滑轮绳索系统中动态节点绳索单元

解除了传统有限元方法中单元节点与物质点固结的假设,建立了空间点的速度和加速度与相应物质点的速度和加速度之间的数学关系,强调了虚功率原理中出现的速度和加速度皆为物质速度和物质加速度.在此基础上构造了单元节点既不与空间坐标固定也不与物质坐标固定的动态节点绳索单元.根据滑轮绳索系统的特点,选取绳索出入绳点的弧长坐标、出入绳角、面外摆角以及拉伸应变等空间参数描述了滑轮绳索系统的运动.将绳索与滑轮以及绳索与卷筒之间的相互作用合理简化为物质速度间的约束条件,避免了传统方法中接触力计算不收敛、效率低等缺点.所提方法可精细求解绳索与滑轮间接触边界点位置和卷筒入绳点在卷筒上的运动、滑轮的中心和其连体基的运动、绳索出入滑轮和卷筒时空间方位的变化以及绳索上任意点的拉力变化等细节.可为含绳索机械系统的力学分析提供新的理论基础.所用的解除单元节点与物质点绑定的理论具有一定的普适性,可为有限元方法的理论和应用提供参考.     

求解大柔度梁/绳索的ANCF单元及隐式迭代格式

为模拟大柔度梁/绳索结构的变形和大范围运动,基于绝对节点坐标方法ANCF(Absolute nodal coordi-nate formulation)和HHT(Hilber-Hughes-Taylor)积分方法,建立了ANCF单元的隐式动力学迭代格式.得到了简洁的节点等效力向量,且进一步导出了切线刚度矩阵的全部公式,并基于罚方法实现了对不同ANCF单元的铰接和刚性连接.分别对弦振动、双杆摆和T字摆、柔绳进行了数值模拟,数值结果与理论解及已有结果吻合良好,验证了本文方法的正确性.     

缆索吊装系统有限元分析中的滑轮单元

为精确模拟结构中的滑轮，建立了滑轮支承一段索的单元，它考虑了滑轮的半径. 该``滑轮单元'的中间节点在滑轮的中心，另两个节点为索段位于滑轮两侧的端点. 新单元通过自动调整索在滑轮两侧的长度，使单元达到平衡状态. 单元算法的推导基于有限元分析的基本原理，并利用了处于平衡状态时单元内力之间的关系. 介绍新单元的推导过程，算例验证了它的正确性，并显示了其在含有滑轮索结构有限元分析中的高效性和方便性.     

滑轮在索上滑行分析的索-轮单元法

为了分析索结构中滑轮在悬索上行走及连续长索从滑轮下绕行问题,创建了一种新的单 元. 被称为索-滑轮单元的三节点新单元模拟一段索支承滑轮,滑轮的中心取为中间节点, 索的两端点为另外两节点. 基于有限元分析的基本原理,并利用处于平衡状态时单元内力之间的关系,推导了单元的算法. 这种新单元可以通过自动调整滑轮两侧索段的长度使单元处于平衡状态,从而简化了计算. 算例证明了新单元的算法及所编制程序的正确性,同时说明了它在工程中的应用. 给出了构成刚度阵的各矩阵的显式表达式. 新单元可以直接用于常规的有限元分析中,分析处于工作状态或施工中的索结构.     

行进绳索在横向流体激励下的运动

给出横向流体对行进绳索的作用力描述,建立了绳索的动力学方程。由于该方程具有零刚度特征,引入Pilipchuk变换,以自平衡状态起度量的径向振动和回转运动来描述绳的运动,获得非零刚度系统。然后,用两变量参数摄动法求得绳索关于扩张振动和回转运动的约化型,使得绳索运动可近似由一个二维动力系统来描述。最后,用数值方法讨论了行进速度和重力对绳索运动形态的影响。     

不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析

为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性,研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件,针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析,完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元方法模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程,提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线,其中应力响应最高位置在陶瓷基板层,达到427 MPa,挠度响应最高位置在金属底板层,达到了773.8 μm,模块整体位移速度最高达到17.68 m/s,加速度最高达到51 110.7g。对比4种固定方式的冲击响应结果,模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定,面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小,面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式,之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。     

基于六面体网格的向量式有限元分析及应用

基于向量式有限元基本原理,给出了八节点六面体等参实体单元的基本公式,通过投影方式将空间曲面六面体转换为投影六面体,采用参考面的逆向运动求解节点纯变形,通过单元形函的虚功方程计算节点内力;针对坐标模式和内力积分模式等关键问题提出了有效的处理方案。编制了六面体实体单元的数值计算程序,并进行工程结构算例分析。结果表明,所编制程序可有效模拟实体结构的静力、动力及大变形大位移行为分析,验证了本文理论和程序的正确性和实用性。     

微型机网格自动生成和显示软件MESHG

划分有限元网格、计算节点坐标、准备单元编号及节点坐标等原始数据是有限元计算中工作量很大的一部分。本软件旨在极大地减轻这一类劳动,给有限元计算人员带来方便。 本软件利用用户提供的少量描写结构形状的原始数据,自动生成有限元分析所需网格,自动计算节点坐标、形成单元编号及近似优序编排节点号。可自动划分网格的结构有:(1)二维平面或轴对称问题;(2)板和空间壳体;(3)三维块体;结构可以在直角坐标系、球坐标系、柱(极)坐标系中描写;生成的单元类型有三点、四点及八点等参元(平面情形),八     

基于六面体网格的向量式有限元分析及应用

基于向量式有限元基本原理,给出了八节点六面体等参实体单元的基本公式,通过投影方式将空间曲面六面体转换为投影六面体,采用参考面的逆向运动求解节点纯变形,通过单元形函的虚功方程计算节点内力;针对坐标模式和内力积分模式等关键问题提出了有效的处理方案。编制了六面体实体单元的数值计算程序,并进行工程结构算例分析。结果表明,所编制程序可有效模拟实体结构的静力、动力及大变形大位移行为分析,验证了本文理论和程序的正确性和实用性。     

计及热应变的空间曲梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围运动的空间曲梁的刚-柔耦合动力学.结合混合坐标法和绝对坐标法的特点,取与中心刚体大范围运动有关的变量和柔性梁各单元节点相对中心刚体连体基的位移和斜率作为广义坐标,建立了一种新的柔性梁的刚柔耦合模型.基于精确的应变和位移的关系式,根据Jourdian速度变分原理,建立了带中心刚体柔性曲梁的有限元离散的动力学方程.数值对比了空间曲梁系统和空间直梁系统的刚柔耦合动力学性质,用能量守恒规律验证了文中曲梁模型的合理性.在此基础上,在应变能中计及热应变,研究温度增高引起的曲梁的热膨胀对系统的动力学性态的影响.     

拱脚结构的模型实验与有限元分析

本文应用环氧树脂材料浇铸成某大跨度桥梁预应力拱脚模型,采用精密铸造成型方法做出模型中的四条索道孔。用自行研制的传感器施加四条模拟钢索的索力,通过专门设计的加载装置,使用精确的滑轮导向,在5个截面上分别施加剪力Q、弯矩M和轴力N,并考虑自重载荷,进行了电测模型实验。应用ANSYS软件对拱脚实际结构进行了有限元分析,根据模型实验时索与索道孔壁的接触情况建立了力的边界条件,使有限元计算与真实情况接近,计算误差大为减小。同时将实验与有限元分析结果进行了比较,变化规律一致,数值较为接近。对拱脚的优化设计提供了重要的参考依据。     

Finite element analysis of V-ribbed belts using neural network based hyperelastic material model

A three-dimensional finite element model was built to study V-ribbed belt pulley contact mechanics. The model consists of a pulley and a segment of V-ribbed belt in contact with the pulley. A material model for the belt, including the rubber compound and the reinforcing cord is developed. Rubber is modeled as hyperelastic material. The hyperelastic strain energy function is approximated by neural network trained by rubber test data. Reinforcing cord is modeled as elastic rebar. The material model developed is implemented in the commercial finite element code ABAQUS to simulate the V-ribbed belt-pulley system. A study is then conducted to investigate the effect of belt pulley system parameters on the contact mechanics. The effects of temperature and aging on belt materials are also investigated. The information gained from the analysis can be applied to optimize V-ribbed belt and pulley design.     

A high order control volume finite element procedure for transient heat conduction analysis of functionally graded materials

A robust unstructured control-volume finite element method is presented for the solution of two-dimensional transient heat conduction in functionally graded materials (FGMs) with isotropic properties. The material properties at a point in the domain vary exponentially to spatial coordinates. A triangular mesh is chosen for spatial discretization and a fully implicit scheme is adapted for time discretization. Several problems are investigated and the results are successfully validated by using analytical and other numerical solutions available in the literature.     

Some dynamic properties of axially loaded wire ropes

Results are presented on the transverse damping, the transverse fundamental natural frequency as well as the longitudinal fundamental natural frequency for axially loaded wire ropes. Twelve different wire ropes are tested. During the test, a mass is centrally attached to the rope. The results indicate an increasing transverse damping with an increasing axial load. This damping is primarily attributed to a Coulomb damping. Although core material and construction influence the transverse damping of the wire rope, no relationships are found when comparing this damping with the structural strength, the number of wires used in the rope, the alloy composition or the heat treatment of the rope materials. The transverse and longitudinal fundamental natural frequencies of the axially loaded wire ropes with a mass centrally attached has been satisfactorily modeled.     

Propagation of a longitudinal pulse in wire ropes under axial loads

Measurements of the velocity of propagation of longitudinal pulses in wire ropes as a function of applied tension are reported. Twelve 3/8-in.-diam cables are investigated which differ in configuration, i.e., number of wires per strand and number of strands, and in the material from which the wires and the core are fabricated. The velocity of longitudinal waves is found to increase with increasing tension, approaching the velocity in a solid steel bar as the applied load is increased toward the failure load of the wire rope. The material from which the wires are fabricated and the number of strands, rather than the number of wires in a strand or its core material, appear to significantly affect the velocity of longitudinal pulses.     

火灾下钢筋混凝土板的热弹塑性有限元分析——基于S-R分解原理(Ⅰ:理论)

火灾试验研究表明,火灾下钢筋混凝土受弯构件的变形非常大,转动也很大,尤其是单面受火的板.基于S-R分解原理的更新拖带坐标有限元法分析这类构件,有利于跟踪变形物体中各点的变化,保证单元的质量守恒.用有限元增量法求解,还可以避免对坐标的修正,而且将转动作为一个独立的自由度,提高了求解效率,特别适合于几何非线性、材料非线性问题的求解.本文采用此方法对火灾下钢筋混凝土板进行编程分析.同时,为克服在时间步内温度路径难于确定的问题,本文给出了平面应力状态下的混凝土热弹塑性积分方案的初值表达式.通过实际编程发现,该方法求解效率高,精度也比较好.     

索托桥结构分析的滑移索单元法

为在索托桥的结构分析中精确模拟连续长索的滑动,本文创建了一种新的单元。被称为“滑移索单元”的新单元有三个节点,以点接触的形式模拟索从下方绕过滑轮,它可以通过自动调整两侧索段的长度而使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的解析解,并利用了平衡状态时单元内力之间的关系。本文介绍滑移索单元的推导过程,用设计的算例验证了它的正确性,分析了连续长索的滑移对索托桥桥面竖向变形的影响。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。     

单峰接触研究及其在分形表面接触中的应用

基于有限元方法,建立了弹塑性单峰的接触模型.粗糙峰为理想的弹塑性材料,为了考虑不同的材料特性对微凸体变形的影响,分别对9种不同的材料进行了分析.根据有限元计算结果,分析了接触面积,平均接触压力和接触力与变形干涉量之间的关系,并进行了经验公式的拟合.单峰接触所经历的4个不同的阶段,以及不同阶段之间的转化点均作了明确的表达.然后,根据分形理论,将单峰接触模型扩展到了三维的粗糙表面的接触,并提出了一个计算接触表面法向刚度的模型.通过与实验数据和以往模型的结果对比,证明本文中所提出的模型具有较高的精度.