了反拱底板的稳定性 ,计算结果与试验结果吻合较好。该方法较好地模拟了反拱底板的受力特征和失稳机理 ,计算结果可靠且精度较高 ,对工程设计有较高的参考和实用价值。

小湾坝肩槽开挖边坡的三维刚体弹簧元分析

采用三维非线形刚体弹簧元法,对小湾坝肩槽开挖边坡进行应力应变及稳定分析,对计算成果进行评价分析,进而评价了工程加固措施。计算出各工况下滑面、滑块的安全系数,对计算成果进行了评价分析,并进行破坏模式的研究,提出了工程加固措施,从而为提高边坡开挖加固措施提供了依据。

用刚体弹簧元研究梅花拱坝的破坏机理

提出了使用非连续介质力学模型在满足刚度、强度和荷载等效的基础上模拟连续介质的方法 ,以研究结构大变形破坏过程。使用三维刚体弹簧元对梅花拱坝由于周边缝设计施工不当造成拱坝破坏的机理与过程进行了仿真研究。重现了拱坝在周边缝抗滑摩擦因数不足时 ,坝体整体上滑 ,拱座失去支承 ,导致拉应力急速恶化 ,坝体断裂并最终溃决的过程。

层合板界面层的弹簧界面元等效刚度计算模型

弹簧界面元是一种最常用的层合结构界面脱层数值模拟的计算模型。但目前对应于给定的复合材料层合板界面层,弹簧界面元的长度和等效刚度的确定却没有严格的方法,所以时常因为弹簧元刚度定义的不当而导致脱层数值模拟结果的不稳定甚至计算困难。本文给出了一种基于层合板粘接层的实际厚度和材料特性确定弹簧界面元的长度和等效刚度的计算模型。通过把所给弹簧界面元等效刚度计算模型用于ANSYS中的非线性弹簧单元COMBIN39和COMBIN14,本文对复合材料双悬臂梁(DCB)和端边切口弯曲(ENF)梁的脱层扩展试验进行了有限元数值模拟;所得数值脱层预测结果与试验数据吻合良好。算例也表明,文中所给弹簧界面元长度和等效刚度的计算模型不仅计算简单和准确,并且所给脱层扩展的数值模拟也稳定。

二三维连续介质分析中的等效弹簧元

该文给出了一类将二维和三维连续介质等效成弹簧元体系进行分析的研究思路,并将二维和三维的等效弹簧单元应用于容器结构与内部连续介质相互作用的静力与动力分析中。首先,该文给出了基于刚度等效原理的二维与三维等效弹簧元理论。其次,利用二维等效弹簧元模型作为基本单元分析了连续介质对容器壁的压力分布规律,并利用三维等效弹簧元模型分析了容器壁与内部连续介质共同响应的动力特性。数值算例表明:与常用的连续介质有限元模型相比,等效弹簧元模型的计算效率和精度更高。在容器结构与内部连续介质共同响应动力分析中,等效弹簧元体系与工程中常用的附加质量法相比,不光有更高的计算效率,而且能更正确地反映内部连续介质刚度对共同响应动力特性的影响。等效弹簧元在工程应用分析中具有良好的适应性。

沉管接头简化方法及三维抗震有限元分析

介绍了沉管隧道抗震研究的国内外发展情况,运用沉管接头的非线性弹簧元简化模型和三维有限元建模的抗震分析思路,结合天津海河沉管工程实例,通过大型有限元软件建模,计算得到沉管接头在地震荷载作用下的变形和内力响应情况。不仅对项目开展起到参考价值,同时得到的普遍性规律还可以作为今后类似的工程项目提供参考。

分区界面元-有限元-无限元混合模型

利用界面元良好的相容性,引入过渡界面元的概念,实现了界面元与有限元二种数值计算方法的结合,并提出了一种界面元-有限元-无限元混合模型。这种混合模型既可以发挥界面元计算精度高、适用于不连续变形等优点,又能够充分利用有限元的计算效率和无限元方便处理无限域介质的特点,较为和谐地解决了计算精度和计算效率的矛盾。数值算例表明,本文所建立的混合模型的有效性,揭示此类混合模型具有广阔的工程应用前景。

定向井杆管接触状态的有限元仿真模型

将定向井抽油杆柱离散为空间梁单元,通过在所有节点构造双向弹簧元模拟抽油杆柱与油管的接触状态,考虑双向弹簧元弹簧刚度系数对单元刚度矩阵与总刚度矩阵的影响,建立了抽油杆柱与油管接触状态的有限元仿真分析模型。仿真结果表明,弹簧元能够准确模拟杆管接触状态,确定杆柱与油管内壁接触状态、杆管接触压力以及扶正器与油管接触压力;抽油杆柱与油管柱接触受实际井眼轨道的影响,井眼造斜段、局部狗腿度较大的井段,杆管接触压力较大;在定向井抽油杆柱安装扶正器可以明显减小或消除杆体与油管的接触压力以及接箍与油管的接触压力。

地下连续墙的有限元数值计算简化模型

选取地下连续墙槽段的宽度作为其计算宽度,结合施工过程,通过分析地下连续墙的接头方式以及所在位置来确定其边界条件,并且考虑土的分层分布,基于ANSYS软件及其二次开发,采用双曲线非线性弹簧元模拟土的弹塑性,建立了地下连续墙的有限元数值计算简化模型。通过计算得到开挖过程中地下连续墙变形、内力、支撑内力、墙侧土压力变化及分布情况。工程实例表明,该模型计算结果与工程实际吻合较好,可以有效模拟基坑开挖整个过程,指导地下连续墙设计和施工。

混凝土细观单元本构关系研究

通过劈裂和剪切试验得到砂浆-骨料复合试件界面的粘结抗拉强度,界面的I型断裂特征通过三点弯曲试验得到。并采用改进的J积分方法,利用试验结果提出了砂浆-骨料界面的拉伸软化曲线模型。另外,将光纤传感器分别埋置于砂浆中和粘贴在骨料表面,测量单轴受压试验中砂浆、骨料的变形过程及二者间的相对滑移值,从而建立了砂浆-骨料界面的粘结滑移本构关系曲线。同时,根据试验及分析结果,提出了砂浆-骨料界面的细观力学本构关系,为数值模拟提供了可靠的分析模型。

考虑土-结构相互作用大型动力机器基础三维有限元分析

本文提出了考虑土-结构相互作用计算大型机器基础动力反应的三维有限元方法.该方法将动力机器基础与周围地基作为一个完整的研究对象,将基础作为粘弹性体反映基础变形,建立粘-弹性人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼和远场地球介质的弹性恢复性能,并通过构造等效弹簧实体元使这一人工边界在商业有限元程序中实现。文中进一步将上述方法用于分析燕化高压聚乙稀装置压缩机基础的动力反应，并通过数值试验定量讨论了影响大型机器基础动力反应的主要因素，得出了一些有用的结论。

CFRP加固钢梁的有限元分析

工程结构中的受弯钢梁由于腐蚀或疲劳损伤需要进行加固和修复.与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有很大的优势和应用前景,如不会导致严重的应力集中、不会产生残余应力、施工方便、维护费用低等.但是目前仅对CFRP加固钢梁和组合梁进行了部分试验研究,缺乏相关的有限元分析.对CFRP加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行了论述,并采用笔者提出的“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前、后的性能进行了分析.分析结果表明,损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP布和CFRP板加固后其性能恢复非常显著,而且粘贴CFRP板的加固效果更加明显.

复合材料胶接修补结构有限元分析方法研究

以铝合金裂纹板和T300/E51复合材料单边胶接修补裂纹板静力试验结果为基础,建立了适合模拟J-150胶层的"双板-弹簧元"有限元分析模型,并用于其它多种复合材料胶接修补设计方案的静强度评估分析,能够很好地再现试验结果。该有限元分析方法的提出可用于指导金属损伤结构复合材料快速修补方案的优化设计。