基于有限元方法的法医损伤可视化分析与应用探索

法医损伤分析在法医学领域具有重要意义,但损伤形成过程的复杂性和个体差异使损伤分析对专业性要求极高。有限元方法(finite element method, FEM)以其广泛的适用性、可控的精确度和高效的计算能力,结合可视化,在法庭科学领域展现出巨大的应用潜力。本文通过文献分析,介绍FEM的基本原理,探讨其在交通事故、枪击、工具致伤、高坠损伤分析中的应用情况,通过分析各应用场景与碰撞部位的模拟参数、模拟结果及研究侧重,评估FEM在法医损伤分析上的可行性、局限性,为法医损伤分析提供参考和技术途径。

基于有限元法(FEM)的Zr-4合金管材酸洗氟残留的研究

在常规锆合金管材酸洗工艺参数下,研究了Zr-4合金管材在酸洗过程中内径尺寸、取样位置、冲水温度以及缺陷深度对氟残留的影响规律,并利用有限元法(FEM)对实验结果进行了理论分析。结果表明:随着Zr-4合金管材内径的增大,管材内表面的氟残留逐渐增大;Zr-4合金管材头部、中部及尾部的氟残留基本保持一致;随着冲水温度的升高,Zr-4合金管材内表面氟残留降低;Zr-4合金管材的缺陷深度与氟残留无明显的对应关系。

基于离散元与有限元耦合的料斗衬板磨损分析

针对转运系统转载物料过程中料斗衬板的磨损影响运输效率的问题,改用新型钢基陶瓷复合衬板来代替传统耐磨钢,采用离散元法(distinct element method,DEM)描述颗粒物料运动过程,通过Archard磨损模型分析预测不同工况条件下衬板磨损规律,并通过磨损规律和磨损特征验证了磨损模型的合理性。基于DEM的有限元法(finite element method,FEM)耦合方法分析了衬板应力与变形特性。研究结果表明:料斗衬板的最大磨损深度随颗粒度增大而减小,随传送带带速、衬板安装高度、衬板安装倾角的增大而增大。结合实际来看,衬板在粒径25mm、带速2.8m/s、高度3000mm、角度60°的工况下磨损最小。铁矿石散料对衬板的摩擦和冲击作用造成的应力较大的位置主要集中在衬板连接的螺栓孔周围,磨损最严重的位置多为颗粒与衬板优先接触区域,因此,为了降低应力集中,应该在衬板连接处加强螺栓孔的强度并进行圆角设计。

基于有限元方法的山地输电杆塔接地特性分析

为深入研究山地输电杆塔的接地特性,运用有限元方法对杆塔基础、接地体、土壤介质建模,分析不同接地参数、不同环境工况下的接地特性。结果表明:土壤电阻率和接地体长度对接地电阻有较大影响;接地体所处的土壤环境对接地电阻有较大影响,可考虑在接地体周边实施降阻措施;高频条件下,随着导体阻抗增大,高频电流沿导体传播难度增大,电流更易从电流注入点附近散流,工程中可考虑在电流入地点附近实施降阻措施。本文研究可为实际工程中地表电位测算和防雷、降阻设计提供参考。

500kV架空输电线路覆冰失效有限元仿真分析

高压架空输电线路覆冰倒塔是近几年来影响我国电力系统安全稳定运行的重要因素之一。基于有限元法(FEM)分析软件ANSYS,考虑杆塔和导、地线之间的铰接耦合作用,研究了塔-线体系的力学数值分析模型的建模方法。针对具体线路覆冰微气候区,建立了2个耐张段的塔-线系统整体仿真模型,分析了不同覆冰厚度、风向以及风速作用下,塔线系统的失效情况。针对杆塔结构薄弱点,提出了相应的改造措施,并通过数值仿真进行了校核。数值分析结果同线路实际运行情况相符,可用于架空输电线路覆冰可靠性分析和线路改造措施效果评估。

三维有限元法在局部穿管直埋电缆温度场和载流量计算中的应用

保护管改变了局部穿管直埋电缆的温度场分布,且保护管部分往往是全线最热点,影响了电缆的载流量。保护管内壁和电缆外壁间包含了1个空气层,空气层内的传热是自然对流、热传导和电缆外表面和保护管内壁间热辐射的多种传热方式的耦合过程,且保护管外和电缆本体又属于固体传热,因此,局部穿管线路的散热是1个流固耦合的过程。为此,电缆本体和保护管外土壤可用热传导方程描述,保护管内空气层的传热需要求解流体的动量方程、能量方程和连续性方程,流体和固体间可以通过边界条件连续性利用迭代法求解。采用三维有限元和涡量-流函数耦合求解了上述流固耦合散热过程,从而求得局部穿管直埋电缆的温度场分布,找出其中的最热点,并利用迭代的方法计算出电缆的载流量。计算实例表明,局部穿管电缆的载流量比全程直埋电缆的载流量要低。

采用有限元和粒子群算法优化特高压复合绝缘子均压环结构

交流1 000kV同塔单回输电线路中采用的是V串和I串复合绝缘子,其分裂导线、连接金具和均压环等结构较为复杂,电场强度较高,易发生电晕,因此需对均压环结构进行优化研究。运用有限元分析软件ANSYS建立3维模型进行电场计算,同时采用ANSYS参数化编程语言(ANSYS parametric design language,APDL)实现了粒子群(particle swarm optimization,PSO)算法。对因模型结构复杂导致的计算量增加问题,运用ANSYS中的Submodeling技术有效减少了计算量,且能达到较高精度。研究结果表明:V串均压环的最大场强比I串约高出13.9%,V串绝缘子沿面最大场强比I串高出约29.2%,且结合有限元法(finite element method,FEM)与PSO算法,在ANSYS计算环境下能较好实现V串和I串复合绝缘子均压环结构的多参数优化。研究成果可使均压环和绝缘子沿面最大场强满足控制要求,挂网运行后未出现电晕。此方法能较好解决大场域、多介质复杂模型的结构优化问题,对粒子群智能算法在绝缘结构优化设计领域的研究具有参考价值。

钢框架改进型梁柱节点滞回性能有限元分析

目的研究梁端局部削弱对节点延性的改善.方法结合改进型梁柱节点试验,采用高效准确的有限元模型对节点受力性能进行模拟,并对单元选取,螺栓受力行为、材料本构等方面进行详细研究.结果节点弹性刚度、承载力以及滞回性能有限元分析结果与试验吻合良好;标准型节点、狗骨头型节点、焊接孔扩大I型节点、焊接孔扩大II型节点4种类型节点有限元计算延性以及耗能能力均较好.工程中为保证节点延性,应保证焊接质量,减少焊接缺陷.结论不同的节点构造型式对节点的受力性能影响较大,其中焊接孔扩大II型节点改变了节点的破坏模式,改善了节点的延性,并且节点的承载力也没有明显的降低.

Corti器动力学行为的二维有限元分析

通过豚鼠耳蜗底转Corti器的组织切片图像提供的结构原型,在对其形态结构做了必要、合理的简化和假设后,再现其组织结构及相互关系,采用通用有限元计算软件ABAQUS建立可以进行可视化数值模拟的二维有限元力学模型,对淋巴液波动所引起Corti器的动力响应进行了初步的数值模拟。本研究有助于进一步认识生理状态下Corti器的动力学行为,为内耳感音机理的研究提供理论基础。

利用有限元法计算径向磁轴承性能

利用非线性有限元方法(FEM)计算了一种径向磁轴承(定子具有8磁极常规结构)的转子在无偏心以及偏置电流分别为0.5A、1.0A和1.5A下的电磁力及其电流刚度与位置刚度,预测了径向磁轴承的承载力,给出了其磁场分布图,并与磁轴承的线性化模型参数进行了比较.结果表明,基于有限元方法得到的计算值同试验结果一致,可以为径向磁轴承的设计和分析提供依据.

平头压痕试验结合有限元法确定材料蠕变参数

对LY12CZ材料进行了压痕蠕变和单轴拉伸蠕变试验。通过有限元方法,对压痕蠕变试验进行了模拟。通过压痕蠕变试验结合有限元的方法,确定了材料的蠕变参数,其中应力指数n'mI=nI=4.894,蠕变常数c'mI=5.780×10-19s-1MPan。从以上的研究中发现,由单轴蠕变试验(nm和cm)和压痕蠕变试验结合有限元(n'mI和c'mI)分别得出的蠕变参数是一致的,而且最重要的是压痕蠕变指数与材料的蠕变指数是相等的,nm=nI。

大规模工程涡流场有限元计算的困境与展望

精确计算涡流场分布及其在导电材料中产生的损耗,对于电工设备的优化设计与安全运行至关重要。在现阶段,特大型电机、变压器等电工设备中的三维工程涡流场有限元分析存在计算规模大、计算时间长和计算精度不能满足工程精度要求的问题。该文主要从计算方法的层面分析这类问题的研究现状和关键难点,介绍诸如叠片铁心材料特性的传统和改进型均匀化模型、子问题扰动有限元法、区域分解法、单元级别的并行有限元法等针对上述问题的研究对策,分析不同方法的优点和局限性,并提出对今后进一步研究策略的建议,作为快速、高效地实现三维工程涡流场大规模计算任务的参考。

基于有限元的整船结构多学科设计优化

目前在同时考虑舰船水动力性能和结构性能的多学科设计优化模型中,水动力性能和结构性能的预报通常只能采用精度较低的经验公式。为了提高多学科设计优化模型的计算精度,必须要实现的技术就是将舰船水动力性能预报依赖于CFD的分析和将结构性能预报依赖于有限元的分析。重点研究了在多学科设计优化框架中集成有限元软件进行结构优化的技术。首先以一个简单的耐压圆柱壳为例子,介绍了iSIGHT调用Ansys进行包括参数化建模在内的结构优化的流程。然后对某船的整船有限元分析模型进行了整船结构优化研究。由于该船的整船结构有限元模型包含202个板和梁的属性,优化模型的设计变量很多,超出了目前很多优化算法的使用范围。在经过了多种优化算法的比较后,最终得到了优化解,实现了基于有限元的整船结构多学科设计优化。

基于向量式有限元的深水顶张力立管动力响应分析

向量式有限元法亦称有限质点法是以向量式力学与数值计算为基础的一种结构行为分析的创新性方法。该方法将结构离散为一系列质点的集合,质点间采用单元连接,单元没有质量,只承受内力,质点的运动则直接采用牛顿第二定律来表达,采用中央差分的显式积分法求解质点群各时刻运动方程。首次将该方法应用于顶张力立管的动力行为分析中,采用平面弯曲杆件元模拟质点间的相互作用力,推导了立管质点运动公式,编制相应Matlab求解程序,计算了立管在海流、波浪作用下的动力响应特性并与基于传统有限元法的结果进行了对比分析,表明该方法在立管行为分析中的正确和有效性,并指出了该方法在处理其它立管形式行为分析中的优势。

有限元和有限体积法结合的油浸式变压器温度场计算方法

油浸式电力变压器是电网中的重要设备。为了准确得到油浸变压器的温度场,文章经过对比有限元和有限体积法的各自优点,提出了一种新的变压器温度场分布的混合计算方法;以一台110 kV/31.5 MVA变压器为例建立立体模型,并利用有限元和有限体积混合方法,得到变压器的温度场分布结果。通过对比运行监测到的变压器顶层油温数据和混合方法得到的计算结果,结果表明,混合计算方法的计算结果与监测数据的平均误差只有1.6℃,证明了这种计算方法能更准确计算油浸式变压器的温度场。

采用实体模型的厚管板的有限元分析

应用ANSYS通用有限元分析软件,对某换热器建立了考虑管箱、部分壳体和换热管影响的管板有限元实体模型,进行了温度场分析,得出了管板上温度场的分布规律。同时按照JB4732—1995《钢制压力容器———分析设计标准》分析了管板在开工、正常操作和停工过程中可能出现的共计7种瞬态和稳态操作工况中的应力和变形状况,并进行了应力评定,找出了危险工况和该管板强度的控制因素。分析表明,有限元分析法是分析管板的有效方法,适用于各种管板特别是多管程或多壳程换热器管板的设计和结构优化。

高压给水加热器厚管板的有限元分析(一)——考虑管箱、壳体和换热管影响的管板有限元实体模型的建立及稳态温度场分析

应用ANSYS通用有限元分析软件 ,对某大型电站 6 0 0MW锅炉高压给水加热器的管板建立了考虑管箱、壳体和换热管影响的管板有限元实体模型 ,分析了管板的温度场分布 ,得出了管板上温度的分布规律 :在管板的布管区 ,管板的大部分厚度上温度接近流经该处换热管时的管程流体温度 。

三维编织复合材料矩形梁与T型梁准静态弯曲实验及有限元分析

采用MTS 810.23型材料试验机,研究三维编织复合材料矩形梁与T型梁的准静态三点弯曲行为,分析得到两种梁的破坏失效机理存在一定差异,矩形梁在实验中位移达到最大而最终失效,T型梁在实验中筋高产生纤维断裂而最终失效.实验表明筋高可显著增强梁抗弯刚度.依据三维编织复合材料细观结构建立单胞模型,运用ABAQUS有限元软件与用户子程序交互作用,进一步分析在准静态三点弯曲实验过程中材料的应力分布情况,揭示材料破坏机理和最终失效模式的缘由.有限元分析所得结果与实验结果具有较好的一致性,说明所使用的有限元分析法有效,可以用于进一步研究三维编织复合材料的力学性能.

异种材料淬火过程的有限元模拟

钛合金扩散焊接轴承钢材料由于含有钒、铜、镍中间层,在淬火过程中容易从多层材料界面处开裂。因此利用纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量,然后采用ANSYS有限元软件对淬火中钛合金焊接轴承钢材料进行了有限元（FEM）模拟,根据得到的温度场以及应力场分布,找出了容易诱发界面处产生裂纹的原因。模拟表明淬火初期由于整体材料发生收缩而引起整体热应力的增加,淬火后期由于轴承钢发生马氏体相变,轴承钢体积开始膨胀,组织应力相应增加,抵消了一部分热应力的值,最终部件的残余应力是这两种应力共同作用的结果。高的淬火温度,增加了淬火过程中试件内部的应力值,容易引起过渡层处产生微裂纹从而导致局部开裂,因此,合适的淬火温度应取在830-860℃范围内且尽可能取偏其下限。

基于MeshPy的3DGIS与三维有限元数值计算无缝耦合方法

3DGIS与有限元数值计算耦合方法及其系统开发,是目前GIS与岩土工程交叉学科的重要研究内容。通过对MeshPy、GRASSGIS、vtk Python以及Scipy等多个开源库的探索与编程实践,以Python为"黏合剂",构建了GIS与三维有限元数值计算无缝耦合的平台框架。在满足几何形状、Delaunay特性、角度、面积以及体积等约束条件下,通过MeshPy包含的Triangle与TetGen库获得能用于有限元数值计算的三角形与四面体网格,并阐述了限定Delaunay三角化(CDT)节点插入算法与四面体网格质量控制方法。以排土场为例,针对CDT网格建立的地表模型,结合vtkPython封装的模块与算法,提出了根据节点分布位置综合采用线性与三角形重心坐标的插值方法,有效消除了其他插值手段导致的部分地表高程畸变的现象。借助Scipy提供的矩阵运算模块,开发了邓肯-张E-?模型,给出了采用中点增量法进行非线性求解的算法,并通过对室内大型三轴剪切试验的数值模拟验证了程序的正确性。最后,对准东露天煤矿北部排土场堆排过程开展三维有限元数值计算,结合GRASSGIS对排弃物料高度与厚度空间分布规律的分析结果,对排土场边坡位移变化规律进行初步研究,结果表明,排土场垂直位移与排弃料高度及厚度相关,而最大水平位移则出现在各台阶坡体边缘位置,与实际情况一致。