大跨越输电钢管塔结构多尺度有限元分析

多尺度计算可在计算精度和计算代价中寻求较好的平衡点,在许多学科领域和工程问题中都得到了应用。该文引入有限元多尺度计算理论,在有限元分析软件中引入约束方程实现了局部模型和宏观模型的连接,并在研究输电铁塔力学性能中得到了应用。同时将输电铁塔多尺度模型分析结果分别与TTA模型、刚架模型、桁架模型和试验结果进行对比分析。研究结果表明,采取该文提出的多尺度建模方法,能够有效分析输电铁塔的整体力学行为和局部节点受力特性,可以在土木工程结构中推广使用。     

全复合材料桁架扭转刚度分析

为了解决全复合材料桁架扭转刚度缺少实验外有效表征手段的问题,首先,基于均匀化思想,依据单胞剪切刚度相等原则,将全复合材料桁架等效为闭口薄壁梁,推导其等效扭转刚度;然后提出位移转换法并测量桁架转角,对全复合材料桁架扭转刚度进行了实验研究;最后,在梁单元桁架模型中嵌入精细化接头模型,对全复合材料桁架扭转刚度进行了仿真分析。结果表明:等效及仿真结果与实验值基本吻合,等效分析方法能够有效预测全复合材料桁架的扭转刚度,桁架仿真模型具有一定的工程实用性;实验方案可靠,所提出的位移转换法能够解决小转角测量相对误差较大的问题。     

基于重复子结构的缝合式夹芯板动态特性计算

根据复合材料具有可重复单胞的特征,提出一种基于重复子结构的缝合式夹芯板动力学建模方法。利用复合材料精细化单胞有限元模型构造初始子结构和残余结构,通过空间位置关系映射得到重复子结构,将所有子结构组装到残余结构上,实现复合材料重复子结构动力学建模及分析。以缝合式夹芯板为例,对其进行重复子结构建模及动态特性分析,并与精细化实体有限元模型进行对比,验证方法的计算精度和效率。研究了初始子结构外部节点选取、残余结构位置选取、初始子结构尺寸选取对重复子结构建模及分析结果的影响。结果表明:针对具有重复性单胞的缝合式夹芯板结构,利用重复子结构进行动力学建模,残余结构的选取具有不唯一性,且初始子结构外部节点数量越多,重复映射过程越少,计算精度和计算效率越高;当初始子结构外部节点选取比例为50%时,相比较复合材料结构的精细化建模方法,可以提高结构动态分析效率。      

编织复合材料的一种数值模型

提出编织复合材料的一种均匀化的数值模型,为工程应用提供了简便而有较高精度的数值计算方法.首先,对于编织复合材料的代表性单胞建立了精细有限元的胞元模型;其次,将单胞有限元分析结果引入基于三类变量广义变分原理的三维体罚单元,从而将一类有细观编织结构的复合材料等效为可用于宏观尺度计算的复合材料单元.通过数值算例将此方法的计算结果与实验和其他数值计算结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性.     

考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟与试验验证

基础隔震技术由于良好的隔震性能在实际工程中得到广泛应用。现有的隔震结构分析方法主要采用宏观尺度（如弹簧单元）对其地震响应进行分析研究,隔震支座采用弹簧进行模拟时,该文模型只能反映结构的整体响应而未能考虑隔震支座及其他局部关键位置的细节。因此,为了解结构局部关键位置的力学性能（如隔震支座）,该文提出一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法。首先,建立微观单元（实体单元）与宏观单元（梁单元）之间的多尺度界面连接方程;其次,通过不同尺度单元之间有效组合建立四种不同串联隔震体系模型（弹簧-梁单元模型、弹簧-实体单元模型、多尺度模型和全实体单元模型）,在四种模型梁端施加往复荷载得到其滞回曲线,并与试验结果进行对比分析。分析结果表明,采用多尺度模拟方法不仅能掌握结构局部关键位置（隔震支座）受力特性,还可以提高计算效率,减少计算时间和存储空间,并在计算精度和计算代价之间得到了均衡。在此基础上,结合串联隔震结构振动台试验进一步验证多尺度分析方法的有效性。最后利用多尺度有限元模拟方法的优越性分析某基础隔震结构的动力响应。     

卫星桁架复合材料多连通接头性能的测试与分析

以典型的卫星桁架结构接头为研究对象,利用三维或二维半编织技术和三维有限元分析技术,对碳纤维增强复合材料接头进行了结构设计、试验测试和数值分析。同时对用特殊编织技术制成的复合材料接头进行了拉伸、压缩和弯曲试验,并对实验结果进行有限元分析和处理。结果显示,接头的断裂强度为400MPa,理论预测断裂位置与试验结果吻合。卫星天线桁架接头用复合材料代替某些航天航空材料是可行的。      

强载荷下结构动力响应与损伤的跨尺度分析

结构多尺度有限元模拟是考虑结构易损部位损伤演化进行大型结构失效过程分析的有效方法。如何方便、准确地建立有限元大尺度与小尺度模型的跨尺度界面连接是多尺度有限元模拟中的关键。本文根据损伤多尺度分析的需求,研究了两种跨尺度界面连接方法及其实施过程,并对计算方法的精度进行了比较和验证;将塑性损伤演化本构关系通过ABAQUS提供的UMAT子程序写入,考察狗骨式刚节点在强动载荷作用下其薄弱区域的损伤演化特性,结合跨尺度界面连接方法初步实现了强载荷下结构损伤的跨尺度分析;针对某大跨悬索桥钢箱梁纵向加劲钢桁架结构,采用本文建立的跨尺度分析方法研究了强载荷作用下结构中的损伤演化过程。研究结果为揭示结构在强载荷作用下的损伤破坏机理奠定了基础。     

某复合材料π接头的强度估算

复合材料胶结接头是复合材料整体化成型技术的关键,其承载能力的大小直接关系到整体结构的力学性能.本文基于通用有限元分析软件ABAQUS采用实体单元建立某复合材料π形接头的三维有限元分析模型,参考最大正轴应力准则根据各铺层应力分析结果判定了接头结构的初始损伤部位.在此基础上,采用局部消刚模型对损伤部位进行刚度修正并进行重新计算,直至给出接头结构的极限载荷.与实验结果相比,初始损伤载荷计算误差小于6.1%,极限载荷计算值误差小于5%.损伤位置与试验基本吻合.     

梁—板混合单元分析桥梁车致振动与噪声

在平截面的假定条件下,通过建立梁—板混合单元有限元模型,采用车—线—桥耦合振动分析得到桥梁高频振动响应,再采用声学边界元法分析桥梁结构噪声。以32 m混凝土简支箱梁为例,讨论了不同的梁—板混合模型对计算精度和效率的影响,并与现场试验结果进行对比。由此验证了:在梁—板混合有限元模型中,跨中板单元区域的长度取5倍以上梁高时,桥梁高频振动和结构噪声仿真值均能取得良好的精度,计算效率可提高70%左右。桥梁振动和结构噪声的峰值频率范围为40 Hz~80 Hz,在梁侧传播时具有一定的指向性。采用梁—板混合单元模型计算得到30 m范围内的结构噪声与全板单元模型计算结果基本一致,但在30 m范围外,前者的计算值要比后者小2 d B(Lin)左右。因而,梁—板混合单元模型可有助于提高桥梁车致振动和噪声分析的效率。     

桥梁结构抗震计算可视化系统研究

桥梁结构抗震计算可视化系统(Bridge Antiseismic System,简称BAS)是针对桥梁结构抗震分析的专用软件,具有界面友好的前后处理功能,能够建立桥梁结构的空间有限元模型,可运用桁架单元、索单元、梁单元、边界单元和板单元等进行桥梁结构的静力、反应谱和动力时程等分析。该文首先介绍该系统的整体架构及其功能特点,再详细介绍其建模的思路和优越性,以及系统的分析和后处理显示功能,最后对一个工程实例,分别在BAS、Midas和Sap2000中建模,对自振周期、自重内力、反应谱内力和动力时程分析内力等分别进行了比较,验证了程序的可靠性。     

Bridging multi-scale approach to consider the effects of local deformations in the analysis of thin-walled members

Thin-walled members that have one dimension relatively large in comparison to the cross-sectional dimensions are usually modelled by using beam-type one-dimensional finite elements. Beam-type elements, however, are based on the assumption of rigid cross-section, thus they only allow considerations associated with the beam axis behaviour such as flexural-, torsional- or lateral-buckling and cannot consider the effects of local deformations such as flange local buckling or distortional buckling. In order to capture the local effects of this type shell-type finite element models can be used. Based on the Bridging multi-scale approach, this study proposes a numerical technique that is able to split the global analysis, which is performed by using simple beam-type elements, from the local analysis which is based on more sophisticated shell-type elements. As a result, the proposed multi-scale method allows the usage of shell elements in a local region to incorporate the local deformation effects on the overall behaviour of thin-walled members without necessitating a shell-type model for the whole member. Comparisons with full shell-type analysis are provided in order to illustrate the efficiency of the method developed herein.     

无人机全复合材料机翼结构设计与试验验证

为提高全复合材料机翼的有效载荷与机翼质量的比值(载荷/质量比),提出了一种预测全复合材料机翼极限载荷的有限元模拟方法,并建立了提高机翼结构效率的结构设计方案。首先,基于薄壁工程梁理论,对全复合材料机翼进行了理论分析,并对全复合材料机翼的结构形式与铺层形式进行了初始设计;然后,基于初始机翼的试验数据,利用ABAQUS建立了4种不同的有限元模型,通过对比得到了最佳数值模拟方法;接着,建立了14种结构布局形式,并为每种结构形式赋予不同的铺层方案,形成了117个机翼设计方案,对比了各个结构形式的载荷/质量比以及工艺因素;最后,制造了全复合材料机翼并进行了试验验证。结果表明:双工字梁结构为最佳机翼结构布局形式,具有较高的承载效率;模拟载荷与试验值之间的相对误差仅为1.91%,验证了有限元模型的正确性;机翼的载荷/质量比达到了24.17 N/g,相对于初始设计提升了30.65%。所得结论表明设计方法有效。      

复合材料点阵夹芯结构平压性能不确定分析与优化

考虑一体化成型工艺制备的复合材料点阵夹芯结构及其不确定性, 采用区间向量实现不确定参数定量化, 建立复合材料点阵夹芯结构平压性能区间分析模型。考虑结构功能状态判断的模糊性, 分别在不考虑设计容差与考虑设计容差情形下, 建立了不确定平压载荷作用下含区间参数模糊可靠性分析与优化模型。研究结果表明: 材料参数及结构参数不确定性, 特别是设计容差对复合材料点阵夹芯结构平压性能影响明显, 因此在工程优化中不仅需要充分考虑材料参数与外部载荷等不确定性, 而且需要充分重视传统不确定设计方法中未计及的设计容差的影响。本研究实现了理论成果与工程应用的有机结合, 为工程领域复合材料点阵夹芯结构平压性能分析与优化提供有效理论方法。     

基于多尺度模型的RC框架撞击倒塌响应数值分析

为了在保证计算精度的同时提高撞击荷载作用下RC框架结构连续倒塌分析的计算效率,本文基于有限元软件LS-DYNA,建立了撞击响应分析的多尺度模型。针对该模型分别采用拆除构件法和撞击全过程分析法分析了撞击荷载下框架结构的连续倒塌动力响应。结果表明：拆除构件法在分析撞击作用下结构的连续倒塌时,由于忽略了撞击力及其对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,不能合理反映撞击作用下框架结构的破坏模式;多尺度模型能够准确模拟撞击作用下框架结构的动力响应和破坏模式,同时计算时间仅为精细模型的三分之一,满足整体结构系统撞击倒塌分析的需要。     

Finite element modelling of rubber-like materials — a comparison between simulation and experiment

In this work finite element simulations are used based on the micro structure of polymers in order to transfer the information of the micro level to the macro level. The microscopic structure of polymers is characterized by a three-dimensional network consisting of randomly oriented chain-like macromolecules linked together at certain points. Different techniques are used to simulate the rubber-like material behaviour of such networks. These techniques range from molecular dynamics to the finite element method.The proposed approach is based on a so-called unit cell. This unit cell consists of one tetrahedral element and six truss elements. To each edge of the tetrahedron one truss element is attached which models the force-stretch behaviour of a bundle of polymer chains. The proposed method provides the possibility to observe how changes at the microscopic level influence the macroscopic material behaviour. Such observations were carried out in [1]. The main focus of this work is the validation of the proposed approach. Therefore the model is compared to different experimental data and other statistically-based network models describing rubber-like material behaviour.     

大跨度斜拉桥空间振动计算分析

本文提出了一种分析列车、大跨度钢桁梁斜拉桥系统空间振动的方法.文中采用21个自由度的列车空间振动模型,对斜拉桥桁架、桥塔、拉索分别采用桁段有限单元、空间梁元、空间杆元来模拟,计算了列车以不同车速通过大跨度斜拉桥的空间振动响应,所得结果可供设计参考.     

空间桁架梁固有振动的能量变分解析解

目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。     

Study on the element with the hole and crack

A new element is proposed for describing a discontinuous medium, such as holes and cracks, inside the region of the element. The underlying idea is to construct numerically the base functions of the discontinuous region by capturing the results calculated by fine finite elements in small-scale and then to construct the element in macro-scale with the crack and hole based on the theories of the multi-scale finite element method and the extended finite element method. Some numerical analysis is performed. The results show that the proposed element can well describe the field of displacement, strain, and stress intensity of the discontinuous region inside the element and can significantly decrease the number of elements and nodes of the calculated porous structure. The precision of the proposed element is also acceptable.     

点蚀损伤下海洋平台结构剩余强度的多尺度分析方法

均匀腐蚀损伤影响结构承载力的研究已趋于成熟,但点蚀损伤影响整体结构承载力的规律及其局部损伤的演化行为仍不明确。该文采用均匀分布的圆柱体点蚀损伤模型,探讨在宏观结构尺度中点蚀损伤的描述、多尺度区域的划分和跨尺度界面的连接以及结构非线性的求解方法,提出了研究考虑细观尺度点蚀损伤的海洋平台结构多尺度模型的构建和计算方法。计算结果表明:该文提出的多尺度模型构建策略有效地解决了细观尺度点蚀损伤在宏观结构尺度中的描述问题,且所建多尺度模型能够体现点蚀损伤削弱结构极限承载力的规律,为评估在役海洋平台结构的剩余强度提供了可行的方法。