多尺度有限元建模及在结构设计中的应用

对结构局部的二次分析难以确定局部模型的边界条件及加载方式,为使整体结构的分析和局部细节的分析同步进行,探讨了在ANSYS中将精细模型植入宏观模型进行多尺度建模的方法,并给出了算例验证。在一个复杂高层建筑结构的弹塑性动力时程分析中采用多尺度建模计算,结果表明,采用多尺度有限元建模分析并不显著增加计算资源,但可以得到更加合理的计算结果和更丰富的信息。     

钢结构弹塑性动力响应下多尺度模型板壳节段长度影响因素分析

以H型钢构件为研究对象,运用通用有限元软件ABAQUS,分析并对比板壳模型、纤维模型和多尺度模型在动荷载下的响应。结果表明:多尺度模型在保证计算精度的前提下,能迅速计算出钢构件的位移时程图,多尺度模型还能考虑局部屈曲对计算结果的影响。基于多尺度模型,进一步分析了轴压比、长细比、腹板高厚比、翼缘宽厚比对损伤域大小的影响,获得各参数对损伤域大小的影响规律。     

RC核心筒地震损伤模型研究及损伤评价

RC核心筒是高层混合结构中应用广泛的结构单元体系,为体现构件损伤向结构损伤迁移转化的多尺度效应,基于数值模拟方法,在分析构件耗能权重的基础上,建立了结构单层地震损伤模型;通过对结构单层损伤与整体结构破坏之间的关系进行分析,采用位置权重系数与结构单层损伤指数权重系数二者组合的形式作为结构层损伤权重系数,建立了能够反映构件损伤、楼层损伤以及整体结构损伤三者之间迁移演化规律的RC核心筒地震损伤模型,并给出了RC核心筒的损伤状态及相应的损伤指数范围.计算结果与试验结果的对比表明,建立的地震损伤模型能够较好地描述核心筒结构的地震损伤演化过程与损伤程度,并反映构件损伤、局部结构损伤以及整体结构损伤三者之间迁移演化规律,研究结果可为混合结构抗震性能评估提供参考.     

大型复杂定型钢模板结构有限元分析

以彭水电站引水隧洞弯管段混凝土衬砌定型模板为例,探讨了大型复杂定型钢模板结构有限元建模、约束处理和分析方法;通过近似等边矩形单元网格划分、考虑外支撑接触非线性和保持各构件空间连接效应,建立了不同衬砌段位置和支撑形式条件下的定型钢模板有限元模型;计算了不同工况下模板的应力与变形;给出了4种典型工况的分析计算结果,为模板结构优化及支撑选择找到依据.     

非线性比例边界有限元在面板坝分析中的应用

面板坝结构尺寸相差悬殊,高效的精细化分析手段是面板坝抗震研究的重要工具。结合非线性比例边界多边形单元法和高效的四分树离散技术,进行了面板坝高效精细化分析应用研究。采用比例边界多边形单元法和传统有限元法,对相同面板坝模型进行静动力及永久变形分析;结合四分树离散技术,进行了典型面板坝结构的高效跨尺度精细化分析应用。结果表明：计算结果分布合理,两种方法吻合度高,比例边界多边形有限元可与传统有限元一样便捷地进行大坝全过程数值分析计算;比例边界有限元可与传统有限元不能直接求解的四分树技术实现无缝耦合,进行高效的跨尺度精细化分析应用,且可快速完成分析模型重建,大幅改善了分析效率,可为结构局部损伤演化、渐进破坏研究提供技术支撑。     

考虑焊缝单元的钢节点有限元计算方法

焊接是不同钢构件连接最常用的方式之一,出于多种原因,传统的计算对焊缝进行了简化或合并处理,这与构件的实际受力状态有较大偏差.为此,提出了钢结构三维焊缝单元的定义及其作用机理,较为精细地模拟了焊缝的应力应变状态、材料属性、应力集中情况.由于在有限元数值分析中,焊缝单元的物理特性在整个结构的作用中有较大影响,将考虑焊缝单元的节点有限元计算结果与传统的节点计算方法、简化的有限元模型的计算结果进行对比,发现了考虑焊缝单元的作用与属性,对结构的受力分析有更重要的意义.     

多尺度有限元建模方法及其应用

在有限的计算条件下,为了尽可能的提高结构有限元分析的精度,本文引入了有限元多尺度计算方法。通过寻找有限元微观模型与宏观模型的界面连接方法,从而使精细的有限元模型可以自然地植入宏观模型,有效实现不同尺度模型间的变形协调。通过编制用户子程序,在有限元软件中对界面连接的合理性进行了算例验证,为多尺度有限元计算在结构分析中的应用提供了条件。最后采用多尺度建模方法,给出了钢结构弹塑性时程分析的应用实例。     

垂直于弱轴动载作用下H型钢构件损伤域的影响因素

为研究垂直于弱轴方向动载下H型钢构件损伤域高度的影响因素,运用有限元分析软件ABAQUS,分别建立了板壳模型、纤维模型和多尺度模型,证实了兼顾计算精度和计算效率的多尺度模型在预测钢结构板壳节段损伤域高度方面的适用性。开展了36组H型钢构件的有限元分析,揭示了轴压比、长细比、腹板高厚比及翼缘宽厚比4个相互独立参数对损伤域高度的影响规律,提出了H型钢构件损伤域高度的计算公式。研究结果表明:轴压比和长细比对H型钢构件损伤域高度有较大影响,而腹板高厚比和翼缘宽厚比影响较小。     

钢结构风致疲劳分析的多尺度有限元验证分析

为了研究钢结构风致疲劳分析中的多尺度有限元建模技术并验证其合理性,选择某二层框架结构,分别采用约束方程法和子模型法建立多尺度有限元模型,进行风荷载静力分析、动力时程分析及风致疲劳分析,并将计算结果与单一尺度模型进行比较,研究各多尺度有限元模型的特点,在此基础上研究局部细观尺度模型区域大小的选择.结果表明：在静力分析、动力时程分析及疲劳分析中,多尺度模型的计算结果与单一尺度模型吻合较好,精度可满足工程需要;子模型法相对约束方程法的精度更高,但更易受局部模型区域大小的影响.针对与本工程梁柱尺寸相似的钢框架结构,建议当采用约束方程法时,边界离研究部位横向轴线的距离选为0.05 m,而当采用子模型法时选为0.10 m.     

V形刚构梁拱组合桥最不利位置局部受力分析

V形刚构梁拱组合桥受力体系复杂,用有限元法计算分析桥梁结构时,工程上普遍采用几何小变形、材料线弹性假定,将桥梁整体等效为梁结构或者是杆系结构。为了能够准确得到V形刚构和牛腿处的局部应力分布,以永安大桥为例,利用大型通用有限元软件Abaqus建立三维有限元模型,对整桥模型进行实体单元离散,考虑几何非线性、接触非线性等因素,采用实体单元、杆单元、弹簧单元分别来模拟混凝土、钢筋、桩基,对成桥阶段的六种主要工况进行仿真计算,确定每种工况下的最不利位置及相应的应力分布情况,并指出了各位置最危险工况,为设计与施工提供指导。结果表明:除牛腿接触位置外,桥梁整体拉、压应力水平均较低,整桥在成桥阶段是安全的。     

基于实体退化单元的高墩非线性稳定仿真分析

为克服在薄壁空心高墩的非线性分析中解析法不便应用、杆系有限元法不能模拟钢筋、实体单元法计算效率较低等不足,以及为提高计算效率且不降低模拟精度,提出采用实体退化单元的方法进行非线性稳定分析.在该方法中,用三维实体退化单元模拟薄壁空心高墩,运用单元分块技术实现钢筋单元的模拟,基于多尺度分析思想建立精确模型进行非线性稳定分析;阐述几何非线性、材料非线性及方程求解方法,讨论了稳定分析的实现方式.采用此方法对一数值模型进行第一类及第二类稳定性分析,并与传统的实体单元模型进行对比证明了该方法在非线性稳定分析中的有效性.并将此方法应用于工程实例,结果表明：该方法能真实有效地模拟实际结构,客观地反映钢筋对墩体稳定性的影响,高效地进行非线性分析;适用于对需要考虑钢筋影响的结构及对薄壁空心高墩结构型式进行非线性稳定分析.     

钢筋混凝土结构三维非线性有限元裂缝追踪计算探讨

用有限元法在计算机上对钢筋混凝土结构裂缝的产生与发展进行数值模拟时,有限元模型的选取至关重要,采用不同的有限元模型模拟出来的结果相差较大.本文针对钢筋混凝土结构的裂缝分析,提出了考虑箍筋和受压钢筋作用的三维有限元分析模型,同时引入混凝土多参数强度准则和非线性本构关系,对钢筋混凝土结构进行三维非线性有限元应力分析及裂缝开裂过程追踪;并与试验结果进行比较,吻合较好;说明考虑了箍筋作用的有限元模型对钢筋混凝土结构裂缝分析来说是较为合理的有限元模型.     

剩余强度衰减的混凝土结构疲劳可靠性分析

混凝土结构疲劳破坏是实际工程中主要存在的一个问题,它的疲劳破坏机理比静力承载能力的破坏机理复杂,而且影响因素较多,大量实验数据显示,混凝土结构的疲劳强度是随机的,需运用概率理论和可靠度理论相结合对其进行分析。本文基于随机有限元法,利用ANSYS有限元分析软件,以混凝土重力坝在低周地震荷载工况为例建立三维有限元模型,进行随机疲劳可靠度分析,计算结果表明:采用剩余强度衰减模型进行疲劳可靠性分析在工程结构抗疲劳设计中具有适用性。     

充水保压蜗壳联合承载结构三维非线性损伤分析

为分析蜗壳外围混凝土结构的开裂趋势,基于ABAQUS损伤塑性模型,对某一充水保压蜗壳联合承载结构进行了三维非线性有限元计算.研究结果表明:该蜗壳结构在设计内水压力作用下,蜗壳外围混凝土结构除局部出现损伤之外,基本仍处于弹性工作状态,钢筋应力均较小;在2.0倍内水压力超载情况下,蜗壳外围混凝土结构的损伤区域和损伤程度大大增加,损伤区域钢筋应力也较大,局部位置混凝土表面裂缝超过了规范限值,但整体结构并未受到过大的破坏,仍然具备相当的超载能力.同时说明损伤塑性模型能够较好地反映出蜗壳外围混凝土的开裂趋势,有效进行结构的承载力计算和裂缝宽度验算.     

钢筋混凝土三维非线性有限元分析的复合式模型

本文简要介绍了钢筋混凝土有限元传统模型,提出了三维钢筋混凝土结构非线性有限元分析复合式模型．该模型用不同方法处理计算钢筋混凝土拉区和压区：拉区钢筋采用杆件单元模型,压区钢筋混凝土则采用整体式模型．同时,引人了混凝土非线性本构关系和多轴强度准则．该模型可以适用于大型复杂钢筋混凝土结构的三维非线性有限元分析,并可以进一步实现应力应变全过程、混凝土裂缝等分析,且使用方便．所附算例表明,使用该模型能较好符合试验结果．     

冲击式水轮机配水环管和厂房结构静动力承载性能研究

为研究冲击式水轮机配水环管在高内水压力作用下的损伤特征,及其对结构动力特性的影响,基于混凝土塑性损伤模型,对配水环管和厂房结构进行了非线性有限元静力分析,并在此基础上计算了结构的自振特性和机组振动荷载作用下的动力响应。结果表明：配水环管虽保压埋设,但由于内压较高,配水环管外围混凝土在管顶、管腰内侧和岔管处仍易出现损伤,且管顶和管腰的损伤贯穿至混凝土表面,大部分内水压力由钢衬和钢筋承担;分岔处应力集中明显,但因管径较小,钢衬厚度较大,钢衬和钢筋的应力仍能满足安全需要。配水环管外围混凝土的损伤,使局部结构刚度降低,导致机墩不均匀上抬变形和振动响应有所增加,但不会对整体结构的承载力造成明显影响。     

钢框架焊接节点局部屈曲累积损伤分析

为解决试验和三维有限元方法在模拟结构地震作用下的局限性,在构件阶段寻找损伤退化的影响因素以及退化特征对改进杆系模型计算的准确性显得尤为重要. 采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元模型,结合国内外已有的钢框架焊接节点拟静力试验,验证了建立的有限元模型对模拟局部屈曲的准确性和适用性. 通过算例参数分析,对钢框架梁柱节点局部屈曲累积损伤现象进行深入探讨,得到节点局部屈曲累积损伤退化分布曲线形式并分析影响因素,进而得到节点强度退化的规律,为提出考虑损伤退化的杆系模型提供有力的工具. 参数分析结果表明：剪切域强弱以及板件宽厚比对于节点的破坏模式有较大影响. 通过局部加强,改变节点的破坏模式,可以有效提高结构的延性和耗能能力,防止结构由于焊缝开裂导致提前破坏,在大震作用下退化程度快进而严重影响结构的整体受力性能.     

洪家渡水电站厂房矩形钢管混凝土叠合柱抗震分析

基于大型通用有限元分析软件ANSYS,针对洪家渡水电站厂房钢—混凝土叠合排架柱,建立了矩形钢管混凝土柱三维动力有限元计算模型.对钢管混凝土叠合柱进行了模态分析和共振校核,并运用反应谱法计算了叠合柱沿横截面的长度方向和厚度方向水平地震时的地震反应.计算成果合理,符合工程实际,为工程设计提供了科学的参考依据.