用扩展有限元方法来分析含裂纹板时剪切闭锁问题消除

文章介绍了扩展有限元计算含裂纹板问题的基本方法,该方法以常规有限元为基础,通过在位移场中增加反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐近位移场函数,体现裂纹的存在,从而使裂纹与有限元模型相互独立,方便了裂纹扩展的模拟。采用求解 Reissner 板问题的混合插值单元 MITC4,可以有效地避免剪切闭锁现象。通过相互作用能量积分确定混合模型的应力强度因子。最后,通过一系列的数值算例验证了该方法的正确性。     

适于大型工程结构的移动变载荷等效冲击加载方案研究

为探讨移动载荷作用下的大型工程结构采用标准有限元程序进行动态响应分析的可行性,提出了移动变载荷的冲击等效加载方案,将时变连续移动载荷等效为一系列作用位置及有效作用时间均不同的冲击载荷,加载在有限元模型上进行结构的动态响应分析.以分析移动载荷作用下梁的动态响应为例,验证了该冲击等效加载方案的可行性,分析了积分步长及载荷离散时间步长对计算结果的影响,指出在一个载荷离散时间步长内,采用8个左右的积分步长,可保证计算精度.该等效方案可以拓展到移动载荷作用下的大型结构动态响应有限元分析.     

加筋板结构止裂数值计算与实验研究

对含裂纹加筋板结构的裂纹稳态扩展进行了数值模拟及实验研究.采用有限元模型计算了裂尖强度因子,模拟了裂纹在板面内的扩展,同时针对几种加筋结构形式,进行了扩展裂纹止裂的实验研究.     

水工混凝土带缝结构温度场问题的扩展有限元法

长期处在温度荷载等作用下运行的水工结构或多或少都会产生裂缝,有必要对其温度场进行计算分析。鉴于扩展有限元法求解不连续问题的独特优势,文章用其求解温度场;首先分析给出了裂缝结构温度场的逼近形式,随后推导了用扩展有限元法求解不连续温度场的离散方程,其中裂缝采用等温形式进行模拟,即温度连续但其一阶导数不连续,继而建立起温度场的扩展有限元法。并以带缝十字形板的算例验证了扩展有限元法求解温度—应力问题的正确性;最后,用该方法分析了某面板堆石坝面板裂缝在冬季降温期的扩展情况,其结果与实际监测成果较一致。     

温度荷载作用下加筋沥青路面抗裂效果分析

温度荷载是导致半刚性基层沥青路面反射裂缝形成和扩展的主要因素。通过对反射裂缝在温度荷载作用下的参数进行有限元分析，掌握反射裂缝的扩展机理；通过从理论上对加筋沥青路面基层进行分析，并进行加筋沥青路面阻裂效果分析，从而指导工程实践。研究表明，采用加筋技术阻止反射裂缝的措施是非常有效的。     

水润滑橡胶艉轴承橡胶轴瓦硬度分区取值后的接触性能研究

出于制造工艺的考虑,传统水润滑橡胶艉轴承轴瓦各处硬度相同.然而,在螺旋桨悬臂作用的影响下,传统设计中轴瓦各处压力分布非常不均匀,如轴瓦艉部压力远大于其他各处压力,从而影响到艉轴承的各项性能.由此,对传统水润滑橡胶艉轴承橡胶硬度取值进行改进,将其橡胶轴瓦沿轴向分为多个橡胶硬度不同的区域.通过试算和分析,合理设置各区域的长度和橡胶硬度.随后,利用有限元软件建立轴系一艉轴承系统有限元模型,其中使用Mooney一Rivlin本构方程模拟橡胶材料,并利用接触单元建立轴与艉轴承之间的接触关系.计算对比了改进前后某水润滑橡胶艉轴承底部轴瓦与轴接触的压力分布等力学指标.相对于传统橡胶艉轴承而言,改进方案的最大接触压应力减小了25.6%,接触区域沿周向增加了5.8°.结果表明,该艉轴承橡胶轴瓦硬度改进方案能够有效改善艉轴承的接触性能.     

带支撑梁的船闸闸室裂缝成因分析

针对某船闸闸室施工期在支撑梁上部出现表面裂缝的问题,基于有限元原理,分析闸室表面裂缝的成因及分布规律,并提出防止表面裂缝产生的温控措施.分析结果表明:早期在支撑梁上部出现表面裂缝主要是因为内外温差以及支撑梁对新浇筑混凝土的约束作用;在控制浇筑温度的基础上,采取表面保温和内部水管冷却相结合的温控措施,可以将表面点的抗裂安全系数提高至1. 40.该方案在后续施工应用后未出现表面裂缝,达到了良好的防裂效果.     

基于有限元应力积分传递系数法的岩质边坡抗滑稳定分析

针对含非贯通软弱结构面的岩质边坡抗滑稳定问题,将有限元法与传递系数法结合,提出考虑主抗滑面位置搜索的有限元应力积分传递系数法。在弹塑性有限元法分析应力场的基础上,使用应力积分求得各滑裂面上的法向及切向力;在等安全系数条件下,模拟边坡失稳时剩余推力沿滑裂面依次传递到主抗滑面的过程并对各滑裂面建立极限平衡方程;最后结合Fortran语言快速搜索主抗滑面起点位置、倾角及对应的最小安全系数。通过算例分析发现：有限元应力积分传递系数法能精确找到主抗滑面的位置,并将边坡稳定性量化到一个具体的数值。克服了传递系数法只能进行刚性分析及需要假定主抗滑面位置的缺点,相比强度折减法也少了人为判定引起的误差问题,结果更合理可靠。     

轴向冲击作用下玻璃纤维复合材料层合梁脱层及其扩展分析

玻璃纤维增强型复合材料层合梁在受轴向质量块冲击时,由于纤维铺层间的粘结强度较小,该区域易出现初始裂纹.进而扩展为脱层损伤.文章探讨了采用有限元数值模拟对脱层的产生与扩展进行建模、计算分析的方法.针对发生在纤维层问的脱层损伤,基于传统的应力失效准则,结合断裂力学的B-K能量失效准则,建立了混合失效准则来定义界面处的损伤规律,将发生脱层的潜在区域定义为粘结接触.计算结果与实验对比具有较好的一致性.     

带自由面流体运动的拉格朗日有限元分析

介绍了拉格朗日描述下的非定常不可压缩带自由面流体运动的有限元分析.在时间积分中采用速度修正法,采用速度修正分步法不仅可以让速度和压力均采用同阶插值函数,而且可以使算法变得更简单.用四边形单元对所求区域加以划分,并借助于Galerkin加权余量法导出相应的有限元方程组.通过实例计算,阐明了用该方法来分析带自由面流体运动的有效性及其实用性.     

裂纹的扩展有限元数值模拟研究

扩展有限元方法中,结构的不连续模拟通过单位分解的方法对位移模式的局部富集来实现,这个技术可以使得裂纹的不连续性独立于结构的单元划分.阐述了富集函数的构造、支配方程的建立、数值积分方案及程序实现等.对于线弹性体裂纹的模拟.通过一个跳跃函数和二维裂纹尖端位移渐进场来考虑裂纹的不连续性和奇异性.通过编制扩展有限元程序,模拟了各向同性介质中的二维裂纹.最后通过算例的模拟结果证明了该方法的精确性和实用性.     

基于模拟直齿轮啮合模型的齿根强度分析

齿轮啮合是一个比较复杂的过程,由于渐开线齿廓的固有特性使得齿轮在啮合过程中会产生许多非线性的影响,这些非线性影响对于齿轮啮合特性的分析和优化有着举足轻重的意义。文章首先基于先进的有限元理论,提出一种能够准确计算齿轮啮合刚度,并可模拟齿轮啮合动态过程的有限元模型。其次将应用此模型考虑摩擦的影响对直齿轮齿根应力进行分析,并对直齿轮轮齿的齿根应力在啮合过程中的变化趋势以及相应的摩擦影响进行讨论和总结。     

基于能量释放率理论的三维应力强度因子显式闭合解

基于能量差率基本原理,以非穿透裂纹深度的相对值作为控制裂纹虚比例扩展的无量纲几何参量,构造求解裂纹张开位移幅值的伯努利微分方程,导出以裂纹绝对尺寸和相对尺寸为参数的裂纹张开位移幅值表达式,得到有限大体非穿透裂纹三维应力强度因子闭合解.并给出无量纲应力强度因子与各种相对尺寸参数关系的显式表达式,计算结果与Newman的有限元分析结果基本-致.该方法在工程结构损伤容限与耐久性设计应用中更加便捷、高效.     

履带式起重机下车有限元分析方法研究

有限元方法能够较准确模拟工程机械局部受力和变形行为,但前提是采用合适的单元,更重要的是边界条件符合实际工况.针对履带式起重机下车有限元分析中存在的问题,提出了改进的分析方法.通过将单元数量、形状和排列方式进行配合,可以在使用较少单元数量的情况下获得较准确的结果.为了准确施加边界条件,用间隙单元模拟地面和履带的接触;用梁单元模拟回转支撑和固定螺栓,使局部刚度更接近实际情况,并使载荷在车架上的分布更真实.计算时考虑3种工况：起臂、吊载和转弯工况.将应力计算结果与实测值进行对比,大致吻合,证明了方法的可行性.     

深水管中管结构动态边界条件非线性时域分析

随着海洋油气开发工程作业水深的增加,管中管结构承受的波浪、海流深海环境载荷增大,可能会引发强度破坏以及疲劳损伤,造成重大损失,所以开展深水条件下管中管系统的力学行为分析研究是有必要的。本文考虑了顶部张紧力和动态边界,利用有限元模型来模拟管中管结构及其力学行为。并利用接触单元模拟内外管接触的约束条件。综合统计了管柱的接触碰撞位置和应力危险位置,提出了新型扶正器的布置方案,以达到减缓碰撞保护管柱的目的,并对比了等距离设置扶正器的方案。通过对比研究发现本文提出的扶正方案有效减缓了内外管的应力等级,对于实际工程和研究具有一定指导价值。     

Numerical simulation of level ice impact on landing craft bow considering the transverse isotropy of Baltic Sea ice based on XFEM

Ice bending is a major failure mechanism of level ice when ships and marine structures interact with level ice. This paper aims to investigate the ice bending and ice load when level ice collides on ships and marine structures using numerical simulation method, and compare the numerical results with field test. The fracture of ice is simulated with extended finite element method (XFEM), and cohesive zone concept is used to describe the crack propagation. In order to consider the characteristics of S2 columnar ice, a transversely isotropic elastic material model is used for the ice bulk elements, and a transversely isotropic Tsai-Wu failure criterion is adopted to predict the initiation of cracks. A well-controlled field test of a landing craft bow colliding with level ice in Baltic Sea is simulated to verify the numerical scheme. The ice plate's continuous deformation, crack initiation and crack propagation at different impact velocities and angles are simulated and the results are discussed. In the simulation, the bending crack emerges at the midline of the top surface of ice plate, then propagates towards free boundary, and finally a circumferential crack forms. It is found that with the impact velocity increases, the bending load increases and the fracture size (perpendicular distance from the crack to the contact edge) decreases. And as the angle between the landing craft bow and vertical direction increases, the bending load and the fracture size decrease. The simulated results corresponds well with the field test. The competition between the circumferential crack and radial crack is also found in the simulation and will be discussed in this paper. The results show that this method well simulates the bending of level ice and predict the ice load, and provides a good approach for investigating the mechanism of different forms of level ice fracture.     

二维疲劳裂纹扩展的有限元方法模拟研究

疲劳裂纹扩展率曲线是比S—N曲线更基本的描述金属疲劳特性的曲线。由于实验条件和经费等因素的限制，疲劳裂纹扩展的数据很难获得，因此寻找一种结合有限元方法进行疲劳实验数据模拟，然后使用计算机数学工具进行相关计算分析的方法显得比较现实和具有探索性。本文对现有的一些疲劳分析有限元软件进行了对比，最终选择在国内疲劳研究领域尚未被熟知的FRANCE2D／L软件作为工具，获得二维疲劳裂纹扩展的相关数据。     

双壳型船体结构稳态温度场和温度应力

用简化解析方法和有限元数值方法,分析了双壳型船体货舱区域在运载高温液货时的稳态温度场;根据船体结构的温度分布,用有限元法计算了其温度应力,同时与货物压力、海水静动压力、总纵弯矩等载荷作用下的结构应力做了比较。研究结果表明：在货舱结构温度场分析中用简化分析方法和有限元数值方法所得的计算结果相当一致;高温液货大幅度增加船体结构的纵向应力和横向应力,同时加剧结构不连续处的应力集中;槽型舱壁可以有效地释放     

超大型浮体柔性连接器疲劳强度模型试验

为了保证超大型浮体的作业安全,需要精确评估连接器结构疲劳强度。文章针对一种由尼龙柔性夹层和环肋加强圆管轴构成的铰接式连接器,开展了疲劳强度模型试验,测量了热点应力、疲劳寿命和裂纹扩展。考虑接触、柔性层以及开孔的影响,采用三维有限元方法计算了连接器结构应力,分别基于S-N曲线和裂纹扩展,给出了柔性连接器疲劳寿命评估方法。比较分析表明,计算得到的连接器结构应力和疲劳寿命与模型试验结果吻合,文中方法可用于柔性连接器结构疲劳强度设计