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。     

铁路钢轨钢材应力强度因子的有限元计算方法

对采用普通单元和奇异单元的网格计算应力和位移进行分析,对网格的疏密程度以及奇异单元尺寸和围绕裂纹尖端的奇异单元数目对奇异单元法计算精度的影响进行系统分析,得出各种情况下的计算误差随着相关因素的变化规律,并从精度和效率的角度给出了建议.     

网格密度对制动盘温度场的计算精度和效率的影响

数值模拟计算中网格密度是影响计算精度和效率的因素。采用ADINA软件,针对制动盘表面温度场,在网格单元数300～4 500范围内,比较了网格密度对制动盘温度场的计算精度和效率的影响,结果表明:制动速度在50～160km/h条件下,随着单元数的增加,计算效率逐渐降低,计算精度在网格单元数超过1 000后没有明显提高;网格划分方法对计算效率也有影响,从圆周方向划分比半径方向更能提高计算效率,网格单元数在3 000～4 500范围内,速度50km/h条件下,二者计算时间最大差值是7.59%;网格密度影响计算精度的原因是单元数量改变了求解线性方程的数量而使计算结果与实际状况出现差异。     

行星齿轮增速系统的啮合效率计算

研究2级2K-H行星轮系加1级平行轴渐开线圆柱齿轮所组成的增速传动系统的效率计算方法,推导出两轴线固定的平行轴渐开线圆柱齿轮外啮合传动效率方程和2K-H型行星轮系传动效率方程.先将3级增速齿轮变速器按基本轮系进行分解.然后对单级轮系单元进行分析,列出线性方程并求解,从而提出了针对这类机构的一种新的计算方法.     

基于并行计算的列车运行仿真快速算法设计

列车运行仿真技术对工程设计、运营管理具有重要的现实意义。设计了一种基于并行计算的列车运行仿真快速计算方法:一方面,通过将线路各区间的列车运行过程用独立的线程运算单元来计算,以达到仿真过程数据的并行计算效果;另一方面,通过反推制动曲线与限速红线的交点,获得分界点,仿真过程中根据列车位置与分界点的位置关系决定是否进行制动起点反向推算,从而显著提高了每个线程运算单元的运算效率。该方法可在不影响计算精度的前提下,将计算效率显著提高。     

方差分量估计方法对比分析

模拟一个边角网的观测数据,对比Helmert方差分量估计严密方法及其两种简化算法、最小范数二次无偏估计(MINQUE)、基于最小二乘残差方程的方差分量估计算法(LS-MINQUE)和L算法在计算效率及精度方面的差别。结果表明,方差分量的估计结果具有随机性,但是从统计结果来看,6种方法的统计结果与模拟精度一致,从计算效率来看,Hels2(Helmert第2种简化算法)相较于Helmert严密算法和MINQUE的计算时间提高率为55%~75%,表明在迭代阈值相同时,Helmert方差分量估计的第二种简化算法计算效率最优,计算精度与严密方法相当。     

高速列车撞击盾构隧道的混合多尺度动力分析模型

列车脱轨会对隧道结构产生重大损害,为此提出一种在保证计算精度的前提下能大幅度提高计算效率的列车撞击盾构隧道混合多尺度动力分析模型,以降低列车脱轨事故的潜在风险。首先,建立考虑管片接头效应的常规非多尺度模型及2种单一多尺度模型（同类型单元粗细网格耦合多尺度模型和不同类型单元壳-体耦合多尺度模型）,通过3种模型的管片静力学试验结果对比分析,验证2种单一多尺度模型的适用性;然后,将2种单一多尺度模型结合成混合多尺度模型,应用于列车撞击盾构隧道动力分析中,并与采用常规非多尺度模型的计算结果进行对比。结果表明：在静力荷载下,2种单一多尺度模型在位移、应力及损伤面积的分布规律上与常规非多尺度模型一致,计算值误差均在3.5%以内,且计算时间缩短了50%左右;在撞击荷载下,混合多尺度模型与常规非多尺度模型计算所得的管片位移和拉压损伤发展规律一致,但混合多尺度模型计算数值偏大,除拉伸损伤面积误差为8.56%外,其余结果误差均在5%以内;混合多尺度模型在保证计算精度的前提下,将计算时间缩减了62.4%,为类似问题提供了更为高效的解决方案。     

基于人工蜂群算法的桥梁有限元模型局部刚度修正

在保持梁单元模型计算效率优势的前提下,为尽可能提高桥梁结构有限元模型的精度,提出一种基于人工蜂群算法的桥梁结构有限元模型局部刚度修正方法.以某刚构体系斜拉桥塔梁连接处的有限元模拟为例,对塔梁结合局部区域分别建立精细的实体元模型和宏观的梁单元模型.基于实体元模型的自振模态频率和静载响应转角构造目标函数,采用人工蜂群算法对宏观梁单元模型局部刚度参数进行优化和修正.研究结果表明:使用人工蜂群算法修正桥梁有限元模型局部刚度是可靠的,修正后桥梁宏观梁单元模型的静动力学性能更逼近实体元模型;算例中修正后的塔梁结合区域内梁单元刚度增强至修正前的1.09～2.93倍,且塔、梁单元刚度增幅不一.     

高速磁浮车辆悬浮架动力学模型研究

针对TR08高速磁浮车辆运行中铝合金悬浮架弹性变形较大的问题,采用ANSYS建立了悬浮架有限元模型,并进行结构模态分析;为了提高悬浮架动力学数值计算效率,依据等效变形原则建立刚性悬浮架模型,计算等效弹簧参数.基于弹性和刚性悬浮架建立磁浮车辆整车动力学模型,对比分析了曲线通过时2种悬浮架模型动力学响应.计算结果表明:车辆以速度100,250和430 km/h通过半径为2 260m的曲线时,2种悬浮架模型铰点垂向位移计算值之差不超过0.5mm,悬浮间隙计算相对误差小于2%,悬浮架扭转角响应曲线基本重合,表明建立的等效刚性悬浮架模型是合理的;应用于整车动力学性能仿真时具有足够的计算精度,其计算效率远高于采用弹性模型时的计算效率,但弹性悬浮架模型能更准确、全面地模拟其弹性变形和振动响应.     

一种新型铁路钢—混组合桁架桥的动力特性分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的新型铁路钢—混凝土组合桁架桥建立了有限元计算模型,分别采用空间梁单元、空间板单元及三维实体单元对混凝土槽形板进行模拟。计算分析了桥梁的自振特性和移动列车荷载作用下的动力响应。结果表明:采用三种不同单元模拟槽形板得到的结构主要振型及相应自振频率的计算结果较为接近,梁单元模型可在保证精度的前提下大大减少计算工作量;移动荷载作用下桥梁的竖向挠度和加速度响应较小,满足我国干线铁路行车要求。     

p型自适应有限元法及其在机车车辆强度分析中的应用

着重介绍了P型向适应有限元法的基本概念、典型算法、单元形函数特点及误差估计方法．并利用ANSYS软件提供的p单元对机车从动车轮的静强度进行了自适应分析：计算结果表明,利用该方法可提高分析效率,得到精度可靠的分析结果。     

机车车体模态分析中用质量单元模拟设备重量的方法探讨

讨论了机车车体模态计算中用质量单元模拟载重的两种不同方法,提出了用质量单元更真实地模拟设备重量的一些建议。     

钢铝混合车体铆接结构有限元建模方法研究

为建立一种适用于钢铝混合车体铆接结构的简化有限元模型,基于ANSYS平台,采用壳单元与MPC184刚性梁单元在3种不同的复杂程度下分别建立了双排单搭板铆接结构和双排双搭板铆接结构的简化有限元分析模型,并与全实体有限元模型进行了比较分析。在此基础上提出了铆接结构采用壳单元与MPC184刚性梁单元进行离散化的工程方法,并将其成功运用于某钢铝混合车体强度分析中。研究表明:采用该方法对铆接结构进行离散化时,在距离铆钉距离大于10倍的铆钉名义直径区域,铆接结构的von_Mises应力计算相对误差在5%以下,且随着距离的增加逐渐减小;在对大型铆接结构进行强度分析时,综合采用该方法与子模型技术在保证其计算精度的前提下提高了计算效率。     

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。     

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.     

隧道围岩注浆加固效应模拟方法研究

研究目的:为了提高隧道围岩注浆加固效应的数值模拟方法的准确度和计算精度,研究了模拟注浆加固的常规有限元方法的误差,并通过有限元理论分析了该误差产生的原因,进而提出了模拟加固效应的改进方法。研究结论:(1)模拟注浆加固的常规有限元方法在多荷载步计算中,上一荷载步结点位移(应变)的存在会导致改变围岩加固区单元的材料参数的过程中产生结点力(即异常荷载),导致体系出现由于模拟方法不当引起不容忽视的计算误差;(2)提出了两种模拟加固效应的改进方法(旨在消除加固区单元初始应变):一种是在围岩加固区的单元上附加新单元的方法,另一种是消除上一计算步应变场,仅保留应力场后,直接改变加固区围岩参数的方法;(3)注浆加固模型试验结果验证了改进的数值模拟方法的合理性;(4)本研究成果可应用于隧道及其他岩土工程加固效应的数值模拟计算,提高计算精度。     

Excel 2000在牵引计算中的应用

针对铁路工程类牵引车辆的牵引计算采用手工计算复杂的问题,应用Excel 2000的计算与数据处理功能,减轻了计算强度,提高了效率和精度.     

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.     

斜交薄壁连续钢箱梁桥设计与受力特性研究

以江苏省丹阳路齐梁路某(30+2×35)m跨线斜交钢箱梁为工程背景,通过比对斜交钢箱梁横隔板布置方式以及支座处隔板布置方式,提出斜交连续梁横向隔板的正交布置方式,得出中间墩支承处采用斜向双隔板布置更有利于结构受力与制造的结论。对箱梁的线型控制、截面总体布置、隔板、纵肋型式、纵肋布置方式和板厚等其他细节进行详细设计。分别建立单梁、空间梁格和板单元有限元模型对桥梁进行受力分析。对3种数值模拟方法计算得出的支座反力、挠度和应力等结果进行分析对比。研究结果表明:单梁法计算结果偏于不安全且无法进行横向计算,梁格法和板单元法均能够对模型进行横向计算,但梁格法计算偏安全,而板单元计算更加细致精确。同时,在同种工况下,斜交钢箱梁钝角区应力值大于锐角区应力值。采用板单元对轮压荷载进行局部分析,表明轮压荷载作用下应力、变形较小。验证了箱梁设计方案的安全合理。     

有限元网格自适应技术在轮轨接触分析中的运用

就有限元网格自适应加密技术在轮轨接触应力分析中的运用进行了尝试，并以vonMises(冯.密赛斯）等效应力超过屈服应力为网格自适应加密准则，根据实际轮轨材料的弹塑性应力-应变强化曲线，对轮轨接触问题进行有限元弹塑性分析，实现了在轮轨接触中的应力集中部位单元网格的自适应加密，提高了轮轨接触应力分析的计算精度和效率。