组合圆筒管的优化设计

用外缠绕玻璃纤维增强复壁钢管来代替油气田内部承高压的高强度钢管,既可节省大量的优质钢材,又能对场内集输管道起到良好的外防腐效果。本文着重研究由玻璃钢/钢组合而成的厚壁圆筒管在管内高压作用下的优化设计问题。首先利用组合管的边界条件,由弹性理论导出了平面应变状态下组合管壁内三个主应力的计算公式;然后建立了以组合管总壁厚、玻璃钢外套管壁厚和玻璃纤维缠绕角为设计变量,单位长度组合管的材料成本为目标函数以及钢管的强度约束和玻璃钢的变形限制为约束条件的优化设计数学模型,采用复形法对本问题求得了最优解。作者还用所编的电算程序计算了各种管内径,各种内压及各种钢管强度等级所对应的设计变量最佳取值,从而讨论了管内径、内压及钢管强度等级变化对优化设计变量的影响,计算实例表明,在承受相同内压作用的情况下,组合管的材料成本较单纯钢管低,组合管的重量减轻尤为明显。主题词:组合圆筒管;内压;平面应变状态;优化设计;复形法。     

有限长厚壁圆筒空间轴对称应力分析的康托洛维奇变分法

在已有的文献中，尚未发现有把康托洛维奇变分法用于空间轴对称应力问题的工作。本文净康托洛维奇变分法用于上述应力变分问题，并针对荷载变量ｚ的任意函数的有限找厚壁圆筒导出了欧拉方程及边界条件，从而扩大了康氏法的应用范围。文中给出了计算实例。     

多层圆筒过盈配合的接触压力与过盈量算法研究

为深入完善风电锁紧盘设计理论,首先基于厚壁圆筒受均布载荷作用下的位移表达式,推导了多层圆筒过盈配合各配合面接触压力和过盈量的计算公式;根据所得计算公式设计的某型号风电锁紧盘尺寸,采用ABAQUS软件建立了二维轴对称模型并模拟了其动态过盈装配;比较了两种方法的计算结果,并分析了两者误差产生的原因。结果表明,该文给出的解析算法与有限元数值方法所得结果吻合较好,可以为风电锁紧盘设计提供可靠的理论指导。     

单层厚壁圆筒弹性动应力的简化计算方法

厚壁圆筒在爆炸领域被广泛应用,经典厚壁圆筒弹性动应力公式计算十分复杂,不利于工程直接应用。为了得到有效的精度较高的单层厚壁圆筒弹性动应力的简化计算公式,从经典动应力公式出发,通过求取频率特征方程的特征值,再将其代入动应力公式中进行简化计算,结合对动应力公式的级数表达式的讨论,最后得到了简化的厚壁圆筒内壁和外壁处动应力计算公式。数值计算结果表明,在圆筒外直径和内直径之比K不超过2时,简化计算结果和精确解的相对误差不大于6%。     

杆梁组合结构的有限元分析

杆梁组合结构能够充分发挥建筑材料的物理性质,是工程中常用的一种结构形式,由于杆和梁单元的自由度不同,给这类组合结构的理论分析带来了困难。该研究针对杆梁组合结构内力分析过程中刚度矩阵的集成问题,基于不同类型结构构件间的连接关系建立了关联表,推导了基于关联表的结构整体刚度矩阵与单元刚度矩阵各元素之间的对应关系,建立了基于关联表的结构整体分析模型。算例分析的结果表明,该文所采用的关联表方法能够有效地处理杆梁组合结构的受力分析问题,此方法对于解决具有不同自由度数的单元的组合结构分析问题提供了简便可靠的思路。     

底部钻具组合的二重非线性有限元分析

本文将弯曲井眼中的底部钻具组合(英文名称为Bottom Hole Assembly,简称BHA)作为空间梁来处理,在考虑几何非线性因素的基础上,导出了相应的有限元切向刚度矩阵。然后,利用“施加”与“放松”约束的方法处理了钻柱与井壁之间的接触非线性问题,并且考虑了钻柱与井壁之间摩擦力的影响。在此基础上,建立了对大曲率弯曲井眼中的钻柱进行二重非线性有限元分析的基本方程,以及相应的牛顿－拉斐逊迭代求解技术。最后,通过数值算例和工程算例证明了本文方法的可靠性,所得结果为大曲率井眼轨迹控制提供了参考依据。     

竖向荷载下半刚接组合框架的有限元分析

为了分析连接弯矩-转角关系和荷载大小对组合框架性能的影响,该文采用有限元方法,考虑了连接弯矩-转角关系、楼板的组合效应和几何非线性的影响,通过引入能直观反映连接刚度的端部约束系数来修正现有刚接框架的结构刚度矩阵和杆件固端力。研究表明:连接弯矩-转角关系对框架内力和位移影响较明显;在半刚接阶段0.143相似文献   

圆筒型容器接管外拐角表面裂纹疲劳扩展的有限元跟踪

运用1/ 4 点位移法和有限元技术对圆筒型容器接管外拐角表面裂纹扩展时应力强度因子的变化作了计算机数值跟踪。结果表明:表面裂纹各点的扩展速度与其所处的位置和容器接管的几何参数有关,且其扩展平衡状态为一不规则形状。     

拉索穹顶结构几何大变形混合有限元静力分析

本文应用有限元法,结合拉索穹顶结构特征,采用可以直接考虑索元垂度影响的两节点索单元与两节点直杆单元相结合的有限元模型,基于修正的拉格朗日描述方法和虚功原理建立了拉索穹顶结构几何大变形分析的混合有限元静力平衡方程,并利用荷载增量法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的混合增量求解技术编制了计算程序,进行了实例计算。结果表明：本文方法简便、实用、精度高,能充分反应拉索穹顶结构的特点,可供设计参考和采用。     

面向有限元分析的特征建模技术

设计与分析的紧密集成是现代化产品设计模式的发展趋势。在进行特征造型系统与有限元分析系统的集成过程中,研究了面向有限元分析的特征建模技术。首先描述了现有的非流形几何造型技术,指出了非流形几何造型技术是实现造型与分析集成的首要条件,并提出了基于中面的冲压零件几何造型方法,其次论述了非几何特征的建模原理和实现方法,着重突出了虚几何在非几何特征建模中的人用和表示方式,最后讨论了支持模型转换的双向相关机制。     

旋转周期复合材料层合结构的有限元屈曲分析

针对空间结构中常见的复合材料层合壳体结构发展了一种多层相对自由度层合壳元。这种实体型壳元既可以用较粗的网格很好地模拟层合壳, 又易与三维实体单元相连接, 使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。同时运用旋转周期有限元技术对大规模的空间复合材料层合结构成功实施了屈曲分析。数值算例验证了本文计算策略的有效性。      

复合材料三相同轴柱体界面模型分析

本文改进了Theocaris 等的工作, 进行了三相同轴柱体复合材料界面模型的理论分析。本文以指数律描述界面相层的弹性性能, 所得结果与文献中的已有结论一致。     

基于三维有限元法的层合圆柱壳应力分析

针对空间结构中常见的蜂窝夹芯壳体提出了一种32节点相对自由度三层壳元,以及一种精确计算层间应力的后处理方案。这种32节点壳元可以更好地反映结构固有的特性,易与三维实体单元相连接,使变厚度、带有补强的蜂窝夹芯复合材料壳体等复杂结构问题得以正确建模。本文作者的后处理方案克服了位移有限元层间应力不连续的缺点,保证了应力精确满足边界条件。综合运用以上方法的典型算例表明:计算精度是令人满意的。     

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

预应力连续组合梁负弯矩区抗弯承载力分析

预应力钢-混凝土连续组合梁具有承载力高、变形小等诸多优点,作为一种新型的横向承重构件,在工程中得到了广泛的使用。其负弯矩区承载能力计算与变形分析是其设计的关键,目前规范还是空白。因此,有必要对其刚度、变形及抗弯承载力进行研究。该文基于换算截面法,引入混凝土参与受拉工作的程度系数,确定了组合梁截面抗弯刚度,进而推出了预应力钢-混凝土连续组合梁负弯矩区的弹性抗弯承载力计算公式;基于简化塑性理论,得到了负弯矩区的极限抗弯承载力计算方法;研究表明连续组合梁能够显著提高截面刚度与减少开裂。该文公式计算结果与实测值均吻合较好,满足工程精度要求。     

多环环间混杂复合材料飞轮离心应力分析

采用平面应力假设,给出了计算多环环间混杂复合材料飞轮的离心应力和初始极限转速的方法,并采用二维轴对称的有限元分析验证了计算方法的合理性,可作为初步设计多环环间混杂复合材料飞轮的依据。本文的算例分析还表明,无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,空心结构的初始极限转速和储能密度均高于相应的实心结构的结果;且对于空心结构,有利于通过选择合适的混杂方案,实现一定意义上的"等强度"设计。      

基于一阶剪切变形理论的新型复合材料层合板单元

基于一阶剪切变形理论(FSDT),本文构造一种新型的20自由度(每结点5个自由度),四边形复合材料层合板单元,适合于任意铺设情形的层合板的计算。它是按如下方式构造的:(1) 单元每边的转角和剪应变由Timoshenko层合厚梁理论来确定;(2) 对单元域内的转角场和剪应变场进行合理的插值;(3) 引入平面内双线性位移场来体现层合板面内与弯曲的耦合作用。本文单元,记为TMQ20,不存在剪切闭锁现象,在计算单层的各向同性板时可以退化为文[1]中优质的中厚板单元TMQ。在文[2]中将给出本文单元对于层合板问题的详细数值算例。     

薄壁层合箱梁的无外约束扭转分析

本文在考虑应力沿壁厚非均匀分布前提下，计入各种耦合效应，利用复合材料层合板理论对薄壁层合箱梁的“自由”扭转进行了分析，给出了变形及各铺层应力的计算公式，并指出，对于层合箱梁来说，由于耦合效应使得严格意义上的自由扭转往往不存在，而只能称之为无外约束扭转。最后，通过算例对数值结果进行了分析验证。     

组合壳体大变形分析的样条函数法

本文采用不等距三次Ｂ样条函数对旋转壳在整体坐标下的位移进行插值，给出了周向插值所必须满足的周期性条件，采用罚单元法，给出了组合壳体在整体坐标下的协调关系。与惯用方法相比，这种方法简单明了直观性强，易于接受。文末给出了算例。     

CURE-DEPENDENT VISCOELASTIC RESIDUAL STRESS ANALYSIS OF FILAMENT-WOUND COMPOSITE CYLINDERS

The residual stresses induced during processing of [0/90] Tcross-ply composite cylinders is examined. A cure-dependent viscoelastic material model is used to describe the development of material behavior during cure. A finite-element model is developed using a recursive formulation in order to overcome the large memory storage requirements and lengthy calculations. Both chemical and thermal strains are modeled. The geometry modeled includes a mandrel and Teflon separation film between the mandrel and the cross-ply tube. The mandrel was shown to hare a profound influence on the level of residual stress during cure. For example, the maximum hoop stress during cure with a mandrel is 154 MPa. When no mandrel is used the maximum hoop stress is only 26 MPa. Chemical shrinkage was shown to increase the final residual stress in all cases analyzed, since both thermal shrinkage (during cool down) and chemical shrinkage (during cure) are additive. To some extent the mechanism of residual stress development in cylinders is much different compared to laminated composites. For cylinders the geometric constraint of the cylinder itself plays an important role. For example, the outer 90^° layers in a [0/90]T cylinder effectively prevent free expansion and contraction during curing. The effect is to induce radial and hoop stresses during cure.