一种新型防屈曲-分阶段耗能剪切型阻尼器及其性能分析

为解决传统剪切型金属阻尼器耗能形式单一,剪切腹板易过早发生局部屈曲的问题,设计了一种新型防屈曲-分阶段耗能剪切型阻尼器。该阻尼器主要由剪切腹板和防屈曲耗能件组成,防屈曲耗能件分布于剪切腹板两侧,上下两端与固定架相连。为考察其耗能和防屈曲能力,本文以传统的剪切型阻尼器试验模型为参考,利用ABAQUS有限元分析平台建立了14组阻尼器数值模型,分析了防屈曲耗能件的截面形状、使用材料的类型及与固定架间的连接方式等对阻尼器性能的影响,并采用刚度退化系数和等效黏滞阻尼比为评价参数衡量新型阻尼器的抗震性能。结果表明,设置了防屈曲耗能件的新型阻尼器其剪切腹板的最大面外位移与传统阻尼器的比值低于1/4,防屈曲耗能件与剪切腹板的最大屈服位移比超过3∶1,可以有效防止剪切腹板过早发生屈曲,具备多阶段耗能的能力。相比于传统无防屈曲耗能件剪切型阻尼器,此类阻尼器耗能能力强、滞回性能稳定、具备较好的抗震性能,可以满足实际工程结构的抗震设计要求。     

基于Python-Abaqus的自适应网格重划分算法实现及其应用

在有限元分析中,当选取了合适单元类型后,若采用的网格尺寸太大则达不到计算精度要求,尺寸太小则往往需要非常庞大的单元数而导致求解自由度的迅速增长,利用自适应网格可以减轻计算精度与计算量的矛盾。本文采用基于后验误差估计的自适应网格重划算法,并结合Abaqus二次开发,编写了相应的自适应有限元Python脚本,从数值上分析了误差控制标准对计算结果的影响,实现了自适应求解全过程。通过Python脚本应用于几类典型问题的有限元分析,数值验证了基于Abaqus网格重划技术的自适应方法对求解应力集中问题的有效性。Python二次开发自适应计算与模拟,可绕过Abaqus/CAE的图形用户界面(GUI)直接对Abaqus内核进行操作,实现从几何建模、网格剖分到自适应求解的自动化处理,进而可方便多次修改模型和参数,提高建模效率。     

复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT,建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始,以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化,将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果,分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律,为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．     

菱形开孔剪切钢板阻尼器的形状优化研究

矩形钢板阻尼器在剪力作用下耗能腹板各处受力不均匀,部分区域率先进入塑性而破坏,造成材料浪费甚至阻尼器延性欠佳。为使剪切钢板阻尼器充分发挥材料性能,可将矩形腹板开菱形孔,形成中部菱形孔钢板阻尼器,或两端去除半菱形,形成X型钢板阻尼器。然而,孔洞最优形状鲜有研究,而形状优化方法也很少提及。为了使菱形开孔剪切钢板阻尼器达到更好的滞回性能,对中部菱形孔和X型两种腹板开孔形式的阻尼器进行形状优化。在与试验结果验证的基础上,基于ABAQUS软件平台建立有限元分析模型,利用PYTHON语言开发了一种脚本优化方法,并与软件优化模块对比,分析优化前后的塑性分布和滞回耗能。结果表明,优化后最大塑性应变减小,塑性分布更均匀,利用脚本方法优化后的滞回曲线更饱满,耗能更好,为菱形开孔剪切型阻尼器的设计和优化提供了参考。     

菱形开孔剪切钢板阻尼器的形状优化研究

矩形钢板阻尼器在剪力作用下耗能腹板各处受力不均匀,部分区域率先进入塑性而破坏,造成材料浪费甚至阻尼器延性欠佳。为使剪切钢板阻尼器充分发挥材料性能,可将矩形腹板开菱形孔,形成中部菱形孔钢板阻尼器,或两端去除半菱形,形成X型钢板阻尼器。然而,孔洞最优形状鲜有研究,而形状优化方法也很少提及。为了使菱形开孔剪切钢板阻尼器达到更好的滞回性能,对中部菱形孔和X型两种腹板开孔形式的阻尼器进行形状优化。在与试验结果验证的基础上,基于ABAQUS软件平台建立有限元分析模型,利用PYTHON语言开发了一种脚本优化方法,并与软件优化模块对比,分析优化前后的塑性分布和滞回耗能。结果表明,优化后最大塑性应变减小,塑性分布更均匀,利用脚本方法优化后的滞回曲线更饱满,耗能更好,为菱形开孔剪切型阻尼器的设计和优化提供了参考。     

基于ANSYS二次开发的几何非线性平面梁单元

共旋坐标法(C.R法)具有在局部坐标系考虑材料非线性,通过局部坐标系与结构坐标系之间内力和切线刚度矩阵的转换矩阵来考虑几何非线性,从而实现两种非线性脱耦的优点,C.R法相对于其它非线性有限元列式而言较少运用于商业程序。本文利用ANSYS平台提供的单元二次开发工具——用户可编程特性(UPFs),开发了基于C.R法的几何非线性平面梁单元,给出了详细的算法及流程,通过多个算例对本文算法及程序进行了验证。研究表明:该方法能有效利用共旋法非线性单元和ANSYS商业程序的优点,对于方框架在对边中点受一对集中力的算例1,采用二次开发的用户梁单元与beam3梁单元在每个荷载步下收敛所需的迭代次数分别为3次和6次;对于预应力钢筋混凝土悬臂梁发生大变形的算例2,上述两种单元模型进行非线性计算能收敛的预应力加载系数分别为132和128,可知本文基于共旋法得到的ANSYS二次开发用户梁单元提高了非线性计算的效率和能力,可用于平面梁结构的几何非线性分析。     

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先，选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象，采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验，试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式，通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后，采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟，针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序，并结合单元删除法，对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后，采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测，单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min，与位移峰值的数值模拟结果相比，2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求，相比传统消耗5 h的有限元计算，节省大量时间，可对透明夹层结构的设计提供指导。     

结构性黏土模型在FLAC中的二次开发及应用

FLAC软件广泛应用于岩石及岩土工程数值分析中,但内置材料模型库的不足影响了其应用范围及分析结果的精细化。本文基于FLAC程序提供的二次开发平台,以结构性黏土边界面模型为例,在FISH编译环境下实现了复杂本构模型的开发与应用。首先,介绍了FLAC的关键开发技术和具体实施方法;其次,给出了结构性黏土边界面模型的基本原理及应力积分方法;然后,通过FLAC单元测试与FORTRAN程序计算结果的对比,验证了FLAC二次开发在多种应力路径下的正确性;随后,通过FLAC排水平面应变剪切试验模拟剪切带的形成,测试了二次开发模型的多单元模拟能力,同时验证了其网格依赖性问题;最后,通过对土坡开挖的模拟,测试了结构性黏土模型FLAC二次开发的工程适用性。     

含冲击损伤复合材料层板及加筋壁板剩余强度研究

应用含刚度折减的椭圆形弹性核模拟了层板的损伤问题,研究了复合材料层板及加筋壁板冲击后的剩余强度问题。利用含椭圆核各向异性杂交应力有限单元对损伤层板进行了应力分析,采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤层板、加筋壁板的剩余强度;基于Abaqus用户子程序uel实现了该方法在工程中的应用,并讨论各种参数对剩余强度的影响。研究结果表明此方法是有效的。     

纤维杆元模型在框架结构非线性分析中的应用

本文基于Fiber模型,结合分段变刚度概念,推导建立了便于框架结构非线性分析应用的纤维杆元模型,即由杆件两端弹塑性区的纤维子单元及杆件中部弹性区的弹性子单元组成。弹塑性区由于受力较大,采用精细的纤维子单元模拟,中间弹性区受力相对较小,直接采用弹性子单元代替;同时,应用增分理论,分别推导了三维纤维子单元及弹性子单元的单刚矩阵,并采用静力凝聚方法,集成了三维纤维杆元模型的刚度矩阵。另外,直接应用混凝土及钢筋的本构关系,利用该计算模型对一栋12层框架结构进行了时程非线性分析,计算结果与振动台试验结果进行了比较,比较结果表明两者在结构动力特性,位移响应方面等均吻合较好,验证了该模型的有效性,可为推广使用提供参考。     

Application of the continuum shell finite element SHB8PS to sheet forming simulation using an extended large strain anisotropic elastic–plastic formulation

This paper proposes an extension of the SHB8PS solid–shell finite element to large strain anisotropic elasto-plasticity, with application to several non-linear benchmark tests including sheet metal forming simulations. This hexahedral linear element has an arbitrary number of integration points distributed along a single line, defining the “thickness” direction; and to control the hourglass modes inherent to this reduced integration, a physical stabilization technique is used. In addition, the assumed strain method is adopted for the elimination of locking. The implementation of the element in Abaqus/Standard via the UEL user subroutine has been assessed through a variety of benchmark problems involving geometric non-linearities, anisotropic plasticity, large deformation and contact. Initially designed for the efficient simulation of elastic–plastic thin structures, the SHB8PS exhibits interesting potentialities for sheet metal forming applications—both in terms of efficiency and accuracy. The element shows good performance on the selected tests, including springback and earing predictions for Numisheet benchmark problems.     

304L/Q235B大面积金属板爆炸焊接物质点法模拟分析

大面积金属板材304L/Q235B的爆炸焊接过程涉及炸药爆轰、金属板材的高速碰撞和塑性变形等。采用有限元法计算模拟这个问题时,网格单元会发生扭曲畸变现象,导致计算精度下降,甚至出现单元负体积而使计算终止,并且炸药爆轰形成气体产物飞散过程也很难模拟。为了能模拟大面积金属板材的爆炸焊接整个过程并获得合理的技术工艺参数,采用物质点法进行三维数值模拟分析。物质点法作为一种无网格法,在模拟冲击动力学问题中主要采用显式积分算法。通过将拉格朗日质点单元与固定的欧拉背景网格相结合,可以实现爆炸焊接的复板与基板的高速碰撞、炸药滑移爆轰、金属板面的塑性变形过程的数值模拟,并给出爆炸复合板材的形变、有效塑性应变和复板与基板的碰撞速度的计算结果。采用物质点法模拟的复合板材变形与爆炸焊接实验结果基本一致。计算复板与基板的碰撞速度这个重要的物理参数时,物质点法与Richter理论公式的相对误差不超过13%。数值计算和实验结果表明,物质点法在数值精度和计算效率方面具有优势,物质点法是研究金属焊接爆炸问题的一种有效数值方法。     

A three-dimensional edge-crack finite element for fracture mechanics applications

A three-dimensional extension of a previously published two-dimensional cracked finite element [Potirniche, G.P., Hearndon, J., Daniewicz, S.R., Parker, D., Cuevas, P., Wang, P.T., Horstemeyer, M.F., 2008. A two-dimensional damaged finite element for fracture applications. Engineering Fracture Mechanics 17(13), 3895–3908] is presented in this paper. The new element has an embedded edge crack, and was developed to model damage in three-dimensional structures using the finite element method. The element simulates the presence of a crack without physically inserting it in the three-dimensional finite element mesh. The method involves the derivation of a modified stiffness matrix that accounts for the change in the element flexibility due to the crack presence. The cracked element was analytically formulated and implemented in the finite element code ABAQUS Standard as a User-defined Element (UEL) subroutine. Tests of various cracked beam configurations were used to estimate the accuracy of the element by comparing two models: one with a UEL and another with an embedded edge crack. Beam deflections and natural frequencies were analyzed and compared for the two models. The results indicate that the new element has a good potential in modeling cracks in three-dimensional parts. Moreover, the method using this UEL computes the global response of damaged structures, in which cracks can be placed at various locations and in an unlimited number.     

连续胶体材料化学-力学耦合有限元理论及其在ABAQUS中UEL程序实现

基于哈密顿原理,得到水凝胶的化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和有限元形式。在整体坐标系下推导出用形函数表示的化学-力学耦合应变矩阵和单元刚度矩阵,并且得到在局部坐标系下的离散化形式。结合ABAQUS软件,编制了用户单元子程序UEL,通过数值算例验证了所开发单元的正确性,为在ABAQUS软件中实现各种耦合问题的有限元UEL编程提供了参考依据。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

On a method of comparison for plate elements in finite element engineering software programs

The purpose of this paper is to propose a method for the evaluation of plate elements in the finite element engineering software comparatively to the Kirchhoff and Reissner plate theories. The method is based on the study of transverse deflection near a crack tip. A numerical work has been conducted for the shell elements in Abaqus software with different crack lengths and various thicknesses. The deflection can be written as a function of the exponent of the distance between the crack tip and one point along the crack. This exponent is accepted to describe the behaviour of finite elements.     

模拟裂纹扩展的一种有限元局部动态子划分方法

提出了一种有限元子划分结合子结构的方法来模拟裂纹扩展问题。提出的方法中,将单元分为三类:被裂纹贯穿的单元,包含裂尖的单元和常规单元。对前两类单元进行子划分,每个单元的归类随裂纹的扩展而动态变化。覆盖一条裂纹的前两类单元子划分后构成一个子结构,子结构也是动态的,跟随裂纹的扩展而逐步扩大。本文的方法可以使裂纹沿任意路径扩展而不受初始网格的限制,裂纹扩展后无需对结构整体的网格重划分,结构整体分析的总自由度也不变。用该方法计算无限大平面中心裂纹的应力强度因子,模拟三点弯梁跨中裂纹的扩展,验证了计算精度,并进一步用该方法模拟了非均质材料中裂纹的扩展,考核了对复杂裂纹扩展问题的适用性。     

砂井地基的一个简化计算模型

基于三维有限元方法,提出了一个预测和评价砂井地基的简化计算模型。该计算模型采用块体单元模拟砂井周围的土体,用砂井单元模拟砂井的竖向排水和水平排水过程,并且推导了反映土体单元和砂井单元之间排水过程的连续性方程。克服了以往有限元法计算砂井地基时,需要将砂井和周围土体作均质化等价的缺点,并可用弹塑性模型反映砂井周围土体的非线性变形和强度特性。计算了单个砂井地基固结排水过程。通过和理论解的比较表明,用本文简化计算模型得到的结果和理论解比较接近。同时,还计算了日本某高速公路路基用砂井 堆载预压法处理的过程,通过分析表明,该简化模型能反映砂井地基的固结排水过程,可以应用于实际工程。     

On the hysteresis of wire cables in Stockbridge dampers

Stockbridge dampers are used e.g. for reducing wind-excited oscillations due to vortex shedding in conductors of overhead lines. In these dampers, mechanical energy is dissipated in wire cables (“damper cables”). The damping mechanism is due to statical hysteresis resulting from Coulomb (dry) friction between the individual wires of the cable undergoing bending deformation. Systems with statical hysteresis can be modelled by means of Jenkin elements arranged in parallel, consisting of linear springs and Coulomb friction elements. The damper cable is a continuous system and damping takes place throughout the whole length of the cable, so that distributed Jenkin elements are used. The local mechanical properties of the wire cable are identified experimentally in the time domain. In particular, the moment–curvature relation is determined experimentally at every location of the wire cable subjected to dynamic flexural deformations. Using such a model for the damper cables, the equations of motion can be formulated for a Stockbridge damper, and discretization of the damper cable leads to a system of non-linear ordinary differential equations. In order to test this dynamical model of a Stockbridge damper we compute impedance curves and compare them to experimental results.     

模拟火炮后坐运动的非线性弹簧－阻尼单元

根据非线性有限元法的基本理论，建立了火炮发射动力学的有限元运动方程，推导出单元耗散为向量和单元阻尼矩阵的计算公式。提出采用非线性弹簧－阻尼单元来模拟反后坐装置对炮身后坐的阻尼作用，并给出了该单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。根据炮身的后坐过程的三个阶段，提出采用分段拟合的方法确定非线性单元的参数以模拟火炮后坐阻力－位移曲线。采用非线性有限元单元模拟后坐装置，能够较准确地描述炮身部分的后坐运动，同时在大简化了全炮模型的建立，为全炮的动力学仿真提出了一条新的思路。