基于薄片有限元-无限元耦合模型的地铁列车振动环境影响分析

鉴于地铁运营引发隧道及地层沿线路纵向的振动水平及特性不甚明确,应用薄片有限元-无限元耦合模型对地铁列车运营引发隧道基底、隧道壁及地表在垂直于线路的水平方向、铅垂方向及线路纵向三个方向上的振动响应进行高精度分析及比较。分析结果表明:(1)地铁列车运营引发横向、垂向及纵向三个方向6 Hz以下的低频振动在地表均衰减得极其缓慢,且地表三个方向的振动速度、加速度响应具有相似的频率成分;(2)列车运营引起隧道壁的纵向振动响应在1~100 Hz频段内较小,在该频段内的大部分频率点处,其响应甚至小于地表的纵向振动响应;(3)在隧道基底及隧道壁,由列车运营引发的纵向振动响应在1~100 Hz频段以内显著小于由其引发的垂向振动响应,但在地表,由列车运营引发的纵向振动响应具有同横向、垂向响应相当的量值。

地铁振动预测的周期性有限元-边界元耦合模型

针对地铁列车运行引起的隧道结构和自由场中的振动响应问题,提出了一个在频率-波数域内的三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型,此模型中隧道结构采用有限元法计算,自由场采用边界元法模拟。此模型采用Floquet变换,利用隧道和自由场在隧道轴线方向上的周期性,把无限长的隧道及自由场的网格划分限制在一个基本元内,这样使动力学数值计算的效率大大提高。利用此模型计算了在隧道底板上施加固定单位谐振荷载情况下隧道-自由场相互作用系统的动力响应,结果表明此模型可应用于地铁列车运行引起的隧道和自由场中的动力响应预测。

IGBT瞬态短路失效分析及其有限元热电耦合模型研究

针对传统热网络模型不适用于IGBT短路情况下结温测量的问题,通过现场瞬态短路破坏性试验,在分析现场瞬态短路情况下IGBT失效机理的基础上,界定了IGBT短路失效时的临界能量值,发现了临界能量值在不同初始温度和不同母线电压情况下的演化规律,并建立了有限元热电耦合模型.结果表明,随着直流母线电压、初始温度和电流密度的增加,IGBT的短路维持时间和临界能量值会大幅度减小,而IGBT发生失效的临界温度点与初始温度的大小无关;在短路过程中IGBT失效前热量的传递仅达到焊料层,且短路瞬间其结温最高点分布在耗尽层的边界处.

不同制动工况下地铁车轮踏面磨耗研究

为研究不同制动方式对地铁车轮踏面磨耗的影响规律,联合ANSYS和SIMPACK软件,建立了车轮-闸瓦热机耦合有限元模型和含有柔性轮对的车辆动力学模型,同时考虑不同制动初速度和制动减速度对车轮踏面温度、踏面硬度、踏面与闸瓦间接触应力及制动距离的影响,分析了不同制动方式下车轮-闸瓦磨耗、车轮-钢轨磨耗和踏面总磨耗的变化规律。结果表明:踏面磨耗随着制动初速度的增大而增大;随着制动减速度的增大,车轮-闸瓦磨耗和总磨耗增大,车轮-钢轨磨耗减小;制动时踏面总磨耗主要受车轮-闸瓦磨耗影响。

地铁列车振动环境影响预测的薄片有限元–无限元耦合模型

为了对地铁列车运营引起的环境振动进行高效、高精度的预测,全面考虑列车真实行进过程对环境产生的效应,并假想隧道–地层系统为线路纵向无限个完全相同的薄片结构两两相接所组成的周期结构,其中各薄片结构均由围绕隧道近场的有限单元及可提供良好边界条件的远场无限单元构成。在将环境振动激励力分解为各激励频率轮轨力对应的成分基础上,利用叠加原理及线路纵向任意一薄片结构在单一频率轮轨力激励下存有的周期性边界条件,在频域内将列车引起三维隧道–地层系统振动响应问题的求解转化到在线路纵向一个薄片范围内进行。研究结果表明,提出的模型能有效地对列车运营引起隧道–地层系统在任意方向上的任意振动物理量进行预测,其不仅预测精度高,而且计算速度快、计算能力强;地铁列车运营引起地表在横向、垂向及纵向3个方向上的振动速度及加速度响应具有相似的频率成分及同一量级的时域最大振幅。

不同起爆条件下双钢壁LNG储罐抗爆性能分析

由于双钢壁储罐具有建造周期短、投资小等优点,在LNG储存中应用越来越广泛,但其易在外罐受到外部冲击时引发内罐的破坏。为了分析储罐在不同外爆载荷条件下的破坏行为,以双钢壁LNG储罐为研究对象,考虑内、外罐及保冷材料之间的载荷传递与相互作用,建立了外罐-保冷材料-内罐多介质的多相耦合有限元模型,并对多影响因素下储罐在外爆载荷作用下的破坏进行了分析,探究其抗爆性能。结果表明:在外爆载荷作用下,内、外罐从迎爆面中心向内凹陷直至发生破坏,最大应力均在迎爆面中心,且越靠近中心应力值越大;内、外罐材料均先达到屈服强度后发生塑性变形,随后达到失效应变值并发生破坏;与外罐相比,内罐发生破坏的时间晚42.9%,变形范围和破坏范围分别小12.3%、6.7%;储罐的抗爆性能随着储存液位的升高和罐体容积的增大而增强,随着起爆位置从罐壁中心向上、下两侧移动而提高,在罐壁中心起爆时储罐的破坏程度最大。该研究成果可为双钢壁LNG储罐的设计和储存液位的控制等方面提供理论参考依据。

流体激励下泵喷推进器声振耦合响应数值分析

泵喷推进器由导管、转子和定子组成,它具有推进效率高的优势,但其在流体的作用下也易产生剧烈的结构振动并辐射噪声,削弱水下舰船的声隐身性能。为了解流体激励下泵喷推进器的动态特性,首先通过基于大涡模拟的计算流体力学(CFD)仿真计算,得到推进器的非稳态流场,提取泵喷推进器关键结构表面的脉动压力,并将此流体载荷作为推进器声振耦合分析的激励源;然后,建立泵喷推进器水下结构声振耦合系统的有限元/边界元模型,分析流体激励下结构的振动位移响应和辐射声场分布;最后,讨论不同进速系数对于泵喷推进器水动力性能和声振耦合响应的影响。仿真分析的结果可以为典型结构泵喷推进器的减振降噪设计提供一定的依据。

基于无网格——有限元耦合方法的快速超薄铸轧辊变形计算

铸轧辊与板坯之间的接触行为是一个涉及几何非线性、材料非线性以及边界条件非线性等三重非线性的复杂过程,由于板坯变形剧烈,若应用有限元模拟,使得有限元网格发生畸变。针对计算快速超薄铸轧辊变形的关键问题———铸轧辊与板坯之间的接触行为,为克服有限元对板坯进行网格划分和重划的不便,用无网格———有限元耦合方法建立其计算模型,并应用此模型得到轧制力和快速超薄铸轧辊变形曲线,计算所得结果与现场测试数据吻合较好,也为铸轧辊设计、制造、板形控制等提供了可靠依据。

弯曲复合材料层合板雷击损伤影响分析

复合材料已在民航客机上得到广泛的应用,但由于导电性、导热性较低等原因,致使在雷击附着后出现较大范围的烧蚀损伤,威胁民航客机的运行安全。为了能够更安全地让复合材料应用于民航客机上,研究民机常用弯曲复合材料雷击防护特性,建立弯曲复合材料雷击损伤电热耦合有限元模型,并研究不同因素对弯曲层合板雷击损伤性能影响。结果表明,弯曲层合板相比于未弯曲的层合板,由于热导率的影响,致使其在50 kA峰值雷击电流作用下,烧蚀面积增加了1.5倍,深度扩大至第六层,最小层的损伤面积增加了10.67倍;此外,雷击电流峰值、弯曲角度对雷击损伤结果影响较大,而长宽比、纤维铺层方向、厚度由于弯曲层合板电势、热导率的影响致使其影响程度较小,此与未弯曲层合板的雷击影响因素影响特点具有较大的差异性。

短应力线轧机辊颈过渡曲线形状优化研究

为了提高轧辊的承载能力和辊系结构的紧凑性,提出了对辊颈双圆弧锥面过渡曲线的优化设计方法。利用材料力学、奇异函数与拉普拉斯变换相结合的方法,建立过渡曲线的优化数学模型。结合750轧机基本尺寸要求,利用优化数学模型获得最优的过渡曲线,并根据短应力线轧机实际轧制过程和轧制理论建立优化后辊系的有限元耦合模型,模拟计算轧辊的工作压力分布和弯曲变形情况。结果表明,优化后轧辊的最大应力减少了15%,最大变形减少了10.8%,因此,轧辊优化设计的方法为降低轧辊弯曲应力和提高整体刚度提供了理论依据。

轨道不平顺波长对桥上CRTS Ⅱ型板式轨道振动特性的影响

轨道不平顺的波长、幅值不同,对车辆—轨道动力响应所起的激扰作用也不同。高速客运专线行车速度高,在严格实行轨道不平顺幅值管理与均值管理基础上,必须考虑轨道不平顺波长对车-轨-桥动力性能的影响,其中轨道不平顺幅值控制较为容易,但波长控制相对更为复杂。基于此,本文利用车辆-轨道-桥梁耦合振动有限元分析模型,以德国高速低干扰轨道不平顺样本作为轨道不平顺激励模型,分析轨道不平顺波长对我国高速客运专线高架轨道结构振动的影响规律。研究结果表明:轨道不平顺对轮轨力的影响不仅体现在幅值上,轨道不平顺的波长分布特性也是影响轮轨相互作用的主要因素之一。轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度、桥梁振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;减少轨道不平顺中1 m左右的短波长成分是降低轮轨力、控制轨道结构振动响应的有效手段;钢轨振动加速度级、轨道板振动加速度级、桥梁振动加速度级受轨道不平顺短波长成分影响也较大。

台上水体对水下振动台反力基础动力响应的影响

水下振动台是振动台型式的一种改进,即在传统振动台系统上增建台上水池系统,反力基础仍是水下振动台系统中的重要组成部分。为研究水池系统对振动台反力基础动力响应的影响,针对河海大学水下振动台的反力基础设计方案,采用有限元动力时程法,对比分析有水、无水工况各反力基础设计方案下的动力响应,并对反力基础周边隔振措施的有效性进行分析。结果表明,台上水体会略微增大反力基础的动力响应;反力基础周围设置隔振带可有效降低反力基础外围地面的加速度响应。研究成果可为水下振动台反力基础设计提供参考。

车型及编组对地铁运营诱发环境振动的影响研究

为了探明车型及编组对地铁环境振动的影响及水平,应用薄片有限元-无限元耦合模型及周期性车轨动力耦合模型对常用地铁车型及编组组合方式下列车运营诱发的环境振动进行综合分析及比较。分析结果表明:①不同车型及编组地铁列车诱发环境振动的时程、频谱、1/3倍频程谱及地表Z振级衰减曲线具有类似的趋势,但相应量值有所差别;②地铁车型及编组对5 Hz以下的低频环境振动有较大影响;③当保持其他因素不变,将6节编组列车扩展为8节编组列车,或将动拖车组合编组改变为全动车编组,抑或选用A型车(相较于选用B型车)为运营车辆,都会造成地表Z振级产生多达约1.5 dB的增加;④车型及编组的不同组合对地表Z振级的影响最大可达3.2 dB。

超高强钢板U形件热冲压工艺对相变的影响

构建多物理场动态耦合的R1500HS超高强度钢热冲压有限元模型,结合热冲压实验验证以及硬度的测试分析对热冲压工件进行研究。结果表明,最终零件的微观组织主要为马氏体,其硬度分布与马氏体相同,热-力-相耦合的有限元模型可以有效的预测热冲压件的微观组织。

脉冲涡流检测中系统冲激响应的快速计算

应用涡流无损检测中积分方程法的理想裂缝模型以及有限元-边界元耦合法,在频域中研究了平板导体中含有理想裂缝时,其上方的磁场分布。两种不同频域方法的一致结果,证明了理想裂缝模型解的正确性。结合快速傅里叶变换方法,研究了含有裂缝的导体板上方不同检测点处的磁场单位冲激响应,计算实例表明,理想裂缝模型与快速傅里叶变换相结合是一种求解磁场时域冲激响应的快速有效方法。单位冲激响应的获得,为在时域中有效提取裂缝特征参数以及用脉冲涡流检测法识别缺陷奠定了基础。

单层索网点式玻璃幕墙中玻璃面板的受力分析

在单层索网点式玻璃幕墙中，由于柔性索网的影响，玻璃面板的支承点产生不均匀的强迫位移，相应规范的计算理论已不再适宜。通过对单层索网点式玻璃幕墙中玻璃面板的计算方法进行探讨，建立了考虑索网影响的有限元耦合模型。与现行计算理论的比较表明，支承索网对玻璃面板的影响不能忽略。

不同型式地铁隔振沟墙隔振性能研究

为了探明不同型式地铁隔振沟墙的隔振性能,本文采用薄片有限元-无限元耦合模型及周期性车轨动力耦合模型对隔振空沟、隔振沟填充泡沫塑料、地下混凝土连续墙三种隔振屏障应用于地铁振动防治上的效果进行了分析。①空沟隔振屏障能在屏障背后较为宽泛的地表范围内对频率5Hz以上的振动响应进行有效隔离,其在屏障背后较近位置处对16～100Hz频段振动的减振量可达16～25 dB;②隔振沟填充泡沫塑料隔振屏障对频率10Hz以上的振动响应具有较好的减隔振效果,其在屏障背后较近位置处对16～100Hz频段振动的减振量可达3～14dB;③地下混凝土连续墙对墙后较近距离内地表在5～25Hz频段的振动响应有较好的减隔振效果,其减振量可达3～12 dB.但对距连续墙较远位置的地表振动无显著减隔振效果。

过热度、传热系数以及高斯分布参数对Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机CA-有限元FE耦合模型),借助Procast软件对水冷铜模浇铸条件下合金的三维微观组织结构进行模拟,模拟结果与实验结果一致。此外,研究了工艺参数(过热度和传热系数)以及高斯分布参数(平均过冷度、成核密度和过冷度标准方差)对合金凝固组织的影响。模拟结果表明,随着过热度的增大,柱状晶比例逐渐增大,细小柱状晶的晶粒尺寸变大,且CET(柱状晶向等轴晶转变)转化位置向合金铸件内部推移。水冷条件下(传热系数h=5000W/(m^2·K)),Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织几乎全为柱状晶,而且晶粒粗大。空冷条件下(传热系数h=2000W/(m2·K)),柱状晶区缩小,等轴晶区占主要部分。缓冷条件下(传热系数h=10W/(m2·K)),铸件的凝固组织几乎全为等轴晶。此外,平均过冷度越高,柱状枝晶区域越大。最大成核密度越大,晶粒尺寸越小。随着标准偏差增大,晶粒分布更加离散化,且晶粒尺寸分布更加均匀。

特高压变压器直流偏磁对绕组电流的影响

为了快速而准确地分析特高压变压器负载下直流偏磁对各绕组电流的影响,基于棱边有限元法建立特高压变压器的时域场路耦合模型,在磁场模型中根据能量扰动原理,通过能量增量计算动态电感,在电路模型中利用动态电感参数建立瞬态电路偏微分方程模型并应用四阶龙格库塔法进行求解。针对特高压变压器大电感、小电阻带来的极为漫长的过渡过程以及直流偏磁计算易被忽略的难点,通过在电路模型中增加串联电阻,使达到稳态的时间大大缩短,并通过电压迭代补偿,有效消除串联电阻值导致的计算偏差,计算特高压变压器负载运行时受直流偏磁影响下的励磁电流与各绕组电流,并分析不同直流偏置电流对特高压变压器各绕组电流的影响。通过搭建与特高压变压器相同的铁心结构以及高、中、低压侧具备相同绕组匝数比和容量关系的缩比模型直流偏磁试验平台,验证了该文所提模型的正确性。

矩形断面盾构隧道在火灾高温作用下的力学性能研究

矩形断面盾构隧道以其显著的空间利用优势得到了越来越多的应用与推广,但其特殊的断面型式也导致了衬砌结构内力的不合理分布,往往需要专门设计承载力较高的复合管片及接头构型,而且一旦在矩形断面盾构隧道中发生升温速率快、峰值温度高的大型火灾,以复合管片为基本单元的衬砌结构在火灾高温作用下极易劣化,严重威胁结构安全。文章以上海市某大断面矩形盾构隧道为工程背景,基于不同量级的火灾温升曲线建立了相应的热-力耦合有限元模型,讨论了衬砌结构的温度场、位移场及应力场分布。研究表明,导致矩形盾构隧道不满足正常使用极限状态的温度量级在Tem400左右;而导致结构不能继续承载的温度量级在Tem600左右。