胫骨内侧应力在跑步运动过程中的计算机仿真分析

背景:内侧胫骨应力综合征是困扰跑步者的一种常见的下肢慢性损伤,其损伤机制可能与“肌肉牵引”假说有关,然而这种假说还没有得到完全的证实。目的:使用肌骨仿真系统和有限元分析等方法,考察比目鱼肌、胫骨后肌、趾长屈肌在跑步过程中的收缩特征是否与跑步时胫骨内侧缘的应力水平存在相关性,从而影响内侧胫骨应力综合征的发生与发展。方法:将6名受试者不同速度跑步时的动作捕捉数据输入Anybody Modeling System骨肌仿真系统,对2.5,3.5,4.5 m/s三种跑步速度情况下的步态支撑期进行逆动力学仿真,将仿真得到的边界条件与有限元模型结合,考察胫骨内侧的应力分布情况。使用偏最小二乘回归方法分析自变量(肌力、弹性势能)与因变量(胫骨应力)之间的相关性。结果与结论:①胫骨应力水平在支撑期(1%-50%)存在速度间的统计学差异(P=0.044,F=3.834,η_(p)^(2)=0.040);②3种速度下,比目鱼肌的肌力与胫骨应力之间的平均相关性最高(r=12.999),其次胫骨后肌肌力与胫骨应力的平均相关性排名第二(r=-10.735),然后依次是趾长屈肌肌力(r=-9.751),胫骨后肌弹性势能(r=8.012),比目鱼肌弹性势能(r=9.076),趾长屈肌弹性势能(r=-4.782);③结果表明,跑步速度的增加,胫骨应力水平随之上升;比目鱼肌的收缩及吸收的弹性势能在跑步过程中的释放对于内侧胫骨应力综合征的发展将产生不可忽略的影响,而胫骨后肌和趾长屈肌的作用被高估了;综合来看,研究支持了“肌肉牵引”假说中比目鱼肌的收缩对内侧胫骨应力综合征发展发挥作用的推论。

微型反应堆高速撞击下核临界安全的初步分析

微型反应堆可作为月球表面动力、航天器动力等用于太空探索,反应堆发射前需要对发射事故的影响进行安全分析。反应堆高空坠落并撞击到混凝土是主要的临界安全分析场景,高速撞击后反应堆可能重返临界。本文以两种简化的反应堆模型高速撞击场景为例,利用连续介质力学有限元程序ABAQUS与粒子输运蒙特卡罗程序耦合,完成了纯燃料堆芯垂直撞击地面和带径向反射层和屏蔽层圆柱堆30°倾角撞击地面的模拟,预测了两种场景反应堆高速撞击下keff随时间变化的物理特性。结果表明:纯燃料反应堆垂直撞击地面的keff增加最高可达1000×10^(-5),而具有反射层和屏蔽层反应堆30°倾角撞击地面的keff增加最高为200×10^(-5)。均匀密度变化条件下,采用表面非结构网格与内部非结构网格的蒙卡程序的计算结果符合较好,内部非结构网格能够更真实地捕捉材料的非均匀密度变化效应。本文的研究为微型反应堆高速撞击下的临界安全研究奠定了重要基础。

深部煤层近井激光热裂机理及工艺参数优化

中国深部煤层气资源丰富,是煤层气进一步开发的重要领域,但深部煤层气地质条件复杂,具有低孔、超低渗特征。在钻井过程中,钻井液进入储层易造成近井污染,常规水力压裂技术趋于在最大水平主应力方向造缝,全井眼的解堵困难。激光热裂技术具有短时间破裂岩石、同时通过机械设备调控能自由改变激光照射角度,形成径向裂缝、解决近井污染等优势。使用ABAQUS有限元软件,建立激光热裂煤层模型,探讨激光热裂机理及激光工艺参数的影响。分析裂缝长度与数量的变化规律,优选出解决现场近井污染区域的最佳激光参数。结果表明:(1)激光照射热裂煤层是使煤层表面存在温差而产生热应力导致煤层破裂。(2)裂缝数量与激光功率、激光照射煤层的时间呈正相关,激光功率由400 W增大到1000 W时,裂缝数量由10条增加到37条;激光功率600 W时,照射时间由1 s增至15 s,裂缝数量由24条增至36条;裂缝数量与激光频率呈负相关,随着激光照射煤层距离增大先增大后减小,照射距离为10 cm时产生裂缝数量最多。(3)裂缝长度与激光功率、照射煤层时间以及激光频率呈正相关,与照射煤层距离呈负相关,其中激光照射时间影响最明显,照射时间1 s时裂缝长度为1.52 mm,照射时间增加到5 s时裂缝长度激增为57.6 mm。以陕西韩城深部取心样品为例,激光热裂深部煤层2 m范围内的近井污染最佳激光功率为20 kW,最佳激光照射时间为2280 s。相较于水力压裂,激光热裂煤层能形成更加复杂的裂缝,但形成的裂缝长度较小,实际应用中,建议将水力压裂技术与激光热裂技术相结合,以实现解堵和增渗的目的。

框类薄壁件装夹布局与加工参数研究

针对航空隔框类薄壁件在铣削加工中极易产生变形等问题,通过有限元软件ABAQUS研究了铣削过程中装夹布局和铣削参数对薄壁件加工变形量的影响。首先根据装夹有限元模型,分析装夹位置和夹紧顺序对薄壁件变形量的影响,并在装夹仿真的基础上建立了铣削加工模型,设计正交试验得到不同铣削加工参数下薄壁件的变形量;其次以仿真数据为样本,使用BP神经网络和遗传算法对装夹布局和铣削参数进行优化;最后对优化结果进行实验验证,结果显示仿真与实验数据比较符合,最小偏差为4.38%,最大偏差为9.35%。研究结果表明:通过有限元仿真试验辅助选取薄壁件的铣削加工参数,能充分地提高航空薄壁件的加工质量。

钛合金材料超声滚压加工的仿真分析与实验研究

采用普通滚压加工工艺对钛合金材料进行加工时,存在因低频冲击造成的工件残余应力分布不均匀和表面硬度低等问题,为此,开展了钛合金材料超声振动滚压工艺仿真及实验研究。首先,从理论层面分析了超声滚压加工的运动学及动力学特性,找出了影响超声滚压加工性能的相关因素;然后,采用ABAQUS有限元软件建立了钛合金材料的仿真模型,分析了超声滚压对残余应力的影响及强化机理;最后,设计了钛合金工件的超声滚压实验,研究了不同参数指标对工件加工质量的影响,并根据实验结果对仿真模型和残余应力结果进行了验证。研究结果表明:随着静载荷和超声振幅的增加,工件表面残余应力分布相对均匀且趋于平稳,表面粗糙度呈现先降低后增加的趋势,表面硬度随强化层深度的增加逐渐降低;在振幅为20μm时,工件表面质量和性能相对较好,此时残余应力均值为849 MPa,表面粗糙度均值为0.1μm。该实验结果与仿真分析结果一致,验证了所建模型的可靠性,可为滚压制造工艺参数的选取提供参考。

基于XFLOW-ABAQUS联合仿真的十字形伞绕流流柔耦合数值模拟

以降落伞为代表的流柔耦合问题是一个涉及柔性结构大变形与周围流场相互耦合的复杂非线性问题.针对此问题,应用XFLOW-ABAQUS联合仿真对流柔耦合问题进行数值模拟.采用该方法对不同透气性的旗帜在Re=2.2×10^(4)气流中的拍动进行数值模拟,并与实验数据进行对比,验证该方法的有效性.然后对Re=6.2×10^(5)来流中柔性十字形伞的气动特性进行数值模拟,并与实验数据以及使用LS-DYNA的数值模拟结果进行比较,分析了十字形伞周围的流场特征,进一步证明了XFLOW-ABAQUS联合仿真在模拟流柔耦合问题上具有良好的表现.

北美黄杉和云杉-松木-冷杉平行弦木桁架承载性能比较

【目的】对比不同腹杆角度下北美黄杉和云杉-松木-冷杉(SPF)华伦式平行弦木桁架的承载性能,探究腹杆角度和结构用材对华伦式平行弦木桁架承载性能的影响规律,为平行弦木桁架结构设计提供理论依据。【方法】以承载力和稳定性为验算指标,利用Smsolver结构力学求解器对平行弦木桁架各杆件的内力变化及其变形情况进行定量分析,得到平行弦木桁架腹杆角度的上、下临界角度和最优腹杆角度;采用ABAQUS有限元软件对3种腹杆角度的北美黄杉和SPF平行弦木桁架进行有限元模型分析与验证,获得不同基材平行弦木桁架在不同腹杆角度情况下的内力变化规律,判断其可能的破坏形式和受力机理;以SPF和北美黄杉为基材分别制作3种腹杆角度的平行弦木桁架,进行抗弯承载性能静力试验,探究平行弦木桁架的极限荷载、应力分布及主要破坏形式,并与有限元模拟结果进行对比,验证平行弦木桁架有限元模型分析的准确性和适用性。【结果】1)华伦式平行弦木桁架的最优腹杆角度为47°,下临界角度为34°,上临界角度为60°;2)北美黄杉平行弦木桁架的极限荷载范围为26.53~40.83 kN,跨中挠度范围为30.57~31.01 mm,SPF平行弦木桁架的极限荷载范围为23.48~34.16 kN,跨中挠度范围为31.85~32.05 mm;3)腹杆角度34°、47°、60°的北美黄杉和SPF平行弦木桁架极限荷载分别为26.53和23.48 kN、35.10和30.06 kN、40.83和34.16 kN,对应跨中挠度分别为31.85和31.01 mm、30.72和32.05 mm、30.57和31.97 mm;4)北美黄杉平行弦木桁架的破坏形式主要表现为靠近桁架支座处的腹杆出现裂纹以及桁架端部或荷载施加点处齿板拔出,SPF平行弦木桁架的破坏形式主要表现为桁架端部和荷载施加点处齿板拔出;5)ABAQUS有限元模拟和试验验证发现,2种平行弦木桁架跨中处弦杆轴力最大,往两边逐次递减,桁架跨中处腹杆轴力最小,往两边逐次递增,且弦杆轴力大于腹杆。【结论】北美黄杉平行弦木桁架承载性能优于SPF平行弦木桁架;平行弦木桁架的承载性能随腹杆角度增加而增加;2种平行弦木桁架的薄弱点均为桁架端部和荷载施加点处的齿板连接节点;ABAQUS有限元模型能有效反映出平行弦木桁架受力分布和整体结构变形趋势。

新型切口厚壁钢管耗能支撑抗震性能研究及参数分析

为了解决现有金属耗能装置连接复杂或容易发生非预期破坏等问题,提出了一种新型切口厚壁钢管耗能支撑(energy-dissipation brace with notched thick-walled steel tube,EDB-NTWST)。该支撑主要依靠首次提出的切口厚壁钢管(notched thick-walled steel tube,NTWST)耗能,震后仅需更换NTWST即可完成修复,因而可提高结构震后修复速度。针对切口厚壁钢管的不同布置方式,给出了两种支撑的构造形式,并推导了NTWST简化力学分析方法。通过试验研究,验证了理论计算及数值模拟的准确性。采用参数化分析方法,设计了16个NTWST试件,在单调加载和循环荷载下分别对其进行了有限元分析。结果表明:EDB-NTWST的滞回曲线饱满,变形能力强,延性高,可将损伤集中于NTWST上,能够实现可重复使用的目标;简化力学分析方法与试验结果吻合较好,可用于EDB-NTWST的初步设计;NTWST的力学性能能够通过调整其设计参数进行改变,承载力的提高可通过加大耗能环厚度来实现,增加耗能环的数量可以显著提高其变形能力,增加耗能环的宽度并减小中径,是提高NTWST延性的有效方法。

轴向拉压式U型厚壁金属波纹管阻尼器抗震性能研究

针对传统金属阻尼器承载力不足、极限变形较小等问题,提出一种新型轴向拉压式U型厚壁金属波纹管阻尼器。通过改变波纹管的壁厚、内径及波数等参数来调整阻尼器的承载力、初始刚度、极限变形及延性;采用有限元分析手段,对阻尼器的核心耗能元件进行单调及低周往复加载条件下的力学性能分析。研究核心耗能元件的内径、壁厚、波纹平均半径、U型波纹直边长度、材料屈服强度及波数这6个独立变量对其力学性能的影响关系,提出阻尼器极限位移的计算方法,给出阻尼器受拉屈服后刚度与屈服前刚度之比的拟合公式,揭示出新型阻尼器的受力机理,建立阻尼器的恢复力模型。同时,针对U型波纹管建立考虑边波效应的修正简化计算方法,并与规范法进行比较。研究结果表明:修正后的简化分析方法与规范法相比具有更高的精度;阻尼器滞回曲线饱满、耗能能力强、变形大、延性高;金属波纹管的刚度、屈服荷载、屈服后刚度及极限荷载均随壁厚的增加而显著增大;随着波数的增加,核心耗能元件的极限变形、延性及累积耗能显著提高,但受拉屈服后刚度降低;建议阻尼器设计时波纹平均径厚比不大于3.8,最大设计工作位移不大于极限位移的0.8倍。

横向滑坡载荷作用下埋地PE管道的损伤数值模拟

埋地燃气输送管道服役环境复杂,其中滑坡地质灾害严重威胁管道的服役安全。以埋地聚乙烯(polyethylene,PE)管道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件模拟了横向滑坡载荷作用下的管道损伤行为,探讨了滑坡参数(滑坡体位移量)、管道埋深以及内压对PE管力学性能的影响。研究结果表明:滑坡作用下埋地PE管最大偏移、最大Mises应力和最大主应变均位于管轴向横截对称面上。管道最大Mises应力随滑坡位移的增大而增大,管底为管道最终屈服点,屈服主要原因为管横截面被压扁变形。管道未屈服时,最大Mises应力随内压的增大呈现先减小后增大的现象,最大主应变随内压的增大而增大。最大Mises应力和最大主应变均随埋深的增大而增大。

基于电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究

测量材料的弹性模量和泊松比是材料力学实验的一项重要实验项目。为了丰富材料力学实验教学手段和教学内容,把理论计算、有限元仿真技术和电测法测试技术有机地融合在一起。分别通过电测法、ABAQUS软件模拟和理论计算方法得到低碳钢的弹性模量和泊松比。结果表明:模拟结果和理论计算结果几乎相等,但是电测法实验测试结果与理论计算结果之间的误差相对较大,主要是由于电阻应变片在试样表面的粘贴质量不高和试样的几何尺寸测量不精确造成的。

考虑凹坑缺陷的全地面起重机伸缩臂架结构稳定性研究

在实际生产条件下,凹坑缺陷在内的各种缺陷会对臂架结构的承载力和稳定性产生十分重要的影响。因此借鉴单点扰动载荷法(SPLA)和多点扰动载荷法(MPLA)的思想,将凹坑缺陷引入全地面起重机伸缩臂架结构稳定性分析中,以分析凹坑缺陷对臂架稳定性的影响。结合ABAQUS和Python,先在臂架模型上创建不同位置的单点凹坑缺陷,再对其进行非线性屈曲分析,得到臂架稳定性受其不同位置影响的规律。多点凹坑缺陷的研究步骤相同,最后得到其不同个数和组合方式对臂架临界屈曲载荷的影响关系。

偏心拉伸实验的理论分析与实验研究

偏心拉伸实验是一种综合性、研究性的材料力学实验项目。为了增加材料力学实验课程的难度和深度,通过理论分析推导偏心拉伸应力公式,并指出偏心拉伸试样的实际中性层并不再是几何中性层;利用ABAQUS软件模拟了偏心拉伸试样的应力分布;通过自制的一种可以在电子万能试验机上进行偏心拉伸实验的装置并利用电测法测试了试样横截面上各点的应变。结果表明:偏心拉伸实验的理论计算结果、实验结果和模拟结果基本吻合,3种数据之间的偏差较小;而且,应力在试样横截面上几乎呈线性分布,左边受压缩,右边受拉伸,左边的应力最小,右边的应力最大。

长板-短桩工法承载特性参数影响分析

文中采用有限元数值仿真的方法研究了长板-短桩工法处理吹填土地基的承载特性以及桩间距、桩长、塑料排水板间距三个因素对长板-短桩法吹填土复合地基承载特性的影响规律.结果表明:①桩长对长板-短桩复合地基的影响在于能有效控制地基沉降与提供承载力,在有效桩长范围内,桩长越长效果越好;②桩间距主要影响粉喷桩与桩间土承受的应力与面积置换率,桩间距越小,长板-短桩复合地基承载能力就越大;③塑料排水板对长板-短桩复合地基的影响在于提升桩间土的渗透系数,在一定范围内,排水板越是密集,固结沉降速度越快,能有效提高桩间土的承载力;④提出了对于不同厚度吹填土地基其最优长板-短桩复合地基参数设计.

基于ABAQUS的埋地管道动力分析前处理

利用ABAQUS软件强大功能,研究埋地管道在动力分析前需要的各项数据,进行地应力平衡计算,考虑管道自重的静力分析,以及求解边界的节点面积、节点反力、弹簧阻尼器参数、等效荷载力、节点法力和地震波数据处理,有了这些前期准备工作,才能进行下一步的动力分析运算。通过理顺建模、静力分析与各种数据之间的相互关系,希望能够为其他地震研究工作者提供一定的帮助。

6×19S钢丝绳的断裂有限元模拟

应用微分几何方法建立了钢丝绳一阶和二阶空间螺旋线的方程表达式,构建了6×19S钢丝绳的几何参数模型。对参与捻制的各规格钢丝进行了力学拉伸测试,构建了钢丝绳的弹塑性本构模型,通过缺口拉伸试验结合有限元方法拟合了Johnson-Cook断裂准则的相关参数,获得了拟合参数值,利用ABAQUS模拟了钢丝绳承受轴向载荷后弹性-塑性-断裂的完整过程,探讨了钢丝绳过度加载时的断丝规律以及温升变化规律,结果表明,各股外层丝受到挤压和磨损,承受了更大的接触法向力,最先发生断裂,其次是主股外层细丝难以承受较大拉力开始大规模断裂,最终导致主股粗丝与芯股迅速发生断裂,钢丝绳的接触磨损与过载断裂会带来明显的温度变化,大部分区域的温升在15~30℃。

基于FEM的胎路摩擦行为分析

通过试验得到3种沥青混合料试件用以模拟不同路面情况,用激光轮廓测量仪测量路面纹理,采用Matlab建立路面三维轮廓图和路面网格模型,选取Neo-Hookean模型及其相关材料参数建立轮胎有限元模型.依托该模型进行仿真,通过路面纹理、胎压和荷载,对自由滚动过程中胎路接触情况和摩擦行为进行研究.结果表明,胎路摩擦行为与路面纹理、胎压和荷载密切相关.路面粗糙度越低,摩擦力分布越均匀;路面粗糙度越高,摩擦力分布集中在路面突出的集料颗粒处,摩擦力越大.在自由滚动状态下,摩擦因数随着胎压的增大而减小;在制动状态下,摩擦因数随着胎压的增大而增大.无论是在自由滚动状态下还是在制动状态下,摩擦因数随着荷载的变化规律具有一致性,均随着荷载的增大而增大,在自由滚动状态下更显著.

身管内膛磨损对弹丸运动规律的影响研究

火炮发射过程中,高速运动的弹丸会对身管内膛产生磨损,从而导致身管内膛的结构发生改变,直接影响到弹丸的运动特性。针对火炮身管内膛磨损所导致的弹丸运动规律变化的问题,以某大口径火炮为对象,通过建立5种不同内膛损伤程度的身管有限元模型,利用ABAQUS/Explicit有限元软件及其VUAMP子程序,将内弹道方程组与有限元模型进行耦合求解。研究结果表明:随着径向磨损量的增加,弹丸的挤进过程加速,弹丸挤进过程的行程和时间变长,弹丸挤进结束时的速度变大,主要弹道性能如初速和膛压逐渐减小。此研究为深入了解内膛损伤对弹道性能变化规律的影响提供了有益参考,为提高火炮性能及延长其使用寿命提供了有力支持。

体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不同的CFRP预应力筋的直径(31 mm、43 mm、61 mm)和预应力大小(250 MPa、500 MPa、750 MPa、1000 MPa、1250 MPa),获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。将《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现两者吻合良好,误差在15%以内,从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性,为实际工程加固设计提供参考。

基于ABAQUS的RC剪力墙力学性能研究

利用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)剪力墙在不同荷载条件下的力学性能进行了深入研究。通过建立精确的三维有限元模型,模拟了剪力墙在受压和受拉状态下的应力分布、变形特性以及损伤演化。研究结果揭示了剪力墙在受力过程中的关键力学行为,包括应力集中区域、变形模式和损伤发展过程。研究为剪力墙的设计和优化提供了理论支持,有助于提高建筑结构的整体性能和安全性。