時間：2023-03-24 15:09:28
導語：在有限元分析論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優秀范文，愿這些內容能夠啟發您的創作靈感，引領您探索更多的創作可能。
關鍵詞：高聳鋼筋混凝土結構煙囪；爆破拆除；數值模擬；本構關系；有限元模型
1.引言
隨著城市化進程和產業升級的不斷推進，在城市建設和企業技術改造中，經常要開展煙囪、水塔等廢棄高聳建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要達到預定拆除目的，又必須有效控制爆破振動影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環境安全[1]。目前，國內外已廣泛應用爆破方法拆除高聳建筑物，定向爆破拆除煙囪的高度已達210米[2]。
本文基于彈塑性力學和有限元基本理論，針對一150m高聳鋼筋混凝土結構煙囪定向爆破拆除工程，對該煙囪爆破拆除的力學條件、煙囪爆破傾覆時間、煙囪爆破傾覆時的支座內力以及煙囪爆破傾覆時的本構關系進行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過分離式共節點建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對煙囪爆破拆除過程進行了有限元模擬。
2.爆破拆除方案
煙囪爆破拆除的原理是在煙囪傾倒一側的煙囪支承筒壁底部炸開一個爆破缺口，破壞煙囪結構穩定性，導致整個結構失穩和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進而使煙囪按預定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長度過短，上部結構產生的傾覆力矩可能小于下部支撐結構可以承受的彎矩，爆破時結構不易發生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過長，下部支撐結構不能承受上部結構的自重，上部結構將直接壓塌下部結構，影響煙囪倒塌方向，產生嚴重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對煙囪控制爆破拆除至關重要。
某電廠一個150m高度的鋼筋混凝土結構煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質量為3.37966×106Kg，煙囪自重為33121KN。圖1為該電廠150m高度的鋼筋混凝土煙囪。
在爆破缺口中部長度7.5m范圍內，采用137發瞬發導爆管雷管，總裝藥量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140發導爆管毫秒延期雷管，總裝藥量8.4kg。此外，為保證煙囪順利倒塌，在煙囪爆破缺口兩端各開設了1個高1.46m、長4m的三角形作為定向窗。
3.煙囪爆破傾覆時間歷程
煙囪爆破傾覆時間是煙囪爆破過程控制的一個重要因素，煙囪爆破傾覆時間可由煙囪傾覆過程的角加速度ε與煙囪傾覆過程的角速度求得，即：
在公式（1）中，dt為煙囪爆破傾覆時間。針對論文中150m高度的鋼筋混凝土結構煙囪，其爆破傾覆時間為：
4.煙囪爆破拆除過程有限元模擬
4.1有限元模型
鑒于鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土兩種不同性能的材料組成，采用分離式共節點有限元建模，可事先分別計算混凝土和鋼筋的單元剛度矩陣，然后統一集成到結構整體剛度矩陣中，可按實際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結單元。因此，論文針對該150m高度鋼筋混凝土結構煙囪，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[11]，采用分離式有限元建模方法建立鋼筋混凝土煙囪有限元模型。論文建立的煙囪有限元整體模型如圖3所示。
建模過程時，為模擬煙囪傾覆過程，通過在特定時間定義爆破缺口處材料失效的方法來模擬爆破缺口的形成。筒體之間以及筒體與地面之間采用自動單面接觸，鋼筋與地面之間采用點面接觸模擬煙囪傾覆觸地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件環境下可通過在K文件中加入使材料失效的命令流來模擬爆破形成缺口，并可修改K文件使煙囪筒體和缺口處的材料具有失效準則功能。
4.2數值模擬結果
圖4為煙囪爆破傾覆歷程數值模擬結果，圖5為實際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計算得到的煙囪頂部、質心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運動速度隨時間的變化曲線，圖8為有限元計算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時刻的煙囪等效應力場分布圖。
由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數值模擬結果與實際煙囪爆破傾覆過程吻合較好。由圖6和圖7可知，計算得到的煙囪頂部、質心及缺口等不同部位在爆破傾覆過程中的位移、運動速度隨時間的變化情況較符合實際。圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位在爆破傾覆過程中的運動速度隨時間變化出現振動是因為爆破傾覆初期煙囪筒體出現晃動，圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位運動速度在5.8秒出現突變是因為煙囪爆破傾覆過程中爆破缺口發生閉合，圖7中煙囪頂部、質心及缺口部位運動速度在5.8秒出現躍變是因為煙囪爆破傾覆觸地造成的。
5.結論
（1）采用數值模擬方法對煙囪爆破拆除過程進行模擬分析，可較全面地研究煙囪傾覆歷程、煙囪傾覆歷程的應力、位移、煙囪傾覆時間和速度、煙囪爆破傾覆時的支座內力等，可開展煙囪模擬爆破拆除實驗，以指導煙囪爆破拆除設計。
（2）采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA可模擬煙囪控制爆破拆除過程，采用分離式共節點有限元建模方法建模，實際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長度與有限元數值模擬結果吻合較好。
（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構關系符合實際；論文采用的材料塑性隨動硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應變率模型可較好地反應煙囪爆破傾覆過程的鋼筋及混凝土材料力學性能。
（4）數值模擬結果與理論計算結果存在一定差別的主要原因是理論計算所采用的模型沒有考慮煙囪爆破過程形成的塑性鉸對煙囪傾覆運動的影響作用。數值模擬結果與實際煙囪爆破傾覆過程存在一定差別的主要原因是數值模擬所用材料參數與實際煙囪爆破傾覆過程材料力學性能存在偏差。
參考文獻
[1] 張成化、羅惠敏、謝斌等.城市改造建設中拆除爆破安全管理的幾點做法[J].采礦技術，2001.11（5）：178-179.
[2] 王希之、謝興博、譚雪剛等.210m高煙囪爆破拆除技術.工程爆破，2011.17（2）：53-55.
[3] 汪浩、鄭炳旭.拆除爆破綜合技術[J].工程爆破，2003.9（1）：27-31.
[4] 葉海旺、薛江波、房澤法.基于LS-DYNA的磚煙囪爆破拆除模擬研究[J].爆破，2008.25（2）：39-42.
[5] 言志信、葉振輝、劉培林、曹小紅.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過程研究[J].振動與沖擊，2011.30（9）：197-210.
[6] 王斌、趙伏軍、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形狀的的有限元分析[J].采礦技術，2005.9：95-97.123.
[7] 趙根、張文煊、李永池.鋼筋混凝土定向爆破參數與效果的DAA模擬[J].工程爆破，2006.12（3）：19-21.49.
摘要：本文對YL25C型輪胎壓路機后輪驅動裝置結構設計進行了闡述。在設計過程中，提出3種比較理想的結構方案，并對3種方案進行了詳細的優缺點分析，最終選定了簡支式結構方案。本文對液壓馬達、減速機、軸承等元件的選型也做了比較詳細的計算，對軸的強度進行強度計算與校核、對軸承進行壽命計算分析。運用Pro/E對所有的0部件進行建模，建模完成后進行了干涉分析、運動仿真、結構裝拆順序動畫的制作。還通過Pro/e的有限元分析對軸和機架焊接件進行了有限元分析，針對機架焊接件有限元分析結果，提出機架焊接件結構改進的方案。完成了主要0件的工程圖繪制和加工工藝過程分析。
關鍵詞：輪胎壓路機 后輪驅動裝置 結構設計 Pro/E建模 有限元分析
The Structural Design about the Simple Supported Rear Drive of Tyre Road Roller
Abstrct: The paper expatiates on the structural design about the rear drive device of tyre road roller. The paper puts forward three structures during the design work, then analyzes the advantages and disadvantages of them in detail, finally chooses a simple supported type structure to use in the design. The paper does much calculation work to choose the right model of the components, such as hydraulic motor, reducer and bearing. The paper checks the strength of the shaft and the service life of the bearing by calculation and analysis. All the parts and components of the device are modeled in using Pro/E. The paper analyzes the interference among parts and components, executes the mechanical motion emulation, and works out an animation about the assembled and unassembled process of the device after the modeling work. The paper uses finite element analysis function in the Pro/E to do finite element analysis work on shaft and supported framework, then makes a structural improvement about the supported framework by using the result of finite element analysis work. The paper also works out drawings and process planning of some major parts and components.
Keyword: tyre roller, the rear drive device, structural design, modeling in Pro/E, finite element analysis (FEA)
關鍵詞： FRP加固梁ANSYS有限元分析
中圖分類號：TV331文獻標識碼： A
0、 引言
纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)以其輕質、高強、抗疲勞等優越的力學性能,廣泛地應用于工程結構加固領域之中。在有些條件下傳統建筑材料很難滿足這種發展要求。FRP復合材料具有輕質，高強，耐腐蝕，抗疲勞，耐久性好，多功能，適用面廣，可設計和易加工等多種優點。在重要的土木工程中，如超大跨，超高層，地下結構，海洋工程，高耐久性的應用，以及特殊環境工程，永久性工程，結構加固修復，都具著巨大的優越性。
1、單元有限元分析
1.1 單元有限元模型
在文獻[1]中，提出了一種用單元分析FRP-混凝土界面破壞的方法。其基本思路是：用非常小的單元(0.25mm~0.5mm)來模擬混凝土和FRP 片材，在混凝土和FRP片材之間不再設置膠層，而是將二者直接聯系在一起，通過混凝土單元的開裂破壞來模擬FRP的剝離。由于單元尺寸很小，因此混凝土材料的本構關系需要加以修正以考慮尺寸效應的影響。研究表明，采用有限元模型可以較好地預測FRP 和混凝土之間的面內剪切破壞。因此，使用該模型來分析FRP加固混凝土梁IC debonding 界面破壞。有限元模型中，雖然單個的混凝土單元依然基于彌散裂縫模型，但是因為單元尺寸非常小(0.5mm 以下)，因此仍然可以較好地模擬裂縫附近的變形以及滑移集中情況。
1.2 界面粘結滑移關系
對于遠離受彎裂縫的FRP-混凝土界面該裂縫形狀與面內剪切試驗的裂縫形狀很相似[1]，說明此處的粘結-滑移關系與面內剪切試驗的差不多，故可直接采用由剪切試驗得到的界面粘結-滑移關系。
1.3 雙重剝離破壞準則
通過前面的分析可以知道，如果界面距離受彎裂縫較遠，即與界面單元相連的混凝土單元沒有開裂，其剝離破壞主要是由界面的整體單向相對滑動引起，滑移場比較均勻，采用普通界面單元的形函數可以較好地估計單元內部的滑移狀態。
2、ANSYS有限元分析結果
基于ANSYS軟件分別建立了文獻[2]中的BL20-2、PPL30梁和文獻[3]中的RLII-3梁的有限元計算模型，各個試件的材料參數詳見文獻[2-3]。為節省計算時間，根據對稱性，對每個試件僅建立了1/4梁的有限元模型。
計算得到的荷載－跨中撓度曲線及與試驗結果的對比見圖1所示,將計算得到的梁的極限承載力與試驗結果進行對比見表1所示。
（a）BL20-2梁 （b）PLL30梁 (c)RLII-3梁
圖1 計算的荷載－跨中撓度曲線與試驗結果的對比
表1計算極限荷載與試驗結果的對比
計算的梁荷載－跨中撓度曲線與試驗結果的對比可知，從加載直到屈服階段，計算得到的荷載－撓度曲線與試驗結果有很好的吻合；屈服后，BL20-2和PLL30梁的荷載－撓度曲線與試驗結果吻合較好，但RLII-3梁的模擬結果與試驗結果誤差較大，模擬結果未能合理反映梁荷載－撓度曲線的下降段。
計算得到的三根梁的極限荷載均與試驗結果有較好的吻合，即建立的有限元模型可以較好的模擬FRP加固混凝土梁的承載力。
Solid65單元使用彌散式裂縫模型，針對混凝土的開裂與壓碎，ANSYS中提供了專門的圖形顯示命令PLCRACK。該命令用小圓圈表示混凝土的開裂部位，小八邊形表示混凝土的壓碎部位。如果裂縫張開后又閉合，通過小圓圈中間加X表示。此外，在每個積分點處可以有至多三個開裂面，第一、二、三方向裂縫分別用紅、綠、藍小圓圈表示。限于篇幅限制，僅將模擬得到的BL20-2梁在不同加載過程的破壞形態列出，如圖2所示。
由于關閉了混凝土的壓碎選項，混凝土的破壞僅以開裂體現，在破壞前期，最主要的破壞形態是梁跨中底部混凝土的開裂，且所有開裂形態基本為彎曲裂縫；在梁的中度開裂階段，開裂高度增加，且在支座上部出現出現剪切斜裂縫；在梁的最終破壞階段，梁的開裂進一步加劇，跨中裂縫布滿整個梁高，支座處剪切斜裂縫向頂部擴展。
(a)初始開裂階段
(b)中度破壞階段
(c) 最終破壞階段
圖2 模擬得到的梁在不同加載階段的破壞形態
3、結論與展望
本文在總結了國內外利用ANSYS軟件對FRP加固混凝土結構進行有限元模擬分析取得的研究成果的基礎上，建立了FRP加固混凝土梁的有限元計算模型，模擬得到了梁的荷載－撓度曲線，極限荷載以及梁在不同加載階段的破壞形態；將模擬結果與試驗結果進行的對比表明，所建立的有限元模型可以較為準確的模擬梁的承載能力以及破壞形態，驗證了所建立的有限元模型的正確性。
隨著經濟高速發展和技術飛速進步，世界各國對土木工程的要求越來越高。FRP復合材料在土木工程中的應用技術與材料研究開發,在當今世界上已成為復合材料界與土木工程界共同研究開發的一個熱點。該技術研究開發成功后將會極大地推動現代土木工程的技術進步。它還將為現代復合材料產業開辟出巨大的應用市場，因而具有非常廣闊的發展應用前景。
作者簡介：
作者簡介：趙健（1979.1－），男，工學學士，工程師。
參 考 文 獻：
1Lu Xinzheng, Teng Jinguang, Ye Lieping and Jiang Jianjing. Bond-slip models for FRP sheet/plate-to--concrete interfaces [A]. Proc.2nd International Conference of Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction [C]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Ltd, 2004. 152~161.
關鍵詞：ANSYS；鋼結構框架；風荷載；安檢通道
前言
由于鋼結構設計方法及理論的日趨成熟、結構優化設計與計算機輔助設計的迅猛發展，促進了鋼結構的廣泛應用，目前已成為一種主要的建筑結構類型應用于各個領域。鋼結構的結構形式多種多樣，主要有：桁架結構、框架結構、網殼結構及支架等。
ANSYS有限元軟件是一個通用設計分析程序，可以用來分析超高超限、體系復雜結構的大型有限元軟件，在機械、土木、電子及航空等不同領域得到了廣泛的應用，在世界范圍內已經成為土木建筑行業分析軟件的主流。
1設計對象
本文設計對象是為福建某核電站進行配套的安檢通道設計，該核電站東臨東海，北臨晴川灣。該安檢通道結構尺寸為11m×4m×2.8m，選用單層框架結構，采用設計及仿真分析相結合的方法，進行整體的設計，從該結構的1：1模型入手，采用AUTOCAD軟件進行結構設計，再采用大型有限元分析軟件ANSYS進行結構的風荷載作用分析。
2結構設計
1） 主體結構主要為單向受彎，需要有很好的穩定性，故立柱采用H型鋼，選擇H型鋼的好處還在于H型鋼截面的慣性中心在結構內部，能夠增強結構的穩定性。一般情況下，梁為單向受彎構件，也通常采用H型鋼。H型鋼的材料在截面上的分布比較符合受彎的特點，用鋼較省，而且其比內翼緣有斜坡軋制普通工字鋼截面抗彎性能更高，易于與其他構件連接。
2） 通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。當強度起主要作用時可選擇Q345，穩定控制時宜使用Q235。結合經濟性考慮故本結構構件均選用Q235B。
3） 整個結構通過焊接在頂部的六個吊耳進行吊裝，強度高。整體結構設計如圖1所示。
4.6 風荷載的有限元分析
為設備做充分的安全考慮，整體迎風面積風荷載按設備頂端即Z=2.8m處風荷載值進行計算。同時出于安全性考慮，分析時按2.0KN/m2風荷載施加荷載。
在ANSYS中建立鋼架整體計算模型，梁、柱均采用BEAM188單元，作用在鋼結構框架上的各種荷載等效離散化為節點力，考慮安裝設備重量對整體鋼結構框架的影響，采用集中力的方式作用于結構節點上，在ANSYS中直接加載于結構模型節點上，風荷載的計算如前文所示，風向取正Z向。圖3～圖5為結構的風荷載作用分析結果圖，包括結構的變形、等效應力等。
4.7 結果分析
從圖3～圖5可以看出鋼結構框架結構在風荷載組合荷載作用下，變形很小僅為26.337mm。最大等效應力為584.26MPa，最大應力點出現在通道的最右側迎風面的梁上，通道頂部和主梁的重量通過梁與柱的交點向下傳遞，因此鋼結構框架結構的整體承載力極限狀態檢驗合格。
在風荷載作用下整個框架在背風側受壓力，迎風面受拉力，風荷載是作用在鋼架上的主要水平荷載，水平荷載的主要是由主梁和內部的設備安裝鋼梁來傳遞的。側風面的梁均受壓力，這主要是由于計算的風向為正Z向，計算結果與理論分析相符合。
從ANSYS的仿真計算結果及結果的分析中可以看出主機組裝機鋼結構框架結構的內力較大，但由于設計構件強度及尺寸足夠大，鋼結構框架結構的整體形變及構件的應力、變形均較小，符合規范的要求及實際設備安全運行的需要。
5結論
1）本文根據項目要求對安檢通道的鋼結構框架進行了結構設計，使其能夠滿足安檢通道對于空間布局、吊裝、安裝固定等方面的要求；
2）本文使用ANSYS有限元分析軟件對鋼結構框架結構進行分析驗證，充分考慮該安檢通道所處的位置對風載荷進行重點考慮，驗證結果均能滿足項目要求。
參考文獻：
[1] GB50009-2001，《建筑結構荷載規范》[S]
[2] GB50017-2003，《鋼結構設計規范》[S]
[3] 胡柱.快速裂解制生物燃油主機組鋼結構的設計[J].機電產品開發與創新.2010.
關鍵字：有限元；教學改革；實踐
一、有限元課程在機械專業中的背景和重要性
有限元法（FEM）是根據變分原理求解數學物理問題的數學計算方法，已廣泛應用在機械、建筑和航空航天等行業。有限元分析可為各類結構設計和工程分析提供可靠依據，已經成為工程科學中處理難題的重要手段。當前，有限元法理論體系已經成熟，常用的有限元軟件包括MSC Nastran、Ansys、Abaqus等。
隨著計算技術的發展，也極大促進了有限元技術在機械設計中的應用。特別對于結構復雜的機械產品的研發中，有限元分析已經成為設計者的重要依據。涉及有限元法相關的機械方面的科研論文眾多，已經成為科研人員重要的工具。
根據機械專業性質和知識要求，機械工程師必須具備必要的有限元分析計算能力。機械專業培養的大多數學生要求能夠獨立運用有限元法從事機械設計、研發能力，這就要求學生要成為基礎扎實、專業知識廣闊、具有創新精神和實踐能力的復合人才。在機械發展水平不斷提高的情況下，必須進一步調高人才的培養質量，提高學生獨立運用有限元從事機械設計的能力，必須對有限元課程進行改革。
二、有限元課程在機械專業教學中存在的問題
1. 重理論輕實驗
有限元理論復雜，涉及到結構力學、彈性力學、數值方法等方面的知識，不容易講也不容理解，老師往往花大量的時間灌輸基本理論。實踐環節僅僅利用計算軟件按照例子進行模擬分析，至于計算結果的準確性沒有進行分析，導致學生對有限元分析的準確性產生懷疑。有限元分析結果一方面可以參照解析解，沒有解析解的話可以做實驗進一步確認。很多本科院校根本忽略有限元相關驗證的實驗，根本原因是實驗驗證需要投入人力、物力和財力。學校和老師都應加大這方面的投入。
2.前瞻性不足
有限技術雖然已經成熟，但可供研究的內容還有很多，很多老師講課的內容只講教材，根本不講解研究前沿。只有有限元的教學和科研有機結合，才能全面掌握有限元技術。在教學時，我們既要重視基礎理論，又要重視科技前沿。要求老師對有限技術相關國內外文獻認真閱讀，將有限元前沿的知識合理灌輸給學生，讓學生實時了解有限技術的發展現狀。
3.學生學習動力不足
根據經驗，很多學生聽說有限元很難學，心里有懼怕情緒。再加上有限元課程通常是選修課，令很多學生避而言之。當然，這里有老師的因素，更多的是學生自身的因素。很多學生沒有意識到有限法對機械專業的重要性，老師也要引導學生提高學習熱情。
4.理論和實踐脫節
理論與實際工程結合才能體現有限元法的重要作用。教學過程中，老師常常拿梁、桿等簡單例子進行練習，限制了學生對有限元法對機械設計重要作用的認知。做到理論聯系實踐，需要老師要掌握利用有限元法機械設計的經驗，這給老師提出更高的要求。老師應當多參與企業實際的機械項目，不斷積累經驗。
三、教學方法改革
根據有限元課程在授課過程中存在一些問題，應從以下方面進行改革。學生只有系統掌握有限元技術的知識，才能在機械設計中合理準確地使用。
1.加強基礎知識和實踐環節的訓練
有限元法涉及的基礎學科包括結構力學、彈性力學以及數值方法相關的知識。掌握彈性力學的基本方程和彈性力學平衡問題的基本求解方法。能夠推導平面桿系、梁結構和殼單元的解析和數值解的推導方法。并利用通用的有限元軟件進行基本訓練鍛煉，加深學生對有限元基本原理和流程的理解。在編寫講義時，應著重對基礎知識系統化為側重點。
加強教師工程背景的培養，特別加大與企業的合作力度，著重從工程的實際角度深刻理解有限元法的應用。教師應從自身情況出發，對企業進行考察、調研，了解企業在產品設計中的一些難點，特別是機械設計中涉及分析計算內容。爭取將這些項目與學生的培養結合起來，培養學生實際應用的能力。學生既得到了鍛煉，又幫企業解決一些計算問題。
2.教學與研究結合
從國內外高水平的大學辦學理念來看，研究和教學相互結合才能讓學生進入高水平。國內的大多數高校關于有限元的教學不是很深入，導致學生不能深刻地消化有限元技術的精髓。從機械專業的角度來看，利用有限元相關的科研提高學生運用有限元和機械設計能力是一種很好的途徑。
有限元方面的研究文獻很多，通過研讀專業文獻，著重體會有限元建模、邊界條件簡化、求解、后處理等細節內容。特別是利用實驗驗證有限元計算結果的準確性具有的重要作用。掌握裝置的固有頻率、陣型測量實驗方法與過程。
教學改革的關鍵是教學理念的更新，實踐新的教學理念，針對有限元在機械專業中這門課程，教師應不斷將新的研究成果融入到教學內容中，采用有效地教學手段，最大限度地激發學生的學習興趣，提高學生機械設計能力。
參考文獻：
[1]王文靜.“有限元方法及軟件應用”課程教學改革實踐探索.科學教育論壇.2005.
關鍵詞：行業學院；教學改革；汽車零部件；有限元分析；課程探索
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0172-02
汽車工程學院作為常熟理工學院新成立的行業學院，目的是為周邊城市和汽車行業輸送人才[1]。為了符合企業對人才的要求，開設了車輛結構有限元課程。該課程若只進行軟件模擬分析不能使學生對課程有較深的了解。為此，課題小組圍繞汽車零部件有限元進行課程探索，與企業進行聯合分析、并利用空余時間參與行業培訓，與相關設備廠家積極聯系，從軟硬件上滿足教學改革要求。
一、舊模式下的車輛有限元課程
原有車輛有限元課程在軟件所用版本較低，操作上比較復雜，所學內容到企業工作后基本用不上。另外，多數教師是由高校畢業后直接任教，缺乏實際應用過程。單純軟件教學，學生學習興趣不高。
二、車輛有限元課程教學改革方向
學院在課程培訓目標上進行較大的教學改革，不僅強調學術理論基礎和專業知識，而且對學生在技能操作方面有較多的考核。車輛有限元課程作為教學改革的課程之一，首先成立課題小組，圍繞怎么上好課、滿足企業對人才的要求、使學生更容易接受課程知識、提高學生學習興趣和熟練操作等方面進行討論和探索。
三、車輛結構有限元課程探索內容
（1）成立課題小組。原先課程由一位老師進行上課，其教學經歷對該課程有直接影響。為了避免單個教師教學經歷帶來的局限性，學院成立了課題小組。小組成員由教授、副教授、博士、有企業經歷的在職教師和企業在職人員組成，對每一次課程進行詳細的設計。
（2）與企業聯合開展課程。為了解企業需求，學院利用假期和教師空閑時間，派遣教師深入企業進行相關知識的培訓和實際操作培訓；并與部分企業聯合開展觀摩試驗教學課程，通過理論和實際學習，加深對該課程的理解。
（3）加強軟硬件實力。首先，采用新版軟件，并與軟件公司積極聯系，爭取獲得更多的高校版節點和相關資源；其次在數據建模上，學院投入資金，購買ATOS三維掃描儀，解決汽車零部件數據建模方面的困難；另外，設立專項經費，建立汽車零部件先進制造實驗室，新購2臺教師機終端和45臺學生機終端，從配置上滿足有限元仿真運算要求；學院近期擬對接觸全場應變測量儀器進行招標；從軟件到硬件環境上滿足該課程開展的需求。
（4）探索開發車輛結構有限元試驗課程。根據課程大綱要求，重點是將有限元軟件仿真結果與實際測量結果進行對比，將理論與實際聯合，充分加深學生對該課程的理解，提高學生的學習興趣。目前開展的試驗課程有重型車橋殼理論與實踐觀摩教學、推力桿故障有限元分析教學。近期還將開展轎車車門理論與試驗教學、發動機支架受力分析試驗教學、傳動軸受扭分析試驗教學等試驗課程。
四、車輛有限元試驗課程介紹
目前開展的試驗課程偏少，主要是因為課題組在2016年3月初剛剛成立；另外一些設備和儀器處于項目驗收或購買過程中，導致一些試驗課程并未實施。目前是已開展的課程主要有以下兩個方面：
（1）重型車橋殼理論與實踐觀摩教學。通過理論課程的操作教學，先確保每位同學能夠在軟件平臺上完成重型車橋殼的有限元仿真分析，由軟件觀察橋殼幾個部位的變形量情況。圖1為重型車橋殼臺架觀摩試驗，通過不同載荷加載并記錄多個測量監控點位的變形；通過多種載荷進行有限元分析和實際加載過程的對比，了解軟件仿真過程和實際測量過程中的各部位變形量情況。
（2）推力桿故障有限元分析教學。由企業提供的推力桿三維，課題小組共同完成的推力桿有限元軟件仿真分析。該教學主要是通過有限元軟件模擬靜力學和屈曲分析[2]，使學生了解推力桿在使用過程中易失效故障部位。
通過軟件分析后，由學生討論推力桿分析可能會發生故障的部位，最后通過推力桿故障圖例，如圖2所示，分析并討論結果。通過研究和觀察實際故障件的實踐教學模式，加深對該課程的認識，讓學生意識到該課程的作用和意義。
五、車輛有限元課程試驗課程規劃和展望
目前，ATOS三維掃描儀已經到位，接觸全場應變測量儀器正在招標過程中，待該儀器到位，即將開展轎車車門理論與試驗教學、發動機支架受力分析試驗教學、傳動軸受扭分析試驗教學。通過ATOS三維掃描儀對汽車零部件進行逆向設計，采用手持加載儀器對汽車零部件進行加載，然后通過接觸全場應變測量儀器對試驗的汽車零部件進行應變掃描分析，通過變形或轉化后的應力與有限元軟件分析情況進行對比。課題小組通過增加有限元試驗教學環節，培養學生學習該課程的興趣，擴大學生的知識面；通過學習該課程，不僅掌握軟件操作使用，而且了解如何確認分析結果正確性以及修正過程。
六、總結
學院在開展車輛結構有限元課程方面，通過成立課題小組，在教學改革方面群策群力。并在教學軟硬件環境方面大力投資，積極主動與企業聯系，開展的課程實例都來自于行業內的汽車零部件，課程與行業實際情況緊密聯系；通過實踐觀摩、故障研究討論等方式，培養學生的學習興趣，增加學習的樂趣。并在后期增加了試驗課程的課時數，使學生能夠更直觀的了解該課程和實際受力情況的對比，充分認識到該課程的實用性。
參考論文：
關鍵詞：
汽車喇叭； 支架； 離合器踏板； NVH； 振動； 傳遞函數； 優化
中圖分類號： U463.82; TB115.2
文獻標志碼： B
Structure optimization of automobile horn bracket based on transfer function
HU Huabin, YANG Jin, TIAN Guannan, ZHAO Suoqiang
(Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu 241009, Anhui, China)
Abstract： As to the vibration of a prototype vehicle clutch pedal under horn working condition, the acceleration frequency response function for transfer path is obtained by finite element analysis and experimental test. The acceleration frequency responses at clutch pedal obtained by NVH test are in good consistence with the results of transfer function calculated by finite element method. The horn bracket structure is optimized in the existing design space, and the acceleration frequency responses at clutch pedal before and after horn bracket optimization are compared. The test results of acceleration frequency responses at clutch pedal after horn bracket optimization show that the vibration problem of clutch pedal is almost solved.
Key words： automobile horn; bracket; clutch pedal; NVH; vibration; transfer function; optimization
0 引 言
隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的不斷提高，汽車駕駛室內的振動噪聲問題越來越受到重視.方向盤、座椅以及離合器踏板等的振動與乘客的感受直接相關，是乘客能感受到的整車NVH性能的重要指標.汽車上的一些發聲電器部件在工作時產生的激勵會給整車帶來許多NVH問題，如警報裝置-喇叭、音響系統等.汽車是由多個子結構組成的復雜結構，某一特定位置的振動往往是受一個遠處的振動源激勵引起的，因此，在汽車NVH分析過程中常將汽車簡化為由激勵源、傳遞路徑和響應點等組成的動態系統.［1］
針對某款試驗樣車在喇叭工作時離合器踏板處有明顯振動的問題，通過試驗測試和CAE仿真2種方法的綜合應用，優化喇叭支架，進一步提高整車NVH性能.
1 傳遞函數的基本理論
黏性阻尼多自由度系統的平衡方程式為
Mx¨+Cx?+Kx=f
（1）
式中：M,C,K,f和x分別為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、力向量和響應向量［2］.
對式(1)進行拉氏變換，并假設初始位移和初始速度為0，可得
(s2M+sC+K)X(x)=F(s)
（2）
式中：s為拉氏變換因子.
式(2)可寫為
Z(s)X(s)=F(s)
(3)
式中：Z(s)為動剛度矩陣，其倒數稱為機械導納，也稱為傳遞函數H(s).
式(3)可變換為
X(s)=H(s)F(s)
(4)
對于實際的振動系統，用jω代替s不會失去有用信息，對方程兩邊進行傅里葉變換，得
X(ω)=H(ω)F(ω)
(5)
式中：H(ω)為頻率響應函數.
系統的頻率響應矩陣為阻抗矩陣的逆矩陣，可用傅氏域內的H(ω)代替拉氏域內的傳遞函數
H(s).在一定的激勵作用下，頻率響應函數與系統的響應成正比，動剛度與系統的響應成反比.［3-4］在實際工程應用中，可用有限元分析軟件（如MD Nastran）計算出單位載荷激勵下目標位置的頻率響應函數，或用試驗設備測出其傳遞函數.
2 支架優化流程
試驗樣車的喇叭為蝸牛電子喇叭，分別布置在左、右前縱梁側面處.左前縱梁處為低音喇叭，工作頻率為400～440 Hz；右前縱梁處為高音喇叭，工作頻率為500～540 Hz.喇叭安裝示意見圖1，其支架一端與喇叭本體螺栓連接，另一端與車身螺栓連接.
2.1 原因分析
在喇叭工作時，離合器踏板處加速度頻率響應測試結果見圖3，在495 Hz處x向和y向踏板響應峰值明顯，y向和z向峰值分別為13.9g和7.6g，而x向峰值過小，在圖上無法顯示.可知，在喇叭工作頻率下，踏板處振動響應過大，可判斷離合器踏板的振動源為喇叭.在喇叭工作時，較大的振動能量通過一定剛度的白車身傳遞到踏板，振動傳遞路徑為喇叭喇叭安裝支架前縱梁前圍板踏板.
2.2 有限元模擬結果
采用HyperMesh建立結構有限元模型，選用基本尺寸為10 mm的殼單元進行網格劃分.模型主要包括白車身、踏板總成和喇叭總成(包含喇叭支架，其中喇叭本體用質量單元CONM 2代替)等.最終的模型包括557 773個單元，三角形單元比例為3.5%.
傳遞函數的分析方法為在喇叭安裝處采用強制單位位移激勵，在離合器踏板處輸出其加速度響應值，分析頻域為300～600 Hz.為提高分析效率，采用模態法計算加速度頻率響應［5］，離合器踏板處加速度頻率響應有限元分析結果見圖4，可知，在頻率為475 Hz左右時，離合器踏板y向加速度響應最大.結構的頻率響應函數完全由結構的共振特性決定，而結構共振是因為輸入載荷頻率達到結構的固有模態頻率時，結構固有模態因儲存能量而將輸入載荷放大的一種結構運動狀態.本文喇叭支架為懸臂結構，很難保證與高、低音喇叭激勵完全解耦，導致喇叭工作時在其激勵方向引起喇叭支架同向振動，較大的振動能量通過縱梁傳遞，在得到一定衰減的同時傳遞至踏板處，引起本文NVH問題的產生.
圖 4 離合器踏板處加速度頻率響應有限元分析結果
Fig.4 Finite element analysis result of acceleration frequency response at clutch pedal
2.3 優化方案
控制傳遞函數需要考慮激勵源、路徑頻率響應函數和響應合成等3個因素.在不改變車身結構件的情況下，只能通過改變喇叭安裝支架的剛度來衰減振動能量的傳遞，使喇叭安裝支架在支撐喇叭的同時承擔振動衰減的功能，并滿足疲勞強度的要求.衰減振動與疲勞強度互相沖突：衰減振動要求支架剛度小，疲勞強度要求支架剛度大.本文結合喇叭實際工作原理（膜片振動）及其激勵與響應方向，對喇叭支架進行優化，優化后的喇叭支架見圖5.
(a)優化前
(b)優化后
圖 5 優化前、后的喇叭支架
Fig.5 Horn bracket before and after optimization
喇叭支架優化前、后加速度頻率響應有限元分析結果對比見圖6，可知，離合器踏板處加速度響應值大幅降低（x向0.17g，y向0.09g，z向0.08g），確認其改進方案有效.通過對優化后的喇叭支架進行手工樣件制作和實車驗證，喇叭支架優化后離合器踏板處加速度頻率響應測試結果見圖7.通過主觀評價和客觀測試，離合器踏板處振動現象基本消除.
圖 6 喇叭支架優化前、后加速度頻率響應有限元分析結果對比
Fig.6 Finite element analysis result comparison of acceleration frequency response of horn bracket before and after optimization
圖 7 喇叭支架優化后離合器踏板處加速度頻率響應
測試結果
Fig.7 Test result of acceleration frequency response at clutch pedal after optimizing horn bracket
3 結束語
在整車設計時要充分考慮各種激勵因素對NVH性能的影響，特別是中、高頻激勵問題，不僅車身模態密度較高，而且振動能量也較大.在產品開發階段，合理設計振動激勵源和響應傳遞路徑，對確保整車NVH性能有極大意義.
參考文獻：
［1］ 李傳兵, 徐曉敏, 王新文, 等. 傳遞路徑分析法進行車內噪聲優化的應用研究［C］ // LMS第2屆中國用戶大會論文集, 北京, 2007.
［2］ 沃德?海倫，斯蒂芬?拉門茲，波爾?薩斯. 模態分析理論及實驗［M］. 白同化, 郭繼忠, 譯. 北京: 北京理工大學出版社, 2001: 10-11.
［3］ 方同, 薛璞. 振動理論及應用［M］. 西安: 西北工業大學出版社, 1998: 44-50.
關鍵詞：錨桿托盤；ANSYS；強度分析
中圖分類號：TH122文獻標志碼：A
錨桿托盤支護是煤礦掘進巷道支護中常用的方法之一，由于受頂板圍巖類型及其受力狀況、錨桿選型與規格及巷道斷面等因素的影響，合理設計托盤結構、選用托盤用材料是支護技術的關鍵所在，對井下的安全起著舉足輕重的作用[1]。隨著煤礦深部開采的推進，支護材料面臨強度升級，錨桿桿體在其直徑不變的情況下材料由原來的MG335升級到MG500。根據MT146.2-2011《樹脂錨桿》標準的規定[2]，錨桿托盤的承載力不小于與之配套的桿體屈服力標準值的1.3倍，所以錨桿托盤也面臨強度升級的問題。因而，提升現有托盤的Q235材質為Q345，其屈服強度有所提高、塑性保持不變。在滿足使用要求的前提下，由于強度增加的幅度較大，可以把錨桿托盤的厚度下降。利用ANSYS軟件自帶的優化分析模塊對錨桿托盤進行了優化分析。分析得到在托盤厚度達到8.186 mm時， 托盤圓環處最大應力達到材料屈服強度值為345 MPa。保守估計，托盤屈服強度設定為320 MPa時，托盤厚度將達到8.516 mm。目前國內礦井錨桿托盤最大厚度保持在12 mm，為此論文將通過分析研究，在滿足承載強度的條件下，驗證厚度降為8 mm的結構的實用性。
1錨桿托盤模型建立
如圖1所示的球形螺母托盤的二維結構，利用Solidworks建立其三維模型如圖2所示。
5結束語
通過對錨桿托盤的結構設計、強度分析與實驗論證可以得到如下結論：在材料強度升級后，可以對錨桿托盤進行改進結構尺寸、降低托盤厚度，即將在用10 mm厚度的錨桿托盤改變為8 mm厚度。經過對上述對錨桿托盤有限元分析，采用Q345材料8 mm厚度的錨桿托盤在壓力247 kN下的強度是完全滿足，壓力實驗再次論證了這個結論。因此改變材料，升級材料強度，可以減輕礦用錨桿托盤的質量，從而節約材料，大大降低成本。
參考文獻：
[1]李洪占.錨網支護技術在回采巷道中的應用[J].煤炭技術，2003（3）：1-2.
[2]中國煤炭工業協會.樹脂錨桿第2部分.金屬桿體及其附件MT146.2-2011[S].國家安全生產監督管理總局.北京：煤炭工業出版社，2011.
[關鍵詞]長輸管道 連續點蝕 API579準則 有限元
中圖分類號：TG172 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）36-0017-01
引言
長輸管道是石油和天然氣的主要輸送載體，一旦發生腐蝕，就有可能造成油氣泄漏甚至發生爆炸，嚴重威脅著人們的生命財產安全。長輸管道剩余強度是管道評價的重要指標，計算管道的剩余強度就能夠確定帶有腐蝕缺陷的管道在給定的工作壓力下的應力變化，評價管道能否繼續正常使用，從而科學的指導現實工作。
1 API579準則評價連續點蝕
應用API597準則評價點蝕，必須依照一個準則，那就是要根據點蝕的類型進行分類，也就是說不同類型的點蝕，有不同的評價方法。盡管如此，所有的評價方法都具有相似的評價程序，那就是在確定腐蝕數據后，首先進入一級評價系統，若數據符合一級評價準則，該管段可以繼續進行相關計算，若不滿足一級評價準則，則直接進入二級評價系統，若滿足二級評價準則，則繼續服役，否則進入三級評價系統。三級評價是最終評價體系，完成評價之后，對評價結果進行總結。
應用API597準則評價點蝕的評價流程如下：首先判斷點蝕缺陷的一級、二級評價方法的適用性，然后測定缺陷所在的管道材料的各個性能參數，以確定腐蝕管段的幾何尺寸和其他參數，并劃分載荷及其相關參數，通過上述幾方面的內容計算出腐蝕管段的剩余強度系數。將點蝕分為四類，即廣布點蝕、局部點蝕、位于一個廣布型點蝕區域內的局部腐蝕和位于局部金屬損失區內的點蝕，不同類型的點蝕對應不同的計算方法。對于廣布點蝕來說，當RSF≥RSFa時，則進行單個缺陷校準；當RSF
2 有限元分析法仿真連續點蝕
利用有限元分析法對連續點蝕管道進行仿真計算，是對API597理論計算的有益補充，使得計算結果更具科學性和真實性。有限元分析法配套相應的仿真軟件，ANSYS有限元分析軟件是較為常見的一種，可以用來仿真分析耦合場、熱、流體等。應用該軟件仿真個解決問題的過程主要分為三個部分，分別為前處理、分析計算和后處理。前處理主要是指幾何模型的建立和網格的劃分；分析計算主要是指載荷和約束條件的施加，是在前處理的基礎之上進行的數據處理過程，也是ABSYS分析中最為重要的一步；運用該軟件求解完成之后，會自動生成一個結果文件，后處理則是將這些結果通過有顏色的漸變圖顯示出來，使仿真結果更加直觀地展現出來。對于連續點蝕來說，有限元分析模型的建立適合選擇間接法，并采用APDL語言進行整個程序。前處理部分主要設置材料的一些基本參數，包括單元類型、彈性模量、泊松比和節點。然后建立連續點蝕的模型，基本的建模思想為首先建立完好的管道，然后在該管道上進行坐標定位，建立一系列的連續點蝕缺陷，再進行刻傷。接下來對連續點蝕進行網格劃分，采用自由網格劃分的模式，網格生成之后，進行加載操作，包括加載載荷和約束條件。最后對幾何模型進行后處理，選擇相應的軟件查看后處理的應力和應力變化情況，其中顏色最深的部分具有連續點蝕缺陷最大值。將仿真數據與API597準則的計算數據比較，可以得出有限仿真適合仿真連續點蝕。
3 實驗分析
該實驗分析的主要工具為TST3827動靜態應變測試儀，具體的實驗操作過程主要分為以下幾步：一、在管道存在連續點蝕缺陷的情況下，對點蝕缺陷周圍張貼應變片；二、將管道的兩端進行封閉處理；三、對實驗管道施加一定的壓力，然后測量管道的形變和應力變化；四、將測量的數據與理論計算和有限仿真分析的數據進行對比，以對有限分析仿真的參數進行調整。
4 軟件編程
運用C語言編程的方法將繁雜的計算步驟進行簡化。編程駐澳分為以下幾個步驟：一、對已知量點蝕的數據類型進行準確定義；二、編譯點蝕評價準則；三、輸入評價所需的參數和數據。
結語
本文通過理論計算、軟件仿真、實驗分析和軟件編程四個部分來建立長輸管道連續點蝕評價方法體系，每個部分都采用了先進科學的方法和準則，改進了以往評價方法的諸多弊端，簡化了計算，節省了大量的時間和精力。
參考文獻
[1] 金京福.鋼質管道內腐蝕剩余強度評價的數值研究：（碩士學位論文）.黑龍江：大慶石油學院，2007.