滚石对棚洞结构的冲击动力分析

以棚洞结构为原型,对滚石冲击作用下棚洞的接触力、位移、损伤与能量进行了研究。将滚石简化为刚性球体,围岩和土体为理想弹塑性材料,混凝土为弹塑性材料,通过ABAQUS有限元,模拟了不同速度与冲击角度下滚石冲击荷载对棚洞结构的动力响应。分析结果表明:在冲击角不变时,滚石速度越大产生的位移越大,在速度不变时,滚石的冲击角越小产生的位移越大;混凝土防护结构损伤最严重的地方发生在与滚石接触的区域,其次在斜腿柱上端和同柱子连接的横梁处,在实际工程中应加强柱子上端与横梁连接处的强度;棚洞主要通过混凝土防护结构来吸收和消耗冲击能,土垫层吸收和消耗冲击能很有限,为了缓解滚石冲击对混凝土防护结构的破坏,可在棚洞支座处增设耗能减震器。     

滚石与桥墩碰撞的数值仿真分析

利用有限元方法对滚石与桥墩的撞击进行了初步研究,重点分析了滚石与桥墩发生正碰的情况.运用大型结构分析程序,研究了碰撞过程中桥墩的动力响应,得到了撞击力随滚石质量和速度的变化关系.     

滚石撞击下混凝土桥墩损伤仿真模拟

运用LS-DYNA软件开展了滚石撞击下双柱式桥墩动力响应和损伤形式的仿真分析。由撞击力时程曲线可见,撞击力最大值随滚石初始动能增大而增大,撞击力曲线的最大值和撞击接触面积相关。由滚石对桥墩的撞击损伤研究表明:滚石撞击下桥墩的损伤形式与损伤量与滚石的动能、速度和撞击截面密切相关,在滚石速度与撞击接触面积相同的情况下,桥墩的损伤量随滚石的动能增加而增大;撞击面面积越小,损伤越容易在碰撞撞击面正面发生。     

流固冲击载荷下加筋板非线性动力响应与敏感度分析

在考虑大变形、忽略阻尼的影响下,基于有限元软件ANSYS分析了加筋板在流固冲击载荷下的非线性瞬态响应.不仅将不同的冲击载荷形式,譬如阶跃载荷和三角形载荷,与流固冲击载荷对加筋板动力特性的影响进行了比较,还分别讨论了载荷峰值、冲击载荷持续时间、板厚、加强筋材料体积比和截面宽高比的影响,并对它们作了敏感度分析.     

落石冲击荷载下车厢顶棚结构动力响应

以国产25型客车为原型,将落石简化为刚性球体,车厢视为弹塑性材料,基于非线性有限元分析软件LS-DYNA,从落石冲击位置下方节点的位移及速度响应、落石冲击坑、落石冲击力等角度出发,对比分析了不同冲击角度对车厢顶棚结构动力响应的影响.结果表明:起始冲击区域的垂向位移和垂向速度响应随冲击角度的增大而减小;落石冲击坑的形状和位置有相应的变化规律;落石冲击力与冲击角度呈负相关,主要表现在法向方向.该结论可为今后列车结构在落石冲击作用下的安全设计提供参考.     

齿轮塑性变形失效的安定极限分析

为研究直齿圆柱齿轮优化设计中残余应力对齿轮材料塑性极限的影响,基于Hertz接触理论和齿轮局部坐标下的弹塑性接触模型,分析了直齿圆柱齿轮啮合过程中的弹性接触应力、残余应力及弹塑性接触应力.根据第三强度理论,导出齿轮材料在弹性状态下弹性极限约为简单拉压屈服极限的1.6倍;根据安定极限理论,考虑齿轮啮合过程产生的残余应力对齿轮材料的强化作用,得到弹塑性状态下齿轮接触的静力安定极限约为简单拉压屈服极限的2.3倍;与弹性极限相比,将静力安定极限作为齿面出现塑性变形的失效判据,齿轮材料的许用应力提高了约50%.     

类梯形山体的地震动力响应分析

为探讨地震作用对山体动力响应的影响,建立了双坡面为曲面的类梯形山体的剪切梁模型,给出了响应的理论解和梯形山体第1阶固有频率的简化表达式;计算获得了不同形状山体的最大相对位移、最大相对速度和最大绝对加速度,并将计算结果与有限元分析结果进行了比较.结果表明:梯形山体模型求解山体动力响应简单,而类梯形山体模型则能获得更精确的结果;山体动力响应在水平地震作用产生弯矩较小的情况下,理论解与有限元解接近;随泊松比增大,山体的第1阶固有频率略有增大;梯形和类梯形山体的最大相对位移、最大相对速度从底部到顶部逐渐增大,而最大绝对加速度则在山体约2/5高度处出现极小值.      

山区桥墩的泥石流冲击响应研究

为研究泥石流中的块石与桥墩碰撞后的动力响应特性,基于有限元动态接触方法,对三维实体桥墩模型在泥石流作用时的动态响应进行详细研究。研究表明:流体作用下,块石对桥墩的冲击作用不容忽视;墩顶位移随流体流速、压力增大而不断增大;在山区桥墩设计时,应考虑桥墩在偶遇泥石流下的桥墩的抗冲击能力与墩顶上部的变形能力。     

双线性强化隧道和桩孔三剪弹塑性解

将隧道和桩孔简化为厚壁圆筒, 基于三剪强度准则和双线性强化模型, 考虑材料的应变强化和中间主应力效应, 推导了厚壁圆筒在均匀内外压作用下的弹塑性极限解, 并给出恒定外压条件下塑性区半径与内压的关系式, 分析了强化模量系数、半径比、中间主应力与材料强度拉压异性对厚壁圆筒弹塑性极限解的影响规律。研究结果表明: 所得弹塑性极限解克服了Tresca屈服准则与Mises屈服准则未考虑拉压异性, Tresca屈服准则与Mohr-Coulomb屈服准则未考虑中间主应力与双剪强度理论极限解存在滑移面突变现象的不足; 弹塑性极限解均随半径比与中间主应力影响系数的增大而增大, 随拉压强度比的增大而减小, 外压对极限内压的影响程度随着拉压强度比的增大而减小; 当强化模量系数为0.1、半径比为2时, 考虑强化效应的塑性极限内压比不考虑时相对增大10%以上, 随着半径比增大到4, 塑性极限内压比不考虑强化效应时相对增大38%以上, 强化效应影响更加明显, 故对于存在应变强化效应的材料, 采用双线性强化模型的分析结果更接近工程实际; 当不考虑中间主应力与应变强化时, 土体的极限扩孔压力弹塑性极限解与Vesic解相差在0.02%以内, 当考虑了土体的中间主应力和应变强化效应后, 塑性区半径与内半径比为10时, 弹塑性极限解分别是Vesic解的1.06、1.81倍, 因此, 基于Vesic解的极限扩孔压力过于保守。      

平面二次包络环面蜗杆传动强度计算

为了简化平面二次包络环面蜗杆传动承载能力的计算方法,基于Hertz理论,应用线性回归法和插值法,推导了平面二次包络环面蜗杆传动接触强度计算公式;考虑齿间载荷分配系数的影响,修正了普通圆柱蜗杆传动弯曲强度计算公式;根据蜗杆副有限元网格模型,分析了轮齿应力分布.结果表明:解析式计算的平面二次包络环面蜗杆传动接触强度(弯曲强度)比有限元分析结果大6%~16%,满足工程使用的要求;蜗轮齿面接触应力沿接触线呈倾斜L型分布;蜗杆载荷从1 N.m增大至额定值时,5对齿啮合的最大齿间载荷分配从32.4%降至27.5%.     

岔区轮轨滚动接触理论分析

为研究岔区轮轨匹配关系和经典轮轨接触理论对岔区的适用性，建立了岔区轮轨接触有限元模型，编写了数种岔区法向力及切向力计算程序. 以18号高速道岔转辙区及辙叉区典型断面为例，在法向对比了赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹滚动接触理论与有限元模型在接触斑面积和接触应力上的差异，切向对比了基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法、Polach模型和CONTACT程序在不同工况下的蠕滑力差异. 计算结果表明:有限元模型考虑了轮轨材料应力应变特性，更接近实际运用工况，赫兹、半赫兹、Kalker三维非赫兹与有限元法接触斑面积分别最大相差50.42%、17.83%和24.78%，最大接触应力相差60.28%、25.25%和32.37%； 各工况下4种切向力模型蠕滑力随蠕滑率的变化趋势相同，同一工况下基于赫兹和半赫兹的FASTSIM算法和Polach模型与CONTACT计算结果最大相差8.08%、5.19%、9.70%； 综合岔区轮轨法向、切向计算精度和计算效率，半赫兹接触理论结合FASTSIM算法在岔区大批量的数据处理中更具优势.      

基于实数编码遗传算法的桥梁有限元模型修正方法

为克服传统桥梁有限元模型修正迭代优化过程中存在的局部收敛和提高模型修正精度, 提出了联合实数编码遗传算法与静动力实测数据的有限元模型修正方法; 引入四边形等参元理论和牛顿迭代法编制宏命令, 实现有限元模型中车辆荷载的快速自动加载; 基于结构有限元模型静动力特性构造目标函数, 以实数编码遗传算法为优化策略, 采用MATLAB平台建立了有限元模型修正框架; 通过对一个简支框架结构的数值模拟, 对比了所提出优化方法与其他方法的收敛效率和修正结果, 以验证所提出方法的有效性; 采用拉丁超立方体抽样分析了有限元模型参数变化对桥梁动力响应的影响, 以确定待修正参数, 并采用所提方法修正了一座改建的空心板桥梁的实体有限元模型。分析结果表明: 零阶算法和一阶算法对参数的敏感性和修正范围依赖大, 选用敏感性较小的参数或者参数修正范围大于50%将会导致错误的修正结果; 实数编码遗传算法对初始输入不敏感, 可避免局部收敛的情况; 采用灵敏度分析得到的主要待修正参数有空心板弹性模量、现浇层弹性模量以及支座横桥向和顺桥向的约束刚度; 修正后的空心板弹性模量增幅约为19.13%, 现浇层弹性模量增幅约为16.00%, 横向约束刚度增幅约为46.21%, 纵向约束刚度增幅约为72.72%, 修正后的有限元模型的静动力特性与实测响应吻合良好, 各测点静力响应误差均小于4%, 动力响应误差小于3%。      

不同加载方式的斜齿轮接触分析

以一对相互啮合的渐开线斜齿轮为研究对象,通过APDL语言生成参数化几何模型,研究映射网格划分方式并建立了斜齿轮接触的有限元模型,基于非线性接触算法在不同加载方式下对齿轮啮合齿面的接触应力进行了分析,将仿真与赫兹计算结果进行了比较,讨论了不同加载方式对接触应力的影响.     

底座板脱空对板式无砟轨道行车动力特性的影响

采用有限元动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了底座板脱空条件下车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型,以分析底座板脱空对车辆和轨道系统动力性能的影响.计算结果表明:当底座板下纵向脱空长度小于3.125 m(脱空面积10 m2)时,对车辆及轨道系统动力响应的影响较小;当底座板下纵向脱空长度超过3.125 m时,钢轨垂向位移、转向架及车体垂向加速度显著增大,可能危及行车舒适性和安全性,因此建议底座板下纵向脱空长度限值不超过3.125 m.      

结构参数变化对钢管混凝土拱桥动力特性的影响分析

以郑州黄河二桥主跨钢管混凝土拱桥为研究对象,采用ANSYS通用有限元程序,建立了该下承式钢管混凝土拱桥动力计算的整体空间有限元计算模型;探讨了17种不同工况和损伤对桥梁的动力特性的影响。计算结果表明:该钢管混凝土桥竖向刚度相对较强,面外刚度相对较弱;横撑的布置形式对桥跨结构的竖向刚度影响不大,但对桥梁结构对面外刚度影响较大;撑脚的损伤对结构的第1阶自振频率的影响比较敏感的,但对结构的竖向刚度影响不大;吊杆和桥面板的损伤对结构动力特性的影响基本没有变化。     

基于ANSYS-MATLAB联合仿真的大跨铁路悬索桥行车分析

针对大跨铁路悬索桥结构复杂、几何非线性显著的特点开展行车动力分析,提出了一种ANSYS与MATLAB实时交互、联合仿真的列车-轨道-桥梁耦合振动分析方法; 在ANSYS内建立悬索桥和轨道结构精细有限元模型,在MATLAB内基于多刚体动力学理论组装车辆质量、阻尼和刚度矩阵,并将轨道结构动力微分方程系数矩阵导至MATLAB中; 分别建立悬索桥子系统、轨道-车辆子系统的动力微分方程,然后基于异步长策略,以大时间步长在ANSYS内考虑主缆几何刚度,并通过更新结构刚度矩阵来求解悬索桥子系统振动响应,以小时间步长在MATLAB内考虑轮轨空间接触关系,并通过施加轨道不平顺来求解轨道-车辆子系统动力响应,2种计算软件通过实时交换数据实现子系统之间的耦合求解; 通过分析某单跨铁路简支梁桥的实测数据验证了该方法的正确性,并利用该联合仿真方法对主跨为660 m的某铁路悬索桥进行了行车动力计算。分析结果表明:随着车速的提高,桥梁动力响应增大,行车安全性与平稳性趋于恶化; 在车速不大于180 km·h-1的工况下,该悬索桥能够满足行车安全性要求; 在列车动力荷载作用下,不考虑悬索桥几何刚度会导致跨中竖向位移产生7.4%的计算误差; 考虑几何刚度、不更新桥梁刚度矩阵导致的桥梁与列车响应计算误差均不超过1%,能够满足工程计算精度需求。可见,提出的联合仿真方法可用于大跨柔性铁路桥梁的行车动力分析。      

套靴刚度和阻尼对高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动的影响

采用轨段单元模拟弹性支承块式无砟轨道结构。钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;道床板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件和支承块下胶垫和套靴模拟为线性弹簧和阻尼器;道床板与混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动矩阵方程,得到了系统振动响应,进一步分析了套靴刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。     

受冲薄壳弹塑性大变形力学特性的有限元分析

采用基于堕劝坐标系的假设应变场壳单元,弹塑性等向强化材料模型,一体化接触搜寻算法,罚参数接触力计算法及显式时间积分格式进行薄壳弹塑性大变形力学特性分析。算例表明,该方法简明,直观,快捷,方便。     

含缺陷结构上限极限分析的弹性模量缩减法

为获得含缺陷结构的极限荷载,提出了含缺陷结构上限极限分析的弹性模量缩减法.研究了适用于应力集中条件下的基准承载比算法,建立了含缺陷结构极限分析的弹性模量调整策略,能结合线弹性有限元法构造逼近该类结构极限状态的机动位移场和允许应力场;引入结合虚功原理和基准体概念的上限极限荷载乘子算法,可获得满足上限分析数学规划模型的最优极限荷载解.算例分析表明:该方法可用于含裂纹和凹坑缺陷结构的极限分析;通常可在30个迭代步内得到与解析法及其他数值解相差在5%以内的极限分析结果.