2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
基于 HyperForm 的车身结构一体化仿真分析 方法应用研究
刘斌 张雨
一汽技术中心车身试验室
-1-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
基于 HyperForm 车身结构一体化仿真分析 方法应用研究 Research on the Car-Body Structure Integrative Analytical Modeling Based on HyperForm
刘斌 张雨 (一汽技术中心车身试验室)
摘 要:CAE 分析工具现已被各大汽车厂商广为使用,但目前在车身钣金件的结构分析中
往往使用名义厚度进行分析,未考虑由于冲压成形后引起的厚度、应变等变化,这与实际情 况严重不符。 基于 Altair HyperForm 的强大冲压成形分析和结果映射功能, 以某轿车发动机 罩总成作为实例,建立了冲压成形仿真分析模型和结构分析模型,并使用 Result-Mapper 模块,成功的将冲压成形仿真结果(厚度变化)映射到结构分析模型中去,并将其与原模型 进行了对比,从而将制造工艺引入结构分析的流程中。
关键词:车身 CAE 冲压成形 映射 结构分析 HyperForm Abstract: Nowadays CAE is widely used for products development among automobile
industries, however, the uniform thickness is applied for sheet metal structural analysis without accounting for the modified thickness and strain generated from stamping forming. Actually this isn’t consistent with the realization. In this paper, based on Altair HyperForm and its Result Mapping technology, the forming simulation model and its relative structural analysis model are set up, by using Result-Mapper, the forming analysis results ( such as thickness) are projected on the structural model, and then the further analysis is done, consequently the manufacturability is introduced into the whole product development process. In the end, an actual hood is studied.
Key words: car body CAE, stamping forming, mapping, structural analysis, HyperForm
1 概要
随着计算机技术的广泛应用和快速发展,CAE 仿真分析已成为支持工程师进行创新研 究和创新设计最重要的工具和手段[1]。在汽车领域,其研究对象已涵盖了车身、动力和底盘 三大系统,研究内容包含了结构分析、工艺分析、动力学分析、内外流场分析和安全分析等
-2-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
多个方面。 对于车身结构分析而言, 应用 CAE 技术已 经能得到包括刚度、强度、模态以及疲劳寿命等参数。 但目前在车身钣金件的结构分析中往往使用名义厚度 进行分析,未考虑冲压成形引起的厚度、应变等变化, 这与实际情况严重不符。本文使用 Altair HyperForm 8.0 的强大冲压成形分析和结果映射功能, 将冲压成形 造成的厚度变化引入到结构分析中来, 改善 CAE 仿真 精度。 为了更直观的研究冲压成形结果对结构分析的影 响, 我们需要对同一个部件进行两种 CAE 分析, 一种 是不考虑成形结果的结构分析,为了便于说明,将其 称为传统分析方法;另一种是考虑了成形结果的结构 分析方法,将其称为一体化分析法。具体而言就是按 照图 1 所示的流程,使用 HyperMesh 建立两个同样的结构分析模型,之后使用 HyperForm 对选定部件中的冲压件进行成形分析, 并使用 Result-Mapper 将成形结果映射到一个结构分 析模型中, 最后采用一致的边界条件对两个结构模型进行加载, 并对比仿真结果得出最终结 论。 这里需要说明一点,就是在选取分析部件时,除了要 考虑满足结构仿真要求以外, 其组成中还要有数量占优的 冲压成形件,以便更好的反映一体化分析法带来的变化。 为此,我们选择某轿车发动机罩总成作为分析部件,并对 其核心部件——发动机机罩内板和外板——进行成形分 析。下面将按照图 1 流程,详细介绍车身结构一体化仿真 方法。
图 1 一体化的仿真分析流程
结论 仿真结果 边界条件 施加
Nastran HyperForm
分析部件
HyperMesh
主要零件 成形分析
ResultMapping
部件性能仿 真建模
仿真结果
2 成形分析模型建立
HyperForm 作为一款专业的板金冲压成形仿真软件,
图 2 一步法成形分析流程
提供了一步法、 增量法和模面设计等三大主流成形仿真工具, 限于篇幅的限制和减少求解时 间的目的,本文仅选用了一步法作为成形仿真方法,但该方法对于增量法的结果同样有效。 此前还需要使用模面设计功能,将零件体补充为成形仿真工件,主要流程见图 2 所示。按照 各个步骤的相互关系,将整个流程分成了三大环节,即:模型准备,成形准备和求解计算。 下面以发动机罩内板为例,介绍每一环节的具体内容。
2.1 模型准备环节
本环节的主要目的就是对导入的零件几何进行清理, 并使用模面设计将零件体补充为成
-3-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
形分析需要的工件。 模型导入后需要先后使用合并工具,将自由边、共享面加以处理,之后使用“pinholes” 和“surface crate”功能将零件中的孔洞补齐并光顺局部边界,在划分网格前,还需要使用 “suppress”功能将几何中非特征处——曲率变化不大的位置——加以压缩,以便获得质量更 好的网格,如图 3 所示。
图 3 依次为:模型导入、几何清理、孔洞填补 在网格创建上, 推荐使用“Auotmesh\surface deviation”功能。 4 中的网格分别是使用 图 常规方法和“surface deviation”功能划分的,从右图可以看出在曲率变化较大的圆角和拐角 处,网格单元较密集,而在其它比较平坦的位置网格形状与正常划分一致。这种做法的好处 是显而易见的, 曲率变化很大的位置正是成形中最容易出问题的位置, 在这些地方使用细小 单元能较好的模拟出弯角等形状,便于分析计算;另一方面,在曲率变化不明显的位置使用 较大单元, 可以大大减少单元数量, 从而缩短了仿真时间。 在使用该功能时, 注意参数设置, “min element size”一般取 0.5mm,“max element size”一般取 20mm 即可。最终得到四边 形单元共计 168,639 个,三角形单元 15,872 个。
图 4 网格划分方式对比 此后,还需要使用模面工程创建零件的压料面和工 艺补充面。这里值得一提的是,HyperForm 将所有工作 都按照流程顺序排列在宏菜单中,这既便于操作还兼具 提醒的作用。 对于发动机罩内板, 先使用“Curved binder” 功能创建曲面压料面, 随后使用“Const S”创建工艺补充 面, 设置相应工艺补充面截面线参数 “plus length”,“wall angle”,“entry radius”,得到的工艺补充面见图 5 所示。 最 终再次使用“surface deviation”功能划分新增部位几何,参考表 1 所示标准检查所有单元格 并修改好网格,完成模型准备工作。
-4-
图 5 工件的最终形式
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
表 1 模型检查标准 Warpage <3 Length ≥0.5mm Min angle >5 Jacobi >0.1 Normal consistent
2.2 成形准备环节
成形准备需要使用 HyperForm 的 1-step(一步法)来实现,按照其宏菜单的顺序,首 先要对刚建立的模型进行冲压方向计算与定位(Autotip);之后使用“undercut chk”通过负角 检查方可进入下一步。 材 料 模 型 使 用 如 下 参 数 进 行 创 建 : 发 动 机 罩 内 板 材 料 采 用 日 本 标 准 MES[2] 为 SPCP4-4P/4P:低碳钢板,厚度 0.55mm,杨氏模量 E=210000MPa,泊松比υ=0.3,硬化 系数 K=549.03MPa,硬化指数 n=0.220;抗拉强度 Ts=270Mpa,屈服强度 Ys=155Mpa, 延伸率 δ%=47%;厚向异性指数 r=1.6,应力应变曲线 σ = 549.03 × (0.003 + ε )0.22 。 由于事先已经建立好压料面,因此直接对其施加压边力即可,本文中施加 25T 力,并 将摩擦参数设置为 0.125。所有参数设置完成后,对于一体化分析方法最重要的一点就是要 在“advanced”中将“Dyna/Nastran output”选中,因为只有这样才能输出包含厚度、应力、应 变等信息的 Dyna.k 文件,后继的工作也是通过它实现的。
图 6 外板、内板仿真结果
2.3 求解计算环节
鉴于 HyperForm 的 1-step 即一步法的求解算法已经比较完善, 因此这里不必对成形仿 真过程和求解过程做过多的介绍。图 6 所示是最终完成的发动机罩内板及外板的仿真结果, 即成形极限图(FLD) ,通过 FLD 图可以看出两个模型的成形结果较好,通过减薄率云图看
-5-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
出最大减薄率均控制在 30%以内,仿真结果可以接受[3]。
3 结构分析模型建立
本节需要使用 HyperMesh 建立发动机罩总成的结构分析模型。发动机罩总成中除了刚 才提到的发动机罩内、外板外,还包括加强板,铰链和锁环等;各种部件之间还通过不同方 式进行连接:发动机罩内、外板是通过周围包边,中间涂胶的形式连接;发动机罩加强板与 内板是通过焊接形式连接;发动机罩铰链与发动机罩内板是通过螺栓形式连接。 借助 HyperMesh 的强大功能,使用壳单元模拟发动机罩内板、外板和加强板,建立的 单元总计为 16,473 个,节点总计 17,029 个。铰链和锁环的建模需要使用体单元,单元总 计 970 个,节点总计 6,459 个。连接方式需要使用一些等效单元来实现:内、外板的包边 是为了将二者刚性连接到一起,因此直接使用 RBE2 单元将二者周圈加以连接即可;涂胶 方式需要借用具有胶黏剂材料特性的六面体单元来实现;其他焊接和螺栓连接就用 cweld 和 bolt 方式来模拟即可。最终建立的发动机罩总成结构分析模型如图 7 所示。
图 7 发动机罩结构模型
4 成形结果映射与调用
众所周知,同一模型的成形分析网格与结构分析网格是不同的,因此,不可能把成形分 析的结果直接应用到结构分析中,采用 HyperForm 8.0?中的 Result-Mapper 模块实现成形 结果调用和映射。 该模块的主要功能就是通过节点映射的方式,以选中基点为中心,使用插值算法,自动 搜寻对应区域的单元和节点, 建立成形网格与结构网格之间的对应关系, 并将成形网格节点 信息赋给结构网格。 其主要过程总共分为五步, 即: 结构分析模型导入, 结构分析模型定位, 成形分析模型导入,成形分析模型定位及输出参量选择,选择输出文件格式。所有过程中最
-6-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
重要的就是模型定位, 所谓模型定位主要有两个方面, 一是映射方向选择, 再就是基点选取。 由于成形分析模型与结构分析模型的不对等性, 想要在两个模型的同一位置找到 4 个空间坐 标一致的节点(注:3 个点用来定义方向,另 1 个作为基点)的确很难。为此,需要在两种 网格划分时有意的留几个对应网格,具体的说就是在容易识别部位(中轴线、边界线)选择 一个特征点, 其在两种网格上都存在且易于识别, 其后在一个比较平坦的面上选 3 个对应节 点确定方向矢量即可。映射结果如图 8 所示。
图 8 从左至右依次为结构模型导入及定位,成形模型导入,成形模型定位,映射结果对 结果映射之后,还有一个重要的工作,就是将映射后得到的 Nastran 的 dat 文件导入到 上一节建好的结构分析模型中, 以得到包含厚度信息的一体化分析模型。 由于结果映射时使 用的结构分析模型与需要导入厚度信息的结构分析模型是同一个模型, 因此只需要在 import 时选中“FE Overwrite”即可。成功将模型导入后,需要将原模型赋予内、外板的厚度信息去 掉,这才完成了成形结果的调用。
5 两种仿真结果对比
建立完一体化分析模型后, 需要对其和原始结构分析模型进行加载。 由于本题仅调用了 成形中的厚度结果,因此仅对其进行刚度分析即可。边界条件如下: 侧向刚度工况: 在发罩铰链处施加全约束(1,2,3,4,5,6), 在发罩锁环处施加部分约束(3); 并在发罩锁环处施加 Y 向力 100N,使用 Nastran 进行静态求解。扭转刚度工况:将发罩铰 链全约束(1,2,3,4,5,6),发罩左缓冲块为部分约束(3),创建 GRAV 卡片,赋予重力加速度 9810N/mm,使用 Nastran 进行静态求解。 两种模型的仿真结果如表 2 所示。通过表 2 我们可以清楚的看出,一体化分析法与传 统分析法还是有一定差异的,无论质量还是刚度,二者都有不同。从直观来看,由于成形仿
-7-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
真主要表现在材料减薄方面,由此造成最终零件的质量下降,刚度也会随之下降。
表 2 仿真结果对比 项目 质量(kg) 侧向刚度 扭转刚度(rad) 分析模型 传统分析方法 15.04 100N/1.007mm 0.01412 一体化分析法 14.75 100N/1.03mm 0.01452
此外,还选取了一体化分析模型中几个厚度变化最大的节点(表 3) ,分别对比了侧向刚度 和扭转刚度工况下这些节点的应力值 (图 9) 从图中我们不难看出, 。 一体化分析得到的应 力 值较传统分析值要大,并且与厚度变化率有关,厚度变化越明显应力差异也越大。 表 3 节点选择 发动机罩内板(传统法的厚度 节点信息 0.55mm) N1 节点编号 635784 优化厚度 厚度变化率 0.556 +1.09% 972145 0.452 -17.8% 972232 0.452 -17.8% 641855 0.701 +0.1% 643638 0.572 -18.3% 641885 0.572 -18.3% 645261 0.572 -18.3% N2 N3 发动机罩外板(传统法的厚度 0.70mm) N4 N5 N6 N7
侧向刚度分析结果 10 8
VonMise Stress (MPa)
扭转刚度分析结果 10 8
VonMise Stress (MPa)
6 4 2 0
6 4 2 0
传统方法 一体化法
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7
Node Number
传统方法 一体化法
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7
Node Number
图 9 选定节点应力结果
6 结论及展望
基于 HyperForm 软件,将制造因素的影响引入产品设计性能分析中,建立了车身结构 一体化分析流程,并对其计算结果与传统分析法进行了比较,从而证明该方法的可行性。上
-8-
2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集
述方法仅考虑了成形仿真的厚度变化影响, 而残余变形和应力等影响因素将是进一步研究重 点,并且应用范畴将进一步拓展到疲劳性、安全性等与制造工艺更密切的性能方面。总之, 本文仅对一体化仿真方法的应用作了一些尝试,更多的工作还有待进一步的研究和探索。
7 参考文献
[1]崔俊芝. 计算机辅助工程(CAE)的现状和未来,中国科学院院士报告,2003,12 [2]MES. 马自达工程技术标准,马自达汽车公司,1993,3 [3]叶又. 三维板料成形数值模拟技术及起皱和拉延筋模型的研究,上海交通大学博士论文, 1998,5 [4]HyperWorks Training Manual
-9-
桥梁概念设计与分析理论 一:桥梁属性与结构形式 1.1桥梁的属性 科学:分析实验 桥梁工程{ 技术:研发应用 艺术:创造美学 1.2 桥梁结构的分类 用途:人行桥,公路桥,铁路桥,公铁两用桥,城市桥,管道桥,明渠桥 材料:石桥,木桥,钢桥,混凝土桥,预应力混凝土桥(主跨90米,在中小跨度范围内已占绝对有优势,在大跨度范围内它正在同钢桥展开激烈竞争。它主要承重结构用预应力钢筋混凝土结构的桥梁。附加预应力混凝土:预应力混凝土,为了弥补混凝土过早出现裂缝的现象,在构件使用(加载)以前,预先给混凝土一个预压力,即在混凝土的受拉区内,用人工加力的方法,将钢筋进行张拉,利用钢筋的回缩力,使混凝土受拉区预先受压力。这种储存下来的预加压力,当构件承受由外荷载产生拉力时,首先抵消受拉区混凝土中的预压力,然后随荷载增加,才使混凝土受拉,这就限制了混凝土的伸长,延缓或不使裂缝出现,这就叫做预应力混凝土。)钢——混凝土组合结构桥 结构形式:梁桥拱桥斜拉桥悬索桥组合桥斜拉—悬
索协作体系 规模跨径:小桥(8~30米) 中桥(30~100) 大桥(100~1000) 特大桥(大于1000) 1.3桥梁结构形式与合理跨度范围 (1)梁桥 简支梁桥的跨度一般不超过70M,最有竞争力的跨度范围50M以下 等截面连续桥梁的合理跨度范围在30~110M,优势跨度范围50~80 变截面连续桥梁或连续钢结构桥的合理跨度50~350M,最有竞争力的跨度范围100~300M (2)~ (3)拱桥合理跨度范围600M以下,最有竞争力40~450M (4)系杆拱桥合理40~800M 最有竞争力150~1200M (5)斜拉桥合理80~1500M 最有竞争力150~1200M (6)悬索桥合理200以上,500以上最有竞争力 二:桥梁设计准则 2.1 桥梁设计的基本目标 安全实用经济美观 2.2安全性和试用性 (1)承载能力极限状态 1 结构或构件达到材料极限强度
钢箱梁桥的有限元分析 1.钢箱梁桥的概述 在大跨度桥梁的设计中,恒载所占的比重远大于活载,随着跨度的增大,这种比例关系也越来越大,极大地影响了跨越能力。因此,从设计的经济角度来说,考虑减轻桥梁结构的自重是很重要的。钢材是一种抗拉、抗压和抗剪强度均很高的匀质材料,并且材料的可焊性好,通过结构的空间立体化,钢桥能够具有很大的跨越能力。 随着高强度材料和焊接技术的发展,以及桥梁设计、计算理论的发展和计算机技术发展,从50年代以来,钢梁桥地建设取得了长足的发展,欧洲相继建造了多座大跨钢桥。从前被认为不可能计算的复杂结构,现在能够通过计算机完成,并且计算结果与实测结果吻合较好。同过去相比,在相同的跨度与宽度的条件下,用钢量可减少15一20 %,工期与工程的造价也都减少很多,因此钢桥在大跨桥梁领域内具有相当强的优势和竞争力。 在构成钢桥的主要构件中,其翼缘和腹板均使用薄板,其厚度与构件的高度和宽度比都比较小,是典型的薄壁构件。它与以平面结构组合为主的桥梁结构分析有一定的区别,它涉及到很多平面结构中不常考虑的扭转问题,所以必须依据薄壁结构理论才能明了其应力和应变状态,其应力及变形应按照薄壁结构的理论进行计算。 由于钢箱梁桥是空间结构,结构在恒载或活载的作用下会发生弯一扭藕合。如果采用传统的计算手段和方法,计算模型要进行必要地简化,为了简化计算,一般的设计规范都要通过构造布置,使实际结构满足简化后的计算理论。实践表明在满足构造要求后,计算的精度能够满足实际地需要。但是这样的计算无法得到结构的一些特定部位的精确解,例如变截面和空间构件交汇的部位等。随着计算机技术和有限元理论的发展和进步,计算机的有限元法己成为现代桥梁的重要计算手段,不但有很高的效率而且可以根据实际的需要进行仿真分析,计算结果经验证与结构的实际结果吻合较好。当前结构的计算机仿真分析已成为一种广为应用的计算手段。 同一座桥梁可以采用不同的施工方法,但是成桥后的最终应力状态会有差异,结构的最终应力状态与安装过程密不可分。例如连续梁可采用满堂支架法和悬臂拼装法,两者成桥后的应力状态却有较大的区别。因此必须针对特定的施工方法,对施工过程中每一个施工阶段的结构应力进行计算,确保各个阶段的应力满足相关规范。 由于在制造和安装等原因,结构的最终状态会与设计状态有一定的差异,各国都通过制订有相关的规范来指导施工和竣工验收的标准。这些标准规是通过长期的实践与试验以及计算分析的基础上得出的,满足这些相关规范的要求一般就可以保证结构的安全性。但是由于实际结构是受力复杂的空间结构,特别是结构的一些局部范围可能在某一工况下处于较高的应力状态,而其他部为却处于相对较低的应力状态,这样不利于充分发挥材料的力学性能。现在可以通过大型通用有限元软件对大桥在使用过程中可能存在的各个工况的受力状态进行仿真分析,确定出结构不利的部位以及富余较大的部位,便于调整设计。 1.1本论文的研究目的 常用的计算机方法是将主梁转换成具有等效截面的梁单元计算,这种方法能够较好的从整体上考虑结构的空间特点,虽然也反映了空间结构的特点,但是它也存在以下明显的不足: 1. 不能准确模拟边界条件。例如支点的约束,梁单元通常只能简化为一点的约束,但是不管什么样的约束实际结构总是以面接触来实现的;
大跨度石拱桥的全桥结构仿真分析研究 摘要:阐述了全桥结构仿真分析的基本思路。结合丹河新桥这—世界最大跨度石拱桥的实例,详细介绍了如何建立由多种单元组合而成,包括上部结构、下部结构和地基在内的全桥结构仿真分析模型,并借助上述模型,进行了结构分析计算。计算结果表明:全桥结构仿真分析技术在大跨度石拱桥的分析计算中,能得到较传统计算理论更加详尽和精确的结果,有着良好的应用前景。 关键词:大跨度石拱桥;全桥结构仿真分析;拱架施工;结构动力特性 1 引言 我国的石拱桥建设具有悠久的历史,早在1400年前修建的赵州桥被誉为“国际土木工程里程碑”。现代桥梁建设中,石拱桥虽然在跨度上不再具有竞争力,但是在石材丰富、地质条件良好的山区修建桥梁时,形式优美的石拱桥仍不失为一个好的桥式选择。全桥结构仿真分析(SSAEB:Structural Simulation Analysis for Entire Bridge)是近年发展的一种桥梁结构分析技术思想,实质是在全桥统一结构分析体系下,整座桥梁所有承载构件组合有限单元模型的计算分析。本文将以丹河新桥这一世界第一跨度石拱桥(跨度达146m)为工程背景,将全桥结构仿真分析这一现代的桥梁分析技术运用于石拱桥这一传统桥式的分析计算。 2 全桥结构仿真分析技术简介 在传统桥梁计算方法中,为了将实际的桥梁结构转化为力学模型,多年来沿用了多体系假设、多平面假设、上下部结构假设、铰接与刚性连接假设等分析方法。近20年来,随着计算机技术的进步,桥梁结构分析经历了从线性计算到非线性计算,从静力计算到动力计算,从平面计算到空间计算,从局部模型计算到全桥模型计算的过渡。“全桥结构仿真分析”的技术思想提出按照全桥所有承载构件(包括地基)的直观几何形状,空间位置及力学特性,采用实体、板壳、梁、杆、索等多种单元分别予以模拟,并将所有单元组合成为整座桥梁完整、统一分析的体系,在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算,由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。采用全桥结构仿真分析技术已对国内外多座不同形式复杂桥型进行了结构分析,主要包括:南京长江二桥斜拉桥(主跨628m),泸州长江二桥连续刚构桥(主跨252m),广州丫髻沙钢管混凝土系杆拱桥(主跨360m),粤海通道琼州海峡铁路轮渡工程铁路栈桥,丹河新桥石拱桥(主跨146m),宜昌长江公路大桥悬索桥(主跨900m),伦敦千年桥人行桥(the Millennium Bridge)等。 3 丹河新桥全桥结构仿真分析 3.1 全桥结构仿真模型的建立 丹河新桥为晋城至焦作高速公路上一座跨越丹河的特大型桥梁。变截面主拱圈材料为料石。采用有拱架的砌筑方案施工。拱架为钢木联合结构,下部为万能杆件为主拼成的钢支架,上部为以木排架为主的木拱盔。主拱圈采用分环砌筑方式,共分五环。施工时先砌筑第一环,第一环不合拢,在第一环上砌筑第二环,第一、二环同时合拢。再依次砌筑第三、四、五环,并采用单环合拢的方式。依据施工的进程建立了多个阶段的仿真分析组合模型,其中,砌筑第五环拱圈施工阶段全桥结构仿真模型(图1)具有52000多个单元,近22000个节点,成桥阶段全桥结构仿真模型(图2)具有12000多个单元,8700多个节点。将桥址处沿桥长220m,宽50m,深约30m范围内的土体用八节点三维实体单元模拟,并在底部和外围施加固定约束。而基础亦采用八节点三维实体单元模拟,相对于土弹簧法,这种处理边界条件的方法更简单并符合实际,对于桩身自身的受力也可以很好地体现。如果在桩体与土体之间加入可以很好地反映土体性能的接触单元,则可以在一定程度上模拟桩—土—结构的相互作用。由于全桥结构仿真模型由各种单元组合而成,在不同单元过渡的区域可能产生自由度不协调的情况,可以采用特定的接触单元(过渡单元)进行处理。建立全桥结构仿真模型时,在力求真实反映结构的几何尺寸、空间位置以及材料特性的前提下,还应考虑施工过程中材料特性的变化及结构的体系转换效应等因素。例如,在砌筑主拱圈过程中,第五环石料堆放完成时,由于该环还未形成结构,不能承受荷载,故其弹性模量应取一较小值。当砌筑拱上结构时,该环就已形成结构,弹性模量取实测值,此时整个主拱圈共同受力。
《汽车车身结构与设计》习题与解答 第一章车身概论 1、汽车的三大总成是什么? 答:底盘、发动机、车身。 2、简述车身在汽车中的重要性。 答:整车生产能力的发展取决与车身的生产能力,汽车的更新换代在很大程度上也决定与车身,我们所看到的汽车概念大多指车身概念,汽车的改型或改装主要依赖于车身。 3、车身有什么特点? 答:a:汽车车身是运载乘客或货物的活动建筑物,由于其在运动中载人、载物的特殊性,所以汽车车身的设计与制造需要综合运用空气动力、空气调节、结构设计、造型艺术、机械制造、仪器仪表、复合材料、电子电器、防音隔振、装饰装潢、人体工程等不同领域的知识。 b:自1885年德国人卡尔·弗里德里希·本茨研制出世界上第一辆马车式三轮汽车,并成立了世界上第一家汽车制造公司——奔驰汽车公司以来,汽车车身的造型随着时代的推移和科技的进步经历了19世纪末20世纪初的马车车厢形车身;20世纪20、30年代的薄板冲压焊接箱形车身;第二次世界大战后50、60年代冷冲压技术生产的体现流线型、挺拔大方的车身。而到了20世纪70、80年代现代汽车的各种车身造型已初具雏形,新材料、新工艺的使用更使得汽车车身的设计制造得到了飞速发展。 4、简介车身材料。 答:现代汽车车身使用的材料品种很多,除金属(主要是高强度钢板)和轻合金(主要是铝合金)以外,还大量使用各种非金属材料如:塑料、橡胶、玻璃、木材、油漆、纺织品、皮革、复合材料等。随着汽车车身制造技术的发展,为了轻量化以及提高安全性、舒适性,非金属材料、复合材料在汽车车身的加工制造中得到日益广泛的应用。 5、车身主要包括哪些部分? 答:一般说,车身包括白车身及其附件。白车身通常是指已经装焊好但未喷涂油漆的白皮车身,主要是车身结构件和覆盖件的焊接总成,并包括前后板制件与车门。车身结构件和覆盖件焊(铆)接在一起即成为车身总成,该总成必须保证车身的强度与刚度,它可划分为地板、顶盖、前围板、后围板、侧围板、门立柱和仪表板总成。车身前板制件一般是指车头部分的零部件,包括水箱框架和前脸、前翼子板、挡泥板、发动机罩以及各种加强板、固定件。6、车身有哪些承载形式? 答:车身按照承载形式的不同,可以分为非承载式、半承载式、承载式三大类。
桥梁结构分析 桥梁结构分析 摘要:设计桥梁可有多种结构形式选择:石料和混凝土梁式桥只能跨越小河;若以受压的拱圈代替受弯的梁,拱桥就能跨越大河和峡谷;若采用钢桁架可建造重载铁路大桥;若采用主承载结构受拉的斜拉桥和悬索桥,不仅轻巧美观,而且是飞越大江和海峡特大跨度桥梁的优选形式。 关键词:梁式桥,拱式桥,悬索桥,桁架桥,斜拉桥 著名桥梁专家潘际炎说:“海洋,是孕育地球生命的产床;河流,是孕育人类文明的摇篮;而桥,则是联系人类文明的纽带。”这纽带越来越宏伟,越来越精致,越来越艺术!建国以
来中国的桥梁工程事业飞速发展。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求,对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的,它的发展前景会更广阔。通过半个学期的结构力学的学习,我对桥梁结构及他们的受力特点有了一定的认识。理论联系实际,我通过对各种结构的对比分析,进一步加深了印象,对以后的学习奠定了基础。 1.梁式桥 工程实例——洛阳桥,又称万安桥,在福建泉州市区东北郊洛阳江入海处,该桥是举世闻名的梁式海港巨型石桥,为国家重点文物保护单位,为国家重点文物保护单位。 梁式桥的主梁为主要承重构件,受力特点为主梁受弯。梁式桥的上部结构在铅垂荷载作用下,支点只产生竖向反力,支座反力较大,桥的跨中处截面弯矩很大。所以由于这种特性,梁式桥的跨度有限。简支梁桥合理最大跨径约20 米,悬臂梁桥与连续梁桥合宜的最大跨径约60-70 米。采用钢筋砼建造的梁桥能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观;这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但是由于制造梁式桥的材料多为石料与混凝土,随跨度的增加其自重的增加也比较显著。因此梁式桥广泛用于中、小跨径桥梁中。 结构本身的自重大,约占全部设计荷载的30%至60%,且跨度越大其自重所占的比值更显著增大,大大限制了其跨越能力。随着跨度的增大,桥的内力也会急剧增大,混凝土的抗弯能力很低,较难满足强度要求。弯矩产生的正应力沿横截面高度呈三角分布,中性轴附近应力很小,没有充分利用材料的强度。 2.拱式桥 工程实例——赵州桥,坐落在河北省赵县洨河上。建于隋代,由著名匠师李春设计和建造,距今已有约1400年的历史,是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥。1961年被国务院列为第一批全国重点文物保护单位。因赵州桥是重点文物,通车易造成损坏,所以不允许车辆通行。 拱式桥拱肋为主要承重构件,受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。从几何构造上讲,拱式结构可以分为三铰拱、两铰拱和无铰拱。分析三角拱的受力特点,在竖向荷载下,三角拱存在水平推力,因此,三角拱横截面的弯矩小于简支梁的弯矩。弯矩的降低,拱能更充分的发挥材料的作用,当跨度较大、荷载较重时,采用拱比采用梁更为经济合理。
第一章 1. 什么是车身结构件、车身覆盖件 答:车身结构件:支撑覆盖件的全部车身结构零件的总称。 车身覆盖件:覆盖车身内部结构的表面板件。 2. 车身类型一般按什么分类,可分为哪几类?非承载式车身的车架一般可分为哪 几类?答:车身类型一般按承载形式不同,可分为非承载式、半承载式和承载式。 非承载式车身的车架一般可分为:1)框式车架:边梁式车架和周边式车架2)脊梁式车架3)综合式车架 3.边梁式、周边式、脊梁式、X 式车架的用途及特点?轿车车身特点分类有 哪些?轿车车身造型分类有哪些? 答:边梁式车架: 特点:此式车架结构便于安装车身(包括驾驶室、车箱或其它专用车身乃至特 种装备等)和布置其它总成,有利于满足改装变型和发展多品种的需要。 用途:被广泛采用在货车、大多数专用汽车和直接利用货车底盘改装的大客车 以及早期生产的轿车上。 周边式车架: 特点:最大的特点是前、后狭窄端系通过所谓的“缓冲臂”或“抗扭盒”与中 部纵梁焊接相连,前缓冲臂位于前围板下部倾斜踏板前方,后缓冲臂位于后座下 方。由于它是一种曲柄式结构,容许缓冲臂具有一定程度的弹性变形,它可以吸 收来自不平路面的冲击和降低车内的噪声。此外,由于车架中部的宽度接近于车 身地板的宽度,从而既提高了整车的横向稳定性,又减小了车架纵梁外侧装置件 的悬伸长度。 用途:适应轿车车身地板从边梁式派生出来的。 脊梁式车架: 特点:具有很大的抗扭刚度,结构上容许车轮有较大的跳动空间,便于装用独立悬架。 用途:被采用在某些高越野性汽车上。 X 式车架: 特点:车架的前、后端均近似于边梁式车架,中部为一短脊管,前、后两端便于 分别安装发动机和后驱动桥。中部脊梁的宽度和高度较大,可以提高抗扭刚度。 用途:多采用于轿车上。
有限元原理在桥梁结构分析中的应用 在过去的30年里,有限元法作为一种通用工具在物理系统的建模和模拟仿真领域已经得到了广泛的接受。在许多学科它已经成为至关重要的分析技术,例如结构力学、流体力学、电磁学等等。 一、有限元原理 将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 二、结构有限元求解问题 依据有限元法的基本思想,结构有限元求解问题可以分解为两个问题,即单元分析和单元集合问题。 (1)单元分析 所谓单元分析就是对某一复杂求解的结构取微小单元进行分析,依据其力学物理特性寻找描述该单元特性的数学函数。即通常说的描述该单元变形的形函数。 (2)单元集合 按照单元之间的联结方式,对整个求解问题系统进行整合。在弹性力学中利用单元的内部势能力与外部作用势能一起守恒,建立内部单元与外界作用之间的联系。 (3)问题的求解 获得内部单元与外界作用之间的联系,即系统的总刚度矩阵。要对问题的求解,则需要依据系统的外部条件求解出各个内部单元的变形状态,依据内部单元的变形,确定内部单元的应力。 因此,有限元法是最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
三、梁结构的有限元分析 1. 有限元程序分析的过程 有限元程序分析的过程大致分为三个阶段: (1)建模阶段 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型,从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散,即划分网格。 但是还是要处理许多与之相关的工作:如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。 (2)计算阶段 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运算量非常大,所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。 (3)后处理阶段 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理,并按一定方式显示或打印出来,以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估,并作为相应的改进或优化,这是结构有限元分析的目的所在。 2、建立有限元模型的一般过程 有限元分析中建模过程有下面7个步骤: (1)分析问题定义 在进行有限元分析之前,首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析,只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型。 总的来说,要定义一个有限元分析问题时,应明确以下几点: a)结构类型; b)分析类型; c)分析内容; d)计算精度要求; e)模型规模;
目录 1.分析目的 (1) 2.使用软件说明 (1) 3.模型建立 (1) 4 边界条件 (3) 5.分析结果 (3) 6.结论 (21)
1.分析目的 白车身结构的静强度不足则会引起构件在使用过程中出现失效。本报告采用有限元方法对Q11白车身分别进行了满载、1g制动、0.8g转弯、右前轮抬高150mm、左后轮抬高150mm、右前轮左后轮同时抬高150mm,6种工况的强度分析,观察整车受力状况,找出高应力区,考察其零部件的强度是否满足要求,定性地评价Q11白车身的结构设计,并提出相应建议。 2.使用软件说明 本次分析采用HyperMesh作前处理,Altair optistruct求解。HyperMesh是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包,也是一个创新、开放的企业级CAE平台,它集成了设计与分析所需的各种工具,具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面,与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能;Altair Optistruct是一个综和隐式和显示求解器与一体的大规模有限元计算软件,几乎所有的线性和非线性问题都可以通过其进行求解。通过Altair Optistruct可以进行任何形状、尺寸、拓扑结构的优化,采用固定的内存分配技术,具有很高的计算精度和效率。 3.模型建立 对车身设计部门提供的Q11白车身CAD模型进行有限单元离散,CAD模型以及有限元模型如图3.1所示。白车身所有零部件均采用板壳单元进行离散,并尽量采用四边形板壳 图3.1 Q11白车身CAD以及有限元模型
强度分析模型质量按整车满载质量计算,其中的白车身附加质量(见表 3.2)用质量点单元CONM2单元模拟。发动机和变速箱、油箱、备胎、冷凝器、前门总成、滑移门总成、后背门总成、发动机罩总成、前排座椅及乘员等使用RBE刚性单元加载到相应总成的安装处。由于额定载货质心的不可确定性,无法给定具体质心位置,因此本次分析在经验基础上确定质心位置,并将额定载货分布于后地板多处主要受力点处进行模拟。具体质量点分布情况可参考图3.2。 表3.2 Q11白车身附加质量及质心 图3.2 Q11白车身附加质量分布
对桥梁结构一些“经典概念”的探讨 对桥梁结构一些“经典概念”的探讨 文/徐栋 6 R. P& A& [% A% r0 ] 作者的话: 非常感谢《桥梁》杂志的约稿,我所理解“重点实验室”栏目中的“实验”是广义的,并不仅仅指真材实料的实验,也可以包括新理论,甚至新 设想的实验性研究成果,或是研究过程中的探讨。 笔者近年来对混凝土桥梁结构的分析和配筋理论等方面做了一些较为深入的研究,借此机会分享一些研究成果,也将一些思考、困惑及感兴趣的问题拿出与业界同仁探讨。由于笔者水平有限,如有条理不清、错误甚至是谬误的地方请大家不吝指正。 综合现状 经过近三十年的大规模建设,我国的桥梁工程师已经具备丰富的设计经验和较高的知识水平。复杂桥梁或复杂截面的桥梁在我国得到了非常普遍的运用,在课堂上学的分析方法和针对简单桥梁的现行规范体系由于不能完全解决问题,往往出现“安全度不足造成的早期破坏和蜕化所带来的损失,或者因过于保守造成的浪费”[1]的现象。在工程实践中发生的许多令桥梁工程师困惑却客观存在的问题使他们不断寻求解答,甚至可以说,由于混凝土桥梁的大规模实践,世界上或许没有哪个国家的工程师像中国工程师那样渴望彻底了解复杂桥梁的受力状况。/ m4 C( q% c5 q7 V2 d/ T+ c2 ^ 桥梁结构理论发展的动力来自工程实践中出现的问题,同时我国对过去新建桥梁的维修加固也在日益增多,但指导维修加固的思想仍然停留在现行桥梁常用计算方法和规程上,现在已经到了应该对过去常用的分析理论和设计思想进行反思和重新梳理的时候。 对于桥梁结构的分析方法,发达国家由于受到来自国家强力发展方向的推动,如航空航天、新材料、机械等,所以发展迅猛,出现了一批水平很高的通用大型有限元分析软件,这些大型通用软件有些甚至已经有几十年的历史。这些软件对于桥梁结构的影响是深远的,使桥梁工程师对于桥梁结构的局部和微观受力情况的认知达到了前所未有的高度和水平。但是,桥梁结构,特别是混凝土桥梁结构具有的几大特征,如桥梁施工、收缩徐变效应、预应力、活载计算等,这些大型软件并不能完全满足要求。8 x5 H$ V# v, Q+ F# i8 y 对于混凝土构件的配筋配束方法,是涵盖受弯、受剪、受扭、受拉(压)的不同方向和不同组合的设计原理,内容非常丰富,也是很早(甚至将近100年)以来发展起来的经典学科。国内外相关规范虽然经过几轮发展,其基本思想仍然停留在“窄梁”范畴。同时,由于各时期的发展和内容补充,里面也留存有大量各时期的,有些甚至已经早已过时的痕迹。所以虽然规范有时显得越来越厚,但实际上并不代表越来越好。1 a; f0 h }; Y* @9 q" [ 作者近年来通过参与我国桥梁规范的最新修订,深刻体会到目前飞速发展的结构分析方法与“蜗行”的桥梁构件设计规范之间的矛盾,就像一个人拥有一条长和一条短的两条腿,其前行速度仍受制约。具体的表现便是结构分析的方法越来越精细,而配筋配束设计理论却仍停留在简单结构范畴,造成了虽然能对复杂桥梁结构进行非常精细的分析,却无法建立与配筋设计方法紧密联系的尴尬情况。 对桥梁结构分析方面一些“经典概念”的探讨 横向分布 桥梁空间结构的近似计算方法,实质上是在一定的误差范围内,寻求一个近似的方法把一个复杂的空间问题转化成平面问题进行求解。早期工程师们采用将空间问题转化为平面问题的横向分布理论,来对多梁式桥梁进行分析验算。横向分布理论的研究,加深了工程师们对桥梁各种上部结构形式的力学性能(纵、横向分配荷载的性能)的理解。如图1为一座常见的多梁式简支梁桥。 图1 多梁式简支梁桥 在横向分布的计算方法中,刚性横梁法和比拟正交各向异性板法(又称G-M法)为最为常用的方法。众所周知,其基本前提是纵横向影响面具有相似的图形[2]。为了简化计算,剪力采用了杠杆法近似考虑。% X9 }) A& u; O, S" ^ 对于箱梁结构,特别是如图2的宽箱梁结构,同样存在各道腹板的荷载横向分配问题。在单梁模型计算中,往往借用“横向分布”的概念,将各道腹板看成一根梁,采用与多道梁式结构同样的横向分布计算方法来计算。) f2 l- ?0 R2 r x* w9 h8 F 图2 多室宽箱梁截面 对图2截面而言,一般一排仅采用2个支座,不会每道腹板下面均设支座,而桥梁结构一般也为连续梁结构。可见,其力学图式与图1的计算原 型结构相差甚远,特别是简支支撑条件已完全改变。 图3是一个4跨连续梁采用的单箱多室箱梁截面及其梁格分割线,中间向两边的腹板编号为0#、1#和2#。该桥的支座布置见图4。图5~7分别为采用梁格计算和传统G-M法计算的3车道活载的0#、1#和2#腹板的剪力横向分布系数。
桥梁的有限元仿真分析 土木083班:孙玉宝 摘要:通过有限元分析能够得出桥梁的很多参数,通过这些参数来判断设计是否满足要求!比如:施加的张拉力多大合适、桥梁的动力特性等等,有限元分析能够对桥梁修建的全过程进行模拟,包括施工阶段的控制、成桥分析、荷载试验。有效地利用了高强度的钢筋和混凝土,可以形成比普通混凝土跨度大而自重轻、截面小的承重结构物;可以改善钢筋混凝土的使用性,可以承受相当大的的过载而不会引起永久性的破坏。 关键词:有限元、钢筋混凝土、预应力、有限元分析法。 正文: 筋混凝土预应力桥梁的有限元分析研究意义:通过有限元分析能够得出桥梁的很多参数,通过这些参数来判断设计是否满足要求!比如:施加的张拉力多大合适、桥梁的动力特性等等,有限元分析能够对桥梁修建的全过程进行模拟,包括施工阶段的控制、成桥分析、荷载试验。总之呢意义非凡啊!... 预应力桥梁分类: ①根据预应力混凝土中预加应力的程度分为:全预应力混凝土(预应力混凝土结构物在全部使用荷载的作用下不产生弯曲拉应力)、有限预应力混凝土(预应力混凝土结构物的拉应力不超过规定的允许值)和部分预应力混凝土(预应力混凝土结构物在主承载方向产生的的拉应力没有限制); ②根据给预应力筋实施张拉是在预应力混凝土结构物形成之前或之后分为:先张法和后张法两种。在水电工程中大都采用后张法施工; ③根据预应力筋与混凝土结构物是否粘结分为:粘结(在预应力施加后,使混凝土结构物对预应力筋产生握裹力并固结为一体)和无粘结(通过采取特殊工艺,使用某种介质将预应力筋与混凝土隔离,而预应力筋仍能沿其轴线移动)两种; ④根据施加预应力的混凝土结构物体形特征分为:预应力混凝土板、杆、梁、闸墩、隧洞; 预应力桥梁优点: ①有效地利用了高强度的钢筋和混凝土,可以形成比普通混凝土跨度大而自重轻、截面小的承重结构物; ②可以改善钢筋混凝土的使用性,从而防止混凝土开裂或将裂缝的宽度限制到无害的程度,提高了耐久性; ③混凝土的变形可保持在很小的范围,即使是部分预应力,在使用荷载的作用下,承重结构所受拉应力也在允许的较小范围内; ④承重结构有很高的疲劳强度。这是由于在预加应力的作用下,钢筋应力的变化幅度大大减小,远远低于疲劳强度; ⑤只要钢筋应力不超过其应变极限,可以承受相当大的的过载而不会引起永久性的破坏。超载引起的裂缝就会重新闭合。 有限元分析法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元分析软件目前最流行的有:ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较
BODY CAE Loadcase Description 1. BIW 1.1 BIW static bending stiffness 1) Model setup The model comprises BIW with CMS front (in blue), front sub frame (in red), CMS rear (in yellow). 2) Load and constraints The force Fz creats a total of 4000N, and applied at the H points. Constraints location: 1) Middle of the crash beam; 2) Front suspension supports; 3) Rear subframe mouting points on the side member 3) Software Nastran. 4) Targets The bending rocker stiffness is 11 200N/mm. 5) Post Calculation of deflection from vertical displacement indicated by reading points at 4000N: w i=A,B = max. vertical displacement of reading points A and B (on rocker); ? ? ? ??+++-??? ??+=42F E D C B A w w w w w w f
五、问答题 1)桥梁有哪些基本类型?按照结构体系分类,各种类型的受力特点是什么? 答:梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥。按结构体系划分,有梁式桥、拱桥、钢架桥、缆索承重桥(即悬索桥、斜拉桥)等四种基本体系。梁式桥:梁作为承重结构是以它的抗弯能力来承受荷载的。拱桥:主要承重结构是拱肋或拱圈,以承压为主。刚架桥:由于梁与柱的刚性连接,梁因柱的抗弯刚度而得到卸载作用,整个体系是压弯构件,也是有推力的结构。缆索桥:它是以承压的塔、受拉的索与承弯的梁体组合起来的一种结构体系。 2)桥梁按哪两种指标划分桥梁的大小?具体有哪些规定? 答:按多孔跨径总L和单孔跨径划分。 3)各种体系桥梁的常用跨径范围是多少?各种桥梁目前最大跨径是多少,代表性的桥梁名称? 答:梁桥常用跨径在20米以下,采用预应力混凝土结构时跨度一般不超过40米。代表性的桥梁有丫髻沙。拱桥一般跨径在500米以内。目前最大跨径552米的重庆朝天门大桥。钢构桥一般跨径为40-50米之间。目前最大跨径为 4)桥梁的基本组成部分有哪些?各组成部分的作用如何? 答:有五大件和五小件组成。具体有桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、基础、桥面铺装、排水防水系统、栏杆、伸缩缝和灯光照明。桥跨结构是线路遇到障碍时,跨越这类障碍的主要承载结构。支座系统式支承上部结构并传递荷载于桥梁墩台上,应满足上部结构在荷载、温度或其他因素所预计的位移功能。桥墩是支承两侧桥跨上部结构的建筑物。桥台位于河道两岸,一端与路堤相接防止路堤滑塌,另一端支承桥跨上部结构。基础保证墩台安全并将荷载传至地基的结构部分。桥面铺装、排水防水系统、栏杆、伸缩缝、灯光照明与桥梁的服务功能有关。 5)桥梁规划设计的基本原则是什么? 答:桥梁工程建设必须遵照“安全、经济、适用、美观”的基本原则,设计时要充分考虑建造技术的先进性以及环境保护和可持续发展的要求。 6)桥梁设计必须考虑的基本要求有哪些?设计资料需勘测、调查哪些内容? 答:要考虑桥梁的具体任务,桥位,桥位附近的地形,桥位的地质情况,河流的水文情况。设计资料需勘测、调查河道性质,桥位处的河床断面,了解洪水位的多年历史资料,通过分析推算设计洪水位,测量河床比降,向航运部门了解和协商确定设计通航水位和通航净空,对于大型桥梁工程应调查桥址附近风向、风速,以及桥址附近有关的地震资料,调查了解当地的建筑材料来源情况。 7)大型桥梁的设计程序包括哪些内容? 答:分为前期工作及设计阶段。前期工作包括编制预可行性研究报告和可行性研究报告。设计阶段按“三阶段设计”,即初步设计、技术设计、与施工图设计。 8)桥梁的分孔考虑哪些因素?桥梁标高的确定要考虑哪些因素? 答:要考虑通航条件要求、地形和地质条件、水文情况以及经济技术和美观的要求。要考虑设计洪水位、桥下通航净空要求,结合桥型、跨径综合考虑,以确定合理的标高。 9)桥梁纵断面设计包括哪些内容? 答:包括桥梁总跨径的确定,桥梁额分孔、桥面标高与桥下净空、桥上及桥头的纵坡布置等。 10)桥梁横断面设计包括哪些内容? 答:桥梁的宽度,中间带宽度及路肩宽度,板上人行道和自行车道的设置桥梁的线性及桥头引道设置设计等。 11)为什么大、中跨桥梁的两端要设置桥头引道? 答:桥头引道起到连接道路与桥梁的结构,是道路与桥梁的显性协调。 12)什么是桥梁美学? 答:它是通过桥梁建筑实体与空间的形态美及相关因素的美学处理,形成一种实用与审美相结合的造型艺术。 13)桥梁墩台冲刷是一种什么现象?
车身结构与设计
基于理论分析汽车气动力及力矩 【摘要】汽车空气动力性是汽车的重要特性之一,气动力和气动力矩是它的主 要内容。通过运用数学和物理方法,理论分析气动力及气动力矩的相关参数,进而与汽车的动力性及燃油经济性综合在一起进行分析,找到相关的影响因素,通过改变这些因素来改善汽车性能,合理的选择相关参数,为接下来的设计及模拟仿真做好铺垫。 【关键词】空气动力性气动力气动力矩气动阻力动力性燃油经济性 前言 汽车空气动力性是汽车的重要特性之一,它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、舒适性及安全性,它是指汽车在流场中所受的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土及灰尘的附着与上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气调节等特性。当一辆汽车以80km/h的速度前进时,有60%的动力用于克服空气阻力。从世界上首款流线型汽车“气流”诞生开始,迄今为止,国内外对于汽车空气动力学的研究方法大致分为一般采取试验法、试验与理论相结合法及数值模拟仿真研究法。理论研究方法主要是通过数学工具来建立空气运动规律及相应初始、边界条件的理论模型,以揭示气动力产生机理及作用关系。而试验及模拟仿真都是在理论研究和计算的基础之上进行的,可见理论研究对于汽车空气动力学来说是不容忽视的。 气动力及气动力矩分析 1、气动力及力矩 汽车与空气相对运动并相互作用,会在汽车车身上产生一个气动力F,这个力的大小与相对运动速度的平方、汽车的迎风面积及取决于车身形状的无量纲气动系数成正比,可表示为 F = qSC F = 0.5ρvSC F (1) 式中,F为气动力,S为汽车迎风面积,C F为气动系数。
桥梁结构健康监测
目录 1. 桥梁结构健康监测的概念 0 2. 桥梁结构健康监测系统 0 2.1. 监测内容 0 2.2. 数据传输 (1) 2.3. 数据分析处理和控制 (2) 2.4. 大型桥梁结构健康监测系统 (2) 2.5. 桥梁结构健康监测的现状与发展方向 (3) 3. 桥梁结构健康监测系统的意义 (4) 3.1. 桥梁结构健康监测系统的主要作用包括: (4) 3.2. 桥梁健康监测意义 (4) 4. 现有桥梁结构监测系统存在的问题 (5) 5. 结语 (6)
桥梁结构健康监测 1.桥梁结构健康监测的概念 交通是社会的经济命脉,桥梁是交通的咽喉,交通不畅会制约社会的经济发展,所以保障桥梁的功能性、耐久性,尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生,对桥梁结构进行健康监测应运而生,桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础,采用各种适宜的检验、检测手段获取数据,为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证;对结构的主要性能指标和特性进行分析,及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷,诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度,并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估,为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号,为桥梁维护、维修与管理措施提供依据,并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏,保障和延长桥梁的使用寿命的目的。 2.桥梁结构健康监测系统 2.1.监测内容 数据采集与测量的内容主要为:变形(沉降、位移、倾斜)、应力、动力特性、温度、外观检测等。 1)变形监测 采取适宜的测量手段,对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有:导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。 2)应力监测 桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起
基于有限元模式下的桥梁结构分析 前言有限元法(finite element method)是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的,所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中(这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系)。自从1969年以来,某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程,因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中,而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想:由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。 关键词结构划分分割单元分析 一有限元运用原理 将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 二有限元运用步骤 步骤1:剖分: 将待解区域进行分割,离散成有限个元素的集合.元素(单元)的形状原则上是任意的.二维问题一般采用三角形单元或矩形单元,三维空间可采用四面体或多面体等.每个单元的顶点称为节点(或结点).步骤2:单元分析: 进行分片插值,即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开,即建立一个线性插值函数 步骤3:求解近似变分方程用有限个单元将连续体离散化,通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元:杆系结构的单元是每一个杆件;连续体的单元是各种形状(如三角形、四边形、六面体等)的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数,这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组,求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题,并建立了各种有限元模型,如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有
浅谈桥梁结构计算分析 黎志忠 (四川省交通厅公路规划勘察设计研究院桥梁分院成都610041)摘要:结合当代桥梁计算技术的发展,从桥梁结构工程师的角度分析指出桥梁计算从属于和促进了精细化设计。分析计算工作的层次性和动态性特点,强调结构分析的人员对结构概念的掌握尤其重要。指出计算工作需要策划,不同的桥型有其侧重点,计算应有针对性的提出解决方案,并建议了计算工作的一般流程。就具体实施而言,工程计算应该立足于现有的软件硬件资源。探讨如何对待软件工具和判断调试计算结果,总结了一些分析判断经验。通过列举特定案例计算内容和解决思路,给桥梁计算工作同行起到抛砖引玉的作用。 关键词:桥梁结构分析解决方案思路 A discussion about structural analysis of bridge LI Zhi-Zhong (Sichuan Province Communications Department Highway Planning, Survey, Design And Research Institute, Chengdu, 610041, China) Abstract: Combined with the development of modern computing technology of bridges, this paper points out that calculations subordinate and promote the finer bridge designs from the perspective of bridge engineers. The calculation work is different in various design stages and dynamic in nature. That the concepts of structure are especially important to the analysts is emphasized. Pointe out that the calculations need to plan and solution methods should be focus on the distinguishing features of each bridge, then a general process of the calculation is recommended. It is suggested that the engineering calculations should be based on the existing software and hardware resources. How to debug FEA models and judge the results are discussed on. Some of the experiences to judge are summarized. The contents of certain cases and solutions are presented for reference.
本章介绍桥梁结构的模拟分析。桥梁是一种重要的工程结构,精确分析桥梁结构在各种受力方式下的响应有较大的工程价值。模拟不同类型的桥梁需要不同的建模方法,分析内容包括静力分析、动荷载响应分析、施工过程分析等等。在本章中着重介绍桁架桥、刚架桥和斜拉桥三种类型桥梁。 内容 提要 第6章 ANSYS 桥梁工程应用实例分析 本章重点 结构分析具体步骤 结构静力分析 桁架结构建模方法 结构模态分析 本章典型效果图
6.1 引言 ANSYS通用有限元软件在土木工程应用分析中可发挥巨大的作用。我们用它来分析桥梁工程结构,可以很好的模拟各种类型桥梁的受力、施工工况、动荷载的耦合等。 ANSYS程序有丰富的单元库和材料库,几乎可以仿真模拟出任何形式的桥梁。静力分析中,可以较精确的反应出结构的变形、应力分布、内力情况等;动力分析中,也可精确的表达结构的自振频率、振型、荷载耦合、时程响应等特性。利用有限元软件对桥梁结构进行全桥模拟分析,可以得出较准确的分析结果。 本章介绍桥梁结构的模拟分析。作为一种重要的工程结构,桥梁的精确分析具有较大的工程价值。桥梁的种类繁多,如梁桥、拱桥、钢构桥、悬索桥、斜拉桥等等,不同类型的桥梁可以采用不同的建模方法。桥梁的分析内容又包括静力分析、施工过程模拟、动荷载响应分析等。可以看出桥梁的整体分析过程比较复杂。总体上来说,主要的模拟分析过程如下: (1) 根据计算数据,选择合适的单元和材料,建立准确的桥梁有限元模型。 (2) 施加静力或者动力荷载,选择适当的边界条件。 (3) 根据分析问题的不同,选择合适的求解器进行求解。 (4) 在后处理器中观察计算结果。 (5) 如有需要,调整模型或者荷载条件,重新分析计算。 桥梁的种类和分析内容众多,不同类型桥梁的的分析过程有所不同,分析侧重点也不一样。在这里仅仅给出大致的分析过程,具体内容还要看具体实例的情况。 6.2 典型桥梁分析模拟过程 6.2.1 创建物理环境 建立桥梁模型之前必须对工作环境进行一系列的设置。进入ANSYS前处理器,按照以下6个步骤来建立物理环境: 1、设置GUT菜单过滤 2、定义分析标题(/TITLE) 3、说明单元类型及其选项(KEYOPT选项) 4、设置实常数和单位制 5、定义材料属性