Pasternak地基中H(t)-V受荷桩水平响应有限杆单元法分析

为探讨桩顶水平动荷载H(t)与竖向荷载V联合作用下桩基的水平响应,基于Pasternak地基和Euler梁理论,建立了桩-土相互作用水平振动分析模型,采用改进的有限杆单元方法求解考虑P-Δ效应、土体剪切效应影响的综合刚度矩阵方程,结合桩土连续边界条件得到桩身内力与位移解答.通过与已有解析解、有限元解和模型试验的结果比较,验证了计算方法的合理性.最后,对影响桩身内力与位移的主要因素进行分析.结果表明:1)传统Win⁃kler地基相较于Pasternak地基模型,忽略了地基土体的剪切效应,将夸大桩体结构的实际受力,使得计算得到的桩身水平位移和弯矩均大于Pasternak地基所得结果,且随着桩土弹模比Ep/Es的降低,两种地基模型计算的桩身最大水平位移和弯矩的差异性呈现出增强趋势;2)随着桩顶竖向荷载的增加,桩身水平位移和弯矩受P-Δ效应的影响显著.当桩顶竖向荷载特征参数λ由0增至2时,桩身最大水平位移和弯矩分别提高40.85%和78.57%;3)相较无限长桩(L>20d_(p)),有限长桩的水平位移和弯矩的动力响应受桩身长径比L/d_(p)影响更大;桩身最大水平位移和弯矩随着水平简谐荷载幅值H_(0)的增加而增大,随着无量纲频率a_(0)的增大而减小.

基于有限单元法密封结构影响因素建模分析

密封圈结构对高压试验装置的密封性、承压性具有直接影响。依据高压试验装置的结构特点,对O型密封结构进行结构参数分析,基于Mooney-Rivlin模型对特性进行分析;利用MARC有限元分析的方法对O型圈进行密封分析,分析不同密封间隙和槽深的尺寸下,接触压应力和Von Mises应力的大小,基于分析结果,优选密封间隙和槽深参数。结果可知:密封间隙为(0.04~0.14)mm间,压缩率为(10~20)%间,能够满足设计承载条件下的密封要求;通过对影响因素分析发现,密封间隙与Von Mises应力正相关,与接触应力负相关;压缩率提升,Von Mises应力先增后降,最大接触应力先降后增;80MPa压力下,较小密封间隙、压缩率对密封结构承载是有利的;通过分析设计密封圈影响趋势,发现参数的最优解为间隙0.043mm,槽深5.357mm,压缩率为10%。分析方法和研究结果可为超高压压力容器O型密封结构设计提供参考依据。

基于有限单元法驾驶室防翻保护结构性能分析

防滚翻保护装置(ROPS)设计的可靠性,直接影响驾驶员是否能得到有效的保护。根据实车尺寸和视野要求,进行ROPS结构设计和挠曲极限量DLV设计;利用UG建立驾驶室三维模型,并建立有限元分析模型;根据国家标准关于ROPS的规定,对驾驶室翻滚保护的安全性进行分析,重点对不同方向的承载进行分析;基于驾驶室翻滚测试试验台,选取侧向加载进行测试,验证模型分析的可靠性。结果可知:当侧向力增加到140kN时,驾驶室吸收的能量为16672J,满足最小能量吸收能力要求;侧向载荷加载时,应力和位移均出现最大值,分别为372MPa和11.86mm,满足材料承载和能量加载要求;试验获得侧向加载时的最大应力和最大位移,满足材料和设计尺寸的要求,且与仿真结果的误差均小于4%,表明仿真分析模型是可靠的。所设计的防翻保护装置可以起到保护作用,为此类设计生产提供参考。

基于2.5D有限元的高密度电法不同装置勘探效果研究

高密度电法是一种适用性广泛的电阻率勘探方法,拥有多种电极排列装置选择。不同装置由于电极分布方式的差异,在针对不同地质目标和测区环境时往往表现出明显不同的探测能力。为探究各排列装置的特点及其适用情况,推导了2.5D电位的变分问题,采用Delaunay三角化算法实现了非结构化网格剖分,进而实现了有限元正演模拟。结合实践,对常见地质情况进行建模,分别使用温纳α、温纳β、施伦贝谢尔、偶极-偶极4种装置开展正反演对比研究。研究发现:(1)在探测未知区域单个异常体时,温纳β、施伦贝谢尔2种排列的效果更好;(2)在探测相邻较近的多个异常体时,应优先采用具有更高水平分辨率的施伦贝谢尔和偶极-偶极排列;(3)对于低阻破碎带的勘探,温纳β和偶极-偶极排列更为适用;(4)当地层具有较好分层界限时,4种排列均可体现良好的分层效果。因此,高密度电法勘探实践中应综合考虑不同排列装置的特点,根据具体情况选用合适的多种排列方式进行测量,并对采集数据进行综合对比分析,以获得更为准确的解释结果。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

基于扩展有限单元法和弥散裂缝法的玄武岩纤维混凝土构件裂缝扩展研究

混凝土水工结构具有易裂性和水敏感性,在季节性冻土地区容易因裂缝扩展而形成裂-渗-冻的互馈破坏机制,这对混凝土水工结构的耐久性影响很大.掺有玄武岩纤维的混凝土结构的抗裂性能优越.为准确刻画混凝土构件裂缝的扩展情况,在力学性能实验基础上,通过扩展有限单元法及弥散法对玄武岩纤维混凝土结构进行开裂分析,探索裂缝分析的相关参数设定,研究不同方法下裂缝扩展的特点及规律.结果表明,弥散裂缝法可确定模型开裂的基本位置,再结合扩展有限单元法进行更准确的预测,可达到较好的模拟结果.可为玄武岩纤维混凝土结构在抗裂方面的应用研究提供参考.

基于mbS模式的有限单元法

mbS模式及其有限元法是在固体和结构分析模型中引入薄膜、弯曲和剪切理论,且采用纯拉压、纯弯和纯剪单元进行分析的数值方法.在时空系中剖分物质单元和时间单元上构造以指数函数和贝塞尔函数为插入函数且按Lagrange插值条件的薄膜、弯曲和剪切等基本位移函数,由此得到更加完备和耦合的固体和结构实体单元的变形模式,根据能量泛函变分原理得到静动力有限元基本方程的一致格式.研究表明,mbS模式及其有限元法可用于梁柱和板壳等结构的静动力分析及屈曲分析.

基于有限单元法的堤坝管涌拟流场分析及试验

为了深入探究拟流场的电流密度响应特征,更好地服务于病险水库隐患探测和汛期堤坝查险,从分析有限元理论开始,建立不同渗漏通道模型,计算其拟流场电位进而获得电流密度的主要特征,分析不同模型对电流密度的影响。结果表明,电流密度不同分量在渗漏处附近均出现异常特征,在渗漏区域附近,电流密度x分量出现双极性异常,电流密度y分量出现单极值异常,电流密度z分量出现方向相反的异常情况,变化幅度较大。因此,为了更方便、有效地寻找渗漏通道,本文提出应当在水域底部布置若干条沿垂直于堤坝走向的测线测量电流密度z分量,通过分析电流密度z分量异常响应找到疑似渗漏点,为汛期堤防渗漏的快速排查提供理论指导。并实际应用于深圳某水库的堤防渗漏检测,圈定疑似渗漏入水口区域,经过工程验证,证实其为渗漏入水口。

基于MLS形函数处理边界的电阻率法有限单元正演模拟

电阻率法有限单元正演模拟中,采用第三类边界条件时为保证精度仍要求较大范围的计算域.无单元法为地球物理领域的新兴正演模拟方法,其计算效率低,但其中采用的移动最小二乘(MLS)形函数相比于有限单元法形函数具有良好的连续性,模拟精度高.本文将MLS形函数应用于电阻率法有限单元2.5维正演的第三类边界条件处理,提出电阻率法有限单元-移动最小二乘(FEM-MLS)耦合正演方法.通过不同正演方法的模型算例模拟结果对比,验证了本文算法的有效性,并讨论了各个参数选择对模拟结果的影响.本文数值模拟结果表明采用第三类边界条件时,在同等计算精度前提下,FEM-MLS耦合法相比于有限单元法可进一步缩小计算域并提高了计算效率,相比于采用较大计算域满足边界条件的有限单元法计算效率提高了约一倍,相比于采用相同小范围计算域的有限单元法平均精度提高了约一倍.

DAA方法在商业有限元软件ABAQUS中的实现

介绍了双重渐近近似法(DAA)在商用有限元软件上的实现方法,对包括从基本理论到数值方法、编程实现及稳定性等一系列问题进行了探讨,并将一阶DAA方法在ABAQUS上实现。最后以弹性方板受水下爆炸时的响应作为算例,同纯有限元法进行了比较,表明所用方法是切实可行的。

课程思政下“有限单元法及应用”教学改革与实践探索

专业知识的海洋能够对学生进行工程伦理教育,培养其精益求精的大国工匠精神,激发其科技报国的家国情怀和使命担当。在“有限单元法及应用”的教学实践中,建立“信、知、行”三位一体的课程思政教学理念,将思政元素、专业知识、工程实践有机结合,提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,有助于学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。“信”是通过课程思政元素的融入,促使学生树立国家富强、民族振兴、人民幸福的家国情怀;“知”是通过夯实基础理论知识,增强工程应用经验,达到学以致用;“行”指能够根据所学理论知识与实践经验,解决实际工程中的潜在问题,使学生具备独立进行问题分析的能力。围绕“信、知、行”三位一体课程思政教学理念,“有限单元法及应用”从教学目标、教学大纲、课程体系、课程内容、课程手段、课程案例等多维度开展课程改革,为更好地开展“有限单元法及应用”课程思政教学改革提供了思路和方法。

土木工程专业有限单元法课程思政建设探索

为发挥土木工程专业有限单元法课程思政建设在全程育人、全方位育人中的重要作用,使专业知识与思政内容充分融合,梳理有限单元法课程思政建设背景和现状,以课程内容为基础,结合课堂实践活动、工程案例分析等多元化教学方式,将专业教学与精神引领相融合,提出有限单元法课程思政建设策略,致力于培养德才兼备的当代土木工程专业人才。

基于有限元法的轴对称结构极限下限分析

极限分析的主要任务是获得结构的承载能力,即确定极限载荷系数。该文基于极限下限分析理论,采用有限单元法对轴对称结构的极限下限载荷系数进行计算。首先通过有限元法对结构进行离散化处理,建立了轴对称结构极限下限问题的数学规划格式。为克服求解过程中遇到的维数障碍,结合基于降维迭代思想的减缩基技术将整个极限下限问题转化为一系列非线性数学规划子问题,并采用复合形法直接进行求解。每个规划子问题中,利用弹塑性增量分析中的修正Newton-Raphson迭代法得到自平衡应力基矢量,进而由一组带有待定系数的自平衡应力基矢量的线性组合模拟出所需的自平衡应力场。最后编制了相应的计算程序,并对受均布内压的厚壁圆筒和厚壁球壳两个经典轴对称结构进行了分析。算例结果表明,该算法计算得到的数值解与理论解析解之间的误差都在1%以内,验证了本文提出方法的合理性和有效性。此外,使用不同数目的自平衡应力基矢量进行计算,结果均保持在解析解左右,进一步说明算法具有数值稳定性好的优点。

基于ABAQUS的海冰单元开发及冰载荷直接计算法

[目的]随着全球气温的不断升高,北极冰层逐渐融化,开发利用北极航线和北极资源受到国际社会的广泛关注,各国掀起了新一轮的极地船舶建造高潮,而在极地船舶的设计过程中,如何确定船舶冰载荷显得尤为重要。近年来,采用数值方法计算极地结构受到的冰载荷逐渐成为国内外学者关注的重点,而目前的通用商业有限元软件中缺少特定用于模拟海冰力学特性的相关海冰单元,为相关数值研究工作的开展增加了困难。针对这一问题,[方方法]结合Reinicke和Remer提出的各向同性海冰失效准则,在ABAQUS二次开发平台UEL上开发用于模拟海冰失效的新型单元。在所开发的单元中引入弹性基础用以模拟浮力和重力的作用。采用典型的斜坡和圆锥结构算例并结合相关规范公式对所开发的新型单元进行验证。[结果]对比二者之间的计算结果发现,直接计算法与规范公式的计算结果吻合较好。[结论]所提出的直接计算法能够为冰区结构设计提供工具和一定的参考。

新生破裂影响地震破裂跨越断层阶区传播过程的扩展有限单元法模拟

采用扩展有限元方法计算了断层阶区内介质产生的新生破裂对地震破裂跨越断层阶区传播过程的影响。模型中新生的断层扩展遵循最大剪应力破坏准则,当最大剪应力超过岩石的承受极限时,完整介质产生破裂形成新的断层,并且新断层的扩展方向为最大剪应力方向。扩展有限元法模拟结果表明,断层阶区内新生的断层改变了断层阶区的几何形态,同时也改变了断层破裂后的应力状态。新生破裂可以改变库仑应力在空间的分布格局,特别是可以提高断层上的应力水平,从而提高地震破裂跨越断层阶区的能力。模拟结果还显示,断层阶区内新生破裂的产生,可以使得地震破裂跨越10 km宽的断层阶区,若阶区内部介质没有产生新生破裂,则地震破裂无法跨越该断层阶区。本研究有助于进一步认识地震破裂跨越断层阶区的传播过程,特别是对地震震源过程分析及地震灾害评估等具有重要的科学意义。

基于Abaqus垫片密封接触有限元分析

以一个端盖密封为例,借助Abaqus有限元分析软件,使用Gasket单元,分析了材料非线性垫片在不同螺栓扭矩螺栓预紧情况下的的受压与剪切的应力分布,并结合理论分析对垫片进行校核。

基于ABAQUS生死单元技术的平衡地应力方法研究

初始地应力是岩土工程数值模拟过程中必不可少的一部分,其初始地应力平衡效果的好坏对后续的数值分析有着较为显著的影响。通用有限元软件ABAQUS虽然提供了多种地应力平衡方法,但是岩土工程材料多样、工况复杂,并不是所有的常规方法都能使地应力平衡满足要求。针对压硬性砂土地基中桶土相互作用问题,通过二次开发,对于ABAQUS软件中的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行改进,从而可以考虑砂土中变形模量随平均主应力变化的压力相关性。进而基于软件中生死单元功能,提出了一种分步平衡法,通过分步创建桶土之间的接触以更好地模拟地基在桶土相互作用过程中的实际响应。结果表明,分步平衡法的地应力平衡效果明显优于常规自动平衡法,可为其他类似模拟提供参考价值。

基于有限单元法的轻型框架堤防结构特性分析

轻型框架结构堤防具有整体稳定性好、工后沉降小、工程占地少、形态美观整洁等特点,近年来在人口密集、土地稀缺、基础软弱的沿海城市得到了广泛的应用。本文基于有限元方法,采用刚-柔、面-面接触单元模拟桩-土接触问题,建立了能全面反映结构整体和细部问题的轻型框架结构堤防数值分析模型。以浙江省温州市某堤防为例,结合有限元计算成果,对轻型框架堤防整体以及钢筋混凝土框架、桩基础等细部的结构特性进行分析,并提出设计注意事项,可为沿海地区类似工程设计提供参考。

基于多层模拟方法的双层梁断裂有限元分析

本文提出一种用于含分层的双层梁线弹性断裂分析的有限元方法.将上下子梁均模拟为多个子层,采用只有平动位移自由度的新型梁单元,假设单元内的位移沿纵向和横向均线性变化,推导了该单元的单元刚度矩阵.将开裂部分和未开裂部分的子梁进行单元刚度矩阵组装,施加相应的等效结点力,得到整体平衡方程,并结合边界条件进行求解.为验证该方法的有效性和精度,开展非对称双悬臂梁(Asymmetric Double Cantilever Beam, ADCB)和单臂弯曲梁(Single Leg Bending, SLB)试样的断裂分析,利用虚拟裂纹闭合技术(Virtual Crack Closure Technique, VCCT)得到了试样的能量释放率及其分量,并将求得的结果与解析解和二维有限元解进行对比.计算结果表明,相对于传统双层模拟方法,该多层模拟方法能够精确、高效地计算各类梁试样的能量释放率及其分量,并且无需引入界面连续条件.

拱坝坝基渗流场的有限单元法精细求解

笔者在近 2 0年来对工程渗流问题研究的基础上 ,针对拱坝坝基岩体的渗流特性和有复杂的防渗与排水降压渗控措施 ,详细地论述了如何用有限单元法精细地求解坝基整体渗流场的思想和具体处理技术 ,所提出的算法技术在理论上是严密的 ,多年来一直已在工程中得到了广泛的成功应用。最后 ,作为算例对一个高 14