不同自由度单元之间连接刚度问题的研究与应用

针对有限元分析中,板壳单元与实体单元之间由于自由度的不匹配,使转动自由度在板壳单元与实体单元交界处产生不连续的问题,提出了采用约束方程进行联合建模的思路。根据有限元理论进行公式推导,得到了约束方程在板壳单元与实体单元连接处的刚度协调方程;用有限元实例进行计算比较验证;将该建模方法运用于某地铁车的仿真当中。理论分析及仿真结果表明,非协调性单元之间自由度的协调统一对仿真结果有较大的影响,采用约束方程在板壳单元与实体单元之间形成过渡能有效消除自由度不协调的问题,从而得到更切合实际的仿真结果。     

有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究

板单元与实体单元之间的连接由于本身自由度的不同使转动自由度不连续，这个问题是有限元计算中比较难以解决的问题，本文采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡，复合单元可以看成是板单元与实体单元的组合，其刚度矩阵可以看成是板单元刚度矩阵与实体单元刚度矩阵的叠加，即复合单元具有三个方向的位移自由度和三个方向的转动自由度，通过对全实体有限元模型和具有复合单元的有限元模型的计算证明，采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡，其计算结果与全实体有限元模型的计算结果偏差较小，结果真实可靠。     

铁道车辆板梁结构多方案对比分析

为合理处理铁道车辆车体上的板梁组合结构,解决车体结构分析中典型的板梁偏心连接问题,构建了偏心节点的节点位移关系式,利用APDL语言实现了批量约束方程的施加;并根据ANSYS软件中梁单元、板单元、实体单元的基本特征构造了5种板梁组合结构模型,对它们进行了有限元分析及对比.研究结果表明:对于同一典型的板梁结构,用板梁偏心组合建模(单点约束)方案得到的模型与用实体建模方案得到的模型有限元分析结果比较接近,用全板壳建模的两种方案均相对实体单元模型约束稍强,而用板梁偏心组合建模(双点约束)方案得到的模型则约束过强;同时采用板梁组合建模的模型单元数和节点数相对较少,可以节省计算机时,降低计算费用.     

机车车体典型焊接接头应力分析

为解决近年来在采用壳单元的重载机车车体结构强度分析中,牵引梁与中梁过渡区域焊接接头的理论分析结果与试验结果存在较大差异这一问题,提出将车体主体结构离散为壳单元,分别采用壳单元和实体单元离散牵引梁与中梁的过渡区域。基于机车的运用工况,确定车体在纵向压缩和拉伸载荷作用下的理论应力分布并与试验结果进行对比,研究壳单元和实体单元对典型焊接接头应力分布的影响,并对该区域的局部结构进行优化。分析结果表明:在典型焊接接头区域,实体单元比壳单元具有更高的计算精度,且与试验结果吻合度较高;采用实体单元能更准确地模拟存在较高应力集中效应的焊接接头的应力分布。     

含面内转角自由度的4结点平行四边形单元

首先利用12结点等参数单元的形函数，求出含转角自由度的4结点平行四边形膜元的形函数，由此推导含转角自由度的4结点平行四边形膜元的单元刚度矩阵，其与一般的板单元组合后，形成了一种适用范围更广、收敛更快、精度更高及抗畸变能力更强的壳单元。在相同精度的情况下，使用本单元求解问题可以减少单元数量，降低结构总自由度数。该单元能直接与每个6个自由主的空间梁柱单元相联结，能有效地解决工程实际问题，对于一些斜交工程问题尤为适用。     

隧道初衬计算单元类型的技术对比分析

隧道结构是包括围岩和支护的一个高度非线性系统,无论是荷载结构模型还是地层结构模型,多数都是建立在经验和类比基础上。初衬作为隧道工程中最为关键的一个环节,在目前的有限元计算中,对于初衬单元的建模有的是实体单元,有的是壳单元,两者相互比较的很少。本文就初衬单元的技术问题进行分析研究,得出非独立实体单元、独立实体单元和独立壳单元的区别以及它们各自的特点,推荐采用独立实体单元衬砌模型分析计算。     

体-壳混合单元与实体单元在构架强度计算中的对比分析

采用体单元与体-壳混合单元分别对某型地铁车辆构架进行数值模拟,模拟计算中针对体单元与壳单元自由度不同的问题,使用多点约束法(MPC)在体壳单元接触面建立连接。计算结果表明,两者的位移与应力分布情况一致,体-壳混合单元与实体单元位移值大小相同,但最大应力强度值小于实体单元,最大相对误差为8.3%,处于精度允许范围内,两者均满足构架静强度要求。     

不同FE建模方法对疲劳强度分析结果影响的对比研究

为了提高工程结构强度分析的效率,基于ANSYS和Hyper Mesh平台建立了某型号机车焊接构架的全实体单元模型和体—壳混合单元模型,并对这2种建模方法的建模时间、分析周期及疲劳强度的计算精度进行了对比分析。针对体—壳混合单元组合建模中存在的体、壳单元连接处自由度不匹配的问题,在接口引入了RBE2刚性连接单元来提高计算精度。研究表明:全实体单元建模方法在工作量、分析周期以及有限元模型的规模等方面,都数倍于体—壳混合单元组合建模方法;采用合理的体、壳单元连接措施后,其疲劳强度分析计算精度的相对误差能控制在10%的范围内,对提高工程结构强度分析效率具有良好的应用价值。     

钢-混凝土混合结构在大跨度连续刚构桥中的应用

重庆石板坡公路长江大桥采用填充混凝土后板式钢—混凝土接头。在轴力、弯矩和剪力的作用下,钢—混凝土接头处将产生轴向压应力、拉应力和剪应力。压应力由承压板及PBL剪力键共同传递,拉应力、剪应力主要由PBL剪力键传递。计算得到钢—混凝土接头的最不利荷载组合内力。在钢—混凝土接头附近截取18m长的1个梁段,将混凝土与贯穿钢筋进行耦合、贯穿钢筋与PBL板进行耦合,采用实体单元、板单元和梁单元,建立钢—混凝土接头有限元模型,利用有限元软件ANSYS进行仿真分析,得到钢—混凝土接头各部分的应力分布。结果表明:结构各构件在设计荷载下并未出现超出材料强度的应力峰值;剪力主要靠腹板上的PBL剪力键传递;有效的预应力体系是钢—混凝土接头可靠性的根本保证。     

独塔单索面斜拉桥空间应力状态分析

现代斜拉桥多采用密索体系,属高次超静定结构,且箱 形的主梁结构空间效应明显,单纯地由平面分析很难反应桥梁 的实际受力状况。以一独塔单索面斜拉桥为背景,采用新型空 间单元———实体退化单元,考虑三向预应力效应,对其成桥状 态下的纵、横、竖向的正应力状况进行了分析。分析结果表明, 该桥在恒载下,主梁顺桥向正应力沿横向分布相当不均匀,翼 板上的顺桥向正应力明显小于主梁中间部分的正应力;塔梁相 交处主梁的横桥向拉应力偏大。空间分析结果为完善设计提 供了依据,确保了桥梁在设计上的安全。