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.     

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。     

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。     

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。     

实体退化板-壳组合单元法及钢-混结合梁桥施工过程力学分析

在实体退化等参单元的基础上,引入板壳理论的基本假定,构造了三维8～20节点实体退化板壳组合单元。由于同一个单元包含了不同的板壳组件,不同的板壳组件又可以由不同的材料组成,同一个板壳组件又可以分为若干个不同的材料分段(允许材料为空,相应的材料参数置零),单元刚度矩阵需要通过对不同的材料分区分块积分后叠加组合而成。板壳组件的应力应变由整体笛卡儿坐标系下单元的应力应变经过坐标转换后求出。桃河特大桥的施工过程及成桥静动载的理论分析结果与实测结果表明,该方法不仅可以减少组合结构桥梁的单元剖分数量,提高计算效率,并且精度完全能够满足控制要求,具有良好的工程应用前景。     

S型曲线钢箱梁桥空间受力特性研究

为分析S型曲线钢箱梁桥的空间受力特性和纵横向剪力滞效应,基于Midas考虑翘曲变形的七自由度梁单元和ANSYS的Shell181壳单元,对一座四跨S型曲线连续钢箱梁桥进行全桥空间精细化仿真建模,研究其在不同荷载作用之下的结构位移、截面应力、支座反力及自振特性,并找出结构的最不利情况及其应力分布规律。经2种有限元单元的结果对比,可知采用板壳单元模型较之梁单元模型对该类桥梁弯扭耦合效应的模拟更为准确,其各项分析结果更偏安全,实际设计中对该类结构应尽可能采用板壳单元进行建模检算。为进一步研究其剪力滞效应,基于ANSYS计算结果研究了该桥各关键截面顶板的剪力滞效应,得出其剪力滞系数的纵横向变化规律,可为今后类似桥梁的设计提供参考。     

厚板薄板通用的协调矩形单元

在板的有限元分析中，构造协调和无剪切闭锁现象的中厚板单元一直是人们所关注的问题和难题。文献^[2,3]提出了一种假设剪切应变场的方法，基于广义协调理论成功地构造出厚板薄板通用的三解形和四边形单元，但这类单元并不具有完备性和真正的C1阶连接性。为此，文献^[1]构造出了具有完备和真正C1阶协调的薄板矩形单元，为构造这类单元的构造提供了一个有效的新途径。本文首先从Mindin厚板理论出发，导出单元各边的剪应变和节点剪应变公式，进行合理插值导出单元的剪应变场，当板的厚度变小时，厚板理论理论自动退化为薄板理论，各边剪应变以及单元剪应变插值函数自动退化为零，厚板单元自动通化为薄板单元，彻底消除了剪切闭锁现象。然后根据转角场、挠度场和剪应变场的关系，通过反复试算构造出一个具有12个自由度的厚板薄板通用协调矩形单元，通过理论证明该厚板薄板通用单元具有完备性、C1阶连续性和无剪切闭锁现象，从而较好地解决了厚板薄板能单元的C1阶连续性和无剪切闭锁现象的难题。为了验证该协调单元的正确性，对不同厚距比（h/l)的四边简支和固定方形板在均布载荷作用下的中心挠度和弯矩进行分析。数值算例表明：该单元精度高，原理简明，列式简单，自由度少，收敛速度快；当板厚趋于薄板极限时，单元退化为协调薄板单元，在存在剪切闭锁现象；当板厚趋于厚板时，单元得到的结果很接近于Mindin中厚板的解，适合于从薄板到厚板较大的范围，是一个性能优良的单元。     

桃河特大桥主跨65m钢—混结合梁施工过程控制

采用虚拟层合板—壳—梁—实体组合单元法对桃河特大桥施工过程进行了有限元仿真分析,并与实测结果进行了对比,得出如下结论:虚拟层合板—壳—梁—实体组合单元法能够以少量的单元精确模拟结合梁的几何细节,避免了结合梁施工过程力学分析中的重复建模、节点耦合等难题;"U"型钢梁在移梁架设过程中各控制截面的实测应力变化较小,架设过程平稳、顺利;各施工阶段钢梁和钢筋混凝土桥面板应力实测值与理论值较为吻合。     

大跨度斜拉桥索梁锚固区三维有限元仿真分析

采用不同建模方法,对大跨度斜拉桥索梁锚固结构—钢锚箱进行三维非线性有限元仿真分析,并将计算结果与钢锚箱静载模型试验结果相比较。结果表明,实体单元加接触单元法计算模型,即用实体单元模拟钢锚箱底部的锚垫板、用空间高阶壳单元模拟锚箱中其他钢构件及主梁、用非线性接触单元模拟锚垫板与承压板间不焊接但紧密压贴的关系,能够较真实、合理地反映钢锚箱的实际受力情况。钢锚箱虽然板件较多,但整体性能好,索力传递流畅,锚箱锚固顶、底板上2条焊缝传递索力,承压板与主梁焊缝主要传递抗弯作用力,因此要保证各板件接触、焊接良好,不能产生大的残余应力和残余变形。随着荷载的增长,钢锚箱高应力区应力增长速度减缓,部分低应力区应力增长加快,这对受载有利。仿真计算时,要注意壳单元角点局部位置可能出现应力计算失真。     

基于环境振动的既有预应力连续刚构桥地震响应分析

建立了基于环境振动的既有预应力混凝土连续刚构桥的地震响应分析方法。该方法主要包括现场环境振动实验与系统参数识别、桥梁有限元建模、基于动力的有限元模型参数修正、桥梁地震波选择以及桥梁动力时程反应分析等步骤。利用该方法进行了泉州后渚大桥———五跨预应力混凝土连续刚构桥的动力时程反应分析,结果表明:必须考虑竖向地震动和行波效应的影响,最不利截面位于墩梁结合面和墩底。此类分析对于桥梁养护与维修、长期健康监测具有重要的意义。     

基于混合有限元法的钢箱拱相关稳定分析

针对薄壁结构提出了一种混合有限元方法,对结构关心的部位采用板壳单元模拟,其他部位采用杆系单元模拟,根据平截面假定推导了2种单元在交界面处的约束方程,由此建立整体混合有限元模型。通过算例验证了该方法的可靠性,可以计算薄壁结构的整体稳定、局部稳定和整体局部相关稳定。用该方法对某座刚构-单肋钢箱系杆拱组合桥梁进行特征值和弹塑性稳定分析,得到了相应的稳定系数和失稳模态。实例显示,该方法既可以弥补梁单元模型无法计算构件局部屈曲的不足,又可克服局部板壳模型无法准确模拟其整体边界条件及工作环境的缺点,还可以避免全结构板壳模型产生过多单元数量和庞大结构刚度矩阵的弊端,计算可靠性和计算效率大大提高。     

双层集装箱货车超大规模有限元强度分析

应用计算机辅助设计和有限元网格划分的技巧和方法建立有限元模型,有效解决车体结构复杂和尺寸庞大的问题。分析双层集装箱车体受力状态,完成具有280万个自由度的超大规模有限元模型的集装箱车体强度计算。对两种装载方式下的集装箱车体试验测试结果和有限元计算分析进行了比较。结果表明,车体中间部位计算结果与试验结果比较吻合;而车体端部的计算结果大于试验结果,这是由于在实际制造时该位置处盖板孔的形状有所改善,因而有效缓解了原设计中该处存在的应力集中现象。     

不同约束条件下中低速磁浮道岔主动梁自振特性

为了探究中低速磁浮道岔主动梁自振特性,以清远磁浮旅游线道岔系统为对象,建立3台车和2台车道岔主动梁的有限元模型,对安装面刚性约束和弹性约束下道岔主动梁进行有限元模态分析,与道岔主动梁自振特性实测结果进行对比,研究结果表明:安装面位移约束下3台车和2台车道岔梁的低阶模态频率显著大于实测值,弹性约束下道岔梁模态分析结果与实测结果接近,故中低速磁浮道岔梁有限元建模时应施加弹性约束;相较于2台车道岔梁方案,3台车道岔梁的垂弯模态频率有明显提高,但10~30 Hz频率内的横弯和扭转模态频率变化不大,仅仅增加中间台车抑制和减缓磁浮车岔15~20 Hz耦合共振的效果并不理想,提高道岔梁阻尼和加强道岔梁约束是更合理的选择。     

型材拉弯成形过程的参数化有限元建模方法

针对传统的预拉-弯曲-补拉(P-M-P)有限元建模方法在型材拉弯成形过程中应用的局限性,提出了一种基于连接器单元的型材拉弯成形参数化建模方法,实现了型材拉弯贴模过程中的边弯边拉模拟。该有限元模型中只需定义型材的伸长量,无需对成形过程中的夹钳轨迹进行计算,简化了仿真计算流程。以轨道交通车辆车顶弯梁作为研究对象,采用有限元模拟和试验方式获取了成形后工件的成形缺陷。对比表明,所提出的参数化有限元模型仿真结果和试验数据更为接近。     

现浇钢筋混凝土空心板非线性有限元分析

在试验的基础上,利用通用有限元分析软件ANSYS建立了现浇钢筋混凝土空心板有限元计算模型,对空心板2个方向受力性能的差异进行了非线性有限元分析。对比结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合良好。     

铁路道岔转辙机安装装置故障分析

针对道岔转辙机安装装置与尖轨连接处的尖端铁出现断裂故障的问题,采用现场测试结合有限元仿真的方法对故障原因进行分析研究.通过对道岔及转辙机安装装置进行三维建模和有限元模态分析,结果表明,道岔及转辙机安装装置系统一阶模态与实测得到的斥离侧基本轨响应频率接近,判断道岔斥离轨的振动响应引起转辙机安装装置共振是造成转辙机安装装置...     

基于径向基函数响应面方法的大跨度斜拉桥有限元模型修正

采用ANSYS有限元软件建立某大跨度斜拉桥试验室物理模型的三维有限元模型.基于灵敏度分析,选取模型待修正参数和用于模型修正的特征量.采用实验设计方法生成数样本,通过有限元分析提取对应的特征量信息,进而建立待修正参数与特征量关系的径向基函数响应面模型.通过对响应面模型的拟合误差分析,确定径向基函数的最优形状参数.以斜拉桥自振频率和静态索力构建目标函数.基于建立的响应面模型,采用遗传优化算法进行有限元模型修正.结果表明,采用径向基函数响应面模型拟合斜拉桥设计参数与特征量之间的隐式关系有较高的精度;基于仿真数据的模型修正有较高的精度,基于试验数据的模型修正能得到合理的结果,该方法可有效地修正复杂桥梁结构有限元模型.