动力有限元法(精选12篇)
动力有限元法 篇1
1引言
随着工业技术的发展,要求机械的工作转速和工作效率不断提高,在很多高速回转机械中,转子的工作速度甚至超过其本身的临界转速,为了使转子工作平稳,避免发生共振,并且要求它的旋转精度高、振动小,在转子设计中对于转子临界转速的研究和计算成了转子动力学的重要内容之一。其分析内容包括,求出该转子的各阶固有频率和振型;是属于刚性转子还是属于挠性转子;如何对该转子进行动平衡[1]。动力学分析对转子的设计有着重要的指导意义,如果属于挠性转子的范畴,则应该使得其工作转速远离其各阶临界转速。这就与传统的设计概念有所不同,传统的设计概念是转子系统的固有频率越高越好。但是,当工作转速很高(超过一阶临界转速)时,有意识地降低系统的一阶固有频率使其远离工作转速,才是正确的设计方法。常用的对转子进行动力学分析的方法有传递矩阵法和有限元法。
2 传递矩阵法(普劳尔Prohl法)
实际的转子是一个质量连续分布的弹性系统,具有无穷多个自由度。在转子动力学中经常是把转子简化为具有若干个集中质量的多自由度系统。即系统是由无质量的弹性轴段和有质量无弹性的集中质量组成。
取第i个部件来分析,取该截面的状态向量{Z}={y,θ,M,Q}T。任一部件两端截面的状态向量存在关系{Z}i+1={T}i{Z}i,其中{T}i即为传递矩阵。下面推导此传递矩阵。对Mi取分离体,显然有yiR=yiL=yi,θiL=θiR由D'Alembert原理得:
其中当Mi不考虑支撑时可认为Ki=0;当不考虑Mi的回转效应和摆动惯量时Jd、Jp分别为零。
对于轴段li取脱离体,因为轴重不计,由平衡条件及材料力学有关均匀轴的载荷与变形之间关系可得:
两矩阵合并,即可建立第i点与第i-1点状态向量之间的关系,
所以系统的传递矩阵可写为
以Q0R=M0R=QnR=0为边界条件得到满足此边界条件的频率方程为
其中各向量均为含有ω的多项式。这一齐次式有解的条件是剩余量为零。即:Δ(ω2)=0。按一定步长在感兴趣的范围内选定ω,ω+Δω,ω+2Δω,…为试算频率。通过矩阵连乘及剩余量的计算公式(5)式,便可求得对应于上述各试算频率的剩余量Δ(ω2)。如果对应于相邻两试算频率的Δ(ω2)异号,则说明在这两试算频率之间,必有一频率能使Δ(ω2)=0,即为一个满足边界条件的ω值,也是转子的一个同步正向涡动角速度或临界转速。用二分法仔细搜索就可以逐步逼近求出这一临界转速[2]。
3 转子固有频率与振型研究
3.1 MATLAB创建图形用户界面
MATLAB 可以创建图形用户界面GUI(Graphical User Interface),它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUl支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强[3,4]。
利用 MATLAB 创建图形用户界面GUI,用Prohl法编程求两端铰支光杆轴振型函数,创建图形用户界面GUI如图1所示。铰支梁的边界条件为:力矩为0,位移为0,在用户界面中输入参数计算,例如,轴总长度1m,密度7800kg/m3,端面直径0.01m,分段数20段,弹性模量2.1×105MPa,点击计算后,计算完成用户界面就会输出各阶固有频率,并且也会输出各阶振型图,如图2所示。
3.2 运用有限元法对转子固有频率和振型计算
为了实现更好的比较,为此运用有限元法计算来进行比较,首先建立有限元模型,转子长度为1m,半径为0.005m,有限元模型为beam单元,模型划分网格分为20段,边界条件是转子的两端为铰支。转子材料的弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.3,密度为7800kg/m3。
运用有限元软件NASTRAN对模型进行模态分析,到一阶模态频率为46.3Hz,二阶模态频率为127.5Hz,阶模态频率为249.8Hz,四阶模态频率为412.4Hz,五阶态频率为615.4Hz,振型图如图3~7所示。
3.3 结果分析
传递矩阵法和有限元法,对简单的转子固有频率和振型计算,计算结果如表1所示,其结果基本一致,两种方法具有其合理性。故在进行简单转子的模态振型分析时不必进行有限元建模,可以直接运用本文程序进行分析,可以快速得出其固有频率和振型,节约分析计算时间。
Hz
4 结束语
本文运用了两种方法对转子固有频率和振型的研究,一种方法是传递矩阵法,运用MATLAB创建图形用户界面GUI,再通过编写程序实现对转子固有频率和振型的计算分析;另一种是有限元特征值法,运用有限元软件建模计算实现对转子固有频率和振型的计算分析。这两种方法均可在转子设计中发挥重要作用,大大缩短设计周期,降低设计成本,在转子工程设计中具有一定的现实指导意义。
摘要:在工业中对转子的动力学分析尤为重要,文章介绍了计算转子固有频率的传递矩阵法和有限元法,借助MATLAB软件和NASTRAN软件分别运用以上两种方法对简单的转子模型的固有频率和振型进行分析计算,从而指导这两种方法在转子设计工程上的应用。
关键词:转子,传递矩阵法,有限元法,固有频率,振型
参考文献
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[2]杨光,程胜文.高速转子的动力学研究[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版,2002,24(2):119-121.
[3]彭明,王仪明.基于MATLAB的振动测试数据分析平台的设计[J].北京印刷学院学报,2010,18(2):17-20.
[4]张琨,毕靖,丛滨.MATLAB 7.6从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2009.
动力有限元法 篇2
采用近似不可压缩有限元方法,分析了粘弹性结构的动力响应.针对粘弹性材料近似不可压缩性质和准静态分析的局限性,基于Hamilton变分原理,推导出了一种计算近似不可压缩粘弹性结构动力响应的增量有限元方法,考虑不同工况和松弛模量,计算了固体火箭发动机药柱结构的.动力响应.理论分析和算例表明该方法简单实用、通用性强,有重要的工程价值.
作 者:吴志桥 张书俊 任钧国 Wu Zhiqiao Zhang Shujun Ren Junguo 作者单位:国防科技大学,410073,长沙 刊 名:应用力学学报 ISTIC PKU英文刊名:CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS 年,卷(期): 25(2) 分类号:O342 关键词:粘弹性 近似不可压缩 动力响应 有限元法
7月A股反弹动力有限 篇3
6月,指数大幅回落,权重股领跌。单月下跌如此大的幅度,较为罕见,2000年以来出现过8次,其中5次发生在全球金融危机爆发的2008年,其余3次为重要高点。本次不是高点,有分析人士认为这具有“危机表象”,后市不容乐观。到底后市如何?
6月大幅下跌
6月,上证指数大幅回落,创出新低1849点,月内最大跌幅一度达到19.61%,临近月末略有企稳,最终以1979点报收,月度跌幅13.97%。单月下跌如此大的幅度,较为罕见,2010年之后是第一次,表明市场受到严重的负面冲击,行情明显转弱。虽然7月第一周A 股呈现企稳态势,上证综指再度收复2000点,全周上涨1.4%。尽管形势有所好转,但市场信心并未明显恢复,股市未来走势仍不够乐观。
6月从分类指数看,全部呈现下跌。深证成指、上50指下跌幅度居前,创业板指下跌幅度较小。当月的下跌是整体性的,下跌主要来自权重股的打压,而成长股集中的创业板指依然维持强势。
从行业指数看,全部呈现下跌。跌幅居前的行业是:有色金属、纺织服装、综合、农林牧渔、黑色金属;跌幅相对较小的行业是:信息服务、食品饮料、信息设备。二级子行业中,跌幅较大的行业是证券、有色、煤炭;而网络服务、传媒子行业仅微跌,由此可见资金的关注点在网络与传媒行业。
从市场资金流向看,市场整体资金净流出明显加大,日均净流出增加一倍。目前的资金净流出水平与2013年3月、2012年3月、2011年5月大体相当,但本次指数的下跌幅度明显大于前几次,可见本次的下跌更多是权重股的打压,这种不同需要引起关注。由于6月份资金净流出程度已经很高,之后一个月的净流出继续放大难度较大,更多是维持或是呈现萎缩,由此指数继续大跌的可能性很小,更多是呈现震荡或是跌幅收窄。
从行业资金流向看,全部呈现净流出。资金净流出绝对额较大的行业是:金融服务、机械设备、信息服务、化工、交运设备;资金净流出增加幅度较大的行业是:黑色金属、房地产、机械设备、建筑建材、金融服务;资金净流出有所减弱的行业是:餐饮旅游、轻工制造、家电、信息设备。可见强周期行业遭受抛压较为明显,比较而言弱周期及消费行业略好。信息服务行业可能是之前上涨幅度过大引发获利兑现。
总体上看,市场整体转弱,资金大幅流出,权重股杀跌,但活跃资金依旧在成长股中寻找机会。
7月流动性紧平衡
6月,一场突如其来的“钱荒”打破了原有的流动性均衡,银行间资金面的巨大压力迅速传导至资本市场,恐慌情绪引发上证指数断崖式下跌。总的来说,经济下行、通胀可控的周期里,在激进的去杠杆行为过后,意在长远的本届政府会将流动性维持在紧平衡的状态。尽管短期资金紧张不会进一步升级为系统性信用风险,但刚刚摆脱货币幻觉的市场仍需时间来适应这一环境,估值大幅提升的概率不大。新周期露出端倪之前,流动性仍将是市场的核心逻辑,以业绩为保障的防御仍是7 月市场的主旋律。
随着央行态度的趋缓,短期资金利率逐渐回落,一场银行间资金面的“危机”暂时告一段落。通过这种激进式的操作,央行向市场传递了十分清晰的去杠杆意图。从7天回购加权利率的表现上看,尽管成因不同,但6月银行间短期拆借利率的暴涨,使得资金面上已经有了2011年的影子。过高的货币市场利率也传导至票据、债券、贷款、信托等金融市场分支,一定程度上会导致企业短期融资成本的上升。从期限利差和信用利差上看,短期资金面的紧张还没有向长期利率和信用层面蔓延。
在货币政策趋于谨慎达成共识的情况下,流动性环境如何演绎将是下一步的市场关键。从央行这段时间的动作来看,中期央行将维持较为中性的操作,7月份7天回购利率的波动中枢可能回落至4%-5%之间的水平,市场流动性边际好转,但仍将维持紧平衡的状态。
今年美联储在下半年停止或缩减QE规模,不确定性在于本轮新兴市场资金外流是否会产生和当年欧债危机一样的破坏力。作为结论,今年流动性环境整体上要好于2011年,信用风险基本可控,但年内流动性拐点已经确立,资本市场短期仍需时间来适应这一变化。
同时,企业盈利有限改善。与一季度相比,工业企业前五月业绩改善十分有限,资金危机更是给6月蒙上了一层阴影。中银国际将二季度非金融上市公司净利润增速预测下调至5.2%,仅略高于一季度5.0%的增速水平。中银国际认为,对市场而言,二季度企业盈利增速企稳或小幅改善的趋势难以成为系统性催化剂,只能从结构上去寻求业绩的避风港。
7月超跌反弹动力有限
激进式去杠杆和时点考核过后,银行间资金面已度过最差的阶段,但流动性的拐点已十分清晰。惊魂未定的市场短期无法彻底摆脱对系统性信用风险的担忧,仍需时间来适应和习惯流动性的紧平衡状态。愈发坚定的改革决心面前,市场对于逆周期政策的预期和效果已基本不抱希望。这一环境下,二季度企业盈利增速的企稳或小幅改善的趋势也难以成为系统性催化剂。整体而言,危机短期平息后A股会随之企稳,但估值提升的系统性动力较弱。
中银国际认为,随着中报披露期的到来,短期配置上重视业绩确定性增长的防御能力。这主要包括弱周期的非酒类饮料、中药、传媒、环保、电子信息和机械、化工的部分成长性子行业,同时提示目前流动性环境会放大业绩不达预期的风险;相对看好业绩增速和估值安全边际均有一定保障的地产、汽车和家电等地产链相关行业;受制产能压力,建材、化工、机械等中游投资相关行业盈利能力依然较弱,建议低配,同时继续维持上游资源品的负面观点。
对于大盘,国信证券认为,从指标显示上看,回升力度不强。虽然1849点低点已经探出,在短期严重超卖的情况下,回升纠偏已经开始,但从目前的技术指标运行情况看,回升的力度不强,有可能只是弱回升,高度可能只有2050点。6月份的下跌力度很大,市场整体转弱,且后市不容乐观。短期超跌反弹,力度似乎不强,参与意义有限。操作上,待反弹到位择机降仓。
中小板指与创业板或许有一些机会。中小板指经过6月份的回落,2012年底的上升势头已经扭转,目前已经形成的短期下降通道,只是回落的幅度较主板小,回升的力度较主板大,弹性较好,存在一些交易性机会。创业板指6月份虽然也出现了一定的回落,但2012年底以来的上升趋势依然保持,只是在6月25日盘中刺破了上升趋势线,之后几日回升的力度也明显强于主板。经过6月份的震荡,虽然维持强势,但多头边量有所衰减,空头力量有所增加,表明追买趋于谨慎,逢高减仓盘增多,由此创业板可能由此前的强劲上行转为高位震荡。
动力有限元法 篇4
1 瞬态动力学分析基础
1.1 瞬态动力学分析的定义
瞬态动力分析(也称时间-历程分析)用于确定结构承受随时间变化载荷时的动力响应。使用这种分析方法可以得出在静态、瞬态及谐波载荷或由它们合成的载荷作用下,结构内部随时间变化的位移、力和拉压应力。瞬态分析属于结构动力分析的范畴,它不同于静力分析,动力分析要考虑随时间变化载荷以及阻尼和惯性的影响。
在有限元分析程序中所有的动力分析类型都是基于下述有限元系统的通用运动方程:
undefined
其中:[M]——质量矩阵;
[C] ——阻尼矩阵;
[K] ——刚度矩阵;
{ü} ——节点加速度向量;
{undefined} ——节点速度向量;
{u} ——节点位移向量;
{F(t)} ——随时间变化的载荷向量;
在任意给定的时间t,方程(1)中的等式可以认为是一系列静态的方程式同时考虑了惯性力[M]{ü}和阻尼力[C]{undefined}。在ANSYS程序中使用Newmark时间积分的方法来求解这些时间点的等式,相邻时间点之间的时间增值称为积分时间步长。
1.2 瞬态分析求解方法
求解瞬态动力问题的方法有3种:完全瞬态动力分析方法(full)、缩减法(reduced)和模态叠加法(mode superposition)。3种方法皆基于动力分析的通用方程式(1)。
full法是3种分析方法中最常用最强有力的方法。它使用完整的动力分析控制方程(无矩阵缩减),包括完整的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,因此,它具有完整的非线性功能,包括塑性、蠕变、大变形、大应变等。
1.3 full法瞬态动力学分析的主要步骤
full法瞬态动力学分析主要由3个步骤组成:
1) 建立有限元模型
瞬态动力学分析的建模过程与其他类型分析的建模过程类似,材料可以是线性的也可以是非线性的,可以是各向同性的也可以是各向异性的,可以是恒定的,也可以随温度进行变化。
2) 施加载荷并求解
与静态分析不同,瞬态分析施加的载荷是随着时间变化的,不仅要给定载荷值的大小和载荷的方向,还要确定载荷的加载时间。
对于随时间连续变化的载荷,可以按照一定的时间间隔对载荷值采样,把载荷采样值按照其对应的时间点加到结构上。在ANSYS程序中,不同时间点的载荷按顺序存入不同的载荷文件,在计算时程序自动装入时间历程载荷,计算后得到的结果也按不同的时间点分块存放。一般来说,采用时间越短,越能准确地反映出载荷的变化情况,从而计算出更准确的结果,但同时也会占用更多的资源以及计算时间。
3) 提取结果
在ANSYS的集成环境中,可以选择通用后处理器POST1或者是时间历程后处理器POST26来分别提取瞬态分析的结果。前者可以给出模型在任意时刻整体的分析结果,如该时刻各点的应力、位移等;后者则可以给出用户定义的函数量随时间变化的情况,如模型中的某个节点的应力随时间的变化曲线。
2 整车动力学模型的建立
在进行整车瞬态响应分析时,要考虑除车身以外的其他部件,如:前独立悬架,减震器,钢板弹簧,轮胎,乘员,行李及其他附加质量的影响,才能使前后轴的承载与实际相符。由于轮胎动力学模型建模难度很大,本文根据轮胎“包容特性”建立了弹性滚子接触模型,依照“真实路形”推导出了轮心的“有效路形”。整车动力学模型如图1。
3 紧急制动工况下的动响应分析
瞬态分析能获得车身任意一点在动态激励过程中任意时刻的应力值和变形的大小,也可以得到车身在某一时刻的应力分布及变形。下面着重分析紧急制动典型工况下的动态响应。
汽车制动过程中减速度的时间历程包括瞬态变化过程和稳态变化过程两个阶段。瞬态变化过程的实质是轮胎与路面接触的过程。这个过程中,轮胎附着系数与车轮的滑移率和车速有关,使轮胎变形量不断改变。随着滑移率的增加和附着系数的下降,减速度急剧下降,当车轮抱死时刻达到最小值。随着车速的降低,附着系数又稍有增加,减速度稍有上升,但基本平稳,这一过程为平稳过程,轮胎变形量基本保持不变。制动减速度随时间变化的示意曲线如图2所示。
假设汽车初始速度为v=30km/h,初始位移S=0。将时间变化的减速度作为外界激励,应用full法计算轻型客车车身动态响应。
节点1为第一、二车窗之间下部一点,节点5为车身左门后立柱上一点,节点10为车身后侧左上角一点。图3,4,5为节点1,5,10的X-Component of displacement时间历程响应曲线。图6为节点1,5,10在同一时间历程的X-Component of displacement时间历程响应曲线。图7为节点10第一主应力响应曲线。图8为节点10等效应力响应曲线。
从图3~图8中可以看出:车身危险点在紧急制动过程中,位移在短时间内急剧增加后急剧下降,再缓慢下降;第一主应力按同样的规律变化;等效应力分段上升、待进入平稳减速阶段后逐渐下降。最大等效应力发生在紧急制动由瞬态变化过程向平稳过程过渡阶段。
4 结语
瞬态分析不但能获得车身任意一点在动态激励过程中任意时刻的应力值和变形的大小,也可以得到车身在某一时刻的应力分布及变形。还可获得车身结构响应的动画文件。它直观动感逼真的再现了相应工况下车身结构随时间的振动过程,使设计者即使通过试验也无法得到的整车性能的感性认识和总体把握,对车身的改进具有很高的指导意义。
摘要:阐述了瞬态动力学分析基础,在整车动力学模型的基础上,着重分析了紧急制动典型工况下的动态响应,为其结构动态优化设计提供了依据。
关键词:车身,有限元,瞬态动力学
参考文献
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动力有限元法 篇5
年10月12日八点三十八分这一时刻构成的“线”。
这一时刻是改写恒动历史的分水岭和分界线。
从这一时刻起恒动要在很短的时期内完成由线前至线后的过渡。
在此过渡期内恒动的一切思维、观念、理念、企业行为和个人行为都要做线前和线后的严格界定。要坚决摒弃线前,要坚决倡导线后。
“838”从现在起又是一切更新、变革、奋起、崛起、巨变、跳跃式变化或增长、爆炸式变化或增长和牢牢把握机遇等词汇的关联词或代名词。
零起点。指“比强不比弱,比外不比内,比上不比下,比目标不比过去,成就即刻忘却,教训永远记取,起点永远为零”的管理思维。
恒动干部特别纪律和禁令
1.适应恒动838线后发展的需要。
2.适用范围:恒动各级有人员管理职责的管理人员和专业工作人员。
3.特别纪律
“十字作风”部分
①以身作则,率先垂范;在思维、观念、理念、企业行为和个人行为方面坚决摒弃线前,坚决倡导线后。
②敬重、关爱每一位下属,熟知其优点、特长和困难;以三性●恒天动力有限公司在恒天旗下的使命 当头为目标积极创造条件帮助下属客服困难,鼓励并促使下属恒天之“恒”是生生不息,常青永在;恒天之“天”是多发挥、对创造、多立功、多获奖。苍穹无尽,发展无限;“动力”则是前进、发展和超越的主宰。③有事多求教,诚挚求建议,认真听批评,及时调整、及时改恒天动力有限公司全员的使命是强劲推动中华民族的伟大复进。兴。④透明行事、公平行事、开朗做人,大器待人;能识贤、能求 贤、能助贤、能合贤、能荐贤。●恒动干部的负债观 ⑤率先做到强于目标、强于困难、强于过去、强与自身;带头在恒动有人员管理责任的管理人员叫干部。作到小事不纠缠、得理要让人、不张狂、不骄横;尤其是在“全恒动干部的负债观又叫恒动干部的责任观,是838线后最岗创排标准”的滚动完善与严快实施方面和实现高效的典范。重大的责任观念。⑥对下属、对友邻、尤其对下序或下流程要善于换位思考、竭恒动干部绝对的、永恒的负债对象一是用户(即公众),诚服务;只要能够对三性当头的流程成效和责任链成效增加保二是股东,三是职工。险或保证、就要主动提供踩边线甚至越边线的服务。对三类对象的负债均应分为二类,一类是正常负债,二类是非⑦率先遵纪守法、不贪占、不酗酒、不失恒动人格。常负债。
对用户。在主流用户把不选恒动和可选恒动改变为只选恒“六项基本功”部分:
动后,在可比产品市场覆盖率超过50%后,在最终用户对恒动①对上一级目标方针的分解要殚精竭虑、呕心沥血,对下属部售前、售中和售后服务的满意度达到95%后进入正常负债;有门和人员的部署在期、量、类、质、策、效、责等方面做到清欠缺即属非常负债。晰、明了、准确、无误;要注意核对和校准下属在理解方面的对股东。三年期内实现投资净回报率100%进入正常负债;偏差。有欠缺即属非常负债。②通过自己透明行事,公平行事、开朗做人、大器待人树立威对职工。五年期内一线劳动者人均收入达到5万元进入正信,使下属愿意通过对你的负责为恒动多做贡献;尤其愿意为常负债,有资格平视职工;有欠缺即属非常负债 恒动创品牌系统工程多做贡献。③采用一切有效的方法使所有的执行者掌握完成任务的方法●恒动长存的核心理念和技能,要注意核对和校准所有执行者是否确实掌握了这些方人为本、争第一、零起点。法和技能。
人为本。由两个基础和两项保障构成。人本基础之一通过“尊④以三性当头为前提,在劳动(工作)对象,劳动工具(工作重、爱护、发挥、发展”的用人来体现;人本基础之二通过“为条件)、生理障碍、心理障碍等方面为下属完成任务创造的和每一个岗位的发展提供机会,为每一个阶层的攀登创造条件”有可能的条件。的育人来体现。人本保障之一通过对干部“民主、开朗、顽强、⑤条令清晰、奖惩分明、责任要约公布在先,条令严格实施在竭诚、约束”十字作风的严格要求和坚决贯彻来体现;人本保后。
障之二通过对干部“六项基本功”的严格要求和坚决贯彻来体⑥失误要反省、顺利要反思、不间断地集思广益、不间断地提现。高自己团队的战斗力。
十字作风的最低要求是:
4.禁令:
民主——容得反对,容得个性,擅知别人之长,更知自我之短。开朗——记恩不记怨,记功不记过;大器选人,大器育人;与人为善,助人为乐。
顽强——强于过去,强于目标,强于困难,强于自身;猴、霸、韧、刚四气当头,惯于绝不后退,惯于致胜目标。
竭诚——用心要诚,用力要竭;直截了当,注重效率;娴熟换位思考,乐于走踩边线,善于循环完善,勤于最佳成效。约束——遵纪守法、约束行为、克制私欲、让名让利;更加着眼于调动,更加着眼于长远,更加着眼于大局。
六项基本功是干部自我反省、自我检讨、自我解剖的法典式依据。
①惧怕批评、巧立名目、打击报复; ②妒贤嫉能;
③拒绝、扼杀合理化建议;
④设障碍、泄私怨、破坏系统成效;
⑤贪占下属,贪占团队,贪占恒动(含一切除上级奖励的内外馈赠);
5.执纪规定
①适用范围人员对本项特别纪律和禁令必须做到背诵无误,理解无误;自2011年元月1日起由恒动的党、政、工、团联合检查组协助“三性办”(见后注)开始考核抽查,不合格者要减薪,隔月复查仍不合格者要免职。
②本项特别纪律和禁令是定期自下而上、自上而下与横向考核干部的重要参照,考核结果决定干部任、免、升、降。
③对违反5项禁令者的行政处分是立即免除行政职务,如属违反第5项禁令者视情节严重程度追究进一步纪律、乃至法律责任。
这六项基本功是:①说清楚要求。②使绝大多数职工愿
意达到要求。③使每一个职工懂得如何达到要求。④使每一个员工能够达到要求。⑤使每一个职工必须达到要求。⑥集思广益、反复检讨、周而复始、完善要求。
恒动的每一位员工都要熟知上述要求。既为维护自己的正当权益,更为监督、督促和帮助干部工作快速上水平。
争第一。由四个要强、一个辩证构成。第一,强于实践,反对空话;第二,强于困难,顽强制胜;第三,强于效果,保证衔接;第四,强于自身,超越自我。一个辩证是一定要把强者的强和弱者的虚荣、自尊加以区分。
●恒动“三性当头”工作纪律与禁令
1.目的:规范恒动经营工作,适应838线后“三性当头、轻量资产、大规模、高效益、爆炸式发展”的紧迫需要,适应恒动干部对用户(公众)、对股东、对员工迅速转为正常负债的紧
迫需要,适应铸就恒动黄金品牌的紧迫需要。
2.适用范围:
在恒动范围内(含未来的分、子公司),从事恒动涉及对外交易工作(以下简称“涉外”)的全体人员和其他经营管理人员。
3.工作纪律:
①真实记录、真实报告,真实作帐;责任期内做到账务相符、况(情况)实(实际)相符,对遗留问题尽责、尽心、尽力地做好责任切分与追索补救的工作。
②严守恒动各项财务制度。做到一切收入要登记,一切支出要记账,一切凭证要合规,公益分配要透明;妥善保管、定期上交有关的原始凭证、帐簿、报表等资料。
③严守恒动有关合同、协议、流程的各项管理制度,在积极开拓、突破创新的同时做到不违规、不越权。
④严守恒动关于产品或配件原则上不准赊销的规定;严守恒动本部、销售公司和配件公司对合同或协议外的调整指令。
⑤严守恒动关于对相关人员从事关联交易的规定;其要点是: ㈠涉外人员及其他经营管理人员的一切兼职与其兼职的全过程活动必需向所在部门以书面报告的方式加以披露;
㈡涉外人员及其他经营管理人员的直系亲属从事任何与恒动有关经营业务时,该类人员必需向所在部门以书面报告的方式加以全事项披露并做到自觉规避。⑥严守恒动的一切商业机密。
4.工作禁令:
①为确保三性当头,所有涉及原材料三性保障的岗位人员(至少包括但不限于选点、采购、外检、外监、不良品处臵、仓管、领料、记帐、支付等)严禁吃请、严禁收受(含一切财、色、务)、严禁索取;为争取更多的三性保障和成本合理可以经上级批准实施必要的反向慰问和反向馈赠。
②严禁一切个人或小集体挪用贷款。对所收取的主机、配件个其他款项,必须按时限要求汇回公司。
③严禁一切个人或小集体违规(含以收受相关方出具白条、口头承诺或其他无法律保障的协议方式)出借公司财务(固定资产、主机、配件等)。
④严禁一切个人或小集体到配件厂、服务站等单位以借款、索取贿赂(含财、色、物和其他关联交易)等方式毁誉恒动、伤害恒动、伤害合作伙伴。
⑤严禁一切个人或小集体对用户和最终用户吃、拿、卡、要。⑥严禁一切个人或小集体在整机三包环节上以旧充新、在配件三包环节以上以次充好,在采购、订购和物流环节上内外勾结、损工肥私。
⑦严禁一切个人或小集体篡改、转移、毁弃、隐匿有关原始凭证、账目、账册等资料。
5.处罚规定:
①对违反1—6项纪律要求者区别在公司内予以通报批评、行政处分至调离岗位的处分。
②违反1—6项纪律要求且已造成恒动财、物损失者,视情节严重程度按损失或违反纪金额的1—5倍处以罚款,另行予以通报批评、行政处分、调离岗位的处分。
③对违反1—7项禁令要求者视情节轻重最低给予按违纪金额的5—10倍罚款、通报、降薪、行政处分并调离岗位。
④对违反1—7项禁令要求情节恶劣者将视其违背禁令的后果给予除名处分直至进一步追究其刑事责任。
作或自主原因不愿工作的在岗员工不再有年龄的限制和“身份”的区别。
2011年至2015年对现时对现时在岗人员要全部(个别特殊者例外)完成带薪轮训。主课是中文、机械原理、企业管理、企业文化和电脑应用。轮训地点在南昌市相关院校。对学业有成获文凭者予以奖励。轮训结束将陆续转岗从事营销、采购、三性监督与控制、生产岗位的传帮带等创业种子性质的工作,以适应恒动“三性当头、轻量资产、大规模、高效益、爆炸式发展”的需要。
2011年至2015年还将以期初签约的方式自南昌高校对口的大专生中选聘适合838要求而为恒动定向培养高级青年技工200—400名。
●恒动的质量目标
简要表达是“三性当头、必须制胜”。
完整表达是“可靠性当头、一致性当头、精致性当头,恒动制造必须制胜德国制造”,是838线后最大的企业目标。
●恒动三项递进的质量责任制
在装备简陋期以极为宝贵的人际保障为主体的质量责任
制。
生产者就是检查员——检查自己和上工序,对专检和下工序负责;负三性当头的对应责任。
检查员就是用户代表——核对与监督生产者的自检结果,对下工序和最终用户负责;负三性当头的对应责任。
岗位责任就是质量责任,负三性当头的对应责任。
●恒动的创品牌系统工程
是全员全面努力实现质量目标的全过程;是铸就黄金品
牌的全过程;是838线后最重大的系统工程。
恒动品牌创造成功的标志之一是恒动干部对用户、对股东、对职工的负债全部转为正常负债或确定无疑地能够如期转入正常负债。
恒动品牌创造成功的标志之二是企业效益在2011年实现跳跃式增长,自2012年起实现爆炸式增长。
恒动品牌创造成功的标志之三是企业把握机遇获得完全成功。
● 为什么要增设“恒动三性当头创品牌岗位工作标准委员会”和“三性当头保障办公室”?
实现制胜德国制造须要的三性当头、铸就恒动黄金品牌成功事关恒动的生死存亡,事关恒动能否把握机遇创造无限美好的未来。成立“恒动三性当头创品牌岗位工作标准委员会”(以下简称“三性标委”)及其执行机构“三性当头保障办公室”(以下简称“三性办”)必须应此需要而建立。
部门正职以上的全部领导都将成为由总经理担任主任的“三性标委”委员;
“三性办”在’三性标委”的领导下负责统一协调产生全套涵盖全部岗位的恒动创品牌岗位工作标准(以下简称“全岗创牌标准”、“本岗创牌标准”或“创牌标准”)的建立和滚动完善;负责组织对“全岗创牌标准”实施全员、全面、全过程的管理;负责执行相关的纪律和禁令。
●838线后由恒动自行确立的最重大的五项责任
①样板和引领的排头兵;②缴纳国税的排头兵;③缴纳
地税的排头兵;④贡献恒天的排头兵;⑤职工收入的排头兵。●838线后最重大的责任观是至2015年前变对用户、对股东、对员工的非常负债为正常负债。
●838线后最重大的经营理念是使全员以高价值的劳动创造价格和整体美好的生活。
●838线后最重大的人文意识是:①谁主恒动?我主恒动!②我要达标、我要参与、我要监督!③我就是恒动,恒动就是我!●838线后最重大的企业目标是“可靠性当头、一致性当头、精致性当头、恒动制造必须制胜德国制造”。
●838线后最重大的系统工程是全员全面努力实现质量目标的全过程;是恒动产品铸就黄金品牌的全过程。
●838线后重要的纪律是《恒动干部特别纪律和禁令》和《恒动三性当头工作纪律与禁令》。
●恒动的经营理念
使全员以高价值的劳动创造高价格和整体美好的生活。
是838线后最重大的经营理念。
●恒动人的主人翁意识
①谁主恒动?我主恒动!②我要达标、我要参与、我要
监督!③我就是恒动,恒动就是我!这是838线后最重大的人文意识。
●恒动职工相当部分已近中老龄,如何发挥?如何安置?
动力有限元法 篇6
摘 要:结构损伤识别方法是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分,也是目前国际上工程界研究的热点问题,具有很强的工程背景和重要的实用价值。基于此,提出了一种基于可降阶有限元模型与自适应均方误差的损伤检测方法对线性结构和非线性结构进行损伤识别,同时通过试验数据来验证该方法对结构损伤预测的有效性。试验结果说明,该方法能有效识别钢筋混凝土结构的时变非线性参数,包括刚度,强度衰减量及结构的箍缩效应,给工程实践提供重要参考价值。
关键词:有限元模型;损伤识别;强度衰减;捻缩效应
中图分类号:U441.4 文献标志码:A 文章编号:1672-1098(2015)02-0053-07
The Structural Damage Identification Technology Based on the
Finite Element Method for Reinforced Concrete
MA Zhao, QIANG Yu-ming
(Shaanxi Open University, Xi'an Shaanxi 710119, China)
Abstract:Structural damage identification is the important aspect of the bridge structural health monitoring system; it is also a hot topic in international engineering field at present and it has very important engineering background and practice value. Based on this, it was proposed that a combination of the reduced-order finite-element model and the adaptive quadratic sum-square error with unknown inputs method identifies the damage of linear and nonlinear structure, and the experimental data of the test is used to illustrate the performance of the proposed damage identification method. The experimental results showed that the proposed damage identification method is capable of identifying time-varying nonlinear parameters, including stiffness and strength degradations as well as the pinching effect, which provides an important value for engineering practice.
Key words:finite-element model; damage identification; strength degradation; pinching effect
在结构的服役过程中,由于环境载荷、材料老化、疲劳效应、腐蚀效应等导致结构损伤迅速扩展,使得整个结构毁坏,造成突发性灾难事故,因此,研究结构的早期损伤检测、诊断对结构的安全性具有重要意义[1-2]。关于结构损伤的定量化评价,常采用有限元方程法,而伴随有限元方程引入的大量自由度,使得求解时变结构参数变得非常复杂,同时需要大量的测试传感器。基于此,文献[3-4]提出了一种基于未知输入参数的可降阶有限元方程与自适应均方误差的损伤检测方法来识别线性结构损伤。本文将这种方法应用于非线性钢筋混凝土损伤检测,并利用试验数据来验证该方法的有效性。
选取两种结构模型来模拟该双层钢筋混凝土框架结构的动力学特性,包括:① 一个等效线性时变扭转弹簧系统;② 一个由时变弹性元件和塑性铰组成的非线性模型。采用一种具有强度和刚度退化以及捻缩效应的光滑滞回模型来代替塑性铰的滞回性能,根据未知输入的可降阶有限元模型与自适应均方误差算法,对一个双层钢筋混凝土框架进行振动台试验测试,验证本文提出的损伤检测方法的性能与效率,得出相关的结论。
1 试验系统物理模型及有限元模型
11 物理模型的建立
试验中测试的双层钢筋混凝土框架的整个建筑高度198 m, 层高098 m,平面尺寸为:218 m×15 m,每层重2吨,设计的一阶固有频率为12 Hz,结构的具体尺寸如图1所示。在振动台上施加不同强度的白噪声和集集地震激励,检测结构在不同激励强度下的损伤程度[5]。
在试验中,每层结构和振动台上安装加速度传感器,测量每层的加速度响应1和2以及振动台的加速度0,采样频率为200 Hz,最后根据试验数据进行结构损伤识别及时变参数的识别。
图1 双层钢筋混凝土框架的实体模型12 有限元模型的建立
双层钢筋混凝土结构的每个支柱和横梁被分解成三个有限单元,并根据静力凝聚法,每个有限元运动方程被缩聚为两个自由度的降阶系统。首先,将结构缩聚为一个具有时变系统参数的等效线性结构,比如时变刚度,利用损伤检测技术来追踪每个结构有限单元的刚度退化。然后,将结构看成节点单元为塑性铰的非线性结构,每个塑性铰具有光滑滞回特性,并考虑其刚度、强度退化和捻缩效应,对应的有限元模型如图2所示。
根据有限元方程,n自由度复杂非线性结构的运动矢量方程可表示为[6-8]:endprint
(2)
式中:η*为f*(t)的激励影响矩阵;η为f(t)的激励影响矩阵。
13 结构边界条件的处理
在结构分析中,节点一般为铰接或完全刚性连接,因为节点的性能是导致结构垮塌的关键因素。在半刚性连接的多种可能形变模式中,最重要的是因弯曲运动引起的旋转变形。因此,根据有限元模型中连接刚度的降低量可定量检测结构节点的损伤。将2个横梁和4个立柱划分为18个单元,整个系统的刚度矩阵有4个单元组成(柱单元,下端节点有旋转刚度的柱单元,两端节点可旋转的梁单元,两端节点可旋转和平移的梁单元)。
图2a中,Ei,Ii和Li分别为结构中第i个单元的杨氏模量,惯性矩和单元长度。ki是第i个单元的等效刚度,kθi是梁、柱连接处的旋转刚度,αi是旋转刚度因子,因此,节点处的损伤可由旋转刚度kθi的衰减量确定。
(4)
图2b中,用塑性铰代替图2a中的旋转弹簧,双层结构的非线性有限元模型包括18个弹性单元和6个弹性铰。利用退化滞回模型描述塑性铰行为[9],对于该滞回模型,考虑到捻缩效应,刚度和强度退化,一个塑性铰可用屈服后弹簧(KP)、滞回弹簧(Kh)和滑锁弹簧(Ks)三个弹簧来替代,其中,屈服后弹簧:
KP=αPK
(5)
式中:K弹簧初始刚度;αP弹簧屈服前后刚度比。
滞回弹簧:
(6)
式中:fn滞回弹簧标准强度; f*作用在滞回弹簧和滑锁弹簧上的力;η卸载曲线形状控制参数;Φ, ψ分别定义第i个循环刚度、强度的退化。
滑锁弹簧:
2 基于试验数据的损伤识别
根据一个等效线性时变结构和一个由弹性时变单元和塑性铰组成的非线性结构,建立双层钢筋混凝土模型。利用试验数据和损伤识别技术识别两种模型的未知时变结构参数,具体的试验激励参数如表1所示。
图4 载荷6(a)下加速度响应的识别值与测量值
在5(b)和6(a)载荷下,对比响应加速度的预测值与响应加速度的测量值,发现有限元预测值与试验测试值具有很好的一致性。因此,根据提出的输入未知的自适应均方误差算法,通过执行自适应矩阵算法能很好的预测时变参数的改变量。
不同载荷序列下结构参数值的确定如图5~图7所示,在连续加载条件下,随着振动载荷强度的增加,每个结构单元的惯性矩和旋转刚度降低,用每个结构单元的惯性矩衰减量来表示刚度衰减量。
加载强度/(cm·s-2)
1. 惯性矩I1c,1; 2. 惯性矩I2c,1; 3. 惯性矩I3c,1; 4. 惯性矩I1c,2; 5. 惯性矩I2c,2; 6. 惯性矩I3c,2
图7 不同载荷序列下,梁旋转刚度参数的确定
可降阶有限元方程与自适应均方误差法能在输入参数未知的条件下,对未知结构参数值进行确定。因此,现场测试过程中所需的传感器减少,并根据此方法对图1所示的双层钢筋混凝土框架结构在输入参数未知条件下的结构损伤进行了确定。在表1的载荷序列下,根据可降阶有限元方程与未知输入参数下的自适应均方误差法,预测出的未知参数值随载荷的变化如图8~图10所示。将该预测值与测量值进行比较发现,两者非常接近。
刚度kθ,c3
图10 不同载荷序列下柱,梁旋转刚度参数的确定
另外,采用参数识别方法,可计算出未知输入参数和时变参数。在载荷7(a)和8(a)下,结构在地震激励下加速度测量值与识别值随时间变化的关系如图11~图12所示,测量值和通过计算得到的识别值具有很好的一致性,这表明基于可降阶有限元方程与自适应均方误差的损伤检测方法在未知输入条件下都能有效识别结构参数,从而判断结构损伤程度。
图12 载荷8(a)下加速度响应的识别值与测量值22 非线性塑性铰模型的识别
对于非线性模型,线性模型中的旋转刚度被具有滞回特征的塑性铰取代。根据图2的对称性,三个独立的塑性铰分别为PL1, PL2, PL3。 每个塑性铰包含8个未知的滞回模型参数,整个双层结构包括24个未知的滞回模型参数,10个惯性矩参数以及2个阻尼系数参数,θ可表示为
(9)
式中:θ 的前8个元素为第一个塑性铰的未知滞回参数。
根据测得的每层的加速度响应,利用可降阶有限元方程与自适应均方误差法,可确定出36个未知参数值,根据塑性铰刚度和强度的衰减量可判断该双层结构的损伤程度。参数的初始赋值为
不同载荷序列下,线弹性单元未知惯性矩参数的识别值如图13~图14所示,对比图5~图7可以看出,非线性模型的惯性矩参数衰减量小于线性模型的衰减量,这是因为非线性模型的能量通过塑性铰耗散的。
加载强度/(cm·s-2)
1. 惯性矩I1c,1; 2. 惯性矩I2c,1; 3. 惯性矩I3c,1; 4. 惯性矩I1c,2; 5. 惯性矩I2c,2; 6. 惯性矩I3c,2
图13 不同载荷序列下柱体惯性矩参数的确定
图14 不同载荷序列下梁惯性矩参数的确定
另外,计算了3个塑性铰的刚度,在不同载荷序列下,这3个塑性铰的刚度、强度衰减因子值如图15~图16所示。在前5个激励载荷,强度从200 cm/s2到600 cm/s2下,塑性铰刚度、强度的衰减很小,随着激励强度的提高,塑性铰的刚度、强度衰减较为显著。
图15 不同载荷序列下塑性铰的刚度衰减因子
图16 不同载荷序列下塑性铰的强度衰减因子
在8(a)载荷下,各层加速度相应的测量值与识别值对比如图17所示,加速度的识别值和测量值具有很好的一致性。因此,提出的可降阶有限元方程与自适应均方误差法预测能在输入参数未知条件下,给出较为准确的预测值,其对结构的定量损伤评定是可信的、准确的。endprint
图17 载荷8(a)下加速度响应的识别值与测量值
3 结论
1) 利用可降阶有限元方程及自适应均方误差法,建立了试验系统的有限元模型并确定了边界条件,通过试验验证,该模型能够有效预测结构的损伤。
2) 对线性和非线性双层钢筋混凝土结构的时变参数进行了确定,并对钢筋混凝土结构的刚度,强度衰减量及结构的箍缩效应进行了预测,预测结果与试验结果基本吻合,验证了模型的合理性。
3) 通过实验数据对提出的结构损伤识别方法进行验证,验证结果说明该方法能有效的识别出钢筋混凝土结构的时变非线性参数,包括刚度,强度衰减量及结构的箍缩效应,对指导工程实践具有重要的参考价值。
参考文献:
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[3] J N YANG, H HUANG, S PAN.Adaptive Quadratic Sum-Squares Error for Structural Damage Identification [J]. ASCE Journal of Engineering Mechanics, 2009, 135(2): 67-77.
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[5] J H WENG, C H LOH, J N YANG.Experimental study of damage detection by data-driven subspace identification and finite-element model updating[J]. ASCE Journal of Structural Engineering, 2009, 135(12):
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铁路路基动力特性有限元分析 篇7
路基是轨道结构的基础, 是以密实的土、石构成的土工结构物。铁路线路沿线地质状况复杂, 路基类型多样。由于列车荷载的重复作用和长期受外界环境对路基的影响, 就是同一类型的路基其性能也各不相同。土的多样性、荷载的随机性和重复性及性状的多变性是与一般土工结构物相比不同的其突出特点。
目前, 学者们对铁路路基动力响应有限元问题进行了大量的研究, 雷晓燕[1]、梁波[2,3]等分别考虑路基动态响应的特点和主要影响因素对上部结构进行适当简化, 建立了轨道-路基耦合模型, 有利地促进了高速铁路路基的动态响应研究。本文就是在分析高速列车波动引起的动态响应, 利用有限元软件建立高速铁路3D路基动力分析模型, 在总结和吸收前人研究成果的基础上, 结合我国高速铁路路基的动力特性, 对影响路基动力特性的因素进行研究。
2 有限元模型建立
对轨道-路基系统的三维动力性能进行研究的关键就是建立一个合理的计算模型。首先根据路基断面结构, 利用有限元软件, 建立基于轨道-路基体系的三维有限元模型, 确定模型的计算参数, 选用合理的高速列车荷载作用下路基的三维模型进行分析。为了考察节点沿深度的时程变化规律我们选取了有代表性的三个节点, 编号分别为 (1) (86235节点) 、 (2) (81703节点) 、 (3) (75188节点) , 如图1所示。
3 路基速度时程分析
观察列车荷载作用下不同深度节点的速度分析曲线图 (见图2) , 我们可以明显地看出, 路基在列车振动荷载作用下节点速度X、Y、Z轴方向时程曲线, 都是随着深度的增加对其速度时程影响越来越小, 速度时程曲线的波动幅度越来越小, 但节点速度X、Y、Z轴三个方向时程曲线变化规律都是一致。
3.1 节点速度X轴方向时程曲线变化规律, 近似正弦波的形式, 先向负的方向波动, 达到一个峰值, 然后增加, 直至达到0, 继续增加, 达到一个正的峰值点, 再下降到第二个负峰值时, 曲线开始强烈的波动, 然后增加再下降回到最初的0点, 趋于平稳。值得注意的是, 在第一个正峰值点处于路基最上面位置的节点有小的波动情况。但随着路基深度的增加, 速度时程曲线波动越来越小, 曲线变化规律基本一致。
3.2 节点速度Y轴方向时程曲线变化规律, 先是向负方向变化, 在负向产生两个波动点, 然后逐渐增大达到正值, 同样, 在正方向也产生两个波动点, 再逐渐减小, 减小到负值, 有一个小负峰值点, 但相对于前两次的两个负向波动点数值相对要小得多。但随着路基深度的增加, 速度时程曲线波动越来越小, 曲线变化规律基本相同。
3.3 节点速度Z轴方向时程曲线变化规律, 先是向负向增加, 越来越大, 直至达到峰值点, 才不断增加, 达到正值后, 仍然不断增加, 达到正向峰值点, 然后下降, 回到0点。值得注意的是, 负向峰值的明显大于正向峰值2-3倍。但随着路基深度的增加, 速度时程曲线波动越来越小曲线变化规律基本相同。
4 结论
路基在列车振动荷载作用下节点速度X、Y、Z轴方向时程曲线, 都是随着深度的增加对其速度时程影响越来越小, 速度时程曲线的波动幅度越来越小, 但节点速度X、Y、Z轴三个方向时程曲线变化规律都是一致的。
参考文献
[1]雷晓燕, 陈水生.高速铁路轨道结构空间动力分析[J].铁道学报, 2000, 22 (5) :76-80.
[2]梁波.高速铁路路基的动力特性及土工合成材料的应用研究[D].成都:西南交通大学, 1998.
动力设备作用下楼板有限元分析 篇8
关键词:动力设备,有限元,楼板计算,动力响应
1 工程概况
在现代工业建筑设计中, 振动设备置于楼板上的情况越来越多, 废石胶带驱动站是一类比较特殊的结构, 驱动设备的功率一般很大, 同时由于矿石转运的需要, 胶带头部的驱动设备需要置于二层楼板, 这就对楼板的安全性及舒适性都有着较高的要求。江西某铜矿废石胶带驱动站为目前国内规模较大的废石胶带驱动站, 楼板跨度15 m, 在设计过程中采用有限元软件ANSYS进行了静力及动力荷载作用下的响应分析, 验证了结构的可靠性。
该驱动站为两层的钢筋混凝土与钢结构结合的混合结构, 二层楼板为一块三面支撑一侧悬挑的厚板, 悬挑侧楼板跨度16 m, 受力情况比较特殊, 也是本工程最为关键的部位。
2 有限元计算
2.1 计算条件
有限元软件采用ANSYS, 模型中需要较准确模拟结构单元 (墙、板、柱) 之间的连接刚度。为全面考虑周边构件对二层楼板的边界约束作用, 建立包括周边柱、底层剪力墙、屋面结构在内的整体模型 (见图1) 。
通过对三边简支 (固定) 、一边自由板分别采用壳单元和实体单元建模计算的对比发现, 对比二层楼板 (属于中厚板) 两种单元计算结果十分接近, 简化起见, 采用壳单元计算是完全可行的。荷载作用于楼板上表面、中面两种情况的结果接近, 简化起见将荷载作用于楼板中面。
主要构件尺寸:柱子2.0 m×1.0 m, 1.0 m×1.0 m, 剪力墙厚度1.0 m, 楼板厚度取1.8 m, 板顶高度6.8 m, 悬臂边的梁高2.5 m, 宽1 m, 板内两道梁高1.8 m, 宽1 m。混凝土材料密度2 500 kg/m3, 弹性模量31 000 MPa, 泊松比0.2。
荷载包括恒活两部分, 其中恒荷载包括结构自重、设备自重以及物料荷载, 其中设备自重有电机和头部支架两部分。结构自重和设备自重的施加通过在相应节点上施加质量单元来实现, 同时考虑其对动力特性的影响。活荷载部分包括楼面分布活荷载、启动工况的胶带张力、CMS上的活荷载、楼板底面的吊车荷载以及电机运转时的周期荷载 (见表1) 。
荷载工况:
静力分析:1.35×恒荷载+1.3×活荷载。
模态分析:1.0×恒荷载+0.5×活荷载。
动力时程分析:电动机开始启动 (持时5 s) →平稳运行 (持时5 s) →刹车至停止 (持时5 s) →自由振动 (持时5 s) 。
动力时程分析:电动机开始启动 (持时15 s) →平稳运行 (持时15 s) →刹车至停止 (持时15 s) →自由振动 (持时5 s) 。
动力时程分析:电动机开始启动 (持时110 s) →平稳运行 (持时5 s) →刹车至停止 (持时110 s) →自由振动 (持时5 s) 。
谐响应分析:对本工程电机运转的周期激励荷载 (0 Hz~30 Hz, 18 t×1.3) 产生的结构动力反应进行计算。
2.2 静力计算
楼板应力分布见图2。
在1.35×恒荷载+1.3×活荷载工况作用下, 楼板的竖向挠度变形分布如图3所示。楼板挠度变形分布基本轴向对称, 最大变形位置位于悬挑边的中点, 挠度约为2.2 mm。由应力分布图看出, x方向应力局部达到1.8 MPa;y方向局部应力达到6.4 MPa, 总体应力水平很低。
2.3 动力分析
通过模态分析得到楼板结构前10阶自振周期结果见表2。
在本工程的计算中采用ANSYS中的瞬态动力计算方法, 对电动机启动直至平稳运行全过程进行跟踪计算, 得到结构的力学响应。
模拟的工况:电动机开始启动→平稳运行→刹车至停止。全过程考虑的荷载包括静力荷载 (自重荷载等, 在整个过程中保持恒定值) 、启动及刹车时A, B支架的冲击荷载, 以及运行时电机的频率为25 Hz的周期荷载。根据所给资料, 计算两种情况:冲击荷载作用时间分别定为5 s和15 s, 可将其看作持时5 s和15 s的矩形冲击波;电机的周期荷载根据资料其激励频率为25 Hz, 将其看作频率为25 Hz的正弦波。即工况1:电动机开始启动 (持时5 s) →平稳运行 (持时5 s) →刹车至停止 (持时5 s) →自由振动 (持时5 s) ;工况2:电动机开始启动 (持时15 s) →平稳运行 (持时15 s) →刹车至停止 (持时15 s) →自由振动 (持时5 s) 。工况1及工况2楼板的竖向挠度见图4, 图5。
完全积分时程算法采用完整的质量、刚度、阻尼矩阵, 计算量大但结果准确。ANSYS中动力分析的阻尼包括常阻尼、材料阻尼、单元阻尼、瑞利阻尼等类型。通常完全积分算法采用瑞利阻尼, 对于本工程阻尼比取0.05, 取第1阶与第5阶楼板自振频率进行插值。计算中首先将静力荷载全部施加于结构上, 然后施加启动冲击荷载以及电机周期激励荷载, 模拟系统经历静止→启动→正常运转→停机的全过程。计算总时长分别为20 s和50 s。
对于工况“电动机开始启动 (持时110 s) →平稳运行 (持时5 s) →刹车至停止 (持时110 s) →自由振动 (持时5 s) ”的分析结果, 基本同以上两种工况, 故不再赘述。
2.4 谐响应分析
ANSYS中谐响应分析主要用来计算一定频率范围内的正弦周期荷载激励下结构振动达到稳态时的动力反应。在此, 采用谐响应方法对本工程电机运转的周期激励荷载 (25 Hz, 18 t×1.3) 产生的结构动力反应进行计算, 结果如图6所示。
图6中横坐标为正弦周期荷载激励的频率, 纵坐标为楼板最大动力反应挠度值, 图6表示的是在不同频率的激励荷载下楼板的动力反应。可以看到, 当电机荷载激励的频率为16 Hz时, 与楼板本身自振频率接近, 此时楼板的挠度响应增大, 但也只有0.27 mm。对于本工程, 电机荷载激励的频率为25 Hz, 楼板的挠度响应为0.03 mm, 十分微小并且此数值与动力时程计算稳态时楼板的振动幅值一致, 证明了计算结果的可靠性。
2.5 计算结果分析
由有限元静力及动力分析结果, 标高6.800处结构楼板最大挠度出现在15 s工况电机制动时, 最大挠度为2.58 mm, 满足规范要求。静力分析的变形结果可以看出, 垂直和水平两个方向的变形值比值为100∶1.8∶5.8, 即楼板的总变形值中垂直分量占了绝大一部分, 水平方向的分量基本可以忽略。
启动阶段、正常运行阶段及制动阶段可以得到类似的结论, 其中制动阶段, 楼板的变形响应最大, 挠度值达到2.58 mm, 是静力分析结果的117.3%, 挠度与跨度的比值为2.58/16 000=1/6 200。
楼板中应力分布情况如下:x方向应力局部达到1.8 MPa;y方向局部应力达到6.4 MPa。折算混凝土最大主压应力小于7.0 MPa, 而C30的混凝土抗压强度设计值为14.3 MPa, 混凝土最大正应力与允许压应力比值小于0.5, 总体应力水平很低。
关于共振及振动对结构的影响:本工程设备强迫振动频率与结构自振频率之比1.633;设备强迫振动频率与结构自振频率两者相差63.3%。由于是高频设备 (结构无法做到自振频率高于设备频率) , 故在设备启动和制动过程中有极短的时间段, 设备频率越过结构频率。根据谐响应分析结果可以看出结构仍处于安全状态。
3 结语
本文通过建立全尺寸结构有限元模型, 对带有驱动设备的楼板进行静力及动力全过程分析, 结果表明, 楼板结构在电机动力荷载作用下的响应满足规范要求, 在以后类似的大型工业或民用建筑中可采用此类的结构形式。
参考文献
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地震下单桩动力响应的有限元模拟 篇9
桩基础是深基础中最常用的一种形式,它能较好地适应各种地质条件及各种荷载情况,具有承载力大,稳定性好,沉降值小等特点,随着桩基工程的迅速发展和人类防震减灾的迫切需要,桩基础的抗震性能已经成为当今土木工程界的一个重要研究热点。桩基抗震的理论研究还不够成熟,有待于进一步研究。本文采用ANSYS结构分析软件对单桩在地震荷载下的动力响应进行了分析,为进一步研究桩基的抗震性能提供了参考。
1 建模方法
1.1 粘—弹性人工边界
把利用粘性阻尼器和线性弹簧组成的人工边界称为粘—弹性边界。建模时为操作方便,每一条人工边界的极坐标取相同数值,取为由坐标原点到人工边界的最短距离。
1.2 地基土的模型选择
采用理想弹塑性Drucker-Prager模型,即ANSYS中的D—P模型。
1.3 阻尼模型及阻尼比的选择
动力分析中阻尼比的计算值对结果有很大的影响。采用瑞利阻尼,为简化计算只取前两阶频率,并参考文献[1]单桩的阻尼比取0.05,土体的阻尼比取0.1。
1.4 对称性的利用
利用对称性,将平面体系一分为二,取体系的1/2为研究对象,对称面加上正对称边界,并约束边界上节点的转动和位移。
1.5 网格划分
采用三维八节点空间等参块体单元对桩与地基进行离散。网格的单元高度取波长的1/5~1/8,单元的水平方向长度比其高度尺寸限制要求不甚严格,它取决于土层的情况,一般取单元高度的3倍~5倍[2]。
1.6 桩土接触界面上的状态非线性模拟
由于强震时在结构与地基土或回填土之间的交界面上位移水平可能较高,进入非线性工作状态,接触面上就不可避免地会发生相对滑移、局部脱离等非连续现象,使近场地基土的应力发生重分布,在一定的荷载条件下,界面又会在张开后重新闭合。利用ANSYS提供的接触分析的功能,将桩基础与地基土定义为面面接触。基于求解器的直接约束法既能保证有限元网格不发生穿透,使有限元疏密网格界面两侧各相应点的位移和应变在界面上协调,又不必过多考虑节点的协调关系。选择合理的参数,即可实现土与桩界面上的粘结、滑移、脱离与再闭合的状态模拟。
1.7 地震波的输入方法
由于缺乏工程实地处的地震观测记录,本文计算时采用EL-Centro地震波(震级M=7.1,震中距50 km,最大加速度NS分量为3.417 m/s,持续时间30 s)的前20 s加速度记录作为输入的地震荷载。而根据GB 50011-2001建筑抗震设计规范[3]中规定,抗震设计烈度为8度,设计基本加速度值为0.20g。因此将EL-Centro地震记录南北分量地震加速度乘以一常数,使最大加速度等于1.96 m/s2。经验表明,系统反应的最大值往往发生在记录中振动最强烈部分结束后的几个自振周期内,因此对此后的记录不必进行计算。因此本文取EL-Centro地震波的前部进行计算即0 s~5 s段。
2 算例分析
算例中桩基础为钢筋混凝土单桩,桩端与基岩固结,埋置于均匀土中。桩长L=20.0 m,直径d=0.8 m,杨氏模量Ep=2.38×107 kPa,泊松比vp=0.167,质量密度ρp=2 500 kg/m3,桩顶加载EL-Centro地震波。地基土的性能参数如下:表层为粉土,厚度20 m,密度1 600 kg/m3,变形模量18.5 MPa,粘聚力22.0 kPa,泊松比0.3,内摩擦角27.2°,平均剪切波速160 m/s。下为基岩,桩底嵌入基岩。
2.1 桩土接触压力时程
为了检验桩土接触的模拟情况,因此提取EL1工况桩顶下2 m处的时程曲线,如图1所示。由桩—土接触压力时程曲线可以得出,存在着接触压力为零的状态,也就是说桩土之间存在着闭合—分离—闭合的状态,因此说明本文的建模方法能够模拟桩土间的状态非线性,即桩—土的分离。
2.2 桩顶上部荷载的影响
实际工程中,如果不考虑上部结构的作用,所得结果往往会和实际情况相距甚远,因此参考价值也大大降低。例如桥梁、公路、高架桥以及厂房等等,这些工程的上部结构对其基础的作用是很大的,尤其在横向荷载作用下,由于惯性作用,桩顶处的受力明显不同,而沿深度桩基的受力显然和不含上部结构的情况不同。故考虑到上部荷载对桩基础有惯性作用,用ANSYS里的集中质量单元(mass21)来实现加载,M=100 t。
人工边界下不考虑上部荷载为EL2工况,人工边界下考虑荷载为EL3工况。两种工况荷载和应变的变化趋势相同(见图2)。
3结语
1)从桩—土接触压力时程曲线图上可以看出,存在着接触压力为零的状态,也就是说桩—土之间存在着闭合—分离—闭合的状态,因此说明本文的建模方法能够模拟桩—土间的状态非线性,即桩—土的分离。
2)考虑竖向荷载的工况下:桩顶的位移时程峰值、加速度峰值,以及沿桩身的弯矩和剪力都比不考虑竖向荷载的工况下要小。说明上部荷载对桩顶有一定的约束作用,一定条件下竖向荷载有利于基础的安全。
3)距桩顶1/3附近处横向位移较大,存在两个危险截面:a.在距桩顶1/3桩长附近处横向应变和弯矩都比较大;b.在距桩底1/10桩长左右处横向应变和弯矩也比较大。因此,桩基础桩底处采用扩孔桩,对承受横向荷载和竖向荷载都有很好的工程效果。
参考文献
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[3]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
动力有限元法 篇10
大口径自行压制火炮作为陆军地面的主要火力压制力量和支援力量,其自动化水平、战斗机动性和火力机动性越来越引起各军事强国的关注。其爆发射速和持续射速成为火炮的重要战技指标,而装填自动化是提高这项指标的有效途径之一。弹药自动装填技术是大口径自行火炮武器系统的关键技术之一,是世界各国竞相研制和发展的重点[1]。目前国外先进的自行火炮有俄罗斯1988年装备的2C19(西方称2S19)式152mm自行榴弹炮,自动装填弹丸,发射药由半自动装填机装填,最大发射速度为达8发/分钟[2];德国1996年开始列装的PzH2000自行火炮,实现10发/分钟或20发/3分钟的理想发射速率,但为纯手工装填发射[3];瑞典2008开始装备的“弓箭手”FH-77BW式155毫米自行榴弹炮,能进行3发/15秒的急促射,2.5分钟内发射完20发弹;美军2009年开始装备的新型M109A6-PIM自行榴弹炮采用了为“未来战斗系统”非直瞄火炮NLOS-C研制的自动装弹机,最高射速超过12发/分钟[4,5]。本文所针对的某型自行火炮的药筒装填方式仍为人工装填,极大限制了火炮的发射速度。提出设计一种药筒装填机械臂,以实现该型自行火炮弹药装填的自动化,提高自行火炮弹药装填效率。本文在对装填机械臂运动学、静力学、本体结构设计及轨迹规划分析的基础上,通过构建装填机械臂虚拟样机,对其进行动力学仿真,从而得到各关节参数,为关节电机选型提供依据,将仿真结果反馈给结构设计,进而建立交互式设计模式。
1 实体样机建立
1.1 总体结构设计
依据机器人设计手册并结合机械臂的实际任务要求确定机械臂驱动系统、驱动器、驱动方式、本体材料、电机布置等机构方案,运用CAD二维画图软件画出机械臂各部结构图及总体装配图。
1.2 三维实体模型建立
依据机械臂本体结构设计采用3D MAX建立装填机械臂三维实体模型,如下图所示:
1.3 机械臂质量、质心位置及惯性矩参数的测量
借助Pro/E软件对模型质量、质心位置及惯性矩参数的测量性能,将模型从3D MAX逐个单元导入Pro/E,把3D MAX中的实体模型零件保存为DXF文件格式,在Pro/E中打开并进行装配,测得参数如下:
2 虚拟样机建立及仿真
2.1 Pro/E与ADAMS软件接口
Pro/E中的MECHANISM/Pro模块集成有ADAMS的分析功能,但只能作简单的运动学分析,两者采用无缝连接的方式,使得Pro/E用户可以不必退出其应用环境,就可将在Pro/E中装配好的复杂模型直接转入ADAMS中进行仿真分析。另外也可以先在Pro/E中生成cmd文件,然后再由ADAMS导入。而ADAMS提供了很多模型参数化方法和参数分析方法,能够自动进行仿真和运动学动力学分析,并得到可视化的数据结果,提高机构分析效率[6]。
2.2 虚拟样机仿真分析
按照真实的受力、功能和连接关系将部件组合成目标模型。机械臂的三维实体模型包括导轨、底座、大臂、小臂、腕部。各部件尺寸、质量及惯性矩,每条臂与两个转动关节相连接,底座与导轨间采用移动副连接。整个机械臂为开链机构,简化条件为底座及机械臂均为均质刚体,忽略关节间的摩擦力。
设置仿真时间为1s,设置仿真步数为150,建立各转动副的速度函数,即在第四章中优化后的2、3、4关节角速度函数,对末端执行器施加载荷,即药筒最大重量500N。
2.3 仿真结果
3 结果分析
通过动力学仿真,得到装填机械臂各关节在X、Y、Z三个方向的力矩。结果表明,关节2承受的力矩最大,关节3和关节4承受的力矩相对较小。各关节力矩总体波动不大,但在各关节绕Y轴的扭矩出现了明显的突变,可知在底座与大臂、大臂与小臂以及小臂与腕部的连接处存在较大的倾覆扭矩。因此,需对这些连接处进行强度校核,验证结构强度和刚度。
注:本章仅以主药舱中最下方药筒的装填为例进行分析,动力学最终结果应综合考虑对所有药筒进行装填后的动力学分析结果,分析方法同理可得。
4 杆件有限元分析
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段[7]。本为使用有限元分析软件ABAQUS对小臂结构进行有限元分析,并依据得到的杆件应力分布进行强度分析。
4.1 杆件应力分析
对小臂两端关节处施加由动力学仿真得到的X、Y、Z向变化力和力矩,对小臂结构进行动态有限元分析以用于校核强度,结果如下:
4.2 杆件应变分析
5 结果分析
有限元分析结果显示,小臂应力主要集中在与腕部连接的关节处,最大应力为3.101MP,该值远小于杆件材料的屈服强度,构件变形量很小可忽略不计。因此,通过对机械臂小臂结构的有限元分析可知,所设计的小臂结构强度、刚度满足条件,其它臂杆的结构同理可验证。
6 电机参数的确定
依据轨迹优化结果[8],确定各关节转角范围、最大转速、最大角加速度,依据本章动力学分析结果,确定各关节最大转矩、最大功率,参数如表1所示,并依据以上参数选取合适的电机。
根据以上参数,选择电机型号如下[9]:
关节2电机:
关节3电机:
关节4电机:
7 总结
(1)本章根据第三章中对机械臂本体结构的设计,建立机械臂三维实体模型,导入ADAMS中构建虚拟样机,再对各关节添加运动副,对末端执行器添加载荷,对各关节添加motion,并在motion中输入优化后的关节空间轨迹函数。(2)仿真得到各关节以时间为变量的力矩变化曲线,用该结果对运动学和静力学分析结果进行修正,再反馈给结构设计,从而形成一种交互式结构设计模式。(3)将动力学分析得到的小臂关节受力和力矩动态变化值添加到小臂两端关节处,对小臂的应力和应变进行有限元分析,校核小臂的强度和刚度,结果表明小臂最大应力为3.101MP远小于合金钢许用应力值,且应变也可忽略不计。
因此,通过动力学分析和有限元校核证明了结构设计符合操作任务对其强度和定位精度的要求。
摘要:基于某型自行火炮药筒仍为人工装填,极大的限制了火炮的发射效率,本文提出采用机械臂代替人工装填药筒,完成该型火炮弹药装填的全自动化。通过建立装填机械臂三维实体模型,导入在ADAMS并构建虚拟样机进行动力学仿真,求得机械臂各关节力矩,对杆件进行有限元分析,校核杆件强度及变形。动力学及有限元分析结果为装填机械臂控制系统设计奠定了基础,同时为关节电机选型提供了依据,对运动学和静力学分析所得的关节参数进行修正,形成交互式设计模式不断优化机械臂本体结构。
关键词:机械臂,本体结构,动力学仿真,有限元
参考文献
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[8]王鑫,韩国柱.基于遗传算法的装填机械臂轨迹多目标优化设计.计算机技术与发展.
动力有限元法 篇11
关键词:正三棱柱;吸声体;有限元;模态
中图分类号:TU05 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0005-02
1引言
吸声体是建筑声学设计中的主要结构形式之一,当入射声波频率和系统固有频率相等时,吸声效果最好,系统固有频率取决于吸声体本身的材料、孔距、孔径等因素的影响。[1]在薄板上穿孔,并离结构层一定距离安装,形成穿孔板共振吸声结构,其吸声原理可由亥姆霍兹共振器加以说明。[2]本文采用有限元法,研究了正三棱柱吸声体声学模态分析,通过改变穿孔板厚度、孔径、穿孔率和材料,来分析正三棱柱吸声体的固有频率、模态分布和吸声性能的变化。
2吸声结构模态分析
2.1有限元模型的建立
图1正三棱柱有限元模型
在图1中,正三棱柱的边长均为300 mm,板的厚度均为4 mm,材质为胶合板,所围合部分为空腔。周边骨架为轻钢龙骨架,其规格为20 mm×20 mm×2 mm。胶合板的密度为600kg/m3,弹性模量是5 300 MPa,泊松比是0.1。轻刚龙骨的弹性模量为206 GPa,泊松比是0.3,密度是7 850 kg/m3。
2.2参数的选择
表1吸声体的模型参数
穿孔板材料穿孔直径 / mm穿孔板厚度 / mm穿孔率 / %
模型1胶合板640.9
模型2胶合板540.9
模型3胶合板670.9
模型4胶合板673
模型5轻钢板640.9
2.3吸声体参数对模态的影响
采用ANSYS中的“Shell63”单元和“Beam4”单元来分别模拟吸声板和龙骨,建立以悬挂为主体的正三棱柱吸声体有限元模型。然后利用BlockLanczos法,对该有限元的前十八阶固有振动特性进行求解。模型1、模型2、模型3、模型4、模型5,前十八阶模态频率结果见表2。
表2正三棱柱吸声体的特征频率结果
第一阶第三阶第六阶第九阶第十二阶第十五阶第十八阶
模型1219.48220.04446.65449.1656.83798.64803.02
模型2219.81219.86447.49448.4657.73801.25805.33
模型3384.09385.06781.63785.921 149.51 397.61 405.3
模型4384.59384.74782.34783.171 153.41 395.91 405.7
模型5394.25395.25802.09806.631 179.11 433.21 441.7
2.3.1吸声体厚度变化的影响
在其他参数不变的情况下,在模型1中,只将吸声体的厚度由4 mm变为模型4中的7 mm,同样利用BlockLanczos法,对该有限元的前十八阶固有振动特性进行求解,其第六阶模态振型见图2(B)。
(A)模型1第六阶模态分布 (B)模型3第六阶模态分布
(C)模型2第六阶模态分布图(D)模型4第六阶模态分布图
(E)模5第六阶模态分布图
图2正三棱柱吸声结构模态分布图
由表2中的数据可知,改变吸声体的厚度,吸声体的各阶模态频率增大比较明显。模型1和模型3在图2中第六阶模态分布情况经比较可以看出,改变吸声体的厚度,对模态分布影响不大。
2.3.2吸声体穿孔直径变化的影响
在其他参数不变的情况下,在模型1中,只将吸声体的穿孔直径由6 mm变为模型2中的5 mm,同样利用BlockLanczos法,对模型2有限元的前十八阶固有振动特性进行求解,其第六阶模态振型见图2(C)。
由表2中的数据可知,改变吸声体的穿孔直径,吸声体的各阶模态频率变化不是太明显,但也是逐渐增大。模型1和模型2在图2中第六阶模态分布情况经比较可以看出,改变吸声体的穿孔直径,对模态分布影响较大。
2.3.3吸声体穿孔率变化的影响
在其他参数不变的情况下,在模型3中,只将吸声体的穿孔率由0.9 %变为模型4中的3 %,同样利用BlockLanczos法,对模型4有限元的前十八阶固有振动特性进行求解,其第六阶模态振型见图2(D)。
由表2中的数据可知,比较模型3和模型4,在改变吸声体的穿孔率,吸声体的各阶模态频率变化不明显。模型3和模型4在图2中第六阶模态分布情况经比较可以看出,改变吸声体的穿孔率,对模态分布影响较大。
2.3.4吸声体材料变化的影响
在其他参数不变的情况下,在模型1中,只将吸声体的胶合板材料改变为模型5中的轻钢板材料,同样利用BlockLanczos法,对模型5有限元的前十八阶固有振动特性进行求解,其第六阶模态振型见图2(E)。
由表2中的数据可知,改变吸声体的材料,吸声体的各阶模态频率变化较为显著,频率逐渐增大差距也大。模型1和模型5在图2中第六阶模态分布情况经比较可以看出,改变吸声体的材料,对模态分布影响不大。
3结论
吸声体是重要的吸声结构之一,本文通过建立有限元模型,在改变吸声体的影响因素(板厚、穿孔直径、穿孔率、材料)来找出其中的变化规律。经过对比分析得出如下结论:
(1)当吸声体的板厚由4 mm增加到7 mm时,吸声体的各阶模态频率增大比较显著,模态分布变化不大。
(2)当吸声体的穿孔直径由6 mm减小到5 mm时,吸声体的各阶模态频率变化不显著,但对模态分布影响较大。
(3)当吸声体的穿孔率由0.9 %增大为3 %时,吸声体的各阶模态频率变化不明显,但对模态分布影响较大。
(4)当吸声体的材料由胶合板变化轻钢板时,吸声体的各阶模态频率变化较为显著,变化幅度也较其他影响因素大,但模态分布影响不大。
参考文献
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Finite Element Method Alignment Triangular
Prism Sound Absorption Body’s Modal Analysis
Long Wanfeng
Abstract: This article uses the finite element method separately carries on the modal analysis to the perforation plate and the triangular prism. In the parsing process, simultaneously changes the perforation plate and the triangular prism thickness of slab, the perforation diameter, the punching rate and the material four parameters, analyzes the quite natural frequency change and the modality distributed situation through the parameter change. The findings indicated: Change any parameter, the sound absorption body natural frequency increases along with the order assumes the regular change, but the modality distribution change is not big. When change thickness of slab, material, punching rate, the base frequency change compared to changes time the aperture changes in a big way.
动力有限元法 篇12
关键词:非线性,主拉应力,混凝土模型
0前言
地震是一种地球上的突发自然灾害, 其中大地震的爆发会给人群聚居地带来可怕的灾难[1,2]。在人类受到地震的灾害起, 研究人员就试图解决建筑结构在地震作用下的破坏和损伤, 由于受到力学、材料学等学科发展的限制, 目前工程人员要解决的是结构工程学科问题, 现在, 地震作用下非线性响应过程、荷载本身的随机性研究、结构非线性失稳和屈服后直至倒塌的问题还需要研究。其中, 研究的焦点问题主要集中在结构在地震作用下的非线性响应, 以及如何有效预测结构的薄弱环节, 从而避免在地震作用下结构的破坏。本文即是在烈度为7度的地震作用下, 对宿迁大涧河水闸进行了非线性有限元动力分析。
1 混凝土材料非线性本构模型
混凝土材料非线性采用了弹塑性断裂和损伤的混凝土模型, 即运用弹塑性模型描述混凝土受压, 用固定弥散裂缝模型模拟混凝土受拉的本构模型, 该模型有以下特点:模拟混凝土卸载刚度随着损伤增加而降低的特点, 将损伤指标引入混凝土模型之中, 对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减;同时为了更好地模拟混凝土的受压弹塑性行为将非关联硬化引入混凝土弹塑性本构模型中;这样裂缝闭合前后的行为就可以人为控制, 反复荷载下混凝土的反应及应变速率对混凝土应力-应变曲线的影响就可以更好的模拟。混凝土的屈服面, 在受压区为:
参数a0可通过混凝土的单轴受压强度和双轴受压强度加以定义, 反映了静水压力对屈服的贡献, 即
式中, , fbc为混凝土双轴受压强度与单轴受压强度之比, 一般认为在1.16~1.2之间。
应力-塑性应变曲线可以通过硬化参数τc加以定义
塑性流动为关联流动, 其流动法则可以表示为:
式中, c0为参数, 可以通过混凝土单轴和双轴受压行为确定。
rεbc为双轴受压和单轴受压时ε11pl的比值, 一般为1.28。
在受拉区, 用应力-应变曲线定义和用应力-位移曲线定义混凝土受拉曲线。其中, 应力-位移曲线定义相当于混凝土的受拉软化关系用应力-裂缝宽度来定义, 这样与单元尺寸无关的应力-应变软化曲线就可以通过定义的位移除以单元特征长度大小而得到。
对于混凝土受拉的本构模型采用固定弥散裂缝模型模拟, 弥散裂缝模型也被称为分布裂缝模型, 就是将混凝土材料处理为各向异性材料, 利用混凝土的材料本构模型来模拟裂缝的影响, 将实际的混凝土裂缝“弥散”到整个单元中。当混凝土中的某一单元应力超过了开裂应力, 就无需改变单元形式或重新划分单元网格, 而只需将材料本构矩阵加以调整, 易于有限元程序实现, 因此得到了非常广泛的应用[3]。
混凝土弥散裂缝模型的应力应变关系开裂前矩阵为:
当混凝土开裂以后, 就可以处理为各向异性材料。则在裂缝坐标系下, 应力应变的增量关系可以写成
式中, Et为受拉软化模量。
可以采用以下方程概括出整个弹塑性断裂和损伤的混凝土模型:
式中, 式 (1) 定义了考虑损伤时的有效应力;式 (2) 定义了有效应力和弹性应变之间的关系;式 (3) 和式 (4) 定义了混凝土的塑性行为。
比如单轴受力情况下, 混凝土在受压、受拉时损伤引起的弹性刚度退化用损伤指标dc和dt来分别反映, 即
这样就可以模拟混凝土中损伤引起的弹性刚度退化。
对于模拟往复地震荷载的情况, 在ABAQUS的模型中, 用以下式子来定义总的损伤指标。
式中, ωc和ωt为参数。
混凝土动态强度随应变速率的变化, 其计算公式为:
动态抗压强度:
动态抗拉强度:
2 地基土材料非线性本构模型
土体的本构关系采用邓肯-张非线性弹性模型。切线模量为:
式中Et—土的切线模量;
σ1, σ3—大小主应力;
c, φ—土的凝聚力和内摩擦角;
K, n—土的模量系数和模量指数;
Rf—破坏比;
Pa—大气压力。
对于三维问题, 以广义剪应力q代替 (σ1-σ3) , 以平均主应力p代替σ3, 即:
抗剪强度用三维问题的摩尔库仑准则取代 (σ1-σ3) f
式中, θσ为Lode应力角, 按下式计算。
对于三维问题 (4.15) 式改写为:
土体非线性分析采用中点增量法, 计算时考虑拉裂和剪坏的修正, 及固结压力作用历史和卸荷影响。
数值计算所采用混凝土的材料参数为动弹性模量E=3.1×104MPa, 泊松比μ=0.2, 容重γ=26.4 k N/m3, 膨胀角ψ=36°, 极限抗压强度σcu=24.1 MPa, 极限动力抗拉强度σ10=2.9 MPa, 阻尼比ξ=3%。地基土的厚土力学参数为弹模为22 MPa, 泊松比μ=0.25, 粘聚力为30 k Pa。
3 材料非线性有限元计算结果分析
参照水闸抗震设计规范[4]要求, 对宿迁大涧河水闸进行非线性有限元抗震计算。计算中荷载施加顺序为:自重、正常蓄水位静水压力、泥沙压力、规范谱地震荷载 (时程) 。计算网格同前。在烈度为7度地震作用下, 闸体上游闸底板中部第一主拉应力时程曲线如图1, 从图中可知, 最大拉应力发生在4.505 s, 其值为0.91 MPa, 如图2所示 (图中1指的是顺河向, 图2指的是横河向, 图3指的是竖直向) 。
从非线性时程分析计算结果可得, 闸体混凝土最大拉应力为0.91 MPa, 未达到其动态抗拉强度, 所以闸体混凝土未出现损伤;对地基分析可知, 在闸体上游出现的塑性区域, 沿横河向大约为30 m, 顺河向大约为3.8 m左右, 竖直向为1.8 m。在下游出现的塑性区域, 沿垂直河流向大约为30 m, 顺河向大约为2 m左右, 竖直向为1.3 m。
4 结论
本文在考虑在烈度为7度的地震作用下, 对混凝土材料采用弹塑性断裂和损伤的混凝土模型, 对地基土体应用邓肯-张非线性弹性模型, 能够真实地描述混凝土和地基土体的本构关系, 对水闸的抗震分析更趋于实际。其中土体非线性分析时采用了中点增量法, 对大涧河水闸进行了非线性地震响应有限元计算, 发现闸体混凝土最大拉应力没有到达抗拉强度, 闸体并未出现损伤, 而加固处理前的地基出现了一定范围的塑性区域, 但是不影响水闸的正常使用。
参考文献
[1]张今阳.浅谈水闸安全鉴定的现场安全检测[J].工程管理, 2003, 19 (3) :9-10.
[2]张朝稳, 王卫动.水闸枢纽管理[M].郑州:黄河水利出版社, 2002.
[3]李旭红.钢筋混凝土和预应力混凝土框架节点二维抗震性能与设计方法研究[D].福州:福州大学, 2011.
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