考虑弹塑性本构的三维模态变形体离散元方法断裂模拟

三维模态变形体离散元(3MDEM)是针对离散块体系统在小应变、有限位移、有限转动条件下,用变形模态模拟块体变形,经过严格推导建立的一种离散元方法.该文在3MDEM平台实现对结构从弹性、到塑性再到断裂破坏的连续非连续全过程模拟.鉴于传统的接触破坏准则在塑性计算中的缺陷,该文提出基于塑性应变的接触破坏判断准则,并采用双块体...     

考虑径向间隙的非理想双圆弧滚道滚珠丝杠副接触角建模和分析

双圆弧(哥特式)滚道可以使滚珠丝杠副的承载能力、刚度和传动精度更加稳定,在精密型滚珠丝杠副结构中广泛采用,但是双圆弧滚道的制造和测量都比较困难,往往得到非理想滚道。由于滚道误差、径向间隙与滚珠丝杠副的主要性能指标-弹性变形接触角之间存在非线性关系,导致精密滚珠丝杠副装配后的性能不易控制。为了优化滚珠丝杠副的装配质量,考虑初始游隙和接触角变化等因素,基于赫兹弹性接触理论和变形协调原理建立了非理想滚道截形的滚珠丝杠副弹性变形接触角的计算模型,并通过对比双半内圈球轴承初始接触角的计算公式,验证了提出的计算模型的通用性和正确性。以精密滚珠丝杠副3210为例,分析了内外滚道误差、径向间隙及滚珠大小对弹性接触角的影响规律。研究结果可为滚珠丝杠副的装配方法和优化设计等提供理论参考和依据。     

位移型消能减震偏心结构Pushover能力谱简化计算方法

该文提出了一种计算位移型消能减震偏心结构能力谱的简化计算方法,通过结构变形分解,将偏心结构的能力谱曲线分解为平面Pushover能力谱及非偏心结构的纯扭转能力谱,并采用位移合成的方法得到最终的能力谱曲线。数值算例与有限元软件Sap2000分析结果进行对比,结果表明:该文提出的方法与有限元软件计算结果接近,是一种有效的简化计算方法。     

弹丸穿甲过程X-光摄影测试研究

该文采用模拟的方法，利用Ｘ－光摄影技术，对弹丸入射间隙装甲的穿甲过程进行分析和研究，发现间隙装甲面板的厚度，材料的强度，间隙大小对抗弹性能有很大的影响，从中可观察到弹丸在间隙装甲内弯曲变形，断裂，破碎，章动等一系列的变化过程，对装甲结构的设计提供了重要的依据。     

弹性力学静力问题的SPH方法

光滑质点流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)是纯Lagrangian方法,可用于模拟流体或固体的静动力学问题。不需网格系统即可进行空间导数计算,可避免Lagrangian网格在处理结构变形计算时的缠结和扭曲问题。但经典SPH方法计算二阶以上导数时易引起计算失败。该文提出一种改进的SPH方法,既可避免二阶导数的计算失败,又可提高二阶导数的精度。据此计算了均布荷载作用下两端固结梁的变形问题。经与ANSYS计算结果比较,该方法的计算足够精确。虽以弹性力学小变形问题为例,但结论可推广到大变形情形。     

钢框架梁柱节点转角理论模型和测量计算方法

梁柱节点转角对钢框架的内力和变形及其梁与柱构件的设计有着重要的影响。由于研究环境和研究方法的差异,国内外研究者大多采用自己定义的节点转角和测量计算方法,其测量得到的节点转角中大多包括梁与柱变形的影响,使已取得的大量研究成果在其适用性和可比性上存在较大的不足。该文比较分析了目前国内外学者提出的钢框架梁柱节点转角定义和测量计算方法,对全焊接节点及栓焊混接节点提出了改进的节点转角测量计算方法,并验证其精确性和可行性;随后采用较为合适的节点简化理论模型,结合节点转角测量计算方法进行整体分析,讨论其准确性。有限元分析结果显示该文建议的3 种节点转角测量计算方法具有很高的精度,而选取节点域斜向弹簧模型进行整体框架的简化分析时,不仅可以考虑节点转动的影响,而且其分析计算结果具有很高的精确性。     

基于影响函数法的多辊轧机辊系变形矩阵迭代法

该文提出了基于影响函数方法的新多辊轧机辊系弹性变形快速计算方法。该文分析了传统影响函数法在多辊轧机计算中的不足,构造了多辊轧机辊系变形计算的矩阵迭代方法,该方法计算量小且精度高,适用于任意类型的多辊轧机。该文针对森吉米尔轧机给出了该方法中整体刚度矩阵的构成方法,分析了整体刚度矩阵的特点,并列出了详细的迭代计算流程。通过与不同工况的有限元结果对比,验证了该方法的可靠性。     

多级罗茨干泵泵内传热与变形的计算和实验研究

间隙设计是多级罗茨干泵设计的重要参数之一。在多级罗茨干泵运转时,间隙受转子和泵腔热变形的影响较大。本文通过分析了多级罗茨干泵内部的传热过程,建立了工作过程的传热模型。通过接触式和非接触式测温方法,对多点温度进行了测量,获得了热载荷的边界条件。基于ANSYS软件,对泵体及转子轴在稳定运转时的温度场进行了分析,并采用热-结构耦合分析对其热变形进行了计算,得到转子轴和泵腔的热变形量,并绘制了变形云图和曲线。通过上述方法得到的热变形数据,为确定间隙提供了参考,并为进一步计算干泵在运行时的间隙泄漏量提供了计算依据。     

隔离非线性分层壳有限单元法

分层壳单元由于其模型简单,物理意义清晰,被广泛应用于建筑结构的有限元数值模拟中。该文基于隔离非线性有限元法提出了分层壳单元的高效非线性分析模型,将分层壳单元的截面变形（应变和曲率）分解为线弹性变形和非线性变形,以单元中面的高斯积分点作为非线性变形插值结点,建立了非线性变形场,并根据虚功原理,推导了分层壳单元的隔离非线性控制方程,采用Woodbury公式和组合近似法联合求解控制方程。依据时间复杂度理论的统计分析表明:该文建立的方法相较于传统变刚度有限元方法在非线性分析效率方面具有显著优势。并与有限元软件ANSYS的计算结果进行对比,验证了该文方法的准确性。     

钢筋混凝土荷载-挠度程序设计方法与结果分析

钢筋混凝土梁在荷载的作用下,荷载-挠度呈现非线性变化趋势.如果采用对曲率的二次积分法求挠度不能给出精确解。对于钢筋进入屈服后,产生塑性铰以后的钢筋混凝土结构,不再适合曲率二次积分法求解挠度。本文基于求解弯曲变形的共轭梁法,同时采用坂静雄建议采用的塑性铰区的长度计算方法,对该结构塑性区外的梁部分弹性卸载采用增量法计算。得到该结构模型从弹性线性到弹性非线型再到破坏全过程的挠度数值计算方法,并编制相应的电算程序。最后用悬臂梁为例,通过程序得出相应的荷载-挠度图,并比较其配筋率参数引起的变化,发现和实际相符。     

含双槽钢截面可更换耗能梁段的高强钢框筒结构滞回性能研究

为了研究含双槽钢截面可更换耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-FTS-RDSL)的滞回性能,利用ABAQUS有限元分析软件建立了2/3比例的单层单跨HSS-FTS-RDSL子结构试件的有限元模型,对耗能梁段所用钢材进行循环加载试验得到其循环本构,验证了有限元模型的准确性和适用性。建立了16个足尺子结构有限元模型,分析耗能梁段长度比、裙梁净跨高比、耗能梁段腹板加劲肋间距、连接处螺栓直径和加固板厚度对结构滞回性能的影响规律。研究结果表明:HSS-FTS-RDSL子结构主要通过双槽钢截面耗能梁段进入塑性耗散地震能量,其余构件基本处于弹性状态或者轻微发展塑性;随着耗能梁段长度比的增加,结构承载力、刚度和耗能能力逐渐降低,耗能梁段超强系数减小,建议耗能梁段长度比取0.84~1.40;双槽钢截面可更换耗能梁段可较好地应用于净跨高比不超过4.6的裙梁中;改变耗能梁段加劲肋间距对结构承载力、刚度和耗能能力影响较小;减小螺栓直径会使连接区域螺栓滑移提前,对结构刚度和承载力影响较小;减小加固板厚度会增加连接变形,降低耗能梁段的塑性变形程度。     

填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配结构力学性能的影响

碳纤维/环氧树脂复合材料和铝合金作为主要的航空材料，在飞机结构中存在着大量装配关系，但受成型工艺方法的限制，两种材料在制造和装配偏差的情况下，构件配合面间会产生装配间隙，当间隙超过一定大小时，需要采取填隙补偿措施。本研究基于实际结构抽象出碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金装配模型，使用装配试验台模拟施加螺栓预紧力，通过应变片实验比较强迫装配及垫片补偿情况下试件局部表面的应变分布，结合三维数字图像相关(3D-DIC)实验测得的试件表面应变场分析变形规律；通过有限元进行层间应力分析，提取内聚力单元各应力分量和损伤情况，研究填隙补偿对碳纤维/环氧树脂复合材料层间应力和局部损伤的影响。结合实验和仿真分析结果表明:强迫装配时，碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件主要受弯曲变形和螺栓头挤压的影响，且随着装配间隙的增大，各应变值均增大；垫片补偿在改善弯曲变形引起的应变状态的同时，也使中间贴合部位的螺栓头挤压区应变增大，但总体而言，垫片的引入使碳纤维/环氧树脂复合材料-铝合金试件表面应变分布趋于均匀，降低了碳纤维/环氧树脂复合材料损伤情况，且液体垫片补偿效果略好于可剥垫片。      

Research on Vibration Transfer Characteristics of the Bolt Connection Structure

Bolt pre-tightening force and the characteristics of contact surfaces have great influence on structural modes and transfer functions, which are usually ignored due to the difficulty in treatment. Using the ANSYS Workbench software, the finite element model of the whole structure and the bolt connection structure are established, and the vibration modes and harmonic responses in different structures are investigated. By comparing the finite element calculation data and test data, the influence of bolt connection structure is analyzed. Comparing the results when the bolt pre-tightening force is varied, the results show that the natural frequencies of bolt connection structure decrease compared with the whole structure. The transfer characteristics of the system are influenced by the pre-tightening force, and the natural frequencies increase with the increase in pre-tightening force.     

一种四角钢组合约束型防屈曲支撑外围连接的设计方法研究:数值分析

与传统外围整体式防屈曲支撑不同的是, 装配式组合防屈曲支撑的外围构件由多个组件通过连接件拼装而成, 故外围连接的设计方法是此类防屈曲支撑构件设计理论的重要组成部分。针对一种四角钢组合约束型防屈曲支撑, 已有适用于单向弯曲状态的外围连接螺栓内力的简化计算方法。但上述方法的适用性尚需经过精细有限元数值分析加以验证, 并需进行适当修正, 使其具有足够的计算精度, 这是该文进行的研究工作之一。另外, 由于内核构件与外围构件之间间隙的存在, 防屈曲支撑构件更为常见的变形模式表现为双向弯曲变形, 所以该文还将在单向弯曲状态所得到的螺栓内力计算公式的基础上进行进一步的组合, 得到双向弯曲状态下的螺栓内力计算公式。该文最终给出了适用于四角钢组合约束型防屈曲支撑的外围螺栓连接的完整设计方法。     

复合层压板单螺栓连接的刚度建模

针对复合层压板单螺栓单搭接结构,提出一种更合理的四阶段刚度模型。该模型是在传统三阶段刚度分析模型的基础上,采用部分滑移理论对模型粘滞阶段的刚度进行了改进;同时考虑到层压板之间、垫片与层压板之间的异步滑动,增加了部分滑移阶段,给出新的刚度模型的理论分析过程和使用条件。为了验证改进模型的准确性,在ABAQUS中建立了对应的三维有限元模型,同时对比了层压板单独建模和均质建模的优缺点,表明单独建模更符合实际,更精确;最后通过分析螺栓孔间隙、扭矩、铺层厚度、宽径比、液态垫片及铺层角度对复合材料螺栓连接各阶段刚度的影响。结果表明:螺栓孔间隙会导致螺杆发生二次弯曲,从而降低其接头刚度;相对于宽径比的影响,铺层厚度对螺栓接头刚度的影响更显著;不同铺层角度对螺栓接头刚度的影响机制也不同。      

新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接扭矩系数及抗剪性能试验研究

为促进钢结构装配式建筑和可拆卸钢结构的连接技术发展,该文介绍了一种基于传统高强度螺栓的新型单边连接方式,并设计了5个摩擦型连接接头试件。通过开展抗剪试验,研究了其扭矩系数、抗滑移系数、抗剪承载力、抗剪机理等,并与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的相关设计方法进行了对比分析。采用有限元软件ABAQUS建立了高强度螺栓连接接头试件的有限元模型,验证了有限元模型的准确性和适用性,并对该新型螺栓连接接头进行了参数分析。结果表明,该文提出的新型单边拧紧高强度螺栓摩擦型连接方式安装简单、易于施工和拆卸,抗剪连接破坏前螺栓预拉力损失值在15%~20%,其抗滑移系数、抗剪承载力仍可按照现行标准进行设计计算。研究成果能够为此类新型单边连接技术的工程应用提供基础。     

双矩管装配式防屈曲支撑约束刚度取值研究

装配式防屈曲支撑的外围约束构件之间通过高强螺栓连接,其连系螺栓的离散性布置对各外围约束构件形成的整体约束刚度有不利的影响,需要在外围构件约束刚度计算中考虑。该文对一种双矩管装配式防屈曲支撑的外围约束刚度取值进行了研究,在理论推导中首先假定外围约束构件为“空腹桁架模型”来考虑离散螺栓连接,而后运用“连续连杆法”将螺栓的离散作用连续化以便于考虑这种不利作用。通过研究“空腹桁架模型”的变形特性考虑外围约束构件约束刚度的折减,最后结合对外围构件受力机理的分析及数值手段,推导并拟合出约束构件分肢间连系刚度,进而完善了外围约束刚度取值的相关理论。提出的方法也得到了数值分析的验证。     

Mechanical Behavior of CFRP Lattice Core Sandwich Bolted Corner Joints

The lattice core sandwich structures have drawn more attention for the integration of load capacity and multifunctional applications. However, the connection of carbon fibers reinforced polymer composite (CFRP) lattice core sandwich structure hinders its application. In this paper, a typical connection of two lattice core sandwich panels, named as corner joint or L-joint, was investigated by experiment and finite element method (FEM). The mechanical behavior and failure mode of the corner joints were discussed. The results showed that the main deformation pattern and failure mode of the lattice core sandwich bolted corner joints structure were the deformation of metal connector and indentation of the face sheet in the bolt holes. The metal connectors played an important role in bolted corner joints structure. In order to save the calculation resource, a continuum model of pyramid lattice core was used to replace the exact structure. The computation results were consistent with experiment, and the maximum error was 19%. The FEM demonstrated the deflection process of the bolted corner joints structure visually. So the simplified FEM can be used for further analysis of the bolted corner joints structure in engineering.     

适用瞬态响应计算的火箭结构动力学模型修正方法

大型火箭结构十分复杂,其连接型式多,存在多分支结构。分析火箭结构中存在弱刚度的内-外翻边连接、螺栓点连接等典型连接型式,基于元素型法,以这些部位刚度为修正参数,开展动力学模型修正方法研究。结果表明,采用的方法能保证修正后模型的物理意义和真实性,能够适用于瞬态外激励作用下的结构响应计算,特别是内力响应计算。修正后模型的各阶模态结果和试验吻合较好,且与实际试验中瞬态响应的实测结果相比,计算具有较高精度,能够满足工程需求。     

液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响

复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时,偏差会使配合面间产生装配间隙,当间隙超过一定的大小时,需要采取补偿措施,即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型,通过实验和有限元分析方法,研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变,分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时,通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度,研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时,处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重,该区域发生较大的弯曲变形,构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小;液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时,也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大,但总体而言,液体垫片的引入使应变分布趋于均匀;当装配间隙大于0.7 mm后,液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。