耦合强度分析

2024-11-16

耦合强度分析（通用4篇）

耦合强度分析篇1

0 引言

利用生物质原料制备燃料乙醇时, 需要对原料进行预处理[1,2]。由于生物质原料的收集、运输、粉碎等过程中极易混入砂土及金属屑等杂物, 如果直接送入后续设备容易造成设备的损坏[3,4], 因此需要对粉碎后的生物质原料进行水洗、脱水处理后再送入蒸汽爆破装置或者酸、碱水解等后续设备。蒸汽爆破装置对原料的含水率有一定的要求[5], 且研究表明进料的含水率对汽爆效果有重要的影响[6], 对脱水设备提出了更高的要求。目前, 对螺旋挤压脱水机的理论研究多集中在实验方面[7,8], 模拟方面的研究较少, 但模拟研究多数将流体原料定义为不可压缩的水及沥青等, 且对螺旋叶片施加的载荷多是假定的定值载荷[9,10], 与实际情况相差较远。

本文研究了一种自行设计的螺旋挤压脱水机, 采用变螺径、变螺距和变轴径的结构形式, 如图1所示。其主要几何参数如下:螺旋叶片厚度取5mm;输送段由2个螺距组成, 螺距取135mm, 轴径取56mm, 螺径取110mm;压缩段由3个螺距组成, 螺距分别取120、100、80mm, 末端轴径取40mm, 螺径取80mm。

螺旋挤压脱水机的设计产量为干料量2t/h, 压缩比为2.8, 转速为50 r/min。出口压力 (为防止蒸汽反喷的密封压力) 作为螺旋挤压脱水机的一个重要参数, 其改变必然会影响到设备内部的压力场分布, 也必然会对螺旋叶片的强度产生影响。本文运用Fluent软件通过UDF建立了螺旋挤压脱水机内可压缩物料的流体模型, 对螺旋挤压脱水机内部压力场进行了模拟与分析;同时, 运用Workbench中流固耦合分析方法, 将螺旋叶片所受压力调入强度分析模块, 得到了螺旋叶片的应力分布和位移响应云图, 并得出了叶片强度和出口压力的变化关系。

1.调速电机2.减速器3.进料仓4.螺旋主轴5.料筒6.料塞管7.支架

1 用Fluent进行压力场模拟

1.1 定义流体物性

1) 理论假设。为便于研究对内部流体特性做如下假设:1流动为定常流动, 忽略重力;2流体为单相, 可压缩粘性流体, 粘度为定值;3流体的密度沿轴向呈线性变化;4以流体密度的改变来反映实际流体的脱水效果。

2) 可压缩流体物性模型。结合Fluent软件的功能特性和实验测量结果, 将流体的物性参数做以下设置:流体密度随轴向线性增大, 在螺旋轴压缩比2.8的情况下, 设置进口端密度为50kg/m3, 出口端密度为350kg/m3。由于软件中只有密度随温度的变化关系, 实际情况是密度随轴向位置逐渐增大, 为此编辑了UDF程序, 将物料温度定义为随轴向线性变化, 密度随温度线性变化, 从而使得密度沿轴向呈线性变化。查阅文献[11], 设置流体的粘度为0.09Pa·s。

1.2 建立物理模型及网格划分

本文采用的螺旋挤压脱水机为上部进料, 螺旋末端出料, 压缩段为变螺径、变螺距和变轴径的螺旋叶片。流体区域和固体区域的实体模型如图2所示。

将三维实体模型分别导入ICEM软件进行网格划分, 采用非结构四面体网格进行划分, 对叶片等形变剧烈部分进行了局部加密, 对网格数量进行了优化, 选取了流体区域49万、固体区域39万的网格。两个区域的网格划分如图3所示。

1.3 数学模型及边界条件

描述流体在设备内部流动的方程包括连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程[12]。

1) 连性方程为

2) 动量守恒方程为

3) 能量守恒方程为

其中, fi为流体的质量力 (N) ;μ为流体的粘度系数 (Pa·s) ;k为传热系数[W/ (m2·K) ) ;ρ为流体密度 (kg/m3) ;ST为粘度耗散项 (J/s) ;T为温度 (K) ;Cp为比热容[J/ (kg·K) ]。

采用密度基稳态求解, 数值计算采用标准k-ω模型下的低雷诺数适用模型, 求解格式采用隐式Implicit格式, 通量类型采用Roe-FDS, 梯度求解采用Green-Gauss Node Based格式, 流动等方程采用二阶迎风格式, 收敛精度为10-5。采用多参考坐标系模型MRF方法, 定义动区域 (流体区域中筒体内随叶片转动的流体部分) 的流体相对与绝对坐标系旋转运动, 转速为50r/min;定义螺旋面相对与动区域静止, 其他壁面采用无滑移固体壁面, 所有壁面材料为钢;根据表面粗糙度对照表, 粗糙度设置为4.6×10-5m, 粗糙度常数为0.5。采用质量流量进口边界条件, 流量为9t/h, 压力出口边界条件、出口压力分别是0.4、0.5、0.6、0.8MPa。

1.4 压力场分析

图4为出口压力分别是0.4、0.5、0.6、0.8MPa时设备内部压力场分布云图。

从图4可以看出:压缩段压力逐渐增大, 且最大压力出现在压缩段最后一个螺旋叶片处。这是因为随着螺距间空间体积的逐步减小, 螺旋流道逐渐变窄, 流体体积不断压缩, 流体抵御变形对螺旋叶片的反向作用力逐渐增大, 在螺旋叶片末端流道最窄处达到最大压力, 螺旋叶片末端处的挤压效果较好。提取了不同出口压力Poutlet的情况下内部压力场压力的最大值Pmax进行比较, 具体数据和趋势如表1和图5所示。对比数据和趋势线图可以看出:最大压力值随着出口压力的增大基本上呈线性变化趋势。这说明, 出口压力越大, 相对应的物料所受到的压力也越大, 挤压效果也越明显。

MPa

2 单向耦合强度分析

2.1 定义材料参数及施加载荷

定义螺旋轴的材料为结构钢, 弹性模量为2e11Pa, 泊松比为0.3。对螺旋轴的前后两个圆形端面施加固定约束。叶片背部受力非常小, 忽略不计, 只加载Fluent计算结果中的流体区域中螺旋叶片主承压面所对应的面受到的载荷。

2.2 计算结果分析

图6为出口压力分别为0.4、0.5、0.6、0.8MPa时螺旋叶片应力分布云图 (单位:MPa) 和位移响应云图 (单位:mm) 。

由应力分布云图和位移响应云图可以看出:受力较大的末端螺旋叶片其应力从叶片外沿到叶片根部呈增大趋势, 在叶片的根部位置达到最大值Fmax;其位移从叶片根部到叶片外沿呈增大趋势, 在叶片的外沿位置达到最大值Smax;压缩段螺旋叶片根部是危险截面, 特别是最后一个螺旋叶片末端的叶片根部, 设计时应重点考察其强度。不同出口压力Poutlet下的应力、位移最大值如表2所示, 出口压力与应力和位移的关系趋势见图7。

对比数据和趋势线图可以看出:随着出口压力的增大, 螺旋叶片所受到的最大应力基本呈线性增大趋势, 螺旋叶片所产生的最大应变也基本呈线性增大趋势。这表明, 随着出口压力的增大, 增加了危险截面处的危险程度。因此, 设计时应根据设计压力重点考察。

3 结论

1) 螺旋挤压脱水机输送段只起到输送流体的作用, 没有挤压效果;压缩段压力逐渐增大, 且最大压力出现在压缩段最后一个螺旋叶片处, 螺旋叶片末端处的挤压效果较好;最大压力值随着出口压力的增大基本上呈线性变化趋势, 合理增大出口压力能提高设备的挤压脱水效果。

2) 螺旋叶片其应力从叶片外沿到叶片根部呈增大趋势, 在叶片的根部位置达到最大值;其位移从叶片根部到叶片外沿呈增大趋势, 在叶片的外沿位置达到最大值;螺旋叶片根部是危险截面;随着出口压力的增大, 螺旋叶片所受到的最大应力基本呈线性增大趋势, 螺旋叶片所产生的最大位移也基本呈线性增大趋势。

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[12]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 2003:347-360.

耦合强度分析篇2

叶片作为潮流能水轮机叶轮的关键部件, 其性能的好坏直接影响到水轮机在工作过程中的稳定性以及效率。一般潮流能水轮机在水下工作时, 很多故障都是由于叶片失效等原因引起, 如叶片本身的材料问题、强度不足等。ANSYS已将流体软件CFX与结构软件Static Structural集成到Workbench中。首先利用CFX软件对叶轮周围流场进行稳态数值模拟得到叶轮表面的流场压力, 然后在Workbench内完成了流体模块与结构模块之间数据的传递, 将流场载荷传递到叶轮结构, 对叶片进行了强度分析, 得到了叶片应力和变形的变化情况。

由于叶轮在工作过程中, 不仅受到水流的冲击, 而且在不断地旋转, 再加上叶片展向较长、弦向较短的特点, 使得叶轮结构很容易产生振动, 如果叶轮本身的固有频率与外激励频率接近, 那么叶轮就容易与激励一起发生共振, 进而对其造成损坏甚至破坏, 这样不仅会使叶轮的使用寿命缩短, 对其安全性也有一定的影响, 而且会产生噪声。因此, 有必要对叶轮结构的振动性能进行分析, 以确保叶轮动态特性满足设计要求, 通过模态分析来研究叶轮结构的动力特性, 如频率、振型等。

另外, 流固耦合分析是一种研究固体域与流场域相互作用、相互影响的过程。固体在流场载荷作用下会产生变形或运动, 反过来固体的变形或运动又会影响到流场, 进而影响流场载荷的分布和大小[1]。流固耦合可以分为单向耦合和双向耦合, 其中单向流固耦合适用于流场对固体作用之后, 固体变形对流场的影响可以忽略不计的情况, 仅需进行一次流场分析和一次结构分析;而双向流固耦合适用于固体变形明显、对流场影响不能忽略的情况, 需交替进行流场分析和结构分析。

本文以30 W小型水平轴潮流能水轮机叶轮为研究对象, 通过单向流固耦合对其进行了强度以及模态分析。

1 叶轮流场特性的数值模拟

所选的潮流能水轮机叶轮的基本参数如表1。

首先, 利用Solid Works软件建立叶轮模型, 其中轮毂采用实体柱形, 如图1所示。然后根据文献[2], 采用MRF模型, 利用CFD软件ANSYS CFX对在不同工况下的流场进行了稳态数值模拟。在用MRF模型计算时, 将计算域分为旋转域和静止域, 旋转域内只要包含叶轮即可, 其转速可以由尖速比公式得出为覣=8 rad/s。所选计算域为圆柱形, 如图2所示, 前端距叶轮4倍叶轮直径, 后端距叶轮6倍叶轮直径, 两侧各距叶轮2倍叶轮直径。

在建好模型之后, 利用ANSYS ICEM CFD进行划分网格。之后, 进行设定边界条件, 采用速度入口边界;采用压力出口边界, 出口相对压力为0 Pa;旋转域转速转向可以知道, 其中叶轮表面设为壁面且随旋转域旋转。同时在计算过程中监测了叶片处转矩与轴向推力。

在模拟结束后, 图3给出了叶片在最大流速5 m/s下的轴向推力和转矩, 其大小分别为2110.5 N和100.6 Nm, 负号只是代表力的方向。图4和图5给出了叶片在正常流速范围0.8~2.4 m/s内, 对应的轴向推力和转矩。由图中可以看出随着流速增大, 叶片处轴向推力和转矩都随着增大, 但是增加得越来越缓慢。

2 叶片的结构特性分析

2.1 叶轮结构计算模型的确立

2.1.1 叶轮结构模型的网格划分

首先确定叶轮结构的材料特性, 现在潮流能水轮机不能够广泛使用也是由于面临着材料问题[3]。参照文献[4], 选用环氧玻璃钢作为叶轮材料, 这种材料不仅重量轻, 而且耐腐蚀性也比较好。其材料参数如表2所示。

然后需要在Static Structure结构模块中对该材料参数进行设置。同时对叶轮模型进行网格划分, 在划分时, 运用自动化分功能, 网格形状采用四面体单元以较好地适应叶轮比较复杂的几何形状, 最后得到网格数量为153 560, 如图6所示。

2.1.2 边界条件和载荷工况的施加

对叶轮模型施加边界条件, 需要对其径向和轴向进行位移约束, 同时叶轮的旋转速度为8 rad/s, 旋转方向为图中逆时针方向。然后对叶片施加流场载荷, 将载荷等效转化为x、y、z三个方向上的力, 各个工况下的载荷施加情况如表3。

另外, 在进行单向流固耦合计算时, 在流体域和结构域之间的流固耦合交界面上, 两者的网格节点通常不是一一对应的, 允许节点存在一定的偏差。而在流固耦合系统中, 流体域与结构域信息是通过流固耦合交界面上的节点进行交换的。由于在流固耦合交界面两侧, 两种计算域的节点有时候不能完全重合, 这就需要对节点信息采取插值的方式进行数据交换。在通过插值方法进行节点信息数据交换时难免会有一定的误差。因此, 在表中将流场载荷施加到叶轮结构表面时各个方向上的力之间会有小的差异。

2.2 叶轮结构强度的计算结果分析

叶轮是潮流能水轮机中重要的捕能部件, 在叶轮工作过程中, 如果其最大应力超过材料的许用应力值, 则叶轮易产生破坏。通过在Static Structural模块中求解, 得到了叶轮在最大流速下工作时的等效应力与总变形, 分别如图7和图8所示。

由图7可以看出, 当叶轮在该工况下工作时, 叶片最大 (von-Mises) 应力发生在叶根处, 且其最大值约为61MPa, 其余部位应力值较小。根据叶轮材料特性可知, 叶轮结构所受最大等效应力小于材料的屈服强度, 其满足设计要求。

由图8可知, 叶轮的最大变形量约为13 mm, 位于叶尖处。而且由前述知道, 叶轮不仅受轴向推力的作用, 还会受到转矩的作用, 因此, 可以看到叶轮叶片不仅有轴向变形, 而且有周向变形, 但轴向变形是主要的变形。

同样, 图9和图10给出了叶轮在正常流速范围内对应的等效应力和总变形, 此时的应力和变形远小于最大流速下的值。从图7~图9可以知道, 叶片所受应力和变形都随着流速的增大而增加;且无论在哪一种流速状态下, 叶片的最大等效应力总是发生在叶根处, 而最大变形在叶尖处;叶片会发生轴向和周向变形, 且轴向变形是其主要的变形形式;通常叶片的破坏形式是沿轴向的断裂。最后根据叶轮在各个工况下的最大等效应力, 可以知道该叶轮结构是安全的。

2.3 叶片的模态计算结果分析

叶片结构动力学的研究方法主要是模态分析法, 要避免叶片发生共振就要通过对叶片进行模态分析, 求得叶片的固有频率, 特别是低阶频率。通过模态分析来研究叶轮结构的动力特性, 而模态分析需要求出物体特征值和特征向量。特征值就是结构振动时一些基本振型对应的频率, 在实际使用过程中, 有时要避开这些基本频率来防止发生共振[6]。基本自然频率有助于我们了解结构的整体刚度及其变形情况。从振型振态的形状分析中可以判断出在某个自然共振频率下, 结构的变形趋势[7]。

通过对模态分析模块求解, 得到了叶轮在设计流速0.8 m/s下的各阶振型, 为了考察叶轮振型的变化, 提取出前8阶振型, 如图11所示。同时得到叶轮各阶固有频率如表4所示。

由图11可以看出, 叶轮的前八阶振动模态如下:

一阶模态:5个叶片做一阶摆动, 其中, 1、4、5号叶片向下摆动, 2、3号叶片向上摆动, 如图11 (a) 所示;

二阶模态:5个叶片做一阶摆动, 其中, 1、2号叶片向上摆动, 3、4、5号叶片向下摆动, 如图11 (b) 所示;

三阶模态:5个叶片做一阶摆动, 且都向下摆动, 如图11 (c) 所示;

四阶模态:5个叶片做一阶摆动, 其中, 1、3号叶片向上摆动, 2、4、5号叶片向下摆动, 如图11 (d) 所示;

五阶模态:5个叶片做一阶摆动, 其中, 1、2、4号叶片向下摆动, 3、5号叶片向上摆动, 如图11 (e) 所示;

六阶模态:5个叶片做二阶摆动, 且都是叶尖附近向下叶根附近向上, 同时带有一定的扭振, 如图11 (f) 所示;

七阶模态:1、2号叶片做二阶摆动 (叶尖附近向下叶根附近向上) , 3、4、5号叶片做二阶摆动 (叶尖附近向上叶根附近向下) , 3号叶片表现较弱, 5个叶片在做摆动的同时伴有一定的扭振, 如图11 (g) 所示;

八阶模态:1、5号叶片做二阶摆动 (叶尖附近向下叶根附近向上) , 2、3号叶片也在做二阶摆动 (叶尖附近向上叶根附近向下) , 4号叶片做一阶摆动且摆动向上, 同样, 5个叶片在摆动的同时伴有一定的扭振, 如图11 (h) 所示。

由此可以看出, 叶轮叶片主要表现为一阶摆动 (挥舞) 、二阶摆动 (挥舞和摆振) 以及扭转振动或者某几种的耦合振动。根据振动理论, 振动过程的能量主要集中在第一、二两阶振型, 因此, 挥舞振动为叶轮结构的主要振动形式, 并且主要表现在叶片上, 因为叶片为较薄的板壳件且是悬臂安装, 因此其刚度较小, 比较容易引起振动。由前八阶振动模态中也可以看出, 叶片对叶轮结构的振动模态影响非常明显, 且随着振动频率的提高, 叶轮结构主要振型也在发生着较复杂的变化。

3 结论

利用单向流固耦合分析方法, 通过对不同流速下的水平轴潮流能水轮机叶轮进行强度以及模态分析可以知道:

1) 利用CFX对叶轮周围流场特性进行数值模拟, 得到在正常流速范围0.8~2.4 m/s和最大流速5 m/s下, 叶轮处轴向推力与转矩, 知道叶轮轴向推力与转矩都随着流速的增加而增大, 且增加速度逐渐变缓。

2) 通过单向流固耦合将流场载荷施加到叶轮结构, 对其强度进行了分析, 知道不管在何种流速下, 叶轮叶片的最大等效应力发生在叶根处, 而最大变形则发生在叶尖处, 且在轴向和周向上都有变形, 但轴向变形为主要形式;叶轮破坏的形式最可能是叶片沿轴向断裂;在最大流速下, 叶轮结构最大等效应力约为61 MPa, 最大总变形为13 mm;在正常流速0.6~2.4 m/s范围内, 随着流速的增加, 对应的叶轮最大等效应力与最大总变形量也随着增加;根据叶轮材料特性, 知道叶轮在这些流速下工作时, 结构是安全的。

3) 通过对叶轮在自身旋转时的离心力和流场载荷作用下进行模态分析, 知道叶轮叶片的主要振动形式为挥舞振动, 且振动形式主要表现在叶片上;在各阶频率下, 叶轮结构的振型都较复杂, 有的振动形式单一, 而有的则是多种振动的耦合;且随着频率的增大, 振动形式也变得越复杂。

参考文献

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耦合强度分析篇3

1 围压水压耦合试验

1.1 试验方法

试验在四川大学水利水电学院MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统进行, 该试验机的轴向最大荷载为4 600 k N, 围压和渗透压力最大均为140 MPa, 渗透压差最大为30 MPa。振动加载控制方式为轴向荷载、围压、渗透压力, 或为上述3种加载控制方式的任意波形、频率及相位的组合[4,5]。

1.2 试样及试验方案

所测试的岩石样品采自山西宁武煤田昌华煤矿, 该矿构造位置处于吕梁—太行断块之宁武—静乐块坳北段。结合水文地质勘探工程, 采取细砂岩、中砂岩、粗砂岩和灰岩, 经过钻、切、磨工序制备成直径d=50 mm、高h=100 mm标准试件, 进行不同围压、不同水压条件下岩石三轴压缩试验。

试验方案: (1) 4、8、12、16 MPa围压 (σ3) 条件下, 细砂岩、中砂岩、粗砂岩及灰岩的饱和岩块试验; (2) 4、8、12、16 MPa围压 (σ3) 及0、3、6、9 MPa水压 (pw) 条件下裂隙岩块 (亦即破坏岩块) 试验。

强度参数测试过程中施加的水压为静水压力即孔隙水压力。裂隙岩块试件为岩块全过程试验所破坏的试件, 对其施加不同围压和不同孔隙水压, 可以用来模拟实际采动岩石强度的围压效应与水压效应。

1.3 强度参数试验结果

测试了不同围压条件下不同岩性饱和岩块强度16组, 测试各级水压下不同围压、不同岩性破坏岩块强度52组, 总计68组, 测试结果见表1。

MPa

2 岩石强度围压效应

在不同水压状态下, 细砂岩岩石强度 (σ1) 随围压 (σ3) 的变化情况见图1。从图1中可以看出, 饱和岩块、各级水压裂隙岩块强度与围压呈正相关关系, 随着围压的增大, 岩石强度增加。

围压从4 MPa增大至16 MPa时, 细砂岩饱和岩块峰值强度从60.33 MPa增加到144.33 MPa, 增幅为84 MPa, 岩石强度增加了139%, 强度随围压的变化速率为7;水压为0 MPa时, 细砂岩破坏岩块残余强度从49.66 MPa增加到114.56 MPa, 增幅为64.9 MPa, 强度增加了131%, 强度随围压的变化速率为5.41;水压为3 MPa时, 细砂岩破坏岩块残余强度从22.99 MPa增加到82.56 MPa, 增幅为59.57 MPa, 强度增加了259%, 强度随围压的变化速率为4.96。细砂岩岩石强度围压效应随着水压的增大而减小。

围压从4 MPa增大至16 MPa时, 中砂岩饱和岩块峰值强度从76.05 MPa增加到194.65 MPa, 增幅为118.6 MPa, 强度增加了156%, 强度随围压的变化速率为9.88;水压为0 MPa时, 中砂岩破坏岩块残余强度从39.56 MPa增加到104.47 MPa, 增幅为64.91 MPa, 强度增加了164%, 强度随围压的变化速率为5.41;水压为3 MPa时, 中砂岩破坏岩块残余强度从22.47 MPa增加到77.95 MPa, 增幅为55.48 MPa, 强度增加了247%, 强度随围压的变化速率为4.62。

围压从4 MPa增大至16 MPa时, 粗砂岩饱和岩块峰值强度从59.30 MPa增加到130.85 MPa, 增幅为71.55 MPa, 强度增加了121%, 强度随围压的变化速率为5.96;水压为0 MPa时, 粗砂岩破坏岩块残余强度从45.88 MPa增加到100.39 MPa, 增幅为54.51 MPa, 强度增加了119%, 强度随围压的变化速率为4.54;水压为3 MPa时, 粗砂岩破坏岩块残余强度从20.88 MPa增加到71.88 MPa, 增幅为51 MPa, 强度增加了244%, 强度随围压的变化速率为4.25。

围压从4 MPa增大至16 MPa时, 灰岩饱和岩块峰值强度从74.28 MPa增加到180.57 MPa, 增幅为106.29 MPa, 强度增加了143%, 强度随围压的变化速率为8.86;水压为0 MPa时, 灰岩破坏岩块残余强度从58.17 MPa增加到119.34 MPa, 增幅为61.17 MPa, 强度增加了105%, 强度随围压的变化速率为5.10;水压为3 MPa时, 灰岩破坏岩块残余强度从21.27 MPa增加到99.08 MPa, 增幅为77.81 MPa, 强度增加了366%, 强度随围压的变化速率为6.48。

不同岩性饱和岩块岩石强度与围压呈指数关系, 随着围压的增大, 岩石强度围压效应增加;裂隙岩石在水压为0 MPa时, 岩石强度与围压呈线性关系, 岩石强度围压效应随着围压的增加基本保持不变;裂隙岩石在水压为3 MPa时, 岩石强度与围压呈对数关系, 岩石强度围压效应随着围压的增加而减小。细砂岩、中砂岩、粗砂岩及灰岩的围压效应拟合方程见表2。

拟合计算中, SSE (和方差) 、R2 (确定系数) 、Adj.R2 (调整的确定系数) 和RMSE (均方根) 为拟合优度检验指标。SSE为拟合数据和原始数据对应点的误差的平方和, RMSE为拟合数据和原始数据对应点误差的平方和均值的平方根, SSE和RMSE越小说明拟合程度越好。R2为SSR (拟合数据与原始数据均值之差的平方和) 与SST (原始数据与其均值之差的平方和) 的比值, R2与Adj.R2越接近于1说明自变量对因变量的解释能力越强。

饱和岩块围压效应拟合方程中, 中砂岩拟合方程拟合效果最好, 灰岩拟合方程对强度的解释能力稍弱。水压为0 MPa的破坏岩块围压效应都为线性关系, 各种岩性围压效应方程拟合结果均较好。水压为3 MPa的破坏岩块围压效应随着围压的增加而降低, 围压效应方程拟合效果较好。

3 岩石强度水压效应

细砂岩在不同围压状态下破坏岩块残余强度随水压的变化情况见图2。各级围压条件下, 破坏岩块残余强度与孔隙水压均呈负相关关系, 岩石强度随水压的增大而减小。水压的存在降低了破坏岩块残余强度, 这是因为孔隙水压降低了岩石裂隙面及破坏面上的有效正应力, 从而使岩石的强度减小[6]。

围压为16 MPa时, 水压从0 MPa增加到9 MPa, 细砂岩破坏岩块残余强度从114.56 MPa降至57.16 MPa, 岩石强度降低了57.4 MPa, 强度减小了50.1%, 强度随水压的变化速率为-6.38。围压12、8、4 MPa条件下, 随着水压的增大, 细砂岩岩石残余强度明显降低。

围压为16 MPa时, 水压从0 MPa增加到9 MPa, 中砂岩破坏岩块残余强度从104.47 MPa降至57.91 MPa, 岩石强度降低了46.56 MPa, 强度减小了44.6%, 强度随水压的变化速率为-5.17。围压12、8、4 MPa条件下, 随着水压的增大, 中砂岩岩石残余强度均明显降低。

围压为16 MPa时, 水压从0 MPa增加到9 MPa, 粗砂岩破坏岩块的残余强度从100.39 MPa降至53.05 MPa, 岩石强度降低了47.34 MPa, 强度减小了47.2%, 强度随水压的变化速率为-5.26。围压12、8、4 MPa条件下, 随着水压的增大, 粗砂岩岩石残余强度均明显降低。

围压为16 MPa时, 水压从0 MPa增加到9 MPa, 灰岩破坏岩块残余强度从119.34 MPa降至77.87 MPa, 岩石强度降低了41.47 MPa, 强度减小了34.7%, 强度随水压的变化速率为-4.61。围压为12 MPa时, 灰岩强度与水压基本呈线性关系, 随水压的增大而减小。

从各种岩性岩石强度水压效应曲线上可以看到, 岩石强度的水压效应有随着水压的增大而减小的趋势, 即水压较大后岩石强度降低速率减缓。岩石强度的水压效应呈负指数关系, 在围压16 MPa时, 不同岩性的破坏岩块残余强度水压效应的拟合方程见表3。

4 围压水压耦合效应

建立围压水压耦合作用下岩石强度拟合方程, 见表4。耦合效应方程因变量为岩石强度, 自变量为围压和水压, 常数项反映围压、水压均为0 MPa时破坏岩块残余强度特征。不同岩性岩石围压水压耦合效应方程均反映岩石强度与围压呈正相关关系, 与水压呈负相关关系。

不同岩性岩石围压水压耦合效应方程在空间上皆是一个平面, 细砂岩破坏岩块强度围压水压耦合效应拟合方程平面及测试原始数据点见图3, 可见原测试数据接近拟合平面且位于平面两侧, 方程拟合程度较好。

5 结论

1) 饱和岩块岩石峰值强度与围压呈正相关、指数关系, 强度随着围压的增大而增加。

2) 不同岩性破坏岩块残余强度与围压呈正相关关系, 岩石残余强度随围压的增大而增加。裂隙岩石在水压为0 MPa时, 岩石强度与围压呈线性关系;裂隙岩石在水压为3 MPa时, 岩石强度与围压呈对数关系。

3) 不同岩性岩石残余强度与水压呈负相关关系, 岩石残余强度随水压的增大而减小。岩石强度的水压效应有随着水压的增大而减小的趋势, 岩石强度的水压效应呈负指数关系。

4) 围压水压耦合效应方程曲面为空间上的平面, 反映围压水压共同作用下破坏岩块强度特征。

参考文献

[1]邢福东, 朱珍德, 刘汉龙, 等.高围压高水压作用下脆性岩石强度变形特性试验研究[J].河海大学学报:自然科学版, 2004, 30 (2) :184-187.

[2]李法柱, 宋淑光, 孟辉, 等.深部下组煤底板软硬岩石阻渗性试验及其耦合特征[J].矿业安全与环保, 2013, 40 (1) :8-11.

[3]任高峰, 王官宝, 郭玉龙.渗流与应力耦合作用对边坡稳定性影响的数值模拟研究[J].矿业安全与环保, 2006, 33 (6) :26-29.

[4]刘建锋, 谢和平, 徐进, 等.循环荷载下岩石变形参数和阻尼参数探讨[J].岩石力学与工程学报, 2012, 31 (4) :770-777.

[5]朱珍德, 张爱军, 徐卫亚.脆性岩石全应力—应变过程渗流特性试验研究[J].岩土力学, 2002, 23 (5) :555-563.

耦合强度分析篇4

关键词：撑杆,ABAQUS,耦合约束,接触

1 概述

撑杆的强度校核作为吊装作业中安全要素的重要一环,如果校核的方法有欠稳妥将可能引起重大安全生产事故,造成不可预知的人员伤亡并给建设单位和施工企业带来巨大的经济损失。故而在采用有限元软件对该工况进行仿真模拟计算时,应尽可能地与实际情况相吻合。因此讨论撑杆强度计算的方法,可以供相关设计与科研单位参考。

ABAQUS作为现行最优秀的非线性有限元计算分析软件,具有强健的计算功能和广泛的模拟功能,拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程等。无论是分析简单的线弹性问题,还是包括几种不同材料、承受复杂的机械和热载荷过程,以及变化的解除条件的非线性组合问题;无论是分析静态和准静态问题;无论是隐式求解,还是显式求解,应用ABAQUS计算分析都会得到令人满意的结果。本课题选用该软件进行撑杆强度的校核,在加载方式上分别采用两种处理方法,从对结果的比较得出结论。

2 静力分析问题的有限元方程解法

基于线性化处理后的虚位移原理建立的有限元矩阵方程仅是对于每一时间步长应求解的非线性方程:

的近似。由于系统的非线性性质,线性化处理带来的误差可能会导致解得漂移或不稳定。因此Newton-Raphson迭代或修正Newton-Raphson迭代对于求解是必要的,如果采用修正Newton-Raphson迭代,则:

在T.L.格式中,迭代按下式进行,即

在U.L.格式中,迭代按下式进行,即

3 加载的两种处理方式

吊装工况下,撑杆上以全熔透方式焊接的吊点板与卸扣之间的相互作用为撑杆的主要受载形式。往往设计撑杆的有关机构单位能够获知的信息参数包括:锁具卸扣的相关参数、模块的尺寸重量及中心位置、模块上的吊点布置、起重机械的相关参数、每根绳索所收的拉力。

对于绳索所收的拉力在软件中的模拟采用两种形式:

a.在吊点板处设置参考点,将参考点与吊点板圆孔处的面耦合;b.尽可能依据尺寸模拟出卸扣并将其设定为刚体,将吊点板圆孔处的板面设置为主接触面,卸扣销轴设置为从接触面,从而在其间建立起接触作用,然后在卸扣上设置参考点,将参考点与卸扣耦合从而将绳索的拉力施加在卸扣上(如图1所示)。

ABAQUS中的耦合约束用于将一个面的运动和一个约束控制点的运动约束在一起。耦合的类型分为运动耦合约束,连续耦合约束与结构耦合约束,采用连续耦合约束是基于静力分析的受力传递考虑。同样第二种加载形式所采用的接触类型为切向无摩擦面-面小滑移接触,从而建立接触属性中的本构关系。

4 有限元仿真计算结果比较

4.1 采用第一种方式加载