压力容器有限元计算中的整体建模方法研究

在压力容器有限元计算中,通常仅针对所关心局部区域进行建模;但局部建模将带来边界条件难以确定的问题。针对一受内压作用的过热器强度计算问题,提出一种实体单元/壳单元混合建模的整体建模方法。对较厚区域,关注的局部区域及结构不连续区域采用实体单元建模;其余薄壁结构用壳单元建模。通过改变实体单元/壳单元连接位置,建立不同的计算模型。计算结果和实测结果比较表明:通过合理选择壳单元和实体单元连接位置,该整体建模方法所得计算应力能与实测应力较好吻合。既避免了局部建模边界条件难以确定的问题,又达到了减小整体模型计算规模,同时保证局部计算精度的目的,为类似的工程问题提供了参考。     

分体式组合小箱梁桥空间有限元建模方法

为解决对分体式组合小箱梁桥桥型进行空间有限元分析时所遇到的各片箱梁间翼缘纵向湿接缝如何准确模拟等问题,为寻求合适的空间有限元建模方法,以由4片分体式组合箱梁组成的40 m单跨简支梁桥为研究对象,利用大型有限元软件MIDAS/Civil,分别建立了实体单元计算模型、梁板单元组合计算模型及改进的梁格法计算模型,对比分析了在4种荷载工况下各片箱梁跨中位移解。计算结果表明:实体单元计算模型计算结果准确但建模复杂,与其相比,梁板单元组合计算模型最大误差为-5.4%,改进的梁格法计算模型最大误差为-2.3%。改进的梁格法计算模型为该桥型合适的有限元建模方法。     

固定管板式热交换器应力分析

 管壳式热交换器因其可靠性高、适用性广泛成为很多工业部门中应用最广的热交换器。常规设计采用GB 151—1999《管壳式换热器》中当量等效近似方法,该当量等效力学模型和实际结构存在较大差异,尤其对于大型高参数热交换器,若无法应用常规设计方法,必须进行分析设计。有限元方法是最常见的分析设计方法。本文应用ANSYS通用有限元软件,对某实验台用热交换器建立了有限元模型,模型分别采用实体单元和梁、壳单元对固定管板式热交换器的壳体、管板和换热管所构成的固定连接结构进行了应力分析研究,以及温度载荷和压力载荷同时作用下的有限元分析。在实验台上进行与有限元分析中引用载荷相同的温度和压力载荷进行实验,并将实验结果与有限元分析结果进行比较,研究表明采用梁、壳单元或实体单元均能获得较精确的结果。考虑到热交换器的建模难度、工程精度需求和计算时间,对于大型高参数热交换器有限元分析采用梁、壳单元进行模拟,既可保证计算精度,又可降低建模难度,是切实可行的处理方法。     

基于伸臂桁架多尺度模型的超高层建筑地震灾变评估

针对伸臂桁架斜腹杆在地震灾变过程中发生塑性屈曲,而宏观梁单元很难模拟塑性屈曲引起的承载力和刚度退化这一问题,以典型伸臂桁架试验为基础,在兼顾计算效率和精度的前提下,提出了基于梁单元和壳单元的伸臂桁架多尺度有限元模型;建立了典型超高层建筑的多尺度有限元模型,研究伸臂桁架塑性屈曲对地震灾变全过程的影响.结果表明,伸臂桁架多尺度模型能较好地预测初始刚度、屈服承载力以及塑性屈曲引起的承载力和刚度退化,且具有较高的分析效率;在进行超高层建筑地震灾变模拟时,不考虑伸臂桁架的塑性屈曲,会高估伸臂桁架的耗能能力,低估核心筒和巨柱的损伤程度,最终影响结构的倒塌模式并高估抗倒塌能力.     

基于APDL的可扩展式车厢的模态分析

利用ANSYS10.0软件,通过APDL语言建立了以梁单元和壳单元以及实体单元为基本单元的可扩展式车厢骨架有限元模型,并对该车厢骨架进行静态分析和模态分析。计算结果可为车厢骨架结构设计、改进和轻量化提供理论依据。     

含开孔和补强的蜂窝夹芯层合结构的屈曲分析

该文针对含有开孔和孔边补强的蜂窝夹芯复合材料层合结构的屈曲分析发展了一套三维有限元求解方案。孔边缘应力集中区采用W ilson非协调实体单元模拟,同时为减小求解规模,远离开孔的应力平缓区则采用一种相对自由度层合壳元。这种单元避免了传统壳元的转动自由度,易与三维实体单元连接,使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。数值算例验证了该文计算策略的准确性和有效性,最后通过大量数值计算研究了开孔和补强对结构临界载荷的影响。     

钢筋混凝土双曲拱桥计算模型修正方法

分别用实体单元和梁杆单元建立双曲拱桥有限元模型(FEM),对其进行静动力的分析,并将得到的挠度、固有频率、振型等与现场实测结果进行比较.结果表明:梁杆单元模型的计算结果精度要略差于实体单元模型,但计算效率大大高于实体单元模型;对梁杆单元模型进行合理的模型修正,可以使其静动力特性更加符合实际,计算结果与实测结果的误差由原先的24.6%降低至8.33%以内.研究结果可为钢筋混凝土双曲拱桥的建模方法、模型修正和科学计算提供依据.     

飞机偏心受载加筋板结构的有限元简化建模方法

采用偏心梁、杆板组合两种有限元模型简化方法对偏心受载加筋板结构进行建模,得到的计算结果与实体三维有限元模型的计算结果进行对比。对比结果表明,杆板组合有限元模型能有效、合理地简化偏心受载的加筋板结构。     

实体壳单元及其在动力显式有限元方法中的应用

将实体壳单元模型引入动力显式有限元方法,并采用假定自然应变方法消除剪切闭锁和梯形闭锁,利用平面应力假定改善厚向闭锁,通过共旋理论更新应力.对标准算例的计算及其与实体单元计算结果的对比显示,在相同计算模型条件下,实体壳单元模型较实体单元有更好的精度.利用实体壳单元对一段辊弯成型过程进行模拟.结果显示,采用实体壳单元可以有效缩小计算规模,提高计算效率.     

基于实体壳单元的板壳非线性变形分析

将实体壳单元模型引入显式有限元方法,通过添加12个改善拟应变参数弥补变形缺陷解决闭锁问题,并利用共旋理论和径向返回迭代法更新应力.利用这种基于显式算法的实体壳单元模型对板壳结构非线性变形的标准算例进行计算,并与实体单元及壳单元计算结果进行对比.结果表明,该实体壳单元具有较高的计算精度,可有效地解决板壳非线性大变形分析问题.     

短杆钢箱桁架结构数值模拟方法探究

基于某短杆钢箱桁架渡槽实例,通过ANSYS大型有限元计算软件,分别建立了渡槽节段的实体模型和简化的梁单元模型;然后,根据渡槽实际受力情况设置了跨中集中荷载以及均布荷载两种荷载工况形式,并进行这两种工况下的位移和应力比较,找出梁单元模型与实体单元模型间计算响应的差异;最后,验证了梁单元模型在短杆桁架位移计算中得到的结果在误差允许范围内,引入了梁单元模拟短杆钢箱桁架结构时的应力包络系数,以指导类似短杆钢箱桁架结构数值分析计算。     

柔性管侧向屈曲失效数值模拟及敏感性分析

以基于细长杆理论曲梁单元建立柔性管有限元模型,对柔性管侧向屈曲进行非线性有限元分析;采用等效螺旋钢缆模拟整个抗拉伸层;运用非线性弹簧单元、接触单元和欧拉梁单元模拟其他层作用;考虑湿环境下弯矩和轴向压力共同作用;分析了柔性管侧向屈曲载荷、模态和屈曲后应力对于屈曲载荷的影响;进行了参数敏感性分析.运用Matlab程序语言根据解析解公式建立程序.将数值模拟结果与已有文献结果和解析解结果进行对比,验证了曲梁方法的可行性.结果可为柔性管设计中的出曲校核提供数值模拟方法.     

轮胎有限元建模过程优化及刚度特性仿真研究

文章将轮胎胎面、胎侧、帘线层、子午带束层等主要部分进行合理简化,为控制轮胎外形及其网格精度对模型求解的影响,对轮胎断面曲线尺寸进行合理计算并重新绘制;建立了由一维梁单元、二维壳单元、三维实体单元组合的子午线轮胎有限元模型。利用LS-DYNA软件模拟分析了轮胎在不同路况下的刚度特性,探讨了有限元模型的单元特性对仿真结果精度的影响,研究了轮胎的非线性材料特性与接触特性对仿真结果的影响,为提高轮胎有限元模型的仿真分析精度,建立了多个仿真模型进行对比分析。通过对轮胎的径向、侧偏刚度等特性的仿真分析及其与试验结果的比较分析,探讨了轮胎有限元建模过程的关键优化技术及提高仿真模型精度的关键问题。     

舰船推进轴系动力学建模及冲击响应分析研究

为了探究在冲击载荷作用下的轴系冲击响应特性,在对某舰船推进轴系系统组成特点和喷泵、齿轮和联轴器等元件进行分析的基础之上,建立了三维有限元模型和有限梁单元模型;同时根据梁单元和冲击理论,推导得到有限梁单元模型对应的冲击响应运动方程.分别采用有限元法和数值分析方法,对轴系两种模型进行模态计算与分析;同时对轴系进行冲击载荷响应计算与分析,由于有限元模型可以采用参数化建模,可以替代有限梁单元模型的简化及迭代计算过程,提高了轴系在设计阶段轴系抗冲击载荷的模拟仿真计算的效率.     

基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析

为探究长直管柱在井下复杂工况下的屈曲形式,进行基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析研究。利用梁-梁接触理论对考虑剪切弯曲变形的梁进行离散化,使用管-管接触单元建立管柱变截面摩擦接触有限元模型,并用此方法针对分层采油井实际井况建立管柱有限元分析模型。结果表明,分层采油管柱在井下复杂的受力环境下会发生不等距复合屈曲,在考虑摩擦的情况下管柱的屈曲构型不再是标准的正弦线或是螺旋线构型,并利用磁定位数据验证了计算结果的可靠性。     

钢箱—混凝土组合梁受力性能有限元分析

钢箱—混凝土组合梁是一种新型钢—混凝土组合结构。为研究钢箱-混凝土组合梁的结构性能,分析其强度和刚度的主要影响因素,在ANSYS软件中利用板壳单元和实体单元建立了梁的三维空间有限元模型,考虑材料非线性和钢板局部屈曲的几何非线性,对钢箱-混凝土组合梁受力行为进行了有限元分析,分析结果与试验实测结果吻合良好,说明计算模型有效。利用计算模型对影响钢箱—混凝土组合梁强度和刚度的主要参数进行了分析,结果表明,钢板厚度变化对梁的强度和刚度的影响强弱依次为底板腹板顶板,提高混凝土强度可以明显提高梁的强度和刚度。     

基于非线性多体动力学和有限元法的柴油机曲轴动态强度分析

为更准确地分析曲轴在运行工况下的动力学响应特性,采用Pro/E 3D软件对CA4D32柴油机曲轴、轴承等部件进行三维实体有限元建模,并将模型导入非线性多体动力学分析软件AVL Excite,添加连接单元,建立轴系非线性多体动力学模型,计算了一个工作循环的主轴承载荷变化.将非线性多体动力学轴系位移量计算结果作为曲轴三维实体有限元精细模型的载荷边界条件,完成了一个循环曲轴动应力计算.结果表明,与刚性体的分析方法相比较,采用非线性多体动力学分析方法可获得更接近实际的有限元模型的载荷边界条件,提高了曲轴强度的计算精度.     

螺栓联接的有限元建模方法研究

对螺栓联接的有限元建模方法进行研究和评估.以螺栓-法兰联接为例,基于有限元分析软件ANSYS,建立了3种螺栓联接的有限元模型,即实体螺栓联接模型、梁单元联接模型和刚性单元联接模型.模态试验和应力分析表明,实体螺栓联接模型和梁单元联接模型具有广泛的适用性,可准确分析螺栓联接结构的静态特性和动态特性.相比实体螺栓联接模型,梁单元联接模型在保留了关键细节的同时提高了建模和计算效率.刚性单元联接模型不能模拟螺栓预紧和接触,只适用于模态分析.试验和仿真均表明,螺栓预紧力的大小对结构模态影响很小.仿真表明,螺栓联接表现出复杂的非线性特性,如应力的非线性变化、法兰之间接触状态的变化、螺栓总拉力的非线性变化等.      

单层网壳结构稳定性分析的随机缺陷模态迭加法

根据几何非线性有限元理论,结合单层网壳结构的随机缺陷概率模型,提出了基于Timeshenko梁理论的网壳结构稳定性随机缺陷模态迭加法,推导建立空间Timeshenko梁单元的几何非线性切线刚度矩阵方程,在特征值屈曲分析基础上,建立结构缺陷模态参与系数的概率模型,采用Monte Carlo法对具有随机缺陷的结构进行稳定承载力分析,进而提出了单层网壳结构稳定性随机缺陷模态迭加法.算例分析表明,该法克服了已有传统方法随机变量过多的局限,可精确识别出结构失稳的最不利缺陷模式,获得最不利缺陷分布下的稳定承载力,并可对结构屈曲的全过程进行跟踪分析,具有良好的计算精度和计算效率.     

管内可控万向铰接柔性杆接触非线性有限元分析

管内可控万向铰接柔性细长杆是一个伴随机构与结构之间相互转化的梁梁接触非线性问题。基于可控万向铰接的结构特点,构造万向铰单元并给出运动约束,将其与空间梁单元和接触单元进行组合,建立可控万向铰接柔性杆与外管接触非线性有限元模型,并选取修正的牛顿辛普森法进行数值求解,并与有解析解的算例进行比对,以超短半径水平井造斜段柔性钻具组合为例,研究万向铰不同转动限制度数对柔性钻杆的变形及载荷传递规律的影响。结果表明:所建模型的数值解与有解析解的算例计算结果吻合较好;万向铰接柔性钻杆在自重和扭矩作用下发生了"折线形"变形;随着铰接处转动限制度数的增大,柔性钻杆的相对转角及其与导向筛管的接触压力逐渐增大,扭矩逐渐减小。