基于有限元法的钢轨硌伤模拟及其应力状态研究

为研究诱发局部滚动接触疲劳的钢轨硌伤现象,需精确模拟其应力应变场。基于显式有限元法建立钢轨动态硌伤有限元时域分析模型,考虑车轮滚滑、真实接触几何、率相关弹塑性本构等因素,轮-轨-异物间瞬态接触采用基于罚函数的“面-面”接触算法求解。针对摩擦系数为0.3,车轮运行速度为300 km/h,直径4 mm的刚性球形异物造成的硌伤进行模拟。结果表明:模型能捕捉到异物在硌伤过程中的复杂空间运动轨迹,以及连续体振动造成的应力波动;硌伤几何、残余应力、应变场具有明显的空间非对称性;车速从100 km/h增加至350 km/h,硌伤坑变浅,表层残余应力、等效塑性应变在200 km/h时出现极值;摩擦系数由0.5降至0.1,硌伤截面形状、残余应力应变非对称化加剧。

固井水泥环缺陷与套管承载能力关系研究

固井是油水井生产之前的一项重要工序,固井质量的好坏对井的使用寿命有着直接的影响。建立了水泥环缺少30°、60°、90°等角度的井筒平面应变有限元模型,并对固井水泥环缺陷引起的套管应力变化进行了仿真模拟分析,进而明确了水泥环缺陷程度与套管承载能力的关系。

基于ANSYS的光伏组件晶体硅电池片应力分析

以单晶硅标准组件为研究对象,考虑不同风压及EVA(Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer)胶膜剪切模量的影响,由ANSYS建立不同组件参数下光伏组件层合板的有限元分析模型,将计算结果与理论结果进行了比较、分析.结果表明:1)应力分布的变化趋势与理论模型一致,即应力的变化是非线性的,最大应力发生在电池片中点,电池片的应力随着EVA胶膜剪切模量的增加而呈非线性增加;2)组件受风载作用而弯曲变形时,电池片、EVA胶层和TPT(Tedlar/PET/Tedlar)的组合层对组件的整体刚度影响较小,组件近似按面板中面弯曲.

海底管线服役条件有限元应力分析

采用有限元方法模拟分析了带配重层海洋管准559 mm×28 mm SMYS 450在海底1 500 m和输送压力为25 MPa条件下服役时的应力状态,结果显示,在受配重层约束下的最大位移为0.046 4×10-3m,无配重约束位移为0.104×10-3m;第一主应力和Von mises等效应力的最大值都分布在管体材料和配重层之间的界面处附近,距离管体外表面约2 mm(壁厚28 mm),最大值分别为128 MPa和216 MPa。模拟结果表明,管线运行是安全的,也说明了采用Von mises等效应力准则作为管道问题验收极限是可行的。

3D打印多孔钛金属支架的数字化设计及分析

目的设计3D打印多孔钛金属支架并通过有限元分析找出满足大孔径和高抗压强度的结构设计方案。方法利用计算机Autodesk Inventor软件,设计15种不同孔隙结构的单元钛合金支架模型(5种类型单元体结构,分别为仿钻石-60°、仿钻石-90°、仿钻石-120°、正四面体和正六面体,每种类型单元体结构各有3种孔径,分别为400、600、800μm)及其15种圆柱体模型(直径20 mm、高度20 mm),通过Autodesk Inventor软件进行有限元分析,简单模拟膝关节处受力类型及大小,转化成Mises等效应力、安全系数及形变位移的比较,分析数据,筛选出大孔径、高抗压强度的设计模型。结果5种不同孔隙结构的单元结构模型在安全状态下,正向受力时,除正四面体外随孔径增大而最大受力减小;侧向受力时,各单元结构随孔径增大而最大受力减小;扭转受力时,仿钻石-60°和正四面体结构体随孔径增大而最大受力减小,仿钻石-90°结构体随孔径增大而最大受力增大,而仿钻石-120°和正六面体单元结构随孔径增大基本上无变化。在3种受力条件下,所有单元结构随孔径增大而形变位移增大。5种不同单元结构圆柱体模型分别在3种受力时,孔径越大,形变位移越大,Mises等效应力越大,安全系数变化同Mises等效应力相反。综合抗压能力由强到弱的顺序为:正六面体>正四面体>仿钻石-120°>仿钻石-90°>仿钻石-60°,并且每种类型圆柱体模型中孔径越小,抗压强度越大。结论孔径大小和孔隙形态是影响支架抗压强度的重要因素。随着孔径(400、600、800μm)的增大,各结构的强度均有所降低。正六面体、正四面体和仿钻石-120°结构模型能够满足大孔径和高抗压强度的条件。

用ANSYS进行复合材料层合板的冲击应力场模拟

利用ANSYS有限元程序包对复合材料层板受低速冲击时的应力场进行了模拟。模拟采用瞬态分析方法,跟踪了在整个冲击过程中应力场的变化。计算结果表明,应力场的变化是与所受冲击力的变化过程相适应的。在此基础上对冲击力达到极值时的应力场分布做了详细的分析。

非赫兹型滚滑接触荷载作用下钢轨体内应力状态模拟分析

基于迹线法、Kalker的三维非赫兹滚动接触理论和半空间势函数理论解,分析不同接触荷载与接触状态下的轮轨接触差异。结果表明:接触荷载类型、饱和度、摩擦因数都是影响钢轨体内应力分布的重要因素;接触荷载类型主要影响钢轨体内的应力水平,对最大von Mises等效应力发生的位置没有影响;接触斑内黏滑分布和纵向应力整体分布情况主要由饱和度控制;摩擦因数越大,蠕滑饱和时最大von Mises等效应力越大,且越容易发生在表层;与非赫兹型接触荷载+部分滑动状态相比,赫兹型接触荷载+全滑动状态的最大von Mises等效应力更大且更易发生在表层,相同加载次数下钢轨会产生更大的塑性变形。以赫兹型接触荷载+全滑动状态为前提的简化轮轨接触疲劳预测模型得到的疲劳预测结果偏于保守。

某成品油管道岩石挤压段顶部应力响应

利用X射线应力测试原理,对某成品油管道岩石挤压段顶部位置的轴向应力和环向应力进行测试,并计算对应的Mises等效应力。将移除岩石前后挤压管段的各种应力进行对比,结果表明:岩石挤压管段顶部的轴向应力为拉应力,环向应力为压应力,相同位置的轴向应力值大于环向应力值;轴向应力和Mises等效应力在管道轴向呈“W”状分布,环向应力在管道轴向呈“V”状分布;移除岩石后,轴向应力、环向应力以及Mises等效应力均有不同程度减小,其中轴向应力和Mises等效应力减小值曲线呈“倒V”状,环向应力减小值曲线则呈“V”状。

波动荷载下的柔性基层沥青路面受力分析

针对现行规范采用静载带来的不足,建立3D模型施加动载并进行瞬态分析,得到沥青路面在动载下的等效应力时程曲线,揭示出:动载对路面结构的影响较静载复杂;等效应力总是在荷载到达该点位时才达到峰值,荷载离开后,迅速降低趋于零;路表受荷载影响最显著,从路表向下越深,影响越小,但影响规律不变.

基于ANSYS的上向进路采场结构参数优化研究

针对玲珑金矿东风矿区现有上向进路充填采矿法采场结构参数过于保守、采矿效率较低等问题,利用ANSYS有限元分析软件对8种不同采场结构参数方案进行模拟,从Mises等效应力和竖向位移沉降两个角度进行分析,最终得出最佳的采场结构参数。模拟结果表明:进路宽度超过5 m时,垂直位移增量较明显,且进路宽度为4 m、高度分别为2.5 m和3 m时开采所引起的Mises等效应力较小。综合考虑采场生产能力及安全方面,最终确定东风矿区最佳采场结构参数为一步进路宽4.0 m、二步进路宽4.0 m、进路高3.0 m。

分割式及普通可摘局部义齿缺牙区黏膜的三维有限元分析

目的:研究并比较戴用分割式可摘局部义齿与普通可摘局部义齿在不同载荷下缺牙区黏膜的应力情况。方法:选择上颌第二双尖牙、第一磨牙缺失伴基牙有I度松动的患者1例,通过螺旋CT扫描获得上颌二维断层图像。在Pro/Engineer中进行模型的建立,然后导入ANSYS Workbench软件中,进行网格化分和三维有限元分析。结果:斜向、垂直载荷下,戴用分割式可摘局部义齿与戴用普通可摘局部义齿的缺牙区黏膜Vonmises力的数值范围有明显差异。水平载荷下,二者有一定差异。3种载荷下均为戴用分割式可摘局部义齿较大。3种载荷下二者的Von mises力分布情况相似。结论:从生物力学的角度证明,对基牙有I-II度松动以及牙周健康状况不佳的患者,行分割式可摘局部义齿修复是可行的。可以认为,分割式可摘局部义齿有效地起到了保护基牙的作用。

分割式及普通可摘局部义齿基牙牙周膜的三维有限元分析

目的研究并比较戴用分割式可摘局部义齿与普通可摘局部义齿在不同载荷下基牙牙周膜的应力情况。方法通过螺旋CT扫描获得上颌第二双尖牙、第一磨牙缺失伴基牙有Ⅰ度松动的患者的上颌二维断层图像，然后在ANSYS Workbench软件中分析由Pro／Engineer建立的模型。结果戴用分割式可摘局部义齿与普通可摘局部义齿在斜向、水平及垂直载荷下基牙牙周膜Von mises力的数值范围及分布情况均有明显差异。三种载荷下均为戴用分割式可摘局部义齿较小。结论分割式可摘局部义齿有效地起到了保护基牙的作用。这一设计对基牙有Ⅰ～Ⅱ度松动以及牙周健康状况不佳的患者是可行的。

垂直载荷下分割式可摘局部义齿与套筒冠义齿的有限元分析

目的研究并比较分割式可摘局部义齿与缓冲圆锥型套筒冠义齿在垂直载荷下的应力情况。方法选择上颌双侧第二前磨牙、第一磨牙缺失并伴有基牙有Ⅰ度松动的患者1名,通过螺旋CT扫描,利用Materialise Mimics、Pro/Engineer WF2.0软件和ANSYS Workbench软件建立精确的上颌三维有限元模型,并在其上进行垂直方向加载,分析比较分割式可摘局部义齿与缓冲圆锥型套筒冠义齿缺牙区黏膜及基牙牙周膜应力情况。结果垂直载荷下,分割式可摘局部义齿缺牙区黏膜所受von Mises力值大于缓冲圆锥型套筒冠义齿缺牙区黏膜所受力值;分割式可摘局部义齿基牙牙周膜von Mises力值接近或小于缓冲圆锥型套筒冠义齿基牙牙周膜所受力值。结论在垂直载荷下,通过与缓冲圆锥型套筒冠义齿相比,分割式可摘局部义齿具有减少基牙受力,保护基牙的功能。

种植固定修复上颌后牙三单位连续缺失的有限元分析

目的:本研究拟采用三维有限元法分析上颌后牙区连续三单位种植固定义齿中种植体数目、长短、直径、位置等多因素对种植体颈部骨皮质最大应力的影响,研究其应力变化规律,以指导临床选择合适的种植修复方案。方法:应用Abaqus6.14建立上颌骨缺牙的骨块简易模型及Straumman软组织水平标准颈种植体,分别建立不同直径(4.1mm、4.8mm)、不同长度(8mm、10mm、12mm)、不同位置(567、5X7、56X、X67)的种植体固定桥修复模型。根据纳尔逊定律,将接近最大咀嚼牙合力300N按6:10:9的比例进行垂直加载,计算其应力分布、骨皮质的最大von Mises力(max von mises,MVMS)。结果:(1)每组内三单位种植体修复的种植体颈部周围MVMS分布较其他组较小,关系为G1G3>G2组,组间比较骨皮质最大应力分布关系由小到大依次为4112-G2<4110-G2<4110-G3<4112-G3<4108-G3,4812-G2<4808-G2<4810-G2<4812-G3<4810-G3;(3)在种植体为不同直径相同长度时,直径为4.8mm组的MVMS分布较每组相对应的直径为4.1mm组更小。结论:(1)上颌后牙连续三单位缺失时三颗种植体修复所产生的MVMS最小;(2)上颌后牙连续三单位缺失时可选用两颗种植体支持的种植连桥修复方案(5X7)替代三颗种植体支持的种植连桥修复方案,可减少手术创伤及降低病人医疗费用;(3)按照MVMS分布关系的统计提示在两端种植体型号同步变化时骨皮质最大应力分布并不是单纯是随着长度及直径的增加而较小。

高压输电线铁塔地震时程弹性数值模拟

地震对高压输电线铁塔的安全性能有重要影响。通过建立高压输电线铁塔模型,采用有限元方法对受7级和8级地震影响的高压输电线铁塔的力学行为进行数值模拟与分析。计算结果表明:在地震作用下高压输电线铁塔t=3-4s时加速度最大,其应力也相应较大;在7级地震时最大应力值远小于材料的许可应力,高压输电线铁塔在7级地震过程中是安全的,但是8级地震时,最大应力值已经达到234MPa,超过Q345许可应力230MPa,高压线铁塔就处于不安全运行状态。

基于无网格局部Petrov-Galerkin方法的h型自适应分析

基于无网格局部Petrov-Galerkin方法进行了h型自适应分析.在进行自适应分析时以Von Mises等效应力作为应力高梯度判据,以最小节点允许距离作为应力高梯度区域加密方案.基于无网格局部Petrov-Galerkin方法实现了对二维线弹性平面问题的h型自适应分析.数值算例表明,基于无网格局部Petrov-Galerkin方法的h型自适应分析具有较好的稳定性和收敛性.

基于有限元法的圆抛物面地面站卫星天线结构风荷分析

应用有限元分析软件ANSYS10.0对某型号的C波段3 m地面站卫星圆抛物面天线结构进行了详细的风荷载分析计算,得到了正常工作和生存状态下天线结构的Mises等效应力和变形,为该天线在不同工况下的可靠使用提供了理论依据。

新型螺纹预紧结构的有限元分析及结构改进

采用有限元方法对FROMOSN系列预紧螺母及其结构优化产品SSN系列预紧螺母的应力值大小进行了分析、比较。分析结果表明:①通过合理选择有限元分析数值模型,可预测FROMO预紧螺母体的应力值大小。②经重新设计螺母结构尺寸的结构优化产品FROMO预紧螺母SSN系列的应力值低于SN系列,应力性能改善,强度有所提高。该分析为结构优化设计奠定了基础。

水平井割缝筛管下入强度研究

针对水平井完井中割缝筛管下入过程中的强度问题,建立了割缝筛管强度计算模型。采用模拟试验和有限元分析2种方法对水平井割缝筛管的强度进行研究,并进行了对比分析,结果表明,在割缝筛管弯曲段割缝尖端处的轴向应力较大,使缝张开的应力和剪应力均较小;对于宽度为0.5mm,缝长80mm,每周30条缝,缝间距20mm的割缝筛管最大Mises等效应力为252.88MPa,小于其材料的屈服强度,因此该割缝筛管强度满足实际应用要求。提出的研究方法为割缝筛管研究提供了新的思路,可用于割缝筛管强度分析、可靠性评估和割缝筛管优化设计。

无托槽隐形矫治器整体内收与分步内收下颌前牙的三维有限元对比分析

目的:运用三维有限元法模拟研究下颌拔牙病例分步内收前牙时牙齿移动趋势和牙周膜应力分布,并与整体内收对比以探究分步内收设计的特点和优劣。方法:通过软件分析和模拟,构建出符合解剖规律的下颌牙列、牙周膜、牙槽骨联合模型,再根据具体整体内收和分步内收的设计分别构建共6副无托槽隐形矫治器模型。通过三维有限元运算,模拟矫治器加力下各结构的受力情况,对比分析得出结论。结果:(1)膜片厚度的影响:膜片厚度对无托槽隐形矫治器治疗下的牙齿牙周膜受力有明显的影响,较厚的无托槽隐形矫治器矫治下的牙齿牙周膜受力明显增大。(2)牙周膜应力分布:下颌单根牙牙周膜Von Mises等效应力集中在牙颈部及根尖区,最大等效应力出现在牙颈部;对于下颌多根牙,牙周膜Von Mises等效应力集中在牙颈部、根尖区、根分叉区,最大等效应力出现在牙颈部。(3)支抗保护:相较于整体内收前牙而言,分步内收前牙可以减轻后牙区段牙周膜所受应力大小,并使得后牙具有更小的初始位移趋势。结论:无托槽隐形矫治器治疗下颌拔牙病例,设计分步内收前牙可以降低后牙牙周膜应力,并减少后牙的初始位移量,或有保护后牙支抗的作用。