预应力混凝土多梁式梁桥的非线性壳单元模型及极限承载力研究

本文研究了预应力混凝土多梁式梁桥的非线性壳单元计算模型,对多梁式梁桥进行了非线性全过程分析。采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土开裂、屈服和压碎非线性性质后,引入实体退化壳单元理论,对混凝土和普通钢筋采用分层壳单元模拟,预应力钢筋采用组合壳单元模拟,并根据位移协调性推求了预应力钢筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,研究了一种非线性组合-分层壳单元计算模型,并编制了相应的三维非线性壳单元计算程序。结合破坏性试验资料可知,非线性计算结果与试验数据吻合良好,并对普通钢筋和预应力钢筋应力发展规律进行研究。研究表明对于预应力混凝土多梁式梁桥这类薄壁结构,采用本文提出的非线性壳单元计算模型来研究其非线性行为是有效的,此单元具有良好的数值稳定性和收敛性。     

基于壳梁组合单元预应力混凝土梁非线性响应

基于壳梁组合(SBC)单元,建立了预应力混凝土T梁非线性分析模型,并对其进行了破坏全过程研究,对梁体刚度折减、预应力筋应力重分布规律等进行了分析.基于分层壳单元和梁单元计算模式,对预应力筋采用SBC单元模拟,有效地模拟了预应力筋的空间预应力作用,对普通钢筋和混凝土采用分层壳单元模拟.采用Owen准则等描述了预应力混凝土T梁的屈服等材料非线性效应,并研制了相应的非线性计算程序.研究结果表明,该方法的计算结果与试验梁的试验结果吻合良好,非线性SBC单元方法用于预应力混凝土T梁分析是合适的,为此类工程薄壁结构的评定分析提供了一种较为有效的计算方法.     

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ABAQUS纤维梁的钢筋混凝土材料模型二次开发

目的研究ABAQUS纤维梁钢筋混凝土材料本构模型,以解决软件中缺乏可用的三维梁单元约束混凝土材料模型及软件自带金属塑性材料模型无法考虑加卸载过程中刚度退化等问题.方法采用FORTRAN语言,基于经典混凝土和钢筋单轴材料本构模型,开发用于显式模块的钢筋混凝土梁单元材料子程序.首先,通过对钢筋的变幅值拉伸试验和素混凝土柱往复拉、压过程的模拟对子程序的有效性进行了初步验证;其次,分别采用不同的材料本构模型对钢筋混凝土梁、柱拟静力试验进行数值仿真,验证子程序用于构件分析的准确性和有效性;最后,以一个12层方钢管混凝土平面框架结构为例,分别建立二维和三维有限元模型,并进行地震作用下动力弹塑性时程分析.结果钢筋混凝土梁、柱试验的数值模拟结果与试验结果吻合良好,对比误差均小于4%,对钢管混凝土平面框架结构弹塑性地震反应分析结果也较为理想.结论采用不同钢筋加载规则得到的构件荷载-位移骨架曲线大致相同,但滞回捏拢行为有显著改变.与ABAQUS自带材料本构模型相比,笔者所开发的材料子程序可以更好地反映循环荷载作用下钢筋混凝土构件及结构的力学特性,可用于构件及结构的非线性分析.     

基于Ottosen准则的PC多梁式梁桥全过程分析

为了对预应力混凝土(PC)多梁式梁桥进行非线性全过程分析,采用弥散裂缝模式、Ottosen屈服准则和Hinton压碎准则描述混凝土的开裂、屈服和压碎等非线性变化,引入实体退化壳单元理论,对混凝土和普通钢筋采用分层壳单元模拟,预应力钢筋采用组合壳单元模拟,并根据位移协调性推导了预应力钢筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献,提出了一种非线性组合―分层壳单元计算模型,并编制了相应的三维非线性壳单元计算程序.结合破坏性试验资料可知,非线性计算结果与试验数据吻合良好,极限荷载的相对误差约为0.13%;同时,普通钢筋和预应力钢筋应力发展规律的研究表明,对于PC多梁式梁桥这类薄壁结构,采用文中提出的非线性壳单元计算模型来研究其破坏全过程是有效的,此单元具有良好的数值稳定性和收敛性.     

方钢管钢骨高强混凝土轴压柱有限元分析

为了分析方钢管钢骨混凝土轴压柱的工作机理,采用ANSYS有限元软件对其轴压柱受力进行了全过程数值模拟.结果表明,采用修正的方钢管内核心约束混凝土本构关系模型可以很好地模拟极限承载力及峰值应变;有限单元在发生high distortion以前的下降段与试验曲线变化基本一致,但其后的变形不能代表真实的受力状态.因此,利用ANSYS进行钢管钢骨高强混凝土的弹性与弹塑性分析结构是可行的.     

混凝土三维非正交弥散裂缝模型

基于应变分解法,将开裂后的混凝土应变分解成裂缝面的应变与完好混凝土应变两部分,裂缝面上混凝土法向刚度取单轴受拉混凝土应力应变曲线的下降段刚度,并保留裂缝面的剪切刚度,并保留裂缝面的剪切刚度以考虑骨料咬合与销栓作用,完好混凝土本构关系采用弹塑性本构模型,推导了混凝土三维非正交弥散裂缝模型的模型的基本公式,算例表明,该模型可用于混凝土结构的开裂分析,且分析结果和试验结果较为吻合。     

预应力混凝土梁开裂后的结构行为

为了研究预应力混凝土梁开裂后的结构非线性行为,基于Timoshenko分层梁理论,选取恰当的混凝土和钢筋的本构关系,考虑了混凝土的拉伸刚化效应和中性轴变化对预应力钢筋混凝土梁的受力、变形的影响,有效地模拟了预应力混凝土梁的开裂、屈服和失效全过程．分析了预应力混凝土梁在单调加载下的受力性能,并与试验结果进行比较．探讨了梁开裂后的刚度和截面的应力重分布现象．算例表明分层梁单元模型对于预应力混凝土梁的非线性分析有良好的适应性,对梁开裂后的使用性能评估有实际应用价值。     

混凝土破坏过程的数值模拟

采用梁 颗粒模型BPM2(beam particlemodel)模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程·在模型中用3种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种梁单元的力学性质均按Weibull分布随机赋值,以便模拟混凝土细观结构的非均匀性·数值模拟结果显示,混凝土宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果,揭示出混凝土破坏形态随材料性质分布的非均匀性变化而不同·     

纵向非均匀锈蚀梁的非线性有限元分析方法

针对实际工程中存在的受拉钢筋纵向非均匀锈蚀梁,从锈蚀钢筋混凝土本构关系入手,对锈蚀梁结构性能退化和破坏特征进行分析.建立锈蚀梁有限元模型,钢筋单元采用三维杆单元,混凝土单元采用8节点实体单元,钢筋与混凝土之间的粘结单元采用非线性弹簧单元.利用大型有限元ANSYS分析软件,对纵向非均匀锈蚀梁的受力性能进行模拟,模拟结果与其他非线性分析方法结果类似,说明采用非线性有限元方法分析纵向非均匀锈蚀梁受力性能正确有效.     

碳管纳米弹簧快速建模与压缩特性有限元分析

给出了ANSYS有限元软件中碳管纳米弹簧的快速建模方法,对碳管纳米弹簧的轴向压缩进行了大变形有限元分析。为验证该方法与结果的有效性,还将一碳管纳米弹簧压缩刚度、临界失稳载荷的计算值与相应的试验结果、解析解进行了比较。研究表明,有限元结果与试验结果、解析解均较为接近,这说明碳管纳米弹簧的压缩特性分析是有效的;此外还发现,典型微米长度的碳管纳米弹簧的轴向压缩刚度为nN/nm量级,压缩失稳临界载荷为几十nN。     

基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。     

钢纤维混凝土栓钉—橡胶组合连接件抗剪刚度分析

为建立钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度设计计算方法,结合已有文献推出试验,采用ABAQUS显式准静态求解技术进行非线性有限元分析,仿真计算结果与文献推出试验结果基本吻合。以橡胶套高度、橡胶套厚度、混凝土强度和栓钉直径为影响参数,分析组合连接件抗剪刚度变化规律,并结合现有栓钉抗剪刚度计算式拟合出SFRC栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度设计计算公式。结果表明：ABAQUS显式准静态求解技术能较好地实现组合连接件推出试验数值模拟;采用橡胶套包裹栓钉后会大幅降低连接件抗剪刚度,抗剪刚度最大降幅约为60%;当橡胶套高度为25 mm、厚度为2.5 mm时,即可显著降低连接件抗剪刚度;钢纤维混凝土强度对抗剪刚度影响较小;组合连接件抗剪刚度与栓钉直径近似呈正比关系;提出的抗剪刚度设计计算式能较准确预测钢纤维混凝土栓钉-橡胶组合连接件抗剪刚度,为工程设计提供参考与借鉴。     

不同埋深下大直径盾构隧道横向刚度有效率

盾构隧道衬砌结构整体性能受到纵缝及环缝接头不连续性的影响,接头受力状态随埋深变化发生改变,其刚度也将发生变化,进而引起结构整体刚度的改变,对于大直径深埋盾构隧道这一影响更为突出.基于该问题,以上海沿江通道越江隧道典型衬砌结构为例,采用横向变形等效原则,参考管片接头结构试验结果,研究大直径盾构隧道横向等效刚度随埋深而变化的规律,并考察了地基刚度与错缝拼装对于计算结果的影响.结果表明,大直径盾构隧道的横向刚度有效率与埋深有较大关联,覆土较浅时变化规律相对复杂,覆土厚度超过1.0倍直径后随埋深整体上呈现先递增而后递减的趋势,在埋深达到2.0倍直径后由于地层成拱效应不再继续降低,上述规律还受到地层条件的影响.研究成果对于大直径盾构隧道的设计与计算具有一定的参考价值.     

发动机附件支架多工况拓扑优化研究

文章采用Optistruct软件提供的优化方法,对某发动机附件支架进行多工况拓扑优化分析;以附件布置的剩余空间为基础创建初始结构,并对其实施静态和模态分析;依据计算结果及设计要求实施以位移和模态频率为约束条件的拓扑优化分析;参考优化后的最优拓扑并结合工艺要求,确定支架设计方案并对其进行验算.实践证明,该方法能有效地在有限的空间内给出质量最轻、刚度最大的支架结构.     

阻尼器对悬索桥吊索扭转振动控制效果的数值研究

刚性分隔器对悬索桥吊索各索股的相对振动可起到很好的控制效果,但吊索可能会发生较大的整体振动,包括平动和扭转振动.采用ANSYS有限元软件,以某桥的四索股吊索为工程背景,分别建立了3种索股-刚性分隔器-阻尼器计算模型,并进行了自由振动分析,研究了理想状况下的吊索扭转模态的无量纲阻尼比曲线特征,研究了阻尼器支架刚度、阻尼器刚度对阻尼器效率的影响.研究结果表明,四索股-刚性分隔器-阻尼器体系不同扭转模态的无量纲阻尼比曲线不重合,不同扭转模态的阻尼器设计不能采用同一条无量纲阻尼比曲线进行设计;随着阻尼器支架刚度的减小,能实现的最优扭转模态阻尼比减小,对应的最优阻尼系数也减小;随着阻尼器刚度的增大,能实现的最优扭转模态阻尼比减小,对应的最优阻尼系数线性增大.     

预应力高桩码头振型反应谱抗震分析

高桩码头结构非线性地震时程分析时由于桩群数量众多,计算量过大,需要采用简化分析方法.首先介绍了超级桩的概念,将结构的桩群分组形成超级桩,用多个超级桩码头结构替代原结构,超级桩的刚度取为采用pushover分析得到的高桩码头力-位移曲线上对应于目标位移的割线刚度,阻尼采用等效阻尼,对超级桩模型进行弹性振型反应谱分析求解最大目标位移.将算例简化方法分析结果与非线性时程反应分析结果进行了对比,发现数值比较接近,表明超级桩模型可以用于估计地震下高桩码头的最大位移值,从而减少计算量.     

钢管混凝土框架力学性能的简化二阶弹塑性分析

为快速得到钢管混凝土柱-钢梁框架的荷载-位移曲线,提出了一种简化二阶弹塑性分析方法。通过建立基于塑性铰理论的梁柱单元方程,采用变刚度法进行了钢管混凝土框架的二阶弹塑性分析。简化计算结果与有关试验结果及非线性有限元计算结果总体上吻合较好,在此基础上,给出了单层钢管混凝土框架的荷载-位移曲线的实用计算方法。     

基于负刚度原理的低刚度及间隙模拟技术研究

针对颤振专业的相关地面试验和风洞试验中支持系统低刚度以及间隙非线性模拟困难的问题,开展了低刚度及间隙模拟技术的研究。研究中通过分析正负刚度并联支持系统的力学原理,获取了系统的刚度表达式以及在平衡位置处的零刚度条件。据此设计了一种正负刚度并联系统,并开展相关试验。试验表明,该系统刚度呈非线性,并且与理论分析结果吻合。在此基础上,讨论了利用该系统模拟飞行器翼面间隙的可能性,设计了一种基于正负刚度并联机构间隙模拟装置,并开展相关试验。试验结果表明,该间隙模拟装置不仅可以较好地模拟间隙,还可以通过调整相关参数调整间隙的大小。通过此项研究,探索了一种新型的、可应用于各类飞机或颤振风洞模型的低刚度以及刚度非线性支持系统模拟技术,具有良好的工程适用性和应用价值。     

分阶式双渐开线齿轮轮齿刚度的研究

用有限元方法首次计算分析了分阶式双渐开线齿轮轮齿的刚度、啮合刚度和载荷分配系数,结果表明双渐开线齿轮的刚度、啮合刚度均提高了,而载荷分配系数基本不变;提出直线逼近齿廓曲线近似求解该齿轮刚度的能量积分法。