一种三维耦合单元模型在涂抹层模拟中的应用

研究目的:排水井的材料性能与周围的土层有很大的不同,在数值计算时需要在涂抹层处设置接触单元来进行模拟,但一般的接触面单元大多仅仅考虑单元的应力-应变,不能反映涂抹层的渗透性问题.为了能同时考虑排水井沉降与周围土层沉降的差异性及普通接触面单元无法反映涂抹层渗透性的问题,本文通过研究,推导出一种新型单元来对涂抹层进行模拟.研究结论:在充分考虑涂抹层效应的基础上,构造了一种以20结点六面体等参单元耦合16结点等厚度接触面单元的耦合单元,来模拟排水井地基中的涂抹层,并编制了相应的有限元程序.通过程序计算分析了两算例,计算结果合理可靠,表明构造的耦合单元模型可以有效地应用于实际工程的数值模拟.     

地表锚杆预加固浅埋隧道的空间数值分析

采用考虑锚芯与灌浆体间剪切作用的三维锚杆单元，建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析计算模型，编制了空间弹塑性有限元－元限元－锚杆单元耦合程序，并通过与现场量测和室内模型试验研究成果的比较，表明计算模型具有较高的计算精度，其分析方法对工程设计具有一定的指导意义。     

温度及收缩荷载下路基上双块式无砟轨道力学及裂缝特性研究

温度及收缩荷载是双块式无砟轨道的重要荷载.以路基上双块式无砟轨道为研究对象,道床板中钢筋用梁单元模拟,道床板、双块式轨枕、支承层以实体单元模拟,道床板混凝土与钢筋、支承层与路基之间的连接用弹簧单元模拟,建立了考虑混凝土开裂的钢筋与混凝土相互作用有限元力学模型,并编制了相应的计算程序.研究了温度及收缩荷载下路基上双块式无...     

三维高次等参元退化单元在有限元中的应用

介绍了高次等参元退化单元常见型式及其在有限元分析中的应用，具体讨论了节点退化和形状退化情况下单元节点插值形函数的构造和修改，研究了混合单元的有限元求解流程，并编写了相关的求解程序，通过具体算例比较了混合单元与全六面体等参元网格的计算情况，结果表明三维高次等参单元及其退化单元的混合应用不仅可以适应较为复杂的空间实体计算网格，而且还能满足精度上的要求，具有重要的工程意义。     

曲线箱梁桥截锥壳有限元分析

根据截锥壳理论，构造了一种位移和转角各自独立插值的四边形截锥壳单元，并编制了用于计算曲线箱梁桥梁的有限元程序。用该程序对一模型实验梁进行验算，理论值与实验值符合较好，说明该计算方法是切实可行的。     

考虑纵肋-横隔板焊缝模拟的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

为研究纵肋-横隔板(rib-to-floorbeam,RF)焊缝模拟与否及焊缝模拟数量对正交异性钢桥面板各疲劳敏感细节应力响应的影响,分别建立无RF焊缝及不同数量RF焊缝的正交异性钢桥面板有限元模型,计算轮载作用下各构造细节的应力响应.为提高计算速度与精度,RF焊缝采用体单元模拟,桥面板其他构件采用壳单元模拟,通过约束方程实现体-壳耦合.研究结果表明:模拟RF焊缝时,RF横隔板侧和纵肋侧构造细节的应力幅分别增大66％和54％,其对应的计算疲劳寿命更接近实桥出现裂纹的时间;模拟RF焊缝对弧形切口和RD构造细节应力响应几乎无影响.模拟不同数量RF焊缝对各构造细节应力响应无明显差别;相比于不模拟焊缝的情况,模拟焊缝可以清楚地显示RF焊缝沿高度方向上的应力分布,纵肋和横隔板的连接部位应力过渡更加平滑.     

曲杆结构非线性分析中的首梁单元和曲梁单元

采用直梁单元，编制了杆系结构的几何非线性有限元程序。通过2个曲杆结构的实例，对采用直梁单元和多种曲梁单元的有限元计算进行了对比。结果表明，采用两类单元的计算结果没有明显的差别。因而，在杆系结构的非线性分析中，可以采用直梁单元来模拟曲梁，进行屈曲分析。     

钢—混凝土组合梁负弯矩裂缝非线性有限元模拟分析

在模拟组合梁负弯矩区工作性能的单跨倒置简支组合梁试验的基础上，结合普通钢筋混凝土构件的有限元非线性分析方法，引进钢梁单元，采用涂抹式裂缝模型和正交各向异性的混凝土材料模型，建立了针对模拟组合梁负弯矩区的单跨倒置简支组合梁的裂缝非线性模型，以试验梁为对象进行了非线性分析及裂缝模拟，其计算结果与试验结果吻合良好。     

地表锚杆预加固浅埋隧道的空间数值分析

采用考虑锚芯与灌浆体间剪切作用的三维锚杆单元,建立了地表锚杆预加固浅埋隧道的空间耦合数值分析计算模型,编制了空间弹塑性有限元-无限元-锚杆单元耦合程序,并通过与现场量测和室内模型试验研究成果的比较, 表明计算模型具有较高的计算精度,其分析方法对工程设计具有一定的指导意义.     

冻土斜坡路基温度水分分布特性分析

为研究冻土斜坡路基温度与水分分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出冻土水分与温度变化的耦合关系式,建立水热耦合模型。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序模拟冻土斜坡路基室内模型试验。通过模拟结果与试验值的对比,验证了应用模型计算程序的可靠性。对青藏铁路风火山K1139试验段斜坡路基的温度水分分布变化进行模拟分析。结果表明:相对于同一海拔高度的路基中心线上点及右坡脚点,斜坡路基的左坡脚点温度和含水量均较高。冻土斜坡路基的融化界面与水分富集层均沿斜坡发展,与斜坡坡向相同,影响斜坡路基稳定性。     

大跨度公路城轨两用斜拉桥车桥耦合振动分析

用多刚体结构模拟车辆,空间杆系单元模拟桥梁,建立车桥耦合动力系统。以某公轨两用斜拉桥为例,分别采用空间杆系单元模型与空间杆系—板混合单元模型分析了桥梁的自振特性,两种模型的计算结果吻合较好。针对空间杆系单元模型,采用动力时程分析方法,计算了轻轨车和汽车以不同车速通过该桥时的车桥耦合空间振动响应。计算结果表明:桥梁具有足够的竖向与横向刚度,车辆通过桥梁时的舒适性与安全性能满足要求,轻轨车和汽车同时过桥时相互之间存在影响。     

基于车辆-轨道单元的桥上CRTS Ⅱ型板轨道竖向振动分析

根据车辆与桥上CRTS II型板轨道结构相互作用的特点,提出一种车辆单元与一种轨道单元,运用有限元方法和Lagrange方程,建立2种单元的动力有限元方程。车辆单元与传统车辆模型的不同在于每个车轮下附有一系钢轨,该钢轨仅用于车辆与轨道之间的耦合,不计其质量和刚度。利用这种车辆单元,可建立运行车辆与轨道结构耦合的显示算法,避免了复杂的程序编制工作。基于轨道参振作用,轨道单元从形式上表现为扣件间距范围内的一段轨道截矩,涵盖了钢轨、扣件、轨下垫板、轨道板,混凝土连续底座板、桥面板以及相互作用的4层梁模型。计算结果与文献对比表明,基于车辆单元与轨道单元的车辆—轨道—桥梁耦合振动模型及其程序能够反映轨道结构的振动特性以及进行相应的动力性能分析。     

钢-混凝土组合梁负弯矩裂缝非线性有限元模拟分析

在模拟组合梁负弯矩区工作性能的单跨倒置简支组合梁试验的基础上,结合普通钢筋混凝土构件的有限元非线性分析方法,引进钢梁单元,采用涂抹式裂缝模型和正交各向异性的混凝土材料模型,建立了针对模拟组合梁负弯矩区的单跨倒置简支组合梁的裂缝非线性模型,以试验梁为对象进行了非线性分析及裂缝模拟,其计算结果与试验结果吻合良好.     

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。     

桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板屈曲分析

根据桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特性,利用有限元分析方法,采用梁单元模拟钢轨,实体单元模拟轨道板、底座板和桥梁,弹簧单元分别模拟砂浆填充层和滑动层,建立CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力计算模型。基于现场测量的底座板厚度资料和桥梁资料,计算出模型中各单元参数值。利用当地气温资料和轨道机车类型,得到最大温升和列车制动力值,计算出温度荷载和列车制动荷载作用下底座板厚度不足处纵向力值。分析温度荷载和列车制动荷载对底座板厚度不足处屈曲的影响。     

新型二维轮轨耦合单元及OpenSees实现

基于轮轨竖向非线性接触关系,提出一种新型通用二维轮轨耦合单元模型,并在有限元OpenSees软件平台上实现。所提单元由轮节点和所有可能与之接触的梁单元节点组成,通过建立和求解关于轮轨作用力的一元三次方程,得到轮轨之间的接触力,计算由轮轨相互作用产生的耦合单元各节点力,定义为单元内力。通过与文献中计算结果对比,验证了该单元模型的准确性和可靠性,基于此模型分析高速列车通过桥梁时在轨道不平顺激励和地震作用下的动力响应。此耦合单元模型易于集成到有限元计算平台中,能与已有的列车模型、轨道和桥梁等模型联合使用,能够考虑轨道不平顺和轮轨脱离等情况,可用来分析复杂竖向车桥耦合系统的动力问题。     

扩展散体单元法砌体墙倒塌数值模拟

砌体墙的抗侧受力性能是砌体结构抗震抗倒塌研究的基础。基于扩展散体单元法(EDEM)建立砌体墙的分析模型,并用MATLAB语言编制了砌体墙的EDEM计算程序,该程序可模拟砌体受力的全过程,可得出从加载到倒塌的力-位移曲线,及砌体结构每个块体在受力过程中的位移。对不同材料强度、不同竖向压应力、不同构造形式的墙体进行分析计算,绘制出受力全过程的力-位移曲线及砌体变形图,并对其进行对比分析得出各个参数对砌体墙抗侧受力性能及变形性能的影响。     

某双柱型独塔斜拉桥动力特性分析

利用大型有限元程序ANASYS对中山市板芙二桥主桥(双柱型独塔斜拉桥)建立全桥的整体动力分析模型,针对主梁为开口截面的双索面斜拉桥,采用壳单元模拟主梁,考虑塔柱横梁和辅助墩的影响,分四种工况(实桥模型;实桥上增设塔柱横梁模型;实桥上增设辅助墩模型;实桥上设辅助墩和塔柱横梁)计算了该桥的动力特性,计算结果表明:双柱形桥塔降低了主梁的扭转刚度,尤其是当主梁采用开口截面时,塔柱侧向弯曲振动与主梁的扭转强烈地耦合在一起。     

桥梁结构极限承载力分析的截面内力塑性系数法

基于U.L列式单元增量平衡方程，提出了一种建立钢筋混凝土梁单元弹塑性刚度矩阵的新方法-单元节点截面内力塑性系数法，并编制了相应的计算程序。用该方法计算了两个大型单拱面预应力混凝土系杆拱桥模型。结果表明，理论计算结构极限承载力与试验结果良好接近。     

钢-预应力混凝土连续组合箱形梁的整体性能分析

视多室箱梁单元宽度为空腹桁架，取杵架的每根杆作为一平面梁单元，用三次插值函数描述其位移，单元节点位移参数用三次多项式表示为箱梁梁段单元节点位移参数的函数，这样箱梁梁段单元可分为翼板（顶底板），腹板（斜腹板），伸臂和横隔板单元。在进行有限元分析时将其直接迭加至总体刚度矩阵，编制相应的程序后可任意分析单箱多室，多箱多室及不规整的多种材料组成的组合箱梁，同时能分析箱梁的畸变，翘曲，局部变形，剪力滞后和荷载横向分布等。用本文编制的程序进行了一座复杂的钢－预应力混凝土连续组合箱梁桥计算，其计算结果与试验结果吻合良好。