计及接触非线性的钢丝编织增强软管精细化有限元建模方法

聚四氟乙烯软管是一种用于航空发动机管路中的钢丝编织复合柔性软管,为了较为准确预测其疲劳寿命,需要建立有效的力学模型。针对以往研究未考虑编织层间接触状态影响软管力学性能等不足,提出根据软管多层结构参数建立钢丝尺度精细化有限元模型的方法,该模型可计算编织层间的接触状态、钢丝间的摩擦应力和软管力学性能的非线性变化。通过应变测量实验验证了模型的有效性,在压力载荷下,软管呈径向膨胀轴向缩短变形状态,中间区域应变基本一致,且应变以周向为主,轴向为周向的20%~30%。在0~20MPa工作压力范围内,由于编织层接触状态的改变,软管表现出3种不同的力学性能,压力从3MPa增加到4MPa过程中,编织层逐渐发生接触,编织层应变、应力曲线出现转折点,而内管和橡胶层转折点略迟于编织层。

不同横缝初始间隙的拱形重力坝-地基体系地震响应分析研究

本文构建了某拱形重力坝三维全坝段-地基体系有限元分析模型,综合考虑了坝体横缝和坝基交界面接触非线性,采用基于拉格朗日乘子法的动接触力模型模拟接触非线性问题,采用黏弹性人工边界考虑无限地基辐射阻尼效应,分别开展横缝初始间隙0、2和20 mm下的重力坝-地基体系非线性有限元动力时程分析,揭示不同横缝初始间隙对大坝动力响应的影响,为工程抗震设计提供科学依据.

螺栓紧固件参数化有限元建模平台及有限元分析

由于螺栓紧固件复杂的螺旋线几何形状,在开展有限元分析时,网格划分过程较为烦琐且难以保证单元质量。螺栓紧固件不规则的网格划分往往会导致数值模拟时螺纹副之间的接触计算不宜收敛,因此提出一种螺栓紧固件有限元参数化建模方法。该方法通过螺旋线解析公式参数化建立螺栓紧固件的有限元模型,使得螺栓外表面和螺母内表面的接触区离散节点之间能够精确配对,在接触定义和接触计算时大大提高数值收敛性。建模平台依靠参数化精确建模的优势,能有效解决螺栓紧固件数值计算时接触非线性难以收敛的难题。为了针对不同型号的螺栓紧固件能够进行快速有限元建模,基于Qt开发平台和OpenGL理论,根据螺纹紧固件连接设计标准,建立了基于C++编程语言的螺栓螺母有限元参数化建模平台。通过使用建模平台生成的螺栓紧固件有限元模型开展有限元数值分析,将数值计算结果与解析的计算结果进行对比得出,具有良好的一致性,进一步验证了建模方法的正确性和建模平台的有效性。

流体密封橡胶圈密封性能分析

对通用的O形橡胶密封圈结构进行简化,采用罚函数接触单元法,对其中的关键密封元件O形橡胶密封圈采用超弹性单元建立了包含接触的非线性模型,并运用通用大型有限元分析软件ANSYS对其进行了求解。对于不同变形情况下的压缩量,以及压缩后施加侧压后的应力进行了分析。同时还对照计算了O形圈接触界面摩擦因数不同情况下的变形及扭转。结果表明,所采用的方法能够预测O形圈压缩中的变形和应力等特征参数,增加对O形密封圈密封性能的了解,并对同类密封结构设计有一定的指导意义。

基于Odgen模型O型橡胶密封圈的大变形接触分析

利用大型非线性有限元软件MSC.Marc,基于橡胶类材料单轴拉伸所得到的应力应变曲线,通过数据拟合确定Odgen模型的材料参数。建立O型橡胶密封圈非线性有限元计算模型,分析不同的介质压力对橡胶密封圈力学性能的影响,得到橡胶密封圈的Von-mises应力的分布规律、主接触面以及侧接触面接触应力的分布曲线。研究结果表明:随着介质压力的增加,Von-mises应力随之增加,并向密封圈与沟槽的接触区域转移。在主接触面和侧接触面接触应力的分布近似为二次抛物线,接触应力的最大值出现在接触区的中点,随着介质压力的增加,接触应力的峰值和接触宽度明显增加,且应力峰值均大于介质压力,能够较好地防止介质的泄漏。

冠外精密附着体用于下颌单侧游离端缺失的三维有限元应力分析

我们考虑基托与缺牙区牙槽嵴之间的接触,建立了冠外精密附着体用于单侧游离端缺失时的完整牙槽骨和全牙列三维非线性有限元模型,分析了牙周组织未吸收时基牙数目不同和牙周组织不同程度吸收时,第二前磨牙牙体及其牙周组织的应力情况。结果表明,牙周组织未吸收时增加基牙数目可以降低牙体及牙周组织的应力,使用两颗基牙较一颗基牙相比应力明显降低,而使用三颗基牙与两颗基牙相比应力变化不明显。结果提示,临床中宜使用两颗基牙进行修复。牙周组织吸收时,牙周组织应力随吸收程度的增大而增大,而牙体应力相对牙周组织应力变化小。当牙周组织吸收牙根长度的1/2时增加第三颗基牙,可以有效降低牙周组织的应力,临床中仍可使用冠外精密附着体进行修复。

基于有限元和神经网络的杂交建模

针对复杂非线性结构动力学系统提出了一种基于有限元与神经网络相结合的杂交建模方法。依据该方法,首先将系统中的线性结构部分采用有限元建模,非线性或难以机理建模的结构部件采用神经网络描述。其次,再通过力和位移边界联接条件将有限元模型部分和神经网络模型部分结合从而得到整个系统的杂交模型,且杂交模型的物理结构明确,精度较高,网络规模较小。在一非线性隔振系统的杂交建模算例仿真中,用所建杂交模型对正弦及宽带随机激励进行了预测检验分析,结果良好,该杂交建模方法为主体结构为线弹性结构而又包含有强非线性器件的非线性动力学系统提供了一种有效的建模途径。

地下厂房岩锚梁接触面非线性有限元模拟方法

地下厂房岩锚梁接触面是岩锚梁整体结构薄弱环节,建立合理的接触面模拟方法是岩锚梁有限元数值分析的重要内容。针对地下厂房岩锚梁与围岩接触问题,分别构建模拟岩锚梁与围岩接触面非线性特征的有限元数学模型和力学模型。在Desai薄层单元基础上,推导岩锚梁接触面单元有限元数学模型,该数学模型形式简单,便于有限元计算;结合非线性弹性理论和弹塑性理论,提出岩锚梁接触面3维非线性力学模型,该力学模型能够模拟岩锚梁接触面弹性阶段的非线性现象和塑性阶段的损伤软化现象。针对岩锚梁接触面闭合、张开、剪切滑动等变形特征,提出考虑接触面黏结、开裂、滑移现象的分段式抗滑安全系数。详细论述了所提模型的有限元实现方法,并据此编写了有限元程序。将本文模型应用于某地下厂房岩锚梁有限元分析计算中,与接触面等效连续模型相比,所提模型计算得到的岩锚梁梁体应力稍小,荷载更多的是由长锚杆承担,梁体的整体变形量增加了2~3 mm,说明接触面的存在使得岩锚梁整体稳定性降低,岩锚梁接触面处的安全系数也稍小,局部出现拉裂损伤,与实际工程岩锚梁接触面开裂现象相吻合,说明所提模型能够合理反映岩锚梁接触面非线性接触特征。为地下厂房岩锚梁稳定分析提供了一种有效的有限元分析方法。

共轭断层系统的非线性有限元模拟与震群模型讨论

采用断层摩擦接触的非线性有限元模拟方法,对单断层与交叉断层2种断层模型分别进行数值模拟计算对比,结合中国大陆双震或震群型地震孕育发生的构造条件对共轭断层系统的孕震与发震机理进行了讨论与分析。断面滑动摩擦机制较好地解释了共轭断层由闭锁状态进入发生地震的滑动状态的过程,共轭断层系统会交替地发生失稳事件,验证了2组共轭断层系统构成的地震模型的滑动习性。其数值模拟与讨论分析结果可为共轭断层发育区的地震监测预报提供科学依据。

用有限元法预测抽油杆柱与油管柱偏磨点位置

针对细长抽油杆上下往复运动时沿井深与井眼圆周方向产生摩擦接触的问题,根据振动理论,建立了抽油杆柱非线性动力学模型。根据非线性理论和有限元理论,采用接触单元,描述了抽油杆与油管的接触状态,并与空间梁单元结合,在考虑实际边界条件下提出了抽油杆柱参数的计算方法。对大庆油田10-6551井进行了模拟,通过计算,定量地描述了抽油杆与油管接触力的变化。根据接触力的分布状态,计算了扶正器的安装位置。用这种方法使接触力平均降低50.6N,减缓了抽油杆柱的偏磨。该方法已在大庆部分采油厂得到推广和应用。

三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析

针对三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析,提出了一种符合接触性质的新的接触模型:在接触点处,钻柱的横向位移应限制在给定的环空间隙值内,同时,还必须让横截面绕变形曲线副法线轴的转角为零。利用新的接触模型,采用忽略横向剪切变形的三维空间曲梁单元对三维曲井内钻柱的接触非线性进行了有限元分析,给出了一套计算方法。算例结果表明:新的接触模型与计算方法,对于有解析解的平面问题其精度高,避免了随着单元划分的不同导致解时大时小而不稳定的现象。工程算例——三维曲井内钻柱的接触非线性分析结果偏于安全。

混合Ⅲ型50百分位假人头部有限元模型建模与对比研究

针对已公开的HybridⅢ第50百分位假人头部有限元模型过于简陋和网格尺寸过大的问题,建立了5种不同网格尺寸的HybridⅢ50百分位假人头部有限元模型。通过模型有效性验证发现,当网格尺寸大于10mm时由于沙漏能过大而导致模型仿真失效;等于4mm时模型接近于可能仿真失效;小到2mm时模型沙漏能得到了较好的控制且整个头部模型有很好的细节表现。具有该网格尺寸的头部模型较适用于头部接触碰撞的仿真,且可用来建立整体碰撞假人模型。在对头部皮肤与头盖骨之间接触特性的研究中发现,定义了头部皮肤与头盖骨之间的接触使仿真H IC值非常接近于试验值,消除了未定义接触时产生的约20%的误差。

基于有限元的轴承组件动态性能分析

运用接触单元和两节点接触摩擦单元构建了接触和接触摩擦数学模型,基于此建立了轴承组件的有限元非线性数学模型,为证明该模型的正确性,利用开发的分析软件对轴承组件支承轴顶端内环某顶点的动态性能进行了计算分析,并进行了试验验证。理论计算结果和试验结果相对误差约为3.1%,在允许的误差范围内。这表明所构建的轴承组件的有限元非线性数学模型是正确合理的。

稳态滚动轮胎的有限元分析模型

建立了一个稳态滚动轮胎的有限元分析模型 ,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性、橡胶材料的不可压缩性和物理非线性、橡胶基复合材料的各向异性及轮胎与地面接触滑动摩擦。结果表明 。

双层高阶组合梁的界面摩擦效应

为了更真实地描述组合梁的力学行为,提出了一种同时考虑梁的轴向和横向高阶变形的运动学假定.基于提出的高阶梁模型,得到了考虑界面不可穿透性、界面摩擦效应和非线性剪力键的双层组合梁模型静力分析的修正能量驻值原理.利用修正能量驻值原理,推导了该非线性组合梁模型的混合型高阶有限单元.在线性假定范围内对比分析了基于高阶梁理论、平面应力模型和Timoshenko梁理论的组合梁有限元应力分析,验证了高阶梁模型的可靠性;考察了界面不可穿透性与界面摩擦效应对组合梁静力行为的影响.数值结果表明:提出的高阶模型较经典梁模型更逼近于平面应力模型;界面不可穿透性与摩擦对组合梁静力行为具有显著影响.

载重子午线轮胎三维非线性有限元分析

建立了一个轮胎结构有限元分析模型 ,考虑了轮胎变形的几何非线性、轮胎与地面和轮胎与轮辋的大变形非线性接触、轮胎材料的非均匀性、橡胶材料的不可压缩性和物理非线性及橡胶基复合材料的各向异性。结果表明 ,该模型有效可靠。

重庆东水门长江大桥索塔锚固区非线性接触受力分析

重庆东水门长江大桥索塔锚固区结构新颖,取消了普通外置式钢锚箱索塔锚固区的端板,钢锚箱与混凝土塔肢之间采用剪力钉连接,同时还布置塔肢间预应力,使钢锚箱与混凝土紧密连接,用剪力钉、侧拉板和摩擦力共同承担斜拉索的索力。针对该新型结构形式,利用大型有限元软件Midas FEA,建立索塔锚固区的非线性接触模型,通过对其进行精细仿真计算分析,得出钢锚箱、侧拉板、剪力钉和塔壁混凝土的应力分布情况,以及索力的传递分配情况。

履带-轮-地面相互接触非线性有限元建模

为有效预测车辆履带系统动力学响应,应用非线性有限元描述了履带、地面及负重轮之间的接触,并建立了数学模型。在增量方程的基础上采用有限单元法解决了接触边界值问题,在半圆形和等腰梯形两种路面,干沙、粘土和沙壤土3种土壤及不同负重轮位置和履带刚度条件下进行了算例分析。结果表明:车辆在等腰梯形和半圆形路面行驶时,两个边角接地压力最大;路面越软,履带接地压力越小,且越均匀;负重轮间距和沉陷量越小,履带最大接地压力越大;履带张力和负重轮上反作用力随着履带刚度的增加而增大。建立的数学模型能够合理预测履带张力变化、几何大变形和履带接地压力。

非线性广义杂交元

选择新的三类变量建立了放松单元间连续性条件的用于非线性有限元分析的泛函，并由此建立了基于不协调模式的非线性广义杂交元方法。

基于不同土体的牵引火炮动态应力分析

应用结构动力学有限元法研究轻型牵引火炮发射时支撑土体的特性对炮架部件动态应力的影响。首先研究了某轻型牵引火炮发射时全炮复杂结构系统的动态非线性有限元建模,重点研究了火炮各部件之间的连接关系建模和火炮结构与土体相互作用的集中参数力学模型。然后利用所建立的系统动态有限元模型进行隐式时间积分求解,获得了该牵引火炮置于不同特性土体发射时主要部件的动态应力响应。通过对模拟结果的比较和分析,揭示了牵引火炮发射时炮架动态应力响应峰值与支撑土体刚度之间存在与直观认识不一致的关系,即火炮置于较软土体上发射时架体动态应力峰值高于火炮置于刚硬基础上发射时的应力峰值。