空间有限元软件

2024-11-01

空间有限元软件（精选5篇）

空间有限元软件篇1

0 引言

压电材料[1]是一种能够实现电能和机械能相互转化的智能材料, 已被广泛用来制造压电传感器和驱动器。优越的力电转化性能, 使其在智能结构和微电机系统中发挥着重要的作用[2]。接触问题是研究固体间相互接触时在接触区的作用状况, 包括位移、应变和应力, 以及由此引起的强度分析方面的问题。接触问题体在研究接触表面的破坏机理, 通过压痕实验测定材料力学性能等方面具有重要的意义。Johnson[3]则在其经典著作中给出了弹性体材料的接触问题分析方法。最近, Giannakopoulos等[4,5]用Hankel积分变换方法得到了压电材料半空间在导电体和绝缘体压头作用下的三维接触问题的解析解, 同时, 该文还针对三种商业压电材料进行了有限元分析, 并对理论解与Abaqus有限元解进行比较。该文主要侧重理论分析, 未给出有限元分析的详细过程, 以及应力分布, 压痕- 压力关系以及压力和电势的关系曲线。现在, 有限元软件的使用越来越广泛, 如王光建[6]基于ANSYS软件分析了双螺旋副斜齿轮强度, 为材料力学性能问题的解决提供了新的思路。有限元在有限元分析接触问题的方面, 孙林松等[7]列举了三种数值方法来分析接触问题;李一耕[8]通过ANSYS进行了推力球轴承赫兹接触问题的计算, 所得结果与赫兹理论解进行对比;王振波[9]通过有限元方法分析了MEMS涂层的接触问题, 为MEMS涂层的可靠性设计提供了理论基础。赵亚素[10]基于ANSYS软件分析了非均匀涂层在均布荷载作用下的接触问题

本文利用大型有限元分析软件ANSYS, 分析压电半空间的三维无摩擦接触问题。通过对三种目前可供商业使用的压 · 电材料进行分析和建模, 求解了在特定荷载值作用下, 三种压电材料在圆柱形和球形压头作用下的压入深度、表面接触应力和电势。

1 问题的描述

三维压电半空间接触问题的几何模型如图1所示, 本文主要研究平底圆柱 (图1a) 和球形 (图1b) 两种几何形状刚性压头作用于压电半空间的接触问题。柱坐标体系如图所示, 平面半径方向由r表示, 外法线方向由z表示。压电半空间的尺寸远大于压头尺寸。接触面为z=0 的平面, 由作用力P引起的压入深度为 δ0, 同时, 接触半径为a。压电材料受压的极化轴与z轴一致。

2 有限元模型建立及求解

本文针对三种可供商业使用的压电材料PZT-4、Ba Ti O3和PZT-5A进行分析。三种压电材料半空间在刚性压头作用下的接触问题, 三种压电材料性能参数参见表1。

2.1 刚性平底圆柱压头算例

刚性圆柱压头半径为0.2m, 压电半空间半径为2m, 厚度为2m。荷载P分别取0.2N, 2N, 5N, 10N, 15N, 20N, 25N, 30N, 35N, 40N, 50N共12 组模拟。NSYS建模过程中刚性压头采用SOLID185 单元, 压电半空间采用SOLID5 耦合场单元。如图2 所示, 因为是轴对称模型, 建模时将模型简化为1/4 模型, 提高运算效率。网格划分时采用六面体网格, 并在接触区域进行网格细化, 提升计算精度。接触对设置将压头下表面设置为目标面, 压电半空间上表面设置为接触面, 接触表现设置为Standard, 接触方向设置为On nodes-Normal from contact。PZT-5A压电半空间在P=2N时平底圆柱压头作用下的压入深度、表面接触应力与电势的云图分别见图3、图4 与图5。

2.2 刚性球形压头算例

刚性球形压头半径R=0.2m, 压电半空间半径为2m。施加的荷载P与刚性圆柱形压头相同。球形压头采用solid187 单元, 压电半空间采用耦合场solid98 单元, 建立1/4 模型。如图6 所示, 因为刚性球形压头与压电半空间接触区域较小, 需要在接触区域附近的网格划分足够密, 因此采用四面体网格。接触对设置将压头下表面设置为目标面, 压电半空间上表面设置为接触面, 接触表现设置为Standard, 接触方向设置为On nodes-Normal from contact。PZT-5A压电半空间在P=0.2N时平底圆柱压头作用下的压入深度、表面接触应力与电势的云图分别见图7、图8 与图9。

3 数值结果与分析

以下将对圆柱形压头和球形压头作用下的接触应力分布, 压力- 压痕曲线以及压力- 电势曲线进行分析。

首先, 为了验证结果的正确性, 本文计算了球形压头最大压入深度、接触半径。计算结过如表2 所示, 本文的结果与文献[13] 符合较好。

图10 和图11 给出了三种不同压电材料在圆柱形压头作用下的压痕和接触应力分布。从图10 中可以发现, 同样作用力作用下, 平底圆柱压头压入深度从大到小依次为PZT-5A材料、PZT-4 材料、BaTi O3材料。从图11 中可以发现, 相同作用力作用下, 三种材料的表面接触应力数值接近, 在接触区域内变化较为平缓, 接触边界处同时存在大幅度的急剧增高, 这一现象与解析解结论中接触边界存在的奇异性相吻合。

图12 和图13 给出了三种不同压电材料在平压头作用时, 压入深度 δ0与压力P以及最大电势 ϕ0与压力P的关系曲线。从图12 中可以发现, δ0与P呈线性关系。相同荷载作用下, PZT-5A材料产生的δ0最大, 而Ba Ti O3 产生的 δ0最小。从图12 中可以看到, ϕ0与P同样呈现出线性关系。在相同荷载作用下, PZT-5A材料产生较大的电势而Ba Ti O3产生较小的电势。

如图14 和图15 所示, 球形压头作用下的最大压入深度 δ0与最大接触应力P0被给出。从图中可以发现, 相同作用力作用下, 产生 δ0由大到小的压电材料依次为PZT-5A、PZT-4、Ba Ti O3。而产生的最大应力则刚好相反。

图16 和17 分别给出了当荷载P=0.2N时, 压电半空间表面的应力分布和电势分布。从图中可以发现, 最大接触应力P0出现在接触区域的中心。其中, Ba Ti O3材料产生的最大接触应力最大而接触区半径最小。PZT-5A材料产生的最大接触应力最小而接触区域半径最大。如图17 所示, 同样条件下, 最大电势 ϕ0同样出现在接触区域中心, 电势沿径向逐渐降低;电势由大到小依次为PZT-5A、PZT-4、Ba Ti O3, 整体趋势与理论结果相同。

图18 给出了最大电势 ϕ0与作用力P的关系曲线。从图中可以看出, 在相同荷载作用下, BaTi O3材料产生的电势最小, 而PZT-5A产生的结果最大。

4 结论

利用ANSYS软件模拟接触问题可以得到比较精确的结果。

相同荷载作用下, Ba Ti O3压电材料产生较大的应力分布和较小的最大压痕, 而PZT-5A压电材料产生较小的应力分布和较大的压痕。

在相同荷载作用下, PZT-5A材料产生较大的电势, PZT-4 材料产生电势次之, 而BaTiO3材料产生的电势较小。

空间有限元软件篇2

有限空间是指封闭或部分封闭，进出口较为狭窄有限，未被设计为固定工作场所，自然通风不良，易造成有毒有害、易燃易爆物质积聚或氧含量不足的空间。

一、燃气行业涉及有限空间的范围

1、密封设备：贮罐、车载槽罐、管道等；

2、地下有限空间：闸井、地下井室、地下室、燃气置换中作为排气点的作业坑等；

3、地上有限空间：调压站、调压箱、计量表间等。

二、有限空间内可能产生的有害因素

1、燃气泄漏引发火灾、爆炸、窒息等；

2、因长时间空气不流通造成缺氧（缺氧：指空气中的氧气浓度低于18% VOL的状态）造成人员窒息；

3、因在有限空间内长时间使用电、气焊等耗氧设备，造成人员缺氧窒息和有害气体超标中毒；

4、贮罐、槽罐、管道等内存在易燃、有毒物质或缺氧造成人员的伤害；

5、在有限空间内有腐败的动物尸体和物品，产生有毒有害气体，造成人员的伤害；

6、在有限空间内人员过多，空气不流通缺氧，造成人员窒息。

三、进入有限空间作业规定

1、进入有限空间作业、监护、指挥的人员必须充分了解施工场所情况；

2、对可燃气体、氧含量等浓度检测，超出指标范围必须采取安全防范措施；

3、进入空间作业前保证足够通风量或采取强制通风措施；

4、确定好监护人，监护人必须明确其职责；

5、在作业期间应对氧、易燃气体浓度进行连续监测；当检测结果接近指标限时，必须停止作业、人员撤离现场；

6、作业前必须做好应急救援方案、准备相关器材；

7、在有易燃气体的有限空间内作业，必须使用防爆工具；需要动火作业时必须办理动火证；非防爆的检测仪器、通讯器材等不能带入作业区内；进入有限空间的作业、监护、指挥人员必须穿戴防静电工作服；严禁在有限空间内穿、戴、拖、摘工作服和防护用品。

四、常用防护、检测、救援用品

1、天然气含量分析测定仪（防爆型）;

2、氧含量分析测定仪（防爆型）；

3、防爆手动工具；

4、灭火器；

5、防静电工作服；

6、长管呼吸器；

7、安全带、救生绳；

8、防爆照明设备。

空间有限元软件篇3

关键词：空间桁架,有限元分析,柔性结构,动态特性

随着航天事业的发展, 空间飞行器承担的任务越来越多, 结构与规模越来越复杂, 航天器结构都向着大型化和柔性化方向发展。大型空间桁架结构作为一种特殊的空间结构得到越来越广泛的应用, 可以作为航天器的主体结构, 也可以作为有效载荷的支撑结构[1]。如美国奋进号航天飞机的SRTM ( space radar topography mission) 系统就是采用长60 m的可展开桁架[2], 用于展开一个舱外天线, 如图1 所示, 测量精确数据。如美国NASA研制的空间干涉测量卫星 ( space interferometry mission, SIM) , 用于搭载天基干涉相机实现空间观测任务, 该星采用空间柔性桁架结构作为平台, 并在平台上同时搭载7 个干涉相机[3,4], 如图2 所示。

高精度空间飞行器在轨工作期间, 可能会受到多个扰动源产生的干扰力和干扰力矩的作用[5], 这类大型空间飞行器桁架结构的特点是质量轻、体积大、结构刚度低、内阻小, 一旦受到各种外部和内部的干扰很容易激起低频、大幅度、长时间的振动, 又由于其自身的低阻尼特性, 激起的振动很难自行衰减。这种振动与航天器主体姿态运动相互耦合, 会给卫星的定位精度带来严重影响, 甚至会带来毁灭性的灾难。此外还会影响飞行器天线、相机等高精度有效载荷设备的正常工作性能, 降低了成像质量和指向精度。因此有必要研究空间高精度航天器结构动态特性, 进而有利于对航天器结构进行振动控制[1,6,7]。

现针对空间飞行器桁架结构, 基于有限元建模与分析软件MSC. PATRAN/NASTRAN, 建立桁架结构的有限元模型, 进一步对桁架结构施加空间扰动激励并进行结构动态特性仿真与分析, 并比较了不同材料对桁架结构动态特性的影响。

1 空间桁架结构有限元建模

空间桁架结构如图3 所示, 是三维9 层空间正方体桁架结构。该桁架结构共有115 根薄壁空心细杆, 细杆直径为0. 01 m, 壁厚为0. 002 m, 从长度上区分为直杆和斜杆两种, 直杆长0. 4 m, 斜杆长为直杆长度的倍, 约为0. 566 m, 桁架总长为3. 6 m, 因此该桁架结构的空间尺寸为0. 4 m × 0. 4 m ×3. 6 m。

该空间桁架结构的有限元模型采用MSC. PAT- RAN建立, 如图3 所示。所建立的桁架结构有限元模型共有824 个节点, 896 个单元。桁架结构材料为铝合金2A12T4, 其弹性模量E = 70. 6 GPa, 密度为2 780 kg/m3, 泊松比为0. 33。

2 空间桁架结构动态特性分析

2. 1 模态分析

对空间桁架结构进行动态特性分析, 首先须对整个桁架结构进行模态分析。桁架结构模态分析的要求是对航天器结构设计的基本要求, 由于桁架结构模态取决于结构的刚度、系统的质量分布和边界条件。通过有限元模态分析结果, 可以合理分配桁架结构中设备支架刚度和星载设备的固有频率, 避免固有频率相近引起的动力耦合。

针对安装在空间飞行器系统上的桁架结构, 该桁架结构作为有效载荷的支撑结构, 由于桁架结构质量较轻, 相对于航天器本体来说, 可以认为桁架结构根部固定在航天器本体上。因此桁架结构的边界条件为一端固定, 一端自由。根据在有限元软件MSC. PATRAN中建立的桁架结构有限元模型, 采用MSC. NASTRAN进行桁架结构模态分析。模态分析得到桁架结构的前20 阶固有频率如表1 所示。

模态分析结果显示, 桁架结构固有频率比较密集, 主要原因在于空间桁架结构复杂, 尺寸较大。通过模态分析结果, 进而可以预计星载设备环境趋势, 当航天器系统在固有频率附近的频段内振动时, 结构上的响应将有明显的放大。对于星载设备, 在这一频带范围内振动环境条件必然较高, 而其他频段的振动环境条件相对较低。由此可以通过模态分析, 定性地预计星载设备环境趋势。

由上分析可知, 桁架结构的固有频率比较密集, 因此选择典型的模态振型来进行分析。桁架结构的典型振型如图4 所示。

由图4 可以看出, 桁架结构第1 阶与第2 阶振型为整体弯曲振型 ( 一弯) , 第3 阶为扭转振型, 第4 阶与第5 阶为弯曲振型 ( 二弯) , 第6 阶为扭转振型, 第7 阶为弯扭组合振型, 从第8 阶振型起, 结构出现局部振型。由于桁架结构尺寸较大, 与悬臂梁结构类似, 因此第1 阶、第2 阶、第4 阶、第5 阶振型为整体振型, 与悬臂梁结构振型类似。由于桁架结构为空间三维结构, 因此第3 阶、第6 阶出现扭转振型, 后续又出现弯扭组合振型以及局部振型。因此桁架结构振型在前几阶表现为整体振型, 体现了结构的整体振动特点; 后续振型又表现为局部振型, 体现了结构局部振动的特征。桁架结构为空间三维结构, 结构复杂, 杆件较多, 因此由上分析可知桁架结构振型与工程实际相符合。

2. 2 频率响应分析

频率响应分析用于求解结构承受随时间变化的正弦波动下系统的响应。其结果可以反映出结构的不同点在扫描频率作用下的不同振幅, 从而判断结构不同点对频率的共振情况。频率响应分析技术能够预测结构的持续动力特性, 验证结构能否克服共振、疲劳以及其它受迫振动所引起的危害。以便考察结构承受振动环境的能力, 获取航天器各组件和关键部位的振动响应, 验证结构设计方案的有效性。

有限元计算结果是以节点为输出位置的, 因此选取具有代表性的输出节点, 以便全面而正确地反映桁架结构对正弦激励的响应情况, 用这些点的变形位移响应曲线来观察它们的频率响应规律。

大多数情况下, 只有少数几个低阶的模态对系统总的相应贡献最大, 并且桁架结构固有频率主要为低频范围。随着计算机技术的飞速发展以及大型结构分析软件的普及, 对于解决此类低频问题, 有限元方法是非常有效的。

对桁架结构进行0 ~250 Hz频率范围进频响分析, 主要对桁架结构施加单位正弦扰动激励, 将扰动激励点位置近似选择在桁架XZ面中间斜杆上 ( Node 968) , 方向为Y向, 如图5 所示。通过频响分析, 可以得到桁架结构上任意一点、任一坐标轴方向的频率响应。选择桁架结构中相机等精密仪器的典型安装位置进行分析。因此主要选择桁架结构的两个典型位置进行分析, 分别位于桁架自由端一侧以及固定端一侧, 分别为Node257 和中心Node1004, 如图5 所示。

通过MSC. NASTRAN计算, 给出典型位置的变形和加速度响应结果, 其变形频响结果如图6 所示, 加速度响应结果如图7 所示。

由图6 可知, 典型位置的变形在10- 4量级, 并且在0 ~250 Hz范围内出现多次峰值, 其原因在于桁架结构模态较为密集, 因此出现许多共振点, 发生了多次共振。即所施加的扰动使得典型位置在多个频率出现峰值, 激起了桁架结构的多阶固有频率, 并发生共振, 可知扰动对桁架结构上有效载荷安装位置的振动特性影响较大。由图7 可知, 典型位置加速度响应在100 Hz附近出现较大峰值, 且数值较大。由此可知, 扰动对桁架结构有效载荷位置加速度响应的影响较大, 激起了固有频率附近的加速度响应, 并出现较大的峰值。

由频响结果分析可知, 桁架结构受到扰动后, 对有效载荷安装位置的高精度仪器影响较大, 降低了相机等精密仪器的精度和性能, 因此应采取适当的控制手段来降低扰动带来的不利影响, 进一步提高航天器的性能。

3不同材料的对桁架结构动态特性影响

现考虑空间桁架结构不同材料时, 其结构动态特性的变化规律。桁架结构材料为镁合金ZM5 和钛合金TC4 时, 建立桁架结构的有限元模型, 并进行动态特性有限元分析。镁合金ZM5 的弹性模量E = 41. 2 GPa, 密度为1 810 kg / m3, 泊松比为0. 35; 钛合金TC4 的弹性模量E = 110 GPa, 密度为4 430 kg / m3, 泊松比为0. 34。通过模态分析得到不同材料时桁架结构的固有频率如表2 所示。

由表2 可知, 不同材料时, 桁架结构的固有频率不同, 其中采用镁合金时, 桁架结构固有频率最低, 采用铝合金时, 桁架结构固有频率最高。

进一步对不同材料时的桁架结构进行频率响应分析, 得到典型位置的变形和加速度响应结果如图8 和图9 所示, 其中变形频响结果如图8 所示, 加速度响应结果如图9 所示。

由图8 和图9 可知, 三种材料下, 桁架结构典型位置出现多次响应峰值。采用钛合金时, 桁架结构典型位置的变形最小, 而采用镁合金时桁架结构典型位置的变形最大。其原因在于钛合金的弹性模量最大, 镁合金的弹性模量最小, 因此在钛合金材料下结构的刚度最高, 而镁合金材料下的结构刚度最低, 导致钛合金材料下的桁架结构抵抗变形的能力要强于其它两种材料。

由于桁架结构受到扰动后, 对有效载荷安装位置的高精度仪器影响较大, 降低了相机等精密仪器的精度和性能, 因此采用钛合金材料时, 桁架结构受到扰动后的振动响应较小, 可以降低扰动带来的不利影响。

4 结论

针对高精度空间飞行器中的桁架结构, 该桁架结构作为有效载荷的支撑结构, 基于MSC. PATRAN / NASTRAN建立了该桁架结构的有限元模型并对桁架结构进行了结构动态特性仿真。仿真结果如下。

( 1) 桁架结构会发生多次共振, 对相机、天线等高精度仪器的影响较大, 降低了航天器精密仪器的性能, 因此应采取适当的控制手段来降低扰动带来的不利影响, 进一步提高航天器的性能。

( 2) 分析了采用铝合金、钛合金和镁合金材料时桁架结构的动态响应特性, 结果表明采用钛合金材料时, 桁架结构受到扰动后振动响应较小, 可以低扰动带来的不利影响。

( 3) 仿真分析结果可以准确的预测空间扰动对桁架结构动态特性的影响, 有利于对航天器系统进行结构优化设计以及振动控制, 提高航天器星载设备的精度和性能。

参考文献

[1] 司洪伟, 李东旭, 陈卫东.大型挠性桁架结构动力学及其主动控制研究进展.力学进展, 2008;38 (2) :167—176

[2] Jeffrey W U, Howard E.SRTM on-orbit Structural Dynamics.42nd AIAA/ASME/ASCE/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference and Exhibit, AIAA, 2001—1588

[3] Regehr M W, Milman M.Analysis and Numerical Modeling of Error Sources in SIM Star Light Phase Detection.IEEEAC paper#1356, Version 2, 2004

[4] Peterson D, Shao M, Boker T.The space interferometry mission:taking the measure of the universe.Final Report of the Space Interferometry Mission Science Working Group, 2000

[5] 张振华.杨雷.庞世伟.高精度航天器微振动力学环境分析.航天器环境工程, 2009;26 (12) :528—535

[6] 周成刚, 李东旭.卫星大挠性桁架结构振动抑制试验研究.航天控制, 2009;27 (2) :45—49

有限空间应急预案篇4

1、有限空间作业应急救援预案

1.1 为加强有限空间作业中突发事故的应急救援能力，掌握事故处置程序，最大限度地减少事故人员伤亡，同时避免因盲目施救而导致事故扩大，制定本预案。

1.2 本预案适用于北京鸿鹄物业管理有限公司。各级管理人员、涉及有限空间工作的现场作业人员应熟知本预案。

1.3 本预案应每年至少进行一次演练，并不断进行修改完善。1.4 编制依据文件《中华人民共和国安全生产法》国家主席令[2002]第70号《生产安全事故应急预案管理办法》国家安监总局令第17号《生产经营单位安全生产事故应急预案编制导则》GB/T29639-2013 《劳动防护用品监督管理规定》国家安监总局令第1号

2.危险源（点）分析

2.1 危险源（点）种类本单位涉及的有限空间主要为化粪池、污水井、消防井。

2.2 危险源（点）特性

2.2.1 化粪池在清掏过程中，人员有阶段性进入工作，池内氧气不充分或池内的污物发酵产生的有害气体，易造成作业人员中毒、窒息。

2.2.2 作业人员进出及要维护清掏过程中，易受到中毒、窒息的危险。

3.应急救援

3.1 应急救援组织机构 3.1.1应急救援小组

公司为有效进行应急救援，特成立应急救援小组，其人员为：组长：

（职务：）电话：

第一副组长：

（职务：）电话：

第二副组长：

（职务：）电话：

小组成员：

3.1.2人员职责

组长职责：

1、负责指挥事故现场抢救工作，掌握现场事故情况和人员安全情况，确定现场抢救决策，并迅速通知相关的员到达现场开展应急抢险行动；

2、在非工作日时间，接受抢险信息，立即按预案发布指令；监守岗位做好抢险过程信息沟通工作。

第一副组长职责：

1、立即赶赴现场，做好现场组织协调工作；

2、组织技术人员积极落实抢险工作；

3、负责为抢险提供安全技术支撑和防护物质支持，并对现场实施安全监督。

4、在组长未在岗时立即接手组长工作。

第二副组长职责：

1、副组长协助组长完成任务，根据决策部署事故现场抢险及救护任务，并检查落实，保证事故现场抢险任务完成和救护人员的安全撤离；

2、在组长及第一副组长不在岗时接手其工作。

小组成员职责：积极协助现场抢险工作，服从现场应急救援小组统一派遣和安排。

有限空间事故发生区域现场目击者职责：

1、事故发生后应迅速召集附近人员参加抢险救护，并利用现场配备的呼吸设备、保险绳等应急救援器材迅速开展现场抢险救护行动；

2、对伤员进行迅速转移；

3、迅速利用现场配备的通风换气设备增加化粪池内通风排气。

3.2 应急救援器材（本单位配备的救援器材具体型号、数量、防爆要求、保管、定期检验、维护等情况）

呼吸防护用品（全面罩正压式空气呼吸器、长管面具等隔离式呼吸保护器具）：全面罩正压式空气呼吸器

应急通讯（报警）器材：对讲机4台现场快速检测设备：空气检测仪1台大功率强制通风设备：排风扇2台应急照明设备：充电式手电4把安全绳： 50米

安全梯：3米铝合金梯子

3.3 应急处理程序（1）初步分析

现场应急指挥负责人和应急救援人员首先对事故情况进行初始评估。根据观察到的情况，初步分析事故的范围和扩展的潜在可能性。

（2）快速检测

使用检测仪器对有限空间有毒有害气体的浓度和氧气的含量进行检测。无检测仪器可以使用动物检测法或蜡烛法进行检测。

动物检测法：在进入有限空间前，先往有限空间内放入鸡、鸭、鸽子等动物，观察一段时间其情况，若生命体态正常则证明有限空间空气没有问题，反之则有问题，需继续进行通风换气。然后再次检测。

（3）强制通风

根据测定结果采取强制性持续通风等措施降低危险，保持空气流通。严禁用纯氧进行通风换气。

（4）自身防护

应急救援人员要穿戴好必要的劳动防护用品（呼吸器、工作服、工作帽、手套、工作鞋、安全绳等），系好安全带，以防止受到伤害。

（5）应急照明

在有限空间内救援照明灯应使用12V以下安全行灯，照明电源的导线要使用绝缘性能好的软导线。

（6）脱离危险区域

发现有限空间有受伤人员，用安全带系好被抢救者两腿根部及上体妥善提升使患者脱离危险区域，避免影响其呼吸或触及受伤部位。

（7）保持通讯

救援过程中，有限空间内救援人员与外面监护人员应保持通讯联络畅通并确定好联络信号，在救援人员撤离前，监护人员不得离开监护岗位。

（8）紧急救护

救出伤员对伤员进行现场紧急救护，并及时将伤员转送医院。4.紧急救护原则

（1）迅速撤离现场，将窒息者移到有新鲜空气的通风处。（2）进行人工呼吸（心肺复苏）救护。

（3）呼叫“120”急救服务，在急救医生到来之前，坚持做心肺复苏。

5.事故报告

有限空间发生事故后，有关项目和个人应在第一时间通知郑立强总经理，安全员。

6.预案的实施启动

有限元软件分析钢筋混凝土结构篇5

关键词：混凝土结构,三维有限元模拟,本构关系

超静定混凝土结构体系中, 传统计算一般采用平面框架模型, 把结构分解为主体结构计算与外部荷载计算, 并假定全部外荷载由主体承受, 而上部建筑仅当作将荷载传递给主体的局部受力构件, 不与主体共同工作。这种假定虽简化结构物的计算图式, 但同时也明显地存在一些问题:如不能真实地反映结构或构件的应力水平;局部构造的结构计算中, 通常很难准确模拟模型的边界条件;不能真实地反映主梁间的内力横向分布情况。大型空间有限元程序有其不足之处, 如建模比较复杂, 计算工作量大;不能模拟混凝土开裂后的应力情况, 预应力损失也不能很好地模拟等。

1 混凝土结构整体模型

钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式分为3种:分离式、整体式和组合式模型

1.1 分离式模型

把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理, 即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元, 两者的刚度矩阵是分开来求解的, 考虑到钢筋是一种细长的材料, 通常可以忽略横向抗剪强度, 因此, 可以将钢筋作为线单元处理。钢筋和混凝土之间可以插入粘结单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结和滑移。一般钢筋混凝土是存在裂缝的, 而开裂必然导致钢筋和混凝土变形的不协调, 也就是说要发生粘结的失效与滑移, 所以, 此种模型的应用最为广泛。

1.2 整体式模型

将钢筋分布于整个单元中, 假定混凝土和钢筋粘结很好, 并把单元视为连续均匀材料, 与分离式模型不同的是, 它求出的是综合了混凝土与钢筋单元的整体刚度矩阵;与组合式不同之点在于它不是先分别求出混凝土与钢筋对单元刚度的贡献然后再组合, 而是一次求得综合的刚度矩阵。

1.3 组合式模型

组合式模型分为两种:一种是分层组合式, 在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层, 并对截面的应变做出某些假设, 这种组合方式在钢筋混凝土板、壳结构中应用较广;另一种组合方法是采用带钢筋膜的等参单元。

当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移, 3种模型都可以。分离式和整体式模型使用于二维和三维结构分析。就ANSYS而言, 可以考虑分离式模型:在混凝土 (SOLID65) +钢筋 (LINK单元或PIPE单元) 模型中混凝土和钢筋粘结最好。如要考虑粘结和滑移, 则可引入弹簧单元进行模拟, 如果比较困难也可以采用整体式模型 (带筋的SOLID65) 。

2 混凝土的本构关系

混凝土本构关系模型对钢筋混凝土结构的非线性分析有很大影响。混凝土的本构就是表示在各种外荷载作用下的混凝土应力—应变的响应关系。在建立混凝土本构关系时一般都是基于现有的连续介质力学的本构理论, 结合混凝土的力学特性, 确定甚至调整本构关系中各种所需的材料参数。通常混凝土的本构关系可分为线性弹性、非线性弹性、弹塑性及其他力学理论4类。其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系, 其他的不怎么用。

线性弹性理论认为应力—应变加载及卸载时呈线性关系, 服从虎克定律, 应力—应变关系是相互对应的关系。在实际结构设计中线性弹性仍然是应用很广泛的本构模型。

非线性弹性理论认为应力—应变不成正比, 但是有一一对应的关系。卸载后没有残余应变, 应力状态完全由应变状态决定, 而与加载历史无关。非线性弹性本构关系分为全量型 (如Ottosen模型) 和增量型 (如Darwin-Pecknold) 类。

弹塑性本构关系则把屈服面和破坏面分开处理。根据混凝土单轴受压的试验研究结果, 混凝土在应力未达到其强度极限以前, 应力—应变的非线性关系受塑性变形的影响, 这可以用屈服面理论来解释。而在曲线的下降阶段, 混凝土的非线性关系则主要受混凝土内部微断裂的影响, 表现出微损伤断裂的关系, 可用破坏准则来评判。一般在经典的强度理论中, 有Tresca、VonMises和Druck-Prager等屈服准则, 此外还有Zienkiewicz-Pande、W.F.Chen、Nilsson屈服条件, 破坏准则有Mohr。

混凝土破坏准则从单参数到5参数10个模型, 或借用古典强度理论或基于试验结果。而且各个破坏准则的表达式和繁简程度各异, 适用范围和计算精度也差别较大, 给使用带来了一定的困难。

3 破坏准则

混凝土的破坏准则是在试验的基础上, 考虑到混凝土的特点而求出的。混凝土单轴受压的破坏公式有Hongnested表达式、指数形式表达式和Saenz表达式等;双轴荷载下的破坏准则有修正莫尔库仑准则、Kupfer公式、多折线公式及双参数公式等;三轴受力的古典强度理论有最大正应力理论、最大剪应力理论、第四强度理论和Drucker-Prager破坏准则等, 由于古典强度理论中的材料参数为一个或两个, 很难完全反映混凝土破坏曲面的特征, 所以研究人员结合混凝土的破坏特点, 提出了包含更多参数的破坏准则。多参数模型大多基于强度试验的统计而进行的曲线拟合, 有Bresler-Pister、Willam-Warnke 3参数模型、Ottosen 4参数模型和Willam-Warnke 5参数模型。

ANSYS的SOLID65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元, 它可以模拟混凝土中的加强钢筋 (或玻璃纤维, 型钢等) 及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等参元SOLID45的基础上, 增加了针对于混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。SOLID65单元最多可以定义3种不同的加固材料, 也允许同时拥有4种不同的材料。混凝土材料具有开裂、压碎、塑性变形和蠕变能力;加强材料则只能受拉, 不能承受剪切力。

4 混凝土开裂模拟

通过修正应力～应变关系, 引入垂直于裂缝表面方向的一个缺陷平面来表示在某个积分点上出现了裂缝。当裂缝张开时, 后续荷载产生了在裂缝表面的滑移或剪切时, 引入一个剪切力传递系数βt来模拟剪切力的损失。在某个方向上有裂缝后材料的应力—应变关系可表示为

$\begin{array}{l} [D_{c}^{c k}] = \\ \frac{E}{(1 + v)} [\begin{matrix} \frac{R^{t} (1 + v)}{E} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{1 - v} & \frac{1}{1 - v} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{1 - v} & \frac{1}{1 - v} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \frac{β_{t}}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{β_{t}}{2} \end{matrix}] \begin{array}{l} . \end{array} (1) \end{array}$

式中:ck为应力—应变关系参考的坐标系平行于主应力方向, Xck为轴垂直于裂缝表面, Rt为随着求解的收敛而自适应下降为0。

如果裂缝是闭合的, 那么所有垂直于裂缝面的压应力都能传递到裂缝上, 但是剪切力只能传递原来的βc倍, 闭合裂缝的刚度矩阵可以描述为

$[D_{c}^{c k}] = \frac{E}{(1 + v) (1 - 2 v)} [\begin{matrix} (1 - v) & v & v & 0 & 0 & 0 \\ 0 & (1 - v) & v & 0 & 0 & 0 \\ v & v & (1 - v) & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & β_{c} \frac{(1 - 2 v)}{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{(1 - 2 v)}{2} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & β_{c} \frac{(1 - 2 v)}{2} \end{matrix}] \begin{array}{l} . \end{array} (2)$

当裂缝在两个方向或3个方向上同时张开或同时闭合, 刚度矩阵需要重新修改, 具体的表达式参考《ANSYS理论参考手册》。SOLID65单元的状态可分为张开裂缝、闭合裂缝、压碎和完整单元共4种。在具体结构的应用中, 可以有16种不同的排列组合方式。

在单元局部坐标系下完成了单元刚度矩阵的分析后, 必须将其转换到整体坐标系下, 其转换表达式为

$[D_{c}] = [Τ^{c k}] [D_{c}^{c k}] [Τ^{c k}] . (3)$

其中, [Tck]为描述局部坐标与整体坐标之间关系的转换矩阵。在某个积分点上裂缝张开或闭合的状态是由开裂应变ε $_{c k}^{c k}$ 决定。若出现这种情况, 即在X方向上有可能发生裂开, 则开裂应变ε $_{c k}^{c k}$ 的表达式可以描述为

$ε_{c k}^{c k} = {\begin{cases} ε_{x}^{c k} + \frac{v}{1 - v} ε_{y}^{c k} + ε_{z}^{c k}, 若没有裂缝 ‚ \\ ε_{x}^{c k} + v ε_{z}^{c k} ‚ 若 y 方向开裂 ‚ \\ ε_{x}^{c k}, 若 y 方向和 z 方向都开裂 . \end{cases} (4)$

如果ε $_{c k}^{c k}$ <0, 则假设裂缝是闭合, 若ε $_{c k}^{c k}$ ≥0, 则认为裂缝是张开的。在某个积分点上出现了裂缝之后, 则认为在下一步迭代中裂缝是张开的。

5 混凝土压碎模拟

假设在单轴、双轴、三轴压力作用下, 某个积分点上的材料失效了, 就认为这个点上的材料压碎了。在SOLID65单元中, 压碎意味着材料结构完整性的完全退化。当出现压碎情况时, 材料强度已经退化至积分点上, 单元刚度矩阵的贡献则可以完全忽略。

6 混凝土失效准则

ANSYS中的混凝土材料可以预测脆性材料的失效行为, 同时, 考虑了开裂和压碎失效模拟。多轴应力状态下混凝土的失效准则表达式为

$\frac{F}{f_{c}} - S \geq 0 . (5)$

式中:F为主应力 (σxp, σyp, σzp) 的函数;S为失效面, 是关于主应力及ft、fc、fcb、f1、f2等5个参数的函数;fc是单轴抗拉强度。

若应力状态不满足式 (5) , 则不发生开裂或压碎;应力状态满足式 (5) 后, 若有拉伸应力将导致开裂, 有压缩应力将导致压碎。其实, ANSYS中采用的失效面模型就是William-Warnke 5参数强度模型, 需要输入的5个参数具体含义如表1所示。

此外, 在静水压力较小时, 即 $| σ_{h} | \leq \sqrt{3} f_{c} (σ_{h} = 1 / 3 (σ_{x p} + σ_{y p} + σ_{z p}))$ , 失效面也可以仅仅通过参数ft和fc来指定, 其它3个参数采用William-Warnke强度模型的默认值:fcb=1.2fc、f1=1.45fc、f2=1.725fc。当围压较高时, 5个参数必须全部给出, 否则将导致材料模型计算结果的不正确。

由于F和S都可以用主应力σ1、σ2、σ3表示, 而3个主应力有4种取值范围, 因此, 混凝土失效行为也可以分为4个范围。在每一个范围内都是一对独立的F和S, 在这里给出F和S的一些基本表达式是为了说明不同的应力状态下, 所采用的破坏模型也是不一样的, 这对于正确理解分析结果是有帮助的。

6.1 0≥σ1≥σ2≥σ3 (压-压-压)

在压-压-压应力状态下, F和S的表达式如下

$\begin{array}{l} F = F_{1} = \frac{1}{\sqrt{15}} [(σ_{1} - σ_{2})^{2} + (σ_{2} - σ_{3})^{2} + (σ_{3} - σ_{1})^{2}]^{1 / 2} ‚ (6) \\ S = S_{1} = \frac{2 r_{2} (r_{2}^{2} - r_{1}^{2}) \cos η + r_{2} (2 r_{1} - r_{2}) [4 (r_{2}^{2} - r_{1}^{2}) \cos^{2} η + 5 r_{1}^{2} - 4 r_{2} r_{1}]^{1 / 2}}{4 (r_{2}^{2} - r_{1}^{2}) \cos^{2} η + (r_{2}^{2} - r_{1}^{2})^{2}} . (7) \end{array}$

表达式中符号的具体含义在这不再一一详述, 请参考《ANSYS理论参考手册》。假设此失效面得到满足, 那么材料将被压碎。

6.2 σ1≥0≥σ2≥σ3 (拉-压-压)

$\begin{array}{l} F = F_{1} = \frac{1}{\sqrt{15}} [σ_{2}^{2} + (σ_{2} - σ_{3})^{2} + σ_{3}^{2}]^{1 / 2} ‚ (8) \\ S = S_{2} = (1 - \frac{σ_{1}}{f_{t}}) \frac{2 p_{2} (p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) \cos η + p_{2} (2 p_{1} - p_{2}) [4 (p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) \cos^{2} η + 5 p_{1}^{2} - 4 p_{2} p_{1}]^{1 / 2}}{4 (p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) \cos^{2} η + (p_{2}^{2} - p_{1}^{2})^{2}} . (9) \end{array}$