金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

含有初始凹陷圆柱壳稳定承载能力的实验研究与数值计算

对含有初始轴对称凹陷的圆柱壳在轴向载荷作用下的稳定承载能力进行了研究。首先,通过实验研究,得到了不同凹陷参数及不同壳长条件下的临界载荷。同时,不考虑凹陷成形过程,仅把凹陷部分当做结构的不规则变化时,对含有凹陷圆柱壳建立三维有限元模型进行稳定性分析。在分析中考虑了初始缺陷(圆柱壳成形加工中的不平直度、椭圆度、初始弯曲等因素引起)幅值f0=0.1t和f0=0.2t(t为壳体壁厚),得到了不同凹陷参数及不同壳长的临界载荷。结果表明:含有凹陷圆柱壳稳定承载能力对初始缺陷不太敏感,即:初始缺陷与凹陷相比,对稳定承载能力的影响极小。数值计算结果与实验结果吻合较好,共同给出了含有初始轴对称凹陷圆柱壳的承载能力随凹陷幅值、长度及圆柱壳长度的变化而改变的规律。     

三种典型子午线型大型冷却塔风致响应分析

为研究大型双曲冷却塔不同子午线型对其在风荷载作用下强度和稳定的影响,根据某实际工程建立有限元模型,分析了不同子午线型对冷却塔动力特性的影响,比较了规范静风载荷作用下不同线型冷却塔塔筒和支柱风致响应的差异,探讨了线型变化对冷却塔稳定性的影响.结果表明:子午线型的优化在冷却塔结构设计中是十分必要的, "矮胖"型冷却塔基频更高,但其抗风承载性能和稳定性比"高瘦"型塔弱,风致内力和位移响应也较大.     

局部径向载荷作用下外压薄壁圆筒稳定性分析

为简化真空塔器外挂件支撑区局部失稳分析,提炼出局部径向载荷作用下外压薄壁圆筒稳定性计算模型. 以易拉罐为薄壁圆筒试件,对不同外压下试件的局部径向临界载荷进行了测试. 利用有限元法对各实验模型进行了特征值屈曲分析,结果与实验数据能较好地吻合. 采用正交设计及参数化计算,得到了各结构参数及外压下的局部径向临界载荷经验公式. 实例计算表明,所得经验公式稍有保守,可用于真空塔器外挂件支撑件区的局部稳定性分析.     

灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度研究

采用纳米压痕技术和数值模拟研究灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.利用原位纳米力学测试与分析系统,测试灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.得到了载荷--位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值.并用有限元方法模拟压痕过程,利用ANSYS软件,按照灵芝孢子孢壁和Berkovich压头的结构,建立了二维计算模型,得到纳米压痕的等效应力分布以及压痕过程中加载和卸载时的载荷--位移曲线.考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响.结果显示:灵芝孢子孢壁的平均弹性模量为2.0GPa,硬度为0.13GPa.模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷--位移关系基本一致.摩擦、压头尖端半径小于100nm时对模拟结果不会造成明显影响.研究结果为分析孢子的破壁机理提供必要参数.     

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通过对拱顶储罐罐壁承受轴向载荷、初始几何缺陷及轴压失稳状况研究,指 出在固定顶罐设计、建造和运行各阶段都应进行罐壁轴压稳定性校核. 根据圆柱薄壳稳定性 理论和轴压失稳临界应力数值分析计算结果,提出固定顶罐罐壁轴压稳定性校核方法和数学 模型,并运用回归分析方法建立罐壁轴压失稳临界应力计算公式. 对几种常用规格的拱顶罐 有初始挠度缺陷罐壁轴压稳定性分析表明：随储罐容积和罐壁初始挠度增大,罐壁轴压稳定 性呈减弱趋势.     

自然通风冷却塔的实验及有限元分析

本文以宁海电厂二期冷却塔为例简要介绍了冷却塔进行刚性模型及气弹模型试验的情况,用通用有限元软件ANSYS及专用冷却塔抗震分析软件LBSD进行冷却塔内力分析、稳定性分析、抗震分析,用刚性模型试验结果计算风振系数,并将计算结果与气弹模型试验的结果进行比较,所得结果对相关冷却塔设计与安全评估有重要工程意义.     

薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析的参数化研究

针对在轴向载荷作用下的正置、正交网格形式的薄壁加筋肋圆柱壳结构，利用有限元程序，对薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析进行了参数化研究，得到了进行结构优化设计的准则，对于给定的设计载荷，当结构参数位于某一个局部失稳与整体失稳的临界区域时，结构的重量最轻。提出了基于有限元分析进行结构优化设计的策略，利用优化策略，获得了一薄壁加筋肋圆柱壳结构的优化设计结果，同时给出了粘合刚度简化模型与有限元计算结果的比较。     

开孔平板的剪切稳定性实验

对四边简支和四周边受均匀剪切力的矩形薄平板的屈曲失稳,作了实验分析及数值计算.用作者所设计的剪切试验装置,对一组开孔及开孔后加强的薄平板进行了剪切稳定性试验,求得薄平板失稳时的载荷——挠度曲线及失稳波形,由曲线上拐点来确定平板失稳临界载荷,并将实验结果与有限元数值计算结果作了比较.     

局部削弱压杆的稳定性实验研究

因为缺乏相关的理论和实验研究,局部削弱压杆的临界载荷通常按无削弱压杆处理.工程中,局部削弱压杆的使用极为普遍.对局部削弱压杆的稳定性的定量研究结果,无论是工程中,还是材料力学教学中都是迫切需要的.本文在前人理论研究的基础上,对局部削弱压杆的临界载荷作了定量的实验研究.试验结果表明,对细长压杆,即使削弱部分的刚度下降达到38.9%,对失稳临界载荷的影响仍可忽略;试验结果与黄玉珊提出的对局部削弱压杆稳定性的定量计算方法也比较接近.研究结果对部分工程问题和材料力学教学都具有一定的指导意义.     

基于压力迭代修正的大型冷却塔抗风性能分析

目前,大型冷却塔的抗风性能分析主要把得到的风压分布施加到结构上进行结构计算,没有考虑风载引起的结构变形对风压分布的影响,会产生较大的误差。本文结合计算流体力学与有限元分析的特点,建立了考虑结构变形影响的风压迭代修正模型,进行平均风压下大型冷却塔的抗风性能分析,并讨论了内部空气流动及淋水层的影响。计算结果与规范分析结果进...     

ASYMPTOTIC ANALYSES OF DYNAMIC RESPONSE OF HYPERBOLIC COOLING TOWER SHELLS WITH RING-STIFFENERS—PERTURBATION FINITE ELEMENT SOLUTION

In this paper, a new analysing method called perturbational finite element is suggested, by means of which we calculate the dynamic behaviour and response to turbulent wind of hyperbolic cooling tower shell with ring-stiffeners. The results are compared with those of finite element numerical method and show that the method has the advantages of clear physical idea and convenience of calculation and the accuracy of results is assured. This paper was published in the second computational mechanics conference in Shanghai, China, Aug., 1986.     

Buckling of cooling tower shells with ring-stiffeners

With the stability analysis of hyperbolic cooling tower shells with ring-stiffeners, our paper proposes the linear pre-buckling consistent theory. The numerical result shows that this linear analysis method is very effective and practical in engineering, for its precision of computation is up to the level of the nonlinear analysis when it is used for the study of critical loads of the hyperbolic cooling tower which is mainly governed by wind pressure and for the study of the effect of some other factors concerned in design on the buckling of shells. Based on that, we have obtained a series of conclusions which will greatly benefits the engineering design when discussing the effect on the critical wind loading of the shell which is caused by the following factors such as the position of rings, the number of rings and the dead weight.     

激光辐照下圆柱壳结构的稳定性分析

针对航天工程中常用的承受轴压作用的薄壁圆柱壳,分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能,得到了屈曲承载力.并进行了对比,验证了有限元模型的合理性.采用线性屈曲特征值有限元方法分析了强激光辐照作用下圆柱壳的稳定性能,分析表明激光辐照导致壳体局部温度上升并由此带来材料参数的改变,是因为激光辐照在壳体中引起了热应力与热应变,使轴压圆柱壳的屈曲承载力明显降低.论文还着重对加筋圆柱壳结构的稳定性进行了研究,数值分析结果表明,加筋能有效提高圆柱壳结构的抗压承载力,激光辐照作用下,加筋对轴压作用下圆柱壳的屈曲承载力的提高作用更为明显.     

某电厂自然通风冷却塔塔群风载荷研究

自然通风冷却塔属高耸的薄壳结构,在风载荷作用下冷却塔顶部的位移可超 过壁厚的数倍,对风载荷极为敏感,特别是在塔群情况下,风速、风压分布和塔间气流十分复 杂. 根据某电厂不规则塔群风洞试验结果,提出塔群条件下自然通风冷却塔设计风荷 载取值的几点意见,可供工程参考.     

DYNAMIC RESPONSE OF PROTOTYPE CONCRETE SHELL–PART I

Hyperbolic natural-draft cooling towers are large thinshelled structures subject to dynamic loads from wind, seismic activity, and operating conditions. Since 1965 the height of these structures has increased by nearly 20 percent to the present 170 m (560 ft), with taller towers being contemplated. The wall thickness for these towers is nominally in the range of 20 to 30 cm (8 to 10 in.). This paper describes the techniques and results of an experimental program of ambient vibration measurements of a prototype cooling tower located at the Tennessee Valley Authority's Hartsville Distribution Center.     

基于弧长法的受压球壳稳定性分析

对受压球壳进行特征值屈曲分析,得到了前6阶屈曲模态及线性屈曲临界载荷;采用弧长法进行非线性有限元分析,对理想球壳施加初始扰动,通过2次扰动值折半的方法求得引起结构屈曲的最小扰动值,追踪到了屈曲分支点和全过程载荷-位移路线。基于前6阶屈曲模态位移,在受压球壳中分别引入2.5mm和1mm两种缺陷值,分析缺陷对球壳屈曲特性的影响。结果表明:取壳厚的0.5%即0.05mm时,得最小扰动值,近似模型与完善结构极值载荷的差值为0.93%;球壳是缺陷敏感性结构,缺陷的幅值和分布都对其极限载荷有影响,缺陷幅值与厚度比为0.1时,缺陷球壳承载力相对理想结构下降了约11%,缺陷幅值与厚度比为0.25时,承载力相对下降了约30%,说明提高球壳稳定性需要提高球壳加工精度。     

输电铁塔四地脚螺栓塔脚板抗拉承载力试验与计算方法研究

针对架空输电线路铁塔中常用的四地脚螺栓塔脚板进行了抗拉承载力试验和理论计算方法研究。首先,选取8个试件进行塔脚板抗拉承载力试验研究,分析塔脚底板板厚及有无加劲板对塔脚板抗拉承载力的影响;其次,通过有限元模拟塔脚板的应力分布情况,并结合“塑性分析,弹性设计”的思想,提出了一种基于屈服线理论的四地脚螺栓塔脚板抗拉承载力计算公式;最后,与试验结果、有限元仿真结果、已有技术规定中的计算结果进行了对比。结果表明:建议公式与试验结果和仿真结果较为吻合,相关技术规定中的计算结果偏于保守,验证了本文建议公式的精确性;底板厚度和加劲板的作用对塔脚板承载力影响较大。研究结果可为输电铁塔四地脚螺栓塔脚板结构设计提供参考。