上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析与研究

作为索膜结构的一个工程实例,介绍了上海世博会世博轴索膜结构屋面有限元分析理论和分析方法。包括计算模型的确定、单元的选取、找形分析过程和初始态的评价原则、荷载效应分析过程和荷载作用下膜面应力与变形的控制。分析结果表明,索膜结构找形分析的关键问题是如何确定索和膜的预应力大小,荷载效应分析的关键是如何控制膜面应力及位移。采用有限元法有效解决了本工程索膜结构找形和荷载效应分析问题。分析方法和过程可为类似结构分析设计提供参考。     

大跨度充气膜结构形态分析方法研究

为求解大跨度充气膜结构的准确形态,阐述了一种形态分析方法.分析流程为构建初始形、假定初始态、迭代求解预应力及变形、逆向变位改变初始形、逆位移形再迭代计算、求得平衡形态.以某充气膜结构为例计算,平衡形态下最小von mises应力为0.723×10~6 N/mm~2,最大von mises应力为13.4×10~6 N/mm~2.平衡构型下形面误差分析结果:最大变形δ_(max)为0.014 5 m、平均变形μ为0.002 11 m、变形均方差σ为0.001 68 m,计算精度满足要求.最后介绍大跨度充气膜结构的工程应用实例.     

充气薄膜结构的悬垂和充气展开过程

为了模拟充气薄膜结构的初始状态和充气运动过程,采用索网代替薄膜曲面.基于广义逆矩阵理论将位移增量中的弹性位移和刚体位移分开,分析薄膜的刚体运动,给出结构稳定的条件方程,分析薄膜的悬垂力学性能.利用空气分子数法得到气体体积的约束方程,求解充气展开分析的基本方程,得到结构的展开过程.将该方法用于分析六边形充气气枕,得到气枕在重力作用下的悬垂状态和充气展开过程的各个状态,稳定性判别参数不断趋向于零.分析结果验证了该方法可以用于分析柔性结构充气展开的整个过程.     

3/4球形充气膜结构力学特性研究

为研究3/4球形充气膜结构力学特性,利用现有的该类充气膜结构风压试验资料,采用ANSYS软件对充气膜结构进行非线性有限元数值模拟,研究风载作用下膜材的最大应力、最大位移与内外压比、风速、半径之间的关系,讨论其主要受力特性与变形特征,并拟合出结构控制位置处最大应力和最大位移的计算公式。结果表明,内压与半径是影响该类充气膜动力特性的主要因素,结构自振频率随内压的增大而增大,随半径的增大而减小;风载作用下,结构控制位置处的位移和应力随气膜半径和风速的增大而增大。     

充气式索膜结构的找形分析

充气膜结构本身需要通过压差作用才能形成完整的结构,从而具备一定的刚度来支撑自重和外载荷.为加强结构的承载能力,通常会增设强度更大的索结构进行调整. 对于充气式索膜结构,找形分析在形状设计和优化中具有十分重要的作用,而压差对结构的形态分布有显著的影响,是找形分析中的重要因素. 针对充气式索膜结构受压差作用的特点,基于非线性有限元找形方法,提出压差预置法的概念,并且与节点平衡法相结合来实现优化.在此基础上,针对飞艇索膜结构的具体设计要求,提出了多目标优化的找形分析方案,先结合使用压差预置法和节点平衡法,寻找出满足索和膜结构的应力比值的几何外形;然后,通过等比例缩放的方法调整大小,最终得出满足设计体积大小的几何形状. 结果表明,采用该方法找形后的索的应力为找形前的2倍,更加充分的发挥了增强索的承载作用,同时,膜的最大应力有所降低,应力分布更加均匀,整体结构的承载能力得到了加强,对于解决实际工程问题具有重要的参考意义.     

充气膜结构有限元找形的体积微分法

为确定充气膜结构找形分析时,在内压已知情况下膜面张力的大小,根据多元函数泰勒展开公式推导了该类结构充气膨胀的体积微分方程,并由基于U.L.格式的非线性有限单元法,建立了以节点位移和膜面初始张力为未知量的平衡方程,编制了在给定内部气压及膨胀体积情况下的找形分析程序。对球面及圆柱面充气膜结构进行了找形计算,得到的数值结果与由球面及圆柱面的矢高、内压、初始张力相互关系得到的理论解进行比较并得到了验证。计算结果表明,提出的基于有限元的体积微分法可有效的用于充气膜结构的找形分析。     

膜结构大变形分析的向量式有限元4节点膜单元

基于向量式有限元基本原理,首先推导了4节点膜单元的基本公式,详细阐述了通过逆向运动获得单元节点纯变形位移的过程,以及进一步通过变形坐标系获得单元节点内力的求解方法;同时对4节点膜单元的位置模式和内力计算的数值积分等问题提出了合理可行的处理方法。在此基础上编制了4节点膜单元的计算分析程序,通过算例分析验证了理论公式和所编制程序的正确性和有效性,进而将本文方法应用于气枕充气和布料悬垂等膜结构大变形大转动问题的计算分析。     

基于混合子结构方法的充气膜结构气动特性

为了提高单纯依靠数值模拟方法求解膜结构气动参数的准确性,采用现场监测和CFD数值模拟相结合的混合子结构方法对国家游泳中心(水立方)屋盖ETFE充气膜结构的气动特性进行研究．首先分别设立ETFE充气膜结构和流场两个子结构,然后利用已建立的风荷载监测子系统和膜结构振动监测子系统所获得的数据作为CFD数值模拟的输入,进行绕流场分析,从而获得ETFE充气气枕的附加质量、气动力系数和气动阻尼等气动参数,并分析其随时间和风速的变化规律．分析结果表明,混合子结构方法是获得充气膜结构气动特性的一条有效途径．     

合成金刚石模具内压与预紧联合作用研究

在采用传统的设计方法分析合成金刚石模具的基础上，通过有限元方法对模具在内压与预紧联合作用下的应力进行了研究，给出了模具承受6000MPa内压时压缸的外径变形和外层各预紧环在单位内外压作用下的变形量，以及内压与预紧联合作用(合成状态)时各筒体内的应力值等．     

基于Voigt与Reuss模型的岩土二元介质破损规律

在破损力学的理论框架下,非均质岩土材料被抽象为由胶结元和摩擦元组成的二元介质。本文基于Voigt和Reuss模型推导出满足变形协调和应力连续条件的岩土破损力学本构方程,通过算例分析三轴复杂应力状态下岩土二元介质的破损规律、荷载及变形的分担情况。结果表明:岩土二元介质的破损行为与胶结元、摩擦元的物理力学特性、围压和应力水平等有关,随着应力水平的增大,胶结元在抵抗轴向压力中发挥的作用逐渐减小,而在抵抗轴向变形中发挥的作用则先减小后增大;随着围压的增大,胶结元在抵抗轴向压力和剪切力中发挥的作用均逐渐减小,而在抵抗轴向变形和剪切变形中发挥的作用均逐渐增大。     

内压作用下煤气柜侧板的应力分析与厚度设计

煤气柜侧板是煤气柜承受内压的主要部分.目前曼型干式煤气柜尚未有通用设计规范.为了使曼型煤气柜侧板的设计能够安全规范,对煤气柜侧板的受力性能进行有限元分析研究,即用曼型气柜侧板板肋和板分开建模的方式对煤气柜进行整体建模.以某50 000 m3曼型煤气柜为例,研究煤气柜侧板在内压作用下的应力与变形规律,得出沿垂直路径的侧板连接处的应力规律,找出单块板的最大应力与最大变形位置,分析单块板应力及变形趋势,以及研究在不同压力下对侧板厚度的设计方法.     

土工合成材料加筋垫层处理软基承载力探讨

介绍了土工合成材料加筋垫层对侧向变形的约束、隔离、减载、应力扩散等加固作用机理,并根据其作用机理和软基特性对改进的太沙基承载力公式进行了修正,提出了加筋垫层处理软基的承载力修正公式,通过工程实例分析认为,其具有较好的实用价值,对加筋垫层作用机理认识和设计计算有一定的参考价值.     

真实皮瓣的有限元建模与分析

针对生物皮肤组织缺损的计算机辅助修补技术进行了探索.采用商用有限元分析软件MSC.MARC对复杂形状的粘弹性材料的受力变形进行了仿真.仿真真实模拟了外载荷作用下皮瓣的拉伸位移、创口缝合及应力释放的过程,得出了模拟整形外科皮瓣修复手术的一般方法.仿真结果表明:该方法可以对修复缺损皮肤组织后的外观形状和受力状态进行较为准确地模拟,为任意皮瓣移植修复手术的数值模拟提供较为准确的理论依据.     

外载荷作用下压力容器接管结构有限元分析

工程设计时因需要满足工艺流程的复杂性，常常在压力容器的特殊位置进行开孔接管。GB 150-2011仅考虑容器结构在单一载荷的工况进行开孔接管结构的强度计算，没有涉及到实际工程中开孔接管结构的附加外载荷。应用SolidWorks软件对筒体切向开孔接管压力容器进行局部建模，采取有限元分析法，分别对三维实体模型施加仅内压、内压附加外载荷的两种工况，得出结构的应力分布并进行了强度评定，研究了接管附加外载对压力容器结构的影响。结果表明，由于接管外载荷的存在，相贯区的应力大幅度增加，且改变了接管与筒体连接处的应力对称分布状态。分析结果可为联合静载荷作用下开孔接管应力分析提供一定参考。     

斜裂纹应力强度因子的有限元计算及分析

介绍和讨论了斜裂纹应力强度因子的有限元分析方法，分别计算了单轴、双轴压缩下有限大板中存在的中心贯穿斜裂纹的应力强度因子．通过对求得的应力强度因子值与解析解的比较，表明用有限元法计算应力强度因子具有相当高的精度．同时，通过对不同倾角的裂纹尖端应力强度因子的计算，分析得到了裂纹倾角对应力强度因子的影响，为斜裂纹在复杂载荷作用下的断裂判据的计算提供了有效的方法。     

深埋暗道CFG桩及碎石垫层复合地基变形特性

将CFG 桩复合地基技术应用于深埋暗道这类特种结构的地基处理问题,通过对具体试验工程进行现场测试以及不同厚度碎石垫层的室内模型试验研究,对深埋暗道CFG桩复合地基沉降变形进行了分析,指出褥垫层的压缩量是应该被考虑到的,沉降变形计算不能仅仅考虑针对复合地基的修正,并应同时考虑褥垫层变形的修正。利用ABAQUS有限单元法分析了不同厚度褥垫层对C FG桩复合地基桩土应力比、总沉降量、垫层压缩量和桩身轴向应力的影响规律。介绍了一种输煤暗道沉降变形监测方法,通过现场测试、室内模型试验以及有限元分析,确定了深埋暗道CFG 桩复合地基褥垫层的选用原则。     

风荷载作用下LNG储罐混凝土外罐力学性能分析

为获得大型全容式LNG储罐混凝土外罐在风荷载作用下的响应特性,以有限元软件ANSYS为分析平台,针对一160 000 m3LNG储罐实际工程建立了静力风荷载及顺风向脉动风荷载作用下的精细化有限元模型.通过对比国外学者提出的傅里叶解析式表达圆柱体表面的风压分布和中国《建筑结构荷载规范》给出的旋转壳体周向体型系数,以及中美规范关于风压高度变化系数的规定,表明中国《建筑结构荷载规范》确定风压分布对结构影响更为不利;对比了不同风向下储罐外罐的内力及变形模拟结果,获得了各风向对储罐响应的影响程度及规律;采用拟定常假设,来流风速谱取Davenport谱,储罐外罐的风振响应分析结果表明:顺风脉动风荷载作用下,结构的位移及环向应力的变化趋势与静力风荷载作用下相近,但应力及位移的极值响应结果约为静力风荷载作用2倍;与静力荷载下储罐结构的响应结果对比表明,静力风荷载及顺风向脉动风荷载对LNG储罐混凝土外罐的受力及变形影响皆不大.     

隧道救援吊车机臂的结构分析

为了在设计阶段确定隧道救援吊车在起吊过程中机臂的变形情况和应力分布以及应力集中点位置,使用有限元法对作业状态下的机臂进行数值模拟. 利用ANSYS软件完成了机臂在3种工况下（仅考虑自重;自重和15 t起吊载荷;自重和60 t起吊载荷）的强度及刚度计算,并基于强度分析和刚度分析对机臂进行了安全评定. 结果表明:不同工况下,应力具有相似的分布规律,最大应力出现在机臂与支柱接触点附近以及耳梁与机臂腹板连接处,可以通过加厚耳梁翼板和腹板、增加支撑板数量、使用强度等级更高的材料来提高机臂的强度和刚度.     

长短桩复合地基受荷性状的影响因素分析

采用大型有限元软件ABAQUS,对不同褥垫层模量、厚度、短桩模量及基础上不同的荷载对刚柔性长短桩复合地基的长桩与土的应力比、短桩与土的应力比、长短桩应力比、基础沉降的影响及其规律进行了分析.数值分析表明:垫层的存在增大了地基的沉降,可调节复合地基中桩土应力的分配;随着垫层模量的增加,长桩桩身应力增加,短桩应力减小;增加短桩的刚度,复合地基的沉降减少;随着基础顶面荷载的增加,桩土应力比增大,位移差也增大.结合武汉某住宅小区的长短桩静载荷的现场监测数据,分析了工程中长桩与土、短桩与土、长短桩应力比的变化规律.数值分析和现场监测数据分析结果可为该类型地基的设计和施工提供依据.     

Residual settlement calculation of geocell cushion over gravel piles

The calculation of residual settlement of bidirectional reinforced composite foundation, which is composed of geocell cushion over gravel piles, was studied. The geocell cushion was modeled as a thin flexible plate with large deflection. Based on the Kirchhoff hypothesis, the governing differential equations and boundary conditions of the deformation of geocell cushion under working load were founded using von Karman method and solved by Galerkin method. On theses bases, the gravel piles and inter-pile soils were assumed as Winkler ground with variable spring stiffness so as to execute the approximate calculation of the residual settlement of the bidirectional reinforced composite foundation. The calculation method was verified by two laboratory experiments concerning settlement of embankments. One experiment was with just geocell cushion installed to treat the soft clay under embankments; another one was with both geocell cushion and gravel piles installed. The results show that the calculated settlement curve and the maximum settlement are closed to the observed ones.