山区公路桥梁多灾害联合作用数值模拟

山区公路桥梁长期遭受冲刷及磨蚀等水文灾害,期间可能同时伴随崩塌落石等地质灾害的作用.为探明多灾害作用下山区公路桥梁的结构响应及损伤机理,从流固耦合的角度出发,针对冲刷及磨蚀的数据传递推导相应的插值算法,并结合生死单元功能,构建基于Delaunay三角剖分及特征点协同插值的山区公路桥梁多灾害联合作用数值仿真方法.首先,针对冲刷数据,基于三角形内部插值理论构建冲刷数据传递方程.其次,针对磨蚀/波流力数据,基于三维表面Delaunay三角剖分及三角形外部插值理论补充推导数据传递方程,再利用特征点协同插值算法计算结构域目标单元总结果.最后,基于生死单元功能,在结构域中考虑冲刷坑及桩基磨蚀形态,构建冲刷及磨蚀条件下落石冲击山区公路桥梁墩柱数值模型.结果表明:所采用的针对冲刷及磨蚀模型数据的插值方法精度较高;在不同的冲击速度、冲击角度及落石质量工况下,与无冲刷磨蚀相比,冲刷、冲刷磨蚀条件下桥墩冲击力峰值的相对变化呈现非线性特征,此外,在冲刷条件下,桩基磨蚀对冲击力峰值亦产生非线性影响;随着冲击速度及落石质量的增大,各条件下冲击点位移峰值均变大,且位移峰值从大到小均依次为冲刷、冲刷磨蚀和无冲刷磨蚀,同时在各冲击速度、冲击角度及落石质量工况下,磨蚀引起的位移峰值最大降幅分别约为2%、11%及4%.

大跨度钢结构施工过程的数值模拟与二次开发

大跨度钢结构空间造型丰富,施工阶段结构的传力路径与最不利受力位置动态变化。为解决施工过程结构分析与安全复核时建模计算流程繁琐的问题,基于AutoCAD与ANSYS软件开发了大跨度钢结构一键式建模、计算与结果读取的插件。该插件采用C#语言调用AutoCAD.NET框架,读取并输出大跨度钢结构图纸文件中的模型信息,自动生成结构有限元建模、计算与结果读取的APDL命令流,可用于大跨度钢结构施工过程的数值模拟与安全评估。以某单层球面网壳结构为例验证了所开发的大跨度钢结构建模分析插件的有效性,使用该插件快速建立了有限元分析模型,并复核了结构在施工阶段的内力和变形。研究结果表明,单层球面网壳结构在施工全过程中满足强度和稳定性要求,内力和变形在安全范围内且满足设计要求。该插件能够高效、准确地将大跨度钢结构信息由CAD软件传递至CAE软件,完成施工过程的数值模拟与安全评估。

基于生死单元法的GIS设备安装过程温度效应研究

GIS设备在安装过程中外部温度环境复杂多变,对其安装定位偏差及构件内力有着不可忽略的影响,将造成安装完成状态与设计状态的较大差异。依托某实际变电站工程,结合工程所在地的温度环境,建立4种不同的温度变化工况,采用基于时变力学的生死单元法对GIS设备安装过程进行有限元仿真分析,研究安装过程温度效应对结构位移及应力的影响。仿真结果表明:安装过程中的环境温度变化对GIS设备间隔位移偏差产生累积效应,位移偏差将会影响安装中定位需求;设备支座采用螺栓连接,刚度较小,在温度效应明显时无法协调上部结构和下部支架的变形;安装过程中随温度变化,筒体应力相应变化但应力值较小,螺栓内力相对较大,安全余量较小。研究结果将为GIS设备结构的安装环境控制和结构优化奠定基础。

基于生死单元技术的IGBT芯片焊料层失效演化机理

封装疲劳失效是导致绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块故障频发的重要因素,严重影响电力电子变流器可靠运行。焊料层退化演化过程复杂,亟需通过准确的模拟方法以明晰其失效机理。为此,提出了一种考虑累积损伤的IGBT芯片焊料层空洞退化演化方法。该方法基于生死单元技术的思路,通过协同仿真技术模拟芯片焊料层疲劳退化的演化过程,进一步评估焊料层的失效程度并预测模块的寿命。搭建功率循环测试平台验证所提方法的有效性,试验测得模块失效循环次数为50400次,基于所提方法模拟的失效循环次数为50865次,与试验的误差为0.923%。结果表明,该方法能够较好地模拟IGBT芯片焊料层的空洞退化过程并能准确预测模块的寿命。

博世扇贝纹对亚微米硅通孔中应力的影响

硅通孔(TSV)是三维(3D)集成中的关键互连技术。采用博世(Bosch)工艺刻蚀TSV,尤其是亚微米直径的TSV时,侧壁产生的扇贝纹会引起TSV中的应力集中。利用有限元单元生死技术分析亚微米TSV制备过程中的应力变化,并对应力的影响因素进行了分析。研究了TSV节距、扇贝纹高度和宽度、阻挡层材料参数、工艺温度和工作温度等因素对TSV内部应力的影响,并选择了4个主要因素进行正交实验分析。研究结果表明,减小扇贝纹宽度、增大扇贝纹高度、降低工艺温度均能有效缓解扇贝纹附近的应力波动幅度,其中扇贝纹宽度对应力波动的影响最大。通过上述分析,对影响亚微米TSV应力的主要因素进行了排序,从而为TSV制备过程中的参数优化提供了指导。

整体式闸首底板施工宽缝位置及合缝时间对底板的受力影响

针对我国船闸规范中未对闸首底板设置施工宽缝的相关理论进行规定的问题,本文通过对浙江某船闸工程的案例进行研究,采用ANSYS有限元软件,对设置施工宽缝和未设置施工宽缝两种结构模型进行数值分析,研究施工宽缝的位置及合缝时间对底板受力的影响。研究结果表明:底板的负弯矩随宽缝位置由底板两侧向中间变化而减小,底板的负弯矩随合缝时间的推迟而减小,在设计中应在考虑施工便利等相关因素前提下,尽量使宽缝靠近底板中间轴线,并选择在边墩完成总沉降的60%~80%时进行合缝,以降低弯矩,实现最大的综合效益。为施工宽缝的底板理论研究提供有益的参考,有助于规范设计和施工实践。

基于单元生死的焊接温度场模拟计算

在用有限元进行焊接温度场的数值计算中,通过控制单元的生死,来模拟焊缝的形成和焊接热量的输入,计算结果与焊接温度测试结果很接近。表明本计算方法能够准确计算焊接温度场,是一种实用的工程计算方法。

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟

计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体前的温升情况,并将粉末粒子到达基体前的温度作为初始条件,采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性.结果表明,粉末粒子温升和激光功率呈线性关系,单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降温曲线近似呈双曲线的一支,而多道熔覆过程中,温度场呈后拖的偏椭圆状.节点上的热循环经过逐渐增大的峰值,峰值温度最终趋于稳态.

孔隙煤岩损伤破坏行为的数值模拟

利用ANSYS有限元软件,构建了孔隙煤岩细观单元的二维数值计算模型;提出了一种针对孔隙煤岩复杂几何模型的网格优化措施,实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法,提高了生成单元的质量以及求解效率;借助单元生死技术模拟了孔隙煤岩的脆性损伤破坏过程,研究了孔隙率及孔隙形态对煤岩整体力学行为的影响。研究表明,孔隙煤岩的损伤破坏行为和孔隙率、孔隙位置、孔隙形态等几何参数有关。孔隙集中的区域会出现应力或应变集中的现象,随着孔隙率及孔隙长短轴比增大,煤岩细观单元损伤现象更加明显,弹性模量下降,煤岩强度急剧下降,且损伤阈值也有所下降。

厚板对接多道焊温度场的三维数值模拟

采用三维有限元法模拟厚板对接多道焊的温度场分布.计算过程中考虑了温度对材料相变和热物理特性的影响,采用了“生死单元”的技术,实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充.同时采用热电偶实时测量厚板对接多道焊的温度场.结果表明,温度场计算值与试验测量值十分吻合,为全焊接阀体球阀的阀体焊接工艺参数的确定提供了重要的手段;同时从温度场变化趋势可以得出,为了控制多道焊的焊接温度,在保证焊接质量的前提下,应尽量减小前几道焊接线能量.

TC4管状零件内壁加工残余应力计算及其有限元分析

针对残余应力对加工零件使用性能有严重影响以及TC4材料难以用X射线法进行残余应力测量的现状,提出了一种通过测量外壁应变来计算TC4管状零件内壁加工残余应力的方法。为验证该方法的正确性,在有限元软件中对模型内壁进行分层施加预定的随深度变化的残余应力,并用生死单元技术将内层单元逐层"杀死"来模拟实际实验中应力层被腐蚀的过程。根据外层不断变化的应变以及推导出的计算公式来计算内壁随深度变化的残余应力,并将计算得到的残余应力与之前所施加的应力进行对比,可发现该方法求得的残余应力值准确度较高,由此可以得出结论:该方法可用于测量实际零件的残余应力。

HFW焊管排辊成型焊接过程的有限元模拟

在HFW焊管的成型过程中,焊接质量直接影响着最后成品钢管的质量好坏,要得到质量好的钢管,消除因高频焊接产生的热应力是一项很重要的工序。故在生产前,利用ANSYS建立HFW焊管的焊接后热应力的三维有限元模型具有指导意义。利用ANSYS参数化语言APDL,建立HFW焊管的有限元模型,添加热源和边界条件,综合考虑焊管材料的热物性,并利用生死单元技术和循环语句实现热源的移动,从而获得HFW焊管在焊接过程中的温度场和应力场分布并对其进行分析,对应力场分析发现焊缝处的应力较小,而焊缝处过热区的应力较大。

焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响

应用热弹塑性有限元理论,采用"生死单元"技术,模拟在多道焊焊接工艺条件下,厚壁核压力容器与接管间马鞍形焊缝处焊接残余应力的分布规律,着重分析坡口型式和计算中所采用的"焊接层数"对残余应力计算结果的影响。结果表明:采用双U型坡口相比于I型坡口有利于降低等效残余应力;计算中采用不同的"焊接层数"对双U型坡口焊缝焊接残余应力的计算结果存在一定影响。

基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟

以开V型坡口钢板为例,利用ANSYS软件对其焊接过程进行有限元模拟,建立了合理的三维实体模型,使用单元"生死"技术模拟焊接焊缝的依次生成,获得了焊接温度场及残余应力场的分布规律,并对结果进行了分析和讨论,得出计算结果与实测结果比较吻合,说明ANSYS的单元生死技术能有效地模拟焊接过程,本方法对各种关键问题的处理比较得当。

T形焊接接头的三维有限元模拟

应用ABAQUS软件,对多道焊T形接头的温度场和应力场进行了数值模拟。选用三维实体单元,考虑了材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部热生成和振幅曲线的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程。获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,对计算结果进行了分析。

深埋TBM施工输水隧洞结构的三维仿真分析

考虑围岩材料的弹塑性,引入有限元程序中的生死单元,建立了可模拟隧洞开挖过程的围岩三维仿真模型,求得了深埋隧洞围岩变形的分布模式;并在此基础上,采用接触模型和库仑摩擦模型模拟管片接头的非线性连接作用,建立了TBM隧洞管片结构的三维仿真模型,分析在不同工况(施工期、运行期、检修期)、不同围岩类型以及不同衬砌时机下管片的应力应变特征,为输水隧洞的适时衬砌和安全运行提供了依据。

焊接过程数值模拟热源模式的比较

焊接热源模式是焊接数值模拟研究的一个重要内容。文中简要介绍了焊接过程数值模拟热源的各种加载模式:高斯分布函数、双椭球分布函数、生死单元方法。针对具体算例,采用3种不同的热源加载模式进行三维焊接温度场的数值计算,并比较不同方法计算焊接温度场结果的差异。结果表明,生死单元方法是一种简单的热源加载模式,其计算效率优于其他2种加载方法。

钢结构施工力学状态非线性分析方法

施工力学问题分析的难点在于结构时变、材料时变和边界时变的模拟。该文剖析了单元生死技术模拟施工过程的基本原理,从数学和物理上揭示了单元"杀死"、"漂移"和"激活"的机理。探讨了施工过程模拟的分步建模技术。对单元生死技术和分步建模技术的计算模型和精度进行了对比研究。基于经典梁单元,采用FORTRAN语言编制了这两种算法下的分析程序。算例分析表明:两种方法的理论及所编制程序正确,是施工力学问题求解的有效方法。

生死单元法分析薄壁件加工变形

针对零件中薄壁结构在机械加工中容易产生变形从而影响其加工精确度和加工质量的情况.对薄壁结构特点进行了分析,建立了有限元分析模型,并采用有限元中生死单元以及移动载荷施加技术实现了对切削加工过程的模拟,得到了典型薄壁结构在不同走刀路径下的加工变形规律,并对典型薄壁结构进行了切削加工实验,进一步验证了有限元分析的正确性.研究结果表明,采用有限元中生死单元技术以及移动载荷施加方法可以模拟材料的切除过程,并且在薄壁加工时,采用两边按一定的背吃刀量进行循环往复的加工方法能够有效控制薄壁的加工变形.

考虑几何非线性钢结构施工力学分析方法

施工过程"路径"和"时间"效应对施工及使用阶段结构力学状态影响的分析是目前亟待解决的施工力学问题.深入研究了考虑结构时变以及耦合几何非线性因素后单元生死技术模拟施工过程的基本原理,从数学和物理上揭示了单元"杀死"、"漂移"和"激活"的机理,探讨了耦合几何非线性因素后分步建模技术求解施工过程的基本原理,对这两种分析方法进行了比较.基于经典梁单元,采用FORTRAN语言编制了施工过程分析的有限元程序.算例分析表明,分析方法及所编制程序正确,是结构施工力学分析的有效方法.