基于有限元法的机械连接静力分析的研究

在复合材料结构设计中,连接问题比较复杂,连接强度与铺叠方式、载荷方向等因素密切相关,对于多排钉孔传力时的钉载荷分配更难以预测。笔者利用MSC．NASTRAN有限元分析软件,选取几种典型连接范例,计算了这几种连接形式下的钉载分配并给出了这几种连接下的钉载分配曲线,结果与工程算法结果相吻合。将此种连接仿真方式应用于空间遥感器连接部件的有限元模型计算中,分析结果与实验分析结果在规定误差内。     

一种复合材料螺栓连接结构非线性刚度模型及应用

针对复合材料螺栓连接结构挤压破坏及钉载分配规律,提出一种非线性刚度模型。基于单钉连接结构试验获得的应力-应变曲线,将连接结构挤压破坏过程分为:线性无损伤阶段、非线性损伤扩展阶段和线性退化阶段,并将连接结构等效为弹簧系统模型。模型在线性阶段考虑了层合板间摩擦力的影响;在非线性阶段考虑了层合板面内剪切非线性并定义了非线性损伤函数;在线性退化阶段基于能量吸收原理,对结构失效后力学行为进行了表征。最后,将单钉弹簧模型引入多钉连接结构进行分析,通过多钉连接结构试验验证表明,模型计算结果与试验曲线吻合良好,钉载分配计算误差小,符合工程要求。     

钢纤维混凝土桩基厚承台承载力计算方法分析

根据承台试验和三维非线性有限元计算结果，提出了适宜进行厚桩基承台传力机理分析的计算模型。并结合文献[1]公式，按该模型的传力方式提出了钢纤维混凝土桩基厚承台承载力的简化计算方法。     

求解高速球轴承载荷分布的简化矩阵模型

给出了根据滚动体高速运转时几何参数和力能参数的变化特征,将高速球轴承载荷求解方程组简化为基于杆系有限元方法的矩阵模型。通过分析内圈平衡方程,发现杆件有限元模型中的参数在计算过程中具有独立变量,并且包含已知变量,进而对有限元模型进行了降阶简化,得到了4阶矩阵模型,较大程度地简化了载荷分布计算,且其形式尤其适于MATLAB矩阵求解,程序编写变得简单,提高了计算速度,改善了计算的稳定性。最后通过算例比较说明了本文方法的正确性,可以替代传统的计算方法。     

Thermal Stress and Assembling Parameters Evolution of CMC Bolted Joint under Transient Thermal Loads

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

赵淑媛¹,李正禹¹,蒲泽良¹,孙新杨²,张文娇³

（1哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;

2哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

3东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

采用有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行热力耦合分析,分析了瞬态热载荷作用下热应力及装配参数的变化,为避免连接结构的早期破坏提供理论基础。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。当这种类型的结构件被用于高温瞬态热载荷状态下时,由于陶瓷基复合材料与金属的热膨胀不匹配,会导致连接部位产生额外的热应力,并改变接头的连接参数,从而使结构提前发生破坏。因此,研究瞬态热加载对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,使用有限元软件ABAQUS建立单钉单搭接螺栓连接结构的热分析模型。通过计算得到模型在给定的热边界载荷作用下的瞬态温度场,将温度场结果导入到应力场分析中,结合材料模型的UMAT程序,实现了模型的热力耦合分析。通过研究连接结构在高温热载荷作用下产生的热应力场,讨论了瞬态升温过程对连接结构预紧力、钉孔配合精度产生的影响

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构在受到温度载荷作用而产生温度变化后,装配时施加的预紧力会发生松弛现象,并且螺栓钉孔间的间隙也会缩小,预紧力下降值与温度载荷值呈现线性关系,钉孔间隙的减小值与温度载荷值呈现二次曲线的关系。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了瞬态热加载条件下结构热应力及螺栓预紧力和钉孔间隙等装配参数的演化,所得结果将用以指导工程实践中陶瓷基复合材料连接件的设计和使用。

关键词：陶瓷基复合材料;热分析;热应力;预紧力;钉孔间隙

     

基于有限元的角焊缝建模的探讨

利用有限元软件ANSYS,采用实体单元、壳单元、壳与梁单元组合等方法建立有限元模型计算箱形梁在均布载荷和集中载荷作用下的应力分布情况.通过计算结果比较分析各种建模方法的优缺点,提出针对不同的结构和载荷情况,选择合适的建模形式.     

钢框架-砌体填充墙结构三支杆模型有限元分析

分析钢框架结构体系1∶2双层单跨钢框架-填充墙模型的抗震试验结果,对比该试件实体建模的有限元分析结果,提出可用于模拟钢框架和填充墙共同抗侧力机制的框架-墙体三支杆简化力学模型,并按照该受力模型进行有限元建模和水平荷载作用下的结构位移、刚度及内力分析.计算结果表明,与钢框架-填充墙原始模型实体建模的计算结果相比,钢框架-填充墙三支杆模型计算结果与试验结果更加吻合,验证了这一简化计算方法的合理性和实用性.     

髋臼力和肌肉力对股骨有限元分析结果的影响

建立基于CT影像的股骨有限元模型,研究髋臼力和各个肌肉力对有限元分析结果的影响.对于完整股骨模型(模型I),施加髋臼力和各种肌肉力并计算.对于股骨近端模型(模型II),施加相同大小不同作用面积的髋臼力并计算.通过对计算结果的分析表明,臀中肌肌肉力对股骨内应力分布影响最大;髋臼力的作用面积越大,模型各单元应力越小,施加载荷位置的单元此趋势尤为明显.可以为大量个体化有限元计算预测股骨强度提供载荷简化的主要依据.     

基于ANSYS的渐开线直齿圆柱齿轮仿真分析

利用有限元软件ANSYS的建模功能,建立渐开线标准直齿圆柱齿轮的二维和三维有限元模型,在此基础上对静载荷作用下齿轮的齿根应力和齿轮变形进行有限元分析,比较二维模型和三维模型的模拟结果,并与传统的齿轮强度计算方法作比较,指出传统计算方法的不足,为齿轮优化设计提供1种新的设计方法和理论依据。     

悬索桥主塔纵向受力的估算方法

基于悬索桥的传力特点,提出主塔纵向受力简化分析模型,对中、边跨主缆的内力及线形进行分析,根据主缆无应力长度相等的原则推导出塔顶位移、塔底弯矩和轴力的计算公式.分别以主跨为1000米的单跨及三跨悬索桥为例,利用简化计算方法对主塔的纵向受力进行了计算,并与有限元计算结果进行对比分析.结果表明,简化公式具有良好的计算精度,且可同时适用于单跨及三跨悬索桥,满足了概念设计的要求.     

螺纹结构精确有限元建模及有效性分析

在对螺纹部件进行有限元分析时，由于螺纹复杂的几何结构，螺纹部件的内外螺纹面往往难以啮合，常造成螺纹结构有限元建模困难、模型数值计算收敛性差等问题。本文基于螺纹垂直于其轴线的任意横截面几何形状相同的事实，选取国际标准化组织（ISO）制定的标准螺旋线公式，采用三维八节点单元，精确建立了螺纹连接件有限元模型。该模型不仅考虑了螺纹螺旋升角对模型的影响，且组成每个节距的单元层整齐排列，每层单元上的节点编号有序分布，内外螺纹面上的节点相互贴近。这些特质使得模型能够准确映射工程中螺纹连接结构的力学特性、优化模型数值计算收敛状况、便于对模型数值计算结果开展力学剖面分析。为验证本文螺纹连接结构有限元建模方案的有效性。首先从理论分析方面对螺纹连接结构中拧紧转角与预紧力的关系和螺纹连接结构中轴向力的分布进行了计算推导，并以M12标准螺栓为例计算出其轴向力分布。然后通过数值实验的方法先后验证了该螺纹连接结构拧紧转角和预紧力关系与理论分析结果的一致性、M12螺栓的轴向力分布与理论计算结果的一致性、螺纹齿根处应力集中系数状态与实验结果的一致性、应力分布和塑性应变分布与实际工程测量的一致性。该螺纹连接结构有限元模型生成的方案通过C++编程语言在Qt平台上借助OpenGL工具开发了一款“螺栓螺母有限元参数化建模软件”，软件可根据输入的螺纹直径、节距数量等参数快捷地查看和生成不同型号的螺栓螺母三维有限元模型，在工程分析和优化设计中，既避免了设计人员繁琐的重复劳动，又提高了设计精度和工作效率，能更好地满足实际工程需要。     

销钉连接接触面的应力有限元计算与分析

采用有限元数值求解方法,对由圆柱销钉和匀质正交各向异性层合板构成的连接结构模型进行了销钉拔出过程中接触面的应力计算与分析.模型计算分两个载荷步进行:载荷步一进行不加外载时结构过盈配合所致预应力的计算;载荷步二进行施加位移载荷使销钉从板中拔出的应力计算.结果表明:应力集中在销钉和孔边附近,且呈现对称分布趋势;其中孔径向和环向方面应力值变化幅度较大,最大应力出现在连接板孔边上,孔中心轴向方向应力值变化幅度较小,最大应力在销轴上,为预测销钉拔出造成的易损伤位置提供参考依据,同时应力计算结果为进行各向异性连接件的失效损伤分析奠定了基础.     

混合结构中金属疲劳对层合板损伤的影响

针对混合结构中层合板和金属的疲劳损伤耦合问题,构建了复合材料渐进疲劳损伤模型和金属材料Lemaitre疲劳损伤模型,采用唯象的弹塑性本构描述单层复合材料面内剪切非线性,基于球张量和剪切张量的应力分解方法推导了低周疲劳能量释放率计算公式。对单钉与多钉螺栓连接结构进行了疲劳损伤和寿命分析,结论表明:循环加载过程中,多钉连接结构钉载向金属搭接板疲劳硬化区域迁移,加剧了层合板局部挤压损伤,降低了层合板拉断载荷,有利于提高以拉断为破坏模式的层合板疲劳寿命。     

隐身桅杆计算边界条件的研究

以舰船筒形结构的全封闭形隐身桅杆为研究对象，利用有限元方法，考虑在两种不同的边界条件下，使用美国的大型有限元计算软件ANSYS对桅杆进行结构振动分析．并且根据舰船在风浪中航行时，作用在桅杆上的计算载荷，对桅杆进行结构强度计算．将得到的结果进行比较分析，发现由以往的方法设置边界条件计算得来的结果和由本文提出的简化的边界条件计算得来的结果，两者之间并无太大的差异，但工作量前者要大的多．因此建议今后在类似的短粗形桅杆计算中，可采用简化的边界条件来分析结构振动和强度性能．     

对称变维框架在水平荷载作用下的剪力分析

利用平面有限元方法分析了对称变维错层框架 ,并和习惯采用的杆系简化模型的计算结果进行了对比 ,针对不同错层高度建议了对称变维框架在水平荷载作用下梁柱剪力的简化计算方法。     

基于台架试验的动车组3人座椅整体分析

按有限元分析的标准,对动车组3人座椅的几何模型进行简化,确定材料属性及载荷工况,建立了有限元模型.根据企业要求和试验规范,利用有限元法对动车组3人座椅进行结构强度分析,并对结果进行讨论,提出了3人座椅的改进建议.     

舰船管道抗冲减振优化

针对舰船管道的抗冲减振优化问题,讨论了有限元分析软件ANSYS的优化设计分析过程及实现方法.以单个梁模型为基础,模拟了不同的边界条件、不同的管支吊架个数、不同的约束方向上管道的冲击响应.并以简化的右舷柴油发电机组排气管模型为基础建立一个简化的梁模型,提供了一种适用于复杂管道的分析和优化方法,分析了在冲击载荷和正弦载荷以...     

复合材料多钉连接钉载分配均匀化的泰勒展开方法

大多数复合材料机械连接都是多钉连接,但由于复合材料的脆性等因素,钉载分配往往极不均匀,极易引起接头的过早破坏.为改善钉载分配的不均匀性,工程中通常采用在承载较大的钉孔处设计间隙配合的方法,然而间隙量的大小一般难以确定.本文基于一阶泰勒展开方法提出一种确定该间隙的近似算法.首先将钉载关于钉孔间隙进行一阶泰勒展开,进而建立钉载和钉孔间隙之间的线性方程组.然后在指定外载荷条件下,以钉载均匀分配时的螺栓载荷为已知量,以钉孔间隙为未知量,计算各钉近似均匀分配时的钉孔间隙.以5钉连接接头为例,对模型有效性进行验证.结果表明,优化后,首钉钉载比例由45.1%降低到23.0%,首钉位置净截面的拉伸应力和压缩应力也有明显降低,较优化前分别下降26%和39%.最后基于验证的优化模型研究了宽度、排距、螺栓数目以及外载荷等参数的影响.模型分析效率高,对于n钉连接的多钉连接问题,只需n+1个有限元模型即可计算得到钉载近似均匀分配时的钉孔间隙.模型对复合材料多钉连接的均匀化设计具有重要的指导意义.     

QTZ63塔式起重机有限元分析

以QTZ63塔式起重机为例,运用有限元软件ANSYS的APDL语言建立了QTZ63塔式起重机整体结构有限元模型,讨论了塔式起重机边界条件的简化、载荷的确定和计算.对建立的塔式起重机有限元模型进行了静力分析,并将分析结果与有关部门对QTZ63塔式起重机的实际检测结果进行了对比.其结论可以利用ANSYS建立塔机有限元程序,将程序相关几何尺寸参数化后可用做塔机的初步设计和产品系列化设计以及检测前的模拟实验.该分析对工程现场有很好的指导作用,从而加快塔式起重机的设计速度.     

混凝土箱梁桥拼接拓宽后横向内力简化计算方法研究

提出一种混凝土箱梁桥拓宽后的横向内力简化计算方法,在总结以往单箱单室箱梁横向内力计算方法的基础上,以某高速公路上一座需要拓宽的变高度连续箱梁桥为研究背景,将弹性支承框架法推广到拓宽后双箱梁横向内力计算,并着重考虑了新桥的收缩徐变效应、新旧桥间地基不均匀沉降差、温度梯度以及车辆活载等作用;同时运用空间实体有限元分析结果进行对比论证。结果表明,收缩徐变作用下该模型计算结果的精度较差;基础不均匀沉降作用下框架模型计算结果偏保守;在车辆荷载和温度梯度作用下,框架模型分析精度较高;在综合工况下,简化计算方法和实体有限元模型的计算结果较为接近。因此弹性支承框架模型可以作为初步设计时的一种简化方法,为桥梁拓宽设计提供参考。