时间：2023-03-24 15:09:28
导语：在有限元分析论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：高耸钢筋混凝土结构烟囱；爆破拆除；数值模拟；本构关系；有限元模型
1.引言
随着城市化进程和产业升级的不断推进，在城市建设和企业技术改造中，经常要开展烟囱、水塔等废弃高耸建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要达到预定拆除目的，又必须有效控制爆破振动影响、飞石抛掷距离和破坏范围等，以保障周围环境安全[1]。目前，国内外已广泛应用爆破方法拆除高耸建筑物，定向爆破拆除烟囱的高度已达210米[2]。
本文基于弹塑性力学和有限元基本理论，针对一150m高耸钢筋混凝土结构烟囱定向爆破拆除工程，对该烟囱爆破拆除的力学条件、烟囱爆破倾覆时间、烟囱爆破倾覆时的支座内力以及烟囱爆破倾覆时的本构关系进行研究，并采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，通过分离式共节点建模，建立高耸钢筋混凝土烟囱有限元模型，对烟囱爆破拆除过程进行了有限元模拟。
2.爆破拆除方案
烟囱爆破拆除的原理是在烟囱倾倒一侧的烟囱支承筒壁底部炸开一个爆破缺口，破坏烟囱结构稳定性，导致整个结构失稳和重心外移，使烟囱在自重作用下形成倾覆力矩，进而使烟囱按预定方向倾倒。若烟囱爆破缺口长度过短，上部结构产生的倾覆力矩可能小于下部支撑结构可以承受的弯矩，爆破时结构不易发生破坏；若烟囱爆破缺口尺寸过长，下部支撑结构不能承受上部结构的自重，上部结构将直接压塌下部结构，影响烟囱倒塌方向，产生严重后果。因此烟囱爆破缺口尺寸对烟囱控制爆破拆除至关重要。
某电厂一个150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，烟囱底部壁厚400mm，外径为5.83m、内径为5.43m；110m高度处烟囱璧厚为180mm，外径为3.68m、内径为3.5m；烟囱顶部壁厚200mm，外径为2.905m、内径为2.705m；烟囱体积为1299.87m3，质量为3.37966×106Kg，烟囱自重为33121KN。图1为该电厂150m高度的钢筋混凝土烟囱。
在爆破缺口中部长度7.5m范围内，采用137发瞬发导爆管雷管，总装药量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140发导爆管毫秒延期雷管，总装药量8.4kg。此外，为保证烟囱顺利倒塌，在烟囱爆破缺口两端各开设了1个高1.46m、长4m的三角形作为定向窗。
3.烟囱爆破倾覆时间历程
烟囱爆破倾覆时间是烟囱爆破过程控制的一个重要因素，烟囱爆破倾覆时间可由烟囱倾覆过程的角加速度ε与烟囱倾覆过程的角速度求得，即：
在公式（1）中，dt为烟囱爆破倾覆时间。针对论文中150m高度的钢筋混凝土结构烟囱，其爆破倾覆时间为：
4.烟囱爆破拆除过程有限元模拟
4.1有限元模型
鉴于钢筋混凝土烟囱由钢筋和混凝土两种不同性能的材料组成，采用分离式共节点有限元建模，可事先分别计算混凝土和钢筋的单元刚度矩阵，然后统一集成到结构整体刚度矩阵中，可按实际配筋划分单元，并可在钢筋混凝土之间嵌入粘结单元。因此，论文针对该150m高度钢筋混凝土结构烟囱，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件[11]，采用分离式有限元建模方法建立钢筋混凝土烟囱有限元模型。论文建立的烟囱有限元整体模型如图3所示。
建模过程时，为模拟烟囱倾覆过程，通过在特定时间定义爆破缺口处材料失效的方法来模拟爆破缺口的形成。筒体之间以及筒体与地面之间采用自动单面接触，钢筋与地面之间采用点面接触模拟烟囱倾覆触地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件环境下可通过在K文件中加入使材料失效的命令流来模拟爆破形成缺口，并可修改K文件使烟囱筒体和缺口处的材料具有失效准则功能。
4.2数值模拟结果
图4为烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果，图5为实际烟囱爆破倾覆历程图，图6和图7为有限元计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化曲线，图8为有限元计算得到的烟囱爆破倾覆历程不同时刻的烟囱等效应力场分布图。
由图4和图5可知，烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程吻合较好。由图6和图7可知，计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化情况较符合实际。图7中烟囱顶部、质心及缺口部位在爆破倾覆过程中的运动速度随时间变化出现振动是因为爆破倾覆初期烟囱筒体出现晃动，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现突变是因为烟囱爆破倾覆过程中爆破缺口发生闭合，图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现跃变是因为烟囱爆破倾覆触地造成的。
5.结论
（1）采用数值模拟方法对烟囱爆破拆除过程进行模拟分析，可较全面地研究烟囱倾覆历程、烟囱倾覆历程的应力、位移、烟囱倾覆时间和速度、烟囱爆破倾覆时的支座内力等，可开展烟囱模拟爆破拆除实验，以指导烟囱爆破拆除设计。
（2）采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA可模拟烟囱控制爆破拆除过程，采用分离式共节点有限元建模方法建模，实际烟囱倾覆历程、倾覆方位、倾覆长度与有限元数值模拟结果吻合较好。
（3）论文提出的烟囱爆破倾覆历程的本构关系符合实际；论文采用的材料塑性随动硬化模型以及可Cowper-Symonds材料应变率模型可较好地反应烟囱爆破倾覆过程的钢筋及混凝土材料力学性能。
（4）数值模拟结果与理论计算结果存在一定差别的主要原因是理论计算所采用的模型没有考虑烟囱爆破过程形成的塑性铰对烟囱倾覆运动的影响作用。数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程存在一定差别的主要原因是数值模拟所用材料参数与实际烟囱爆破倾覆过程材料力学性能存在偏差。
参考文献
[1] 张成化、罗惠敏、谢斌等.城市改造建设中拆除爆破安全管理的几点做法[J].采矿技术，2001.11（5）：178-179.
[2] 王希之、谢兴博、谭雪刚等.210m高烟囱爆破拆除技术.工程爆破，2011.17（2）：53-55.
[3] 汪浩、郑炳旭.拆除爆破综合技术[J].工程爆破，2003.9（1）：27-31.
[4] 叶海旺、薛江波、房泽法.基于LS-DYNA的砖烟囱爆破拆除模拟研究[J].爆破，2008.25（2）：39-42.
[5] 言志信、叶振辉、刘培林、曹小红.钢筋混凝土高烟囱定向爆破拆除倒塌过程研究[J].振动与冲击，2011.30（9）：197-210.
[6] 王斌、赵伏军、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形状的的有限元分析[J].采矿技术，2005.9：95-97.123.
[7] 赵根、张文煊、李永池.钢筋混凝土定向爆破参数与效果的DAA模拟[J].工程爆破，2006.12（3）：19-21.49.
摘要：本文对YL25C型轮胎压路机后轮驱动装置结构设计进行了阐述。在设计过程中，提出3种比较理想的结构方案，并对3种方案进行了详细的优缺点分析，最终选定了简支式结构方案。本文对液压马达、减速机、轴承等元件的选型也做了比较详细的计算，对轴的强度进行强度计算与校核、对轴承进行寿命计算分析。运用Pro/E对所有的0部件进行建模，建模完成后进行了干涉分析、运动仿真、结构装拆顺序动画的制作。还通过Pro/e的有限元分析对轴和机架焊接件进行了有限元分析，针对机架焊接件有限元分析结果，提出机架焊接件结构改进的方案。完成了主要0件的工程图绘制和加工工艺过程分析。
关键词：轮胎压路机 后轮驱动装置 结构设计 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)
关键词： FRP加固梁ANSYS有限元分析
中图分类号：TV331文献标识码： A
0、 引言
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)以其轻质、高强、抗疲劳等优越的力学性能,广泛地应用于工程结构加固领域之中。在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工程中，如超大跨，超高层，地下结构，海洋工程，高耐久性的应用，以及特殊环境工程，永久性工程，结构加固修复，都具着巨大的优越性。
1、单元有限元分析
1.1 单元有限元模型
在文献[1]中，提出了一种用单元分析FRP-混凝土界面破坏的方法。其基本思路是：用非常小的单元(0.25mm~0.5mm)来模拟混凝土和FRP 片材，在混凝土和FRP片材之间不再设置胶层，而是将二者直接联系在一起，通过混凝土单元的开裂破坏来模拟FRP的剥离。由于单元尺寸很小，因此混凝土材料的本构关系需要加以修正以考虑尺寸效应的影响。研究表明，采用有限元模型可以较好地预测FRP 和混凝土之间的面内剪切破坏。因此，使用该模型来分析FRP加固混凝土梁IC debonding 界面破坏。有限元模型中，虽然单个的混凝土单元依然基于弥散裂缝模型，但是因为单元尺寸非常小(0.5mm 以下)，因此仍然可以较好地模拟裂缝附近的变形以及滑移集中情况。
1.2 界面粘结滑移关系
对于远离受弯裂缝的FRP-混凝土界面该裂缝形状与面内剪切试验的裂缝形状很相似[1]，说明此处的粘结-滑移关系与面内剪切试验的差不多，故可直接采用由剪切试验得到的界面粘结-滑移关系。
1.3 双重剥离破坏准则
通过前面的分析可以知道，如果界面距离受弯裂缝较远，即与界面单元相连的混凝土单元没有开裂，其剥离破坏主要是由界面的整体单向相对滑动引起，滑移场比较均匀，采用普通界面单元的形函数可以较好地估计单元内部的滑移状态。
2、ANSYS有限元分析结果
基于ANSYS软件分别建立了文献[2]中的BL20-2、PPL30梁和文献[3]中的RLII-3梁的有限元计算模型，各个试件的材料参数详见文献[2-3]。为节省计算时间，根据对称性，对每个试件仅建立了1/4梁的有限元模型。
计算得到的荷载－跨中挠度曲线及与试验结果的对比见图1所示,将计算得到的梁的极限承载力与试验结果进行对比见表1所示。
（a）BL20-2梁 （b）PLL30梁 (c)RLII-3梁
图1 计算的荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比
表1计算极限荷载与试验结果的对比
计算的梁荷载－跨中挠度曲线与试验结果的对比可知，从加载直到屈服阶段，计算得到的荷载－挠度曲线与试验结果有很好的吻合；屈服后，BL20-2和PLL30梁的荷载－挠度曲线与试验结果吻合较好，但RLII-3梁的模拟结果与试验结果误差较大，模拟结果未能合理反映梁荷载－挠度曲线的下降段。
计算得到的三根梁的极限荷载均与试验结果有较好的吻合，即建立的有限元模型可以较好的模拟FRP加固混凝土梁的承载力。
Solid65单元使用弥散式裂缝模型，针对混凝土的开裂与压碎，ANSYS中提供了专门的图形显示命令PLCRACK。该命令用小圆圈表示混凝土的开裂部位，小八边形表示混凝土的压碎部位。如果裂缝张开后又闭合，通过小圆圈中间加X表示。此外，在每个积分点处可以有至多三个开裂面，第一、二、三方向裂缝分别用红、绿、蓝小圆圈表示。限于篇幅限制，仅将模拟得到的BL20-2梁在不同加载过程的破坏形态列出，如图2所示。
由于关闭了混凝土的压碎选项，混凝土的破坏仅以开裂体现，在破坏前期，最主要的破坏形态是梁跨中底部混凝土的开裂，且所有开裂形态基本为弯曲裂缝；在梁的中度开裂阶段，开裂高度增加，且在支座上部出现出现剪切斜裂缝；在梁的最终破坏阶段，梁的开裂进一步加剧，跨中裂缝布满整个梁高，支座处剪切斜裂缝向顶部扩展。
(a)初始开裂阶段
(b)中度破坏阶段
(c) 最终破坏阶段
图2 模拟得到的梁在不同加载阶段的破坏形态
3、结论与展望
本文在总结了国内外利用ANSYS软件对FRP加固混凝土结构进行有限元模拟分析取得的研究成果的基础上，建立了FRP加固混凝土梁的有限元计算模型，模拟得到了梁的荷载－挠度曲线，极限荷载以及梁在不同加载阶段的破坏形态；将模拟结果与试验结果进行的对比表明，所建立的有限元模型可以较为准确的模拟梁的承载能力以及破坏形态，验证了所建立的有限元模型的正确性。
随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。FRP复合材料在土木工程中的应用技术与材料研究开发,在当今世界上已成为复合材料界与土木工程界共同研究开发的一个热点。该技术研究开发成功后将会极大地推动现代土木工程的技术进步。它还将为现代复合材料产业开辟出巨大的应用市场，因而具有非常广阔的发展应用前景。
作者简介：
作者简介：赵健（1979.1－），男，工学学士，工程师。
参 考 文 献：
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.
关键词：ANSYS；钢结构框架；风荷载；安检通道
前言
由于钢结构设计方法及理论的日趋成熟、结构优化设计与计算机辅助设计的迅猛发展，促进了钢结构的广泛应用，目前已成为一种主要的建筑结构类型应用于各个领域。钢结构的结构形式多种多样，主要有：桁架结构、框架结构、网壳结构及支架等。
ANSYS有限元软件是一个通用设计分析程序，可以用来分析超高超限、体系复杂结构的大型有限元软件，在机械、土木、电子及航空等不同领域得到了广泛的应用，在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流。
1设计对象
本文设计对象是为福建某核电站进行配套的安检通道设计，该核电站东临东海，北临晴川湾。该安检通道结构尺寸为11m×4m×2.8m，选用单层框架结构，采用设计及仿真分析相结合的方法，进行整体的设计，从该结构的1：1模型入手，采用AUTOCAD软件进行结构设计，再采用大型有限元分析软件ANSYS进行结构的风荷载作用分析。
2结构设计
1） 主体结构主要为单向受弯，需要有很好的稳定性，故立柱采用H型钢，选择H型钢的好处还在于H型钢截面的惯性中心在结构内部，能够增强结构的稳定性。一般情况下，梁为单向受弯构件，也通常采用H型钢。H型钢的材料在截面上的分布比较符合受弯的特点，用钢较省，而且其比内翼缘有斜坡轧制普通工字钢截面抗弯性能更高，易于与其他构件连接。
2） 通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。当强度起主要作用时可选择Q345，稳定控制时宜使用Q235。结合经济性考虑故本结构构件均选用Q235B。
3） 整个结构通过焊接在顶部的六个吊耳进行吊装，强度高。整体结构设计如图1所示。
4.6 风荷载的有限元分析
为设备做充分的安全考虑，整体迎风面积风荷载按设备顶端即Z=2.8m处风荷载值进行计算。同时出于安全性考虑，分析时按2.0KN/m2风荷载施加荷载。
在ANSYS中建立钢架整体计算模型，梁、柱均采用BEAM188单元，作用在钢结构框架上的各种荷载等效离散化为节点力，考虑安装设备重量对整体钢结构框架的影响，采用集中力的方式作用于结构节点上，在ANSYS中直接加载于结构模型节点上，风荷载的计算如前文所示，风向取正Z向。图3～图5为结构的风荷载作用分析结果图，包括结构的变形、等效应力等。
4.7 结果分析
从图3～图5可以看出钢结构框架结构在风荷载组合荷载作用下，变形很小仅为26.337mm。最大等效应力为584.26MPa，最大应力点出现在通道的最右侧迎风面的梁上，通道顶部和主梁的重量通过梁与柱的交点向下传递，因此钢结构框架结构的整体承载力极限状态检验合格。
在风荷载作用下整个框架在背风侧受压力，迎风面受拉力，风荷载是作用在钢架上的主要水平荷载，水平荷载的主要是由主梁和内部的设备安装钢梁来传递的。侧风面的梁均受压力，这主要是由于计算的风向为正Z向，计算结果与理论分析相符合。
从ANSYS的仿真计算结果及结果的分析中可以看出主机组装机钢结构框架结构的内力较大，但由于设计构件强度及尺寸足够大，钢结构框架结构的整体形变及构件的应力、变形均较小，符合规范的要求及实际设备安全运行的需要。
5结论
1）本文根据项目要求对安检通道的钢结构框架进行了结构设计，使其能够满足安检通道对于空间布局、吊装、安装固定等方面的要求；
2）本文使用ANSYS有限元分析软件对钢结构框架结构进行分析验证，充分考虑该安检通道所处的位置对风载荷进行重点考虑，验证结果均能满足项目要求。
参考文献：
[1] GB50009-2001，《建筑结构荷载规范》[S]
[2] GB50017-2003，《钢结构设计规范》[S]
[3] 胡柱.快速裂解制生物燃油主机组钢结构的设计[J].机电产品开发与创新.2010.
关键字：有限元；教学改革；实践
一、有限元课程在机械专业中的背景和重要性
有限元法（FEM）是根据变分原理求解数学物理问题的数学计算方法，已广泛应用在机械、建筑和航空航天等行业。有限元分析可为各类结构设计和工程分析提供可靠依据，已经成为工程科学中处理难题的重要手段。当前，有限元法理论体系已经成熟，常用的有限元软件包括MSC Nastran、Ansys、Abaqus等。
随着计算技术的发展，也极大促进了有限元技术在机械设计中的应用。特别对于结构复杂的机械产品的研发中，有限元分析已经成为设计者的重要依据。涉及有限元法相关的机械方面的科研论文众多，已经成为科研人员重要的工具。
根据机械专业性质和知识要求，机械工程师必须具备必要的有限元分析计算能力。机械专业培养的大多数学生要求能够独立运用有限元法从事机械设计、研发能力，这就要求学生要成为基础扎实、专业知识广阔、具有创新精神和实践能力的复合人才。在机械发展水平不断提高的情况下，必须进一步调高人才的培养质量，提高学生独立运用有限元从事机械设计的能力，必须对有限元课程进行改革。
二、有限元课程在机械专业教学中存在的问题
1. 重理论轻实验
有限元理论复杂，涉及到结构力学、弹性力学、数值方法等方面的知识，不容易讲也不容理解，老师往往花大量的时间灌输基本理论。实践环节仅仅利用计算软件按照例子进行模拟分析，至于计算结果的准确性没有进行分析，导致学生对有限元分析的准确性产生怀疑。有限元分析结果一方面可以参照解析解，没有解析解的话可以做实验进一步确认。很多本科院校根本忽略有限元相关验证的实验，根本原因是实验验证需要投入人力、物力和财力。学校和老师都应加大这方面的投入。
2.前瞻性不足
有限技术虽然已经成熟，但可供研究的内容还有很多，很多老师讲课的内容只讲教材，根本不讲解研究前沿。只有有限元的教学和科研有机结合，才能全面掌握有限元技术。在教学时，我们既要重视基础理论，又要重视科技前沿。要求老师对有限技术相关国内外文献认真阅读，将有限元前沿的知识合理灌输给学生，让学生实时了解有限技术的发展现状。
3.学生学习动力不足
根据经验，很多学生听说有限元很难学，心里有惧怕情绪。再加上有限元课程通常是选修课，令很多学生避而言之。当然，这里有老师的因素，更多的是学生自身的因素。很多学生没有意识到有限法对机械专业的重要性，老师也要引导学生提高学习热情。
4.理论和实践脱节
理论与实际工程结合才能体现有限元法的重要作用。教学过程中，老师常常拿梁、杆等简单例子进行练习，限制了学生对有限元法对机械设计重要作用的认知。做到理论联系实践，需要老师要掌握利用有限元法机械设计的经验，这给老师提出更高的要求。老师应当多参与企业实际的机械项目，不断积累经验。
三、教学方法改革
根据有限元课程在授课过程中存在一些问题，应从以下方面进行改革。学生只有系统掌握有限元技术的知识，才能在机械设计中合理准确地使用。
1.加强基础知识和实践环节的训练
有限元法涉及的基础学科包括结构力学、弹性力学以及数值方法相关的知识。掌握弹性力学的基本方程和弹性力学平衡问题的基本求解方法。能够推导平面杆系、梁结构和壳单元的解析和数值解的推导方法。并利用通用的有限元软件进行基本训练锻炼，加深学生对有限元基本原理和流程的理解。在编写讲义时，应着重对基础知识系统化为侧重点。
加强教师工程背景的培养，特别加大与企业的合作力度，着重从工程的实际角度深刻理解有限元法的应用。教师应从自身情况出发，对企业进行考察、调研，了解企业在产品设计中的一些难点，特别是机械设计中涉及分析计算内容。争取将这些项目与学生的培养结合起来，培养学生实际应用的能力。学生既得到了锻炼，又帮企业解决一些计算问题。
2.教学与研究结合
从国内外高水平的大学办学理念来看，研究和教学相互结合才能让学生进入高水平。国内的大多数高校关于有限元的教学不是很深入，导致学生不能深刻地消化有限元技术的精髓。从机械专业的角度来看，利用有限元相关的科研提高学生运用有限元和机械设计能力是一种很好的途径。
有限元方面的研究文献很多，通过研读专业文献，着重体会有限元建模、边界条件简化、求解、后处理等细节内容。特别是利用实验验证有限元计算结果的准确性具有的重要作用。掌握装置的固有频率、阵型测量实验方法与过程。
教学改革的关键是教学理念的更新，实践新的教学理念，针对有限元在机械专业中这门课程，教师应不断将新的研究成果融入到教学内容中，采用有效地教学手段，最大限度地激发学生的学习兴趣，提高学生机械设计能力。
参考文献：
[1]王文静.“有限元方法及软件应用”课程教学改革实践探索.科学教育论坛.2005.
关键词：行业学院；教学改革；汽车零部件；有限元分析；课程探索
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）16-0172-02
汽车工程学院作为常熟理工学院新成立的行业学院，目的是为周边城市和汽车行业输送人才[1]。为了符合企业对人才的要求，开设了车辆结构有限元课程。该课程若只进行软件模拟分析不能使学生对课程有较深的了解。为此，课题小组围绕汽车零部件有限元进行课程探索，与企业进行联合分析、并利用空余时间参与行业培训，与相关设备厂家积极联系，从软硬件上满足教学改革要求。
一、旧模式下的车辆有限元课程
原有车辆有限元课程在软件所用版本较低，操作上比较复杂，所学内容到企业工作后基本用不上。另外，多数教师是由高校毕业后直接任教，缺乏实际应用过程。单纯软件教学，学生学习兴趣不高。
二、车辆有限元课程教学改革方向
学院在课程培训目标上进行较大的教学改革，不仅强调学术理论基础和专业知识，而且对学生在技能操作方面有较多的考核。车辆有限元课程作为教学改革的课程之一，首先成立课题小组，围绕怎么上好课、满足企业对人才的要求、使学生更容易接受课程知识、提高学生学习兴趣和熟练操作等方面进行讨论和探索。
三、车辆结构有限元课程探索内容
（1）成立课题小组。原先课程由一位老师进行上课，其教学经历对该课程有直接影响。为了避免单个教师教学经历带来的局限性，学院成立了课题小组。小组成员由教授、副教授、博士、有企业经历的在职教师和企业在职人员组成，对每一次课程进行详细的设计。
（2）与企业联合开展课程。为了解企业需求，学院利用假期和教师空闲时间，派遣教师深入企业进行相关知识的培训和实际操作培训；并与部分企业联合开展观摩试验教学课程，通过理论和实际学习，加深对该课程的理解。
（3）加强软硬件实力。首先，采用新版软件，并与软件公司积极联系，争取获得更多的高校版节点和相关资源；其次在数据建模上，学院投入资金，购买ATOS三维扫描仪，解决汽车零部件数据建模方面的困难；另外，设立专项经费，建立汽车零部件先进制造实验室，新购2台教师机终端和45台学生机终端，从配置上满足有限元仿真运算要求；学院近期拟对接触全场应变测量仪器进行招标；从软件到硬件环境上满足该课程开展的需求。
（4）探索开发车辆结构有限元试验课程。根据课程大纲要求，重点是将有限元软件仿真结果与实际测量结果进行对比，将理论与实际联合，充分加深学生对该课程的理解，提高学生的学习兴趣。目前开展的试验课程有重型车桥壳理论与实践观摩教学、推力杆故障有限元分析教学。近期还将开展轿车车门理论与试验教学、发动机支架受力分析试验教学、传动轴受扭分析试验教学等试验课程。
四、车辆有限元试验课程介绍
目前开展的试验课程偏少，主要是因为课题组在2016年3月初刚刚成立；另外一些设备和仪器处于项目验收或购买过程中，导致一些试验课程并未实施。目前是已开展的课程主要有以下两个方面：
（1）重型车桥壳理论与实践观摩教学。通过理论课程的操作教学，先确保每位同学能够在软件平台上完成重型车桥壳的有限元仿真分析，由软件观察桥壳几个部位的变形量情况。图1为重型车桥壳台架观摩试验，通过不同载荷加载并记录多个测量监控点位的变形；通过多种载荷进行有限元分析和实际加载过程的对比，了解软件仿真过程和实际测量过程中的各部位变形量情况。
（2）推力杆故障有限元分析教学。由企业提供的推力杆三维，课题小组共同完成的推力杆有限元软件仿真分析。该教学主要是通过有限元软件模拟静力学和屈曲分析[2]，使学生了解推力杆在使用过程中易失效故障部位。
通过软件分析后，由学生讨论推力杆分析可能会发生故障的部位，最后通过推力杆故障图例，如图2所示，分析并讨论结果。通过研究和观察实际故障件的实践教学模式，加深对该课程的认识，让学生意识到该课程的作用和意义。
五、车辆有限元课程试验课程规划和展望
目前，ATOS三维扫描仪已经到位，接触全场应变测量仪器正在招标过程中，待该仪器到位，即将开展轿车车门理论与试验教学、发动机支架受力分析试验教学、传动轴受扭分析试验教学。通过ATOS三维扫描仪对汽车零部件进行逆向设计，采用手持加载仪器对汽车零部件进行加载，然后通过接触全场应变测量仪器对试验的汽车零部件进行应变扫描分析，通过变形或转化后的应力与有限元软件分析情况进行对比。课题小组通过增加有限元试验教学环节，培养学生学习该课程的兴趣，扩大学生的知识面；通过学习该课程，不仅掌握软件操作使用，而且了解如何确认分析结果正确性以及修正过程。
六、总结
学院在开展车辆结构有限元课程方面，通过成立课题小组，在教学改革方面群策群力。并在教学软硬件环境方面大力投资，积极主动与企业联系，开展的课程实例都来自于行业内的汽车零部件，课程与行业实际情况紧密联系；通过实践观摩、故障研究讨论等方式，培养学生的学习兴趣，增加学习的乐趣。并在后期增加了试验课程的课时数，使学生能够更直观的了解该课程和实际受力情况的对比，充分认识到该课程的实用性。
参考论文：
关键词：
汽车喇叭； 支架； 离合器踏板； NVH； 振动； 传递函数； 优化
中图分类号： U463.82; TB115.2
文献标志码： 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
随着人们对汽车乘坐舒适性要求的不断提高，汽车驾驶室内的振动噪声问题越来越受到重视.方向盘、座椅以及离合器踏板等的振动与乘客的感受直接相关，是乘客能感受到的整车NVH性能的重要指标.汽车上的一些发声电器部件在工作时产生的激励会给整车带来许多NVH问题，如警报装置-喇叭、音响系统等.汽车是由多个子结构组成的复杂结构，某一特定位置的振动往往是受一个远处的振动源激励引起的，因此，在汽车NVH分析过程中常将汽车简化为由激励源、传递路径和响应点等组成的动态系统.［1］
针对某款试验样车在喇叭工作时离合器踏板处有明显振动的问题，通过试验测试和CAE仿真2种方法的综合应用，优化喇叭支架，进一步提高整车NVH性能.
1 传递函数的基本理论
黏性阻尼多自由度系统的平衡方程式为
Mx¨+Cx・+Kx=f
（1）
式中：M,C,K,f和x分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、力向量和响应向量［2］.
对式(1)进行拉氏变换，并假设初始位移和初始速度为0，可得
(s2M+sC+K)X(x)=F(s)
（2）
式中：s为拉氏变换因子.
式(2)可写为
Z(s)X(s)=F(s)
(3)
式中：Z(s)为动刚度矩阵，其倒数称为机械导纳，也称为传递函数H(s).
式(3)可变换为
X(s)=H(s)F(s)
(4)
对于实际的振动系统，用jω代替s不会失去有用信息，对方程两边进行傅里叶变换，得
X(ω)=H(ω)F(ω)
(5)
式中：H(ω)为频率响应函数.
系统的频率响应矩阵为阻抗矩阵的逆矩阵，可用傅氏域内的H(ω)代替拉氏域内的传递函数
H(s).在一定的激励作用下，频率响应函数与系统的响应成正比，动刚度与系统的响应成反比.［3-4］在实际工程应用中，可用有限元分析软件（如MD Nastran）计算出单位载荷激励下目标位置的频率响应函数，或用试验设备测出其传递函数.
2 支架优化流程
试验样车的喇叭为蜗牛电子喇叭，分别布置在左、右前纵梁侧面处.左前纵梁处为低音喇叭，工作频率为400～440 Hz；右前纵梁处为高音喇叭，工作频率为500～540 Hz.喇叭安装示意见图1，其支架一端与喇叭本体螺栓连接，另一端与车身螺栓连接.
2.1 原因分析
在喇叭工作时，离合器踏板处加速度频率响应测试结果见图3，在495 Hz处x向和y向踏板响应峰值明显，y向和z向峰值分别为13.9g和7.6g，而x向峰值过小，在图上无法显示.可知，在喇叭工作频率下，踏板处振动响应过大，可判断离合器踏板的振动源为喇叭.在喇叭工作时，较大的振动能量通过一定刚度的白车身传递到踏板，振动传递路径为喇叭喇叭安装支架前纵梁前围板踏板.
2.2 有限元模拟结果
采用HyperMesh建立结构有限元模型，选用基本尺寸为10 mm的壳单元进行网格划分.模型主要包括白车身、踏板总成和喇叭总成(包含喇叭支架，其中喇叭本体用质量单元CONM 2代替)等.最终的模型包括557 773个单元，三角形单元比例为3.5%.
传递函数的分析方法为在喇叭安装处采用强制单位位移激励，在离合器踏板处输出其加速度响应值，分析频域为300～600 Hz.为提高分析效率，采用模态法计算加速度频率响应［5］，离合器踏板处加速度频率响应有限元分析结果见图4，可知，在频率为475 Hz左右时，离合器踏板y向加速度响应最大.结构的频率响应函数完全由结构的共振特性决定，而结构共振是因为输入载荷频率达到结构的固有模态频率时，结构固有模态因储存能量而将输入载荷放大的一种结构运动状态.本文喇叭支架为悬臂结构，很难保证与高、低音喇叭激励完全解耦，导致喇叭工作时在其激励方向引起喇叭支架同向振动，较大的振动能量通过纵梁传递，在得到一定衰减的同时传递至踏板处，引起本文NVH问题的产生.
图 4 离合器踏板处加速度频率响应有限元分析结果
Fig.4 Finite element analysis result of acceleration frequency response at clutch pedal
2.3 优化方案
控制传递函数需要考虑激励源、路径频率响应函数和响应合成等3个因素.在不改变车身结构件的情况下，只能通过改变喇叭安装支架的刚度来衰减振动能量的传递，使喇叭安装支架在支撑喇叭的同时承担振动衰减的功能，并满足疲劳强度的要求.衰减振动与疲劳强度互相冲突：衰减振动要求支架刚度小，疲劳强度要求支架刚度大.本文结合喇叭实际工作原理（膜片振动）及其激励与响应方向，对喇叭支架进行优化，优化后的喇叭支架见图5.
(a)优化前
(b)优化后
图 5 优化前、后的喇叭支架
Fig.5 Horn bracket before and after optimization
喇叭支架优化前、后加速度频率响应有限元分析结果对比见图6，可知，离合器踏板处加速度响应值大幅降低（x向0.17g，y向0.09g，z向0.08g），确认其改进方案有效.通过对优化后的喇叭支架进行手工样件制作和实车验证，喇叭支架优化后离合器踏板处加速度频率响应测试结果见图7.通过主观评价和客观测试，离合器踏板处振动现象基本消除.
图 6 喇叭支架优化前、后加速度频率响应有限元分析结果对比
Fig.6 Finite element analysis result comparison of acceleration frequency response of horn bracket before and after optimization
图 7 喇叭支架优化后离合器踏板处加速度频率响应
测试结果
Fig.7 Test result of acceleration frequency response at clutch pedal after optimizing horn bracket
3 结束语
在整车设计时要充分考虑各种激励因素对NVH性能的影响，特别是中、高频激励问题，不仅车身模态密度较高，而且振动能量也较大.在产品开发阶段，合理设计振动激励源和响应传递路径，对确保整车NVH性能有极大意义.
参考文献：
［1］ 李传兵, 徐晓敏, 王新文, 等. 传递路径分析法进行车内噪声优化的应用研究［C］ // LMS第2届中国用户大会论文集, 北京, 2007.
［2］ 沃德・海伦，斯蒂芬・拉门兹，波尔・萨斯. 模态分析理论及实验［M］. 白同化, 郭继忠, 译. 北京: 北京理工大学出版社, 2001: 10-11.
［3］ 方同, 薛璞. 振动理论及应用［M］. 西安: 西北工业大学出版社, 1998: 44-50.
关键词：锚杆托盘；ANSYS；强度分析
中图分类号：TH122文献标志码：A
锚杆托盘支护是煤矿掘进巷道支护中常用的方法之一，由于受顶板围岩类型及其受力状况、锚杆选型与规格及巷道断面等因素的影响，合理设计托盘结构、选用托盘用材料是支护技术的关键所在，对井下的安全起着举足轻重的作用[1]。随着煤矿深部开采的推进，支护材料面临强度升级，锚杆杆体在其直径不变的情况下材料由原来的MG335升级到MG500。根据MT146.2-2011《树脂锚杆》标准的规定[2]，锚杆托盘的承载力不小于与之配套的杆体屈服力标准值的1.3倍，所以锚杆托盘也面临强度升级的问题。因而，提升现有托盘的Q235材质为Q345，其屈服强度有所提高、塑性保持不变。在满足使用要求的前提下，由于强度增加的幅度较大，可以把锚杆托盘的厚度下降。利用ANSYS软件自带的优化分析模块对锚杆托盘进行了优化分析。分析得到在托盘厚度达到8.186 mm时， 托盘圆环处最大应力达到材料屈服强度值为345 MPa。保守估计，托盘屈服强度设定为320 MPa时，托盘厚度将达到8.516 mm。目前国内矿井锚杆托盘最大厚度保持在12 mm，为此论文将通过分析研究，在满足承载强度的条件下，验证厚度降为8 mm的结构的实用性。
1锚杆托盘模型建立
如图1所示的球形螺母托盘的二维结构，利用Solidworks建立其三维模型如图2所示。
5结束语
通过对锚杆托盘的结构设计、强度分析与实验论证可以得到如下结论：在材料强度升级后，可以对锚杆托盘进行改进结构尺寸、降低托盘厚度，即将在用10 mm厚度的锚杆托盘改变为8 mm厚度。经过对上述对锚杆托盘有限元分析，采用Q345材料8 mm厚度的锚杆托盘在压力247 kN下的强度是完全满足，压力实验再次论证了这个结论。因此改变材料，升级材料强度，可以减轻矿用锚杆托盘的质量，从而节约材料，大大降低成本。
参考文献：
[1]李洪占.锚网支护技术在回采巷道中的应用[J].煤炭技术，2003（3）：1-2.
[2]中国煤炭工业协会.树脂锚杆第2部分.金属杆体及其附件MT146.2-2011[S].国家安全生产监督管理总局.北京：煤炭工业出版社，2011.
[关键词]长输管道 连续点蚀 API579准则 有限元
中图分类号：TG172 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）36-0017-01
引言
长输管道是石油和天然气的主要输送载体，一旦发生腐蚀，就有可能造成油气泄漏甚至发生爆炸，严重威胁着人们的生命财产安全。长输管道剩余强度是管道评价的重要指标，计算管道的剩余强度就能够确定带有腐蚀缺陷的管道在给定的工作压力下的应力变化，评价管道能否继续正常使用，从而科学的指导现实工作。
1 API579准则评价连续点蚀
应用API597准则评价点蚀，必须依照一个准则，那就是要根据点蚀的类型进行分类，也就是说不同类型的点蚀，有不同的评价方法。尽管如此，所有的评价方法都具有相似的评价程序，那就是在确定腐蚀数据后，首先进入一级评价系统，若数据符合一级评价准则，该管段可以继续进行相关计算，若不满足一级评价准则，则直接进入二级评价系统，若满足二级评价准则，则继续服役，否则进入三级评价系统。三级评价是最终评价体系，完成评价之后，对评价结果进行总结。
应用API597准则评价点蚀的评价流程如下：首先判断点蚀缺陷的一级、二级评价方法的适用性，然后测定缺陷所在的管道材料的各个性能参数，以确定腐蚀管段的几何尺寸和其他参数，并划分载荷及其相关参数，通过上述几方面的内容计算出腐蚀管段的剩余强度系数。将点蚀分为四类，即广布点蚀、局部点蚀、位于一个广布型点蚀区域内的局部腐蚀和位于局部金属损失区内的点蚀，不同类型的点蚀对应不同的计算方法。对于广布点蚀来说，当RSF≥RSFa时，则进行单个缺陷校准；当RSF
2 有限元分析法仿真连续点蚀
利用有限元分析法对连续点蚀管道进行仿真计算，是对API597理论计算的有益补充，使得计算结果更具科学性和真实性。有限元分析法配套相应的仿真软件，ANSYS有限元分析软件是较为常见的一种，可以用来仿真分析耦合场、热、流体等。应用该软件仿真个解决问题的过程主要分为三个部分，分别为前处理、分析计算和后处理。前处理主要是指几何模型的建立和网格的划分；分析计算主要是指载荷和约束条件的施加，是在前处理的基础之上进行的数据处理过程，也是ABSYS分析中最为重要的一步；运用该软件求解完成之后，会自动生成一个结果文件，后处理则是将这些结果通过有颜色的渐变图显示出来，使仿真结果更加直观地展现出来。对于连续点蚀来说，有限元分析模型的建立适合选择间接法，并采用APDL语言进行整个程序。前处理部分主要设置材料的一些基本参数，包括单元类型、弹性模量、泊松比和节点。然后建立连续点蚀的模型，基本的建模思想为首先建立完好的管道，然后在该管道上进行坐标定位，建立一系列的连续点蚀缺陷，再进行刻伤。接下来对连续点蚀进行网格划分，采用自由网格划分的模式，网格生成之后，进行加载操作，包括加载载荷和约束条件。最后对几何模型进行后处理，选择相应的软件查看后处理的应力和应力变化情况，其中颜色最深的部分具有连续点蚀缺陷最大值。将仿真数据与API597准则的计算数据比较，可以得出有限仿真适合仿真连续点蚀。
3 实验分析
该实验分析的主要工具为TST3827动静态应变测试仪，具体的实验操作过程主要分为以下几步：一、在管道存在连续点蚀缺陷的情况下，对点蚀缺陷周围张贴应变片；二、将管道的两端进行封闭处理；三、对实验管道施加一定的压力，然后测量管道的形变和应力变化；四、将测量的数据与理论计算和有限仿真分析的数据进行对比，以对有限分析仿真的参数进行调整。
4 软件编程
运用C语言编程的方法将繁杂的计算步骤进行简化。编程驻澳分为以下几个步骤：一、对已知量点蚀的数据类型进行准确定义；二、编译点蚀评价准则；三、输入评价所需的参数和数据。
结语
本文通过理论计算、软件仿真、实验分析和软件编程四个部分来建立长输管道连续点蚀评价方法体系，每个部分都采用了先进科学的方法和准则，改进了以往评价方法的诸多弊端，简化了计算，节省了大量的时间和精力。
参考文献
[1] 金京福.钢质管道内腐蚀剩余强度评价的数值研究：（硕士学位论文）.黑龙江：大庆石油学院，2007.
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