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。

拱形重力坝应力变形三维有限元分析

为复核已建工程拱形重力坝应力变形分布特性是否满足规范要求,文中采用三维有限元数值分析计算方法,建立实体计算模型,分别对在正常蓄水位、死水位、校核洪水位等工况下,进行坝体应力变形分析计算。计算结果表明:坝体应力变形符合有限元分析一般规律,应力变形计算值均在规范允许范围内。计算分析成果,可为漾头水电站大坝安全稳定提供有效理论支撑依据,也可为类似工程中低拱形重力坝应力变形分析计算提供参考,对提升拱形重力坝设计及指导相关工程实践具有理论与现实双重意义。

岔河水库大坝应力变形有限元分析

为探索岔河水库大坝在施工期和蓄水期内最大应力变形值及位置,以邓肯-张非线性弹性模型为水库大坝筑坝料应力应变关系模型,构建起坝体有限元网格模型,通过对两种工况下应力等值线模拟结果的分析,确定出岔河水库坝体及黏土心墙施工期及蓄水期应力变形程度,明确坝体最大应力变形值及具体位置,为大坝施工监控及后期运行监测提供依据。

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。

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。

隧道顶板和侧墙受力与变形的有限元分析

隧道侧墙和顶板的受力变形容易导致其产生裂缝和漏洞,从而给隧道安全运营带来了极大的威胁。以苏州漕湖大道准快速化工程中隧道工程为例,利用有限元软件计算顶板及侧墙变形,并对侧向土压力系数、埋深、上部荷载、弹性模量等主要影响因素进行了分析。结果表明,隧道的顶板和侧墙的最大应力和变形与外部荷载呈正相关;隧道侧墙底部出现应力集中,顶部出现最大变形,当埋深为10 m,弹性模量为30 GPa时,二者分别为15.66 MPa和5.24 mm;顶板的最大变形和最大位移均发生在顶板中部,当弹性模量为30 GPa时,上部仅受埋深10 m的土压力时,顶板的最大应力和最大变形量分别为24.19 MPa和21.51 mm,其变形量较大,需要考虑提高配筋率以提升抗拉强度;隧道侧墙和顶板的应力分布和大小不随弹性模量变化,但弹性模量增加能有效降低其变形,其大小与最大变形成反比。可为隧道顶板和侧墙的受力变形研究提供数据和参考。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于下卧隧道结构变形的有限元分析

为了研究基坑施工对下卧隧道结构变形的影响,本文以地铁5号线地下商业区项目为例,利用有限元三维模型,通过介绍施工顺序和分块施工的模拟结果,分析了两者对隧道结构变形的影响,研究结果表明:随着基坑分块尺寸的增大,隧道结构水平呈先减小后增大的趋势变形;当隧道两侧基坑同时施工有利于控制隧道结构的变形。

安装缆绳对板锚旋转特性影响的大变形有限元分析

为了分析安装缆绳对吸力嵌入式板锚旋转特性的影响,基于大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日法,通过用户子程序VUAMP引入缆绳方程,建立板锚-缆绳-海床土三者耦合作用的有限元模型。分析模型土体网格尺寸、摩擦系数和缆绳子程序参数等,确定参数取值,并进行对比验证模型的可行性。在考虑安装缆绳的影响下,分析安装角、偏心比、土体强度和缆绳方程参数等对板锚旋转特性的影响。结果表明:安装角越大,板锚埋深损失越大,板锚的最终方位角越小,且最终方位角与安装角互余;随着偏心比的增大,板锚的埋深损失在减小;偏心比一定时,板锚的埋深损失随着安装角的增大而线性增大;随着土体强度的增大,板锚的埋深损失逐渐增大;当安装角为15°~45°时,板锚埋深损失随着缆绳方程参数增大而增大;安装角大于45°,板锚埋深损失不受缆绳方程参数的影响;安装角不变的情况下,锚板最终方位角随着缆绳方程参数的增大而逐渐减小。研究成果可为海洋系泊系统的发展提供参考。

爆破作业下近接既有地铁结构振动与变形有限元分析

针对爆破作业对近接地铁的影响问题,以广州市新建地铁站为例,利用有限元分析法对爆破工况下的既有地铁变形及振动情况进行了分析。结果显示,基坑支护结构和地铁结构的模拟位移与实际位移误差均不超过7%,各断面的振动速度均在0.03 s左右达到最大,并且模拟振动速度与实际振动速度的误差不超过6%。模拟结果与实际值吻合度较高,可知浅孔台阶爆破作业方式对既有地铁的变形和振动影响较小。