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用于水车干燥机的三角结构的最佳有限元方法（FEM）模型

摘要：本文介绍了高级方法的建模和结构分析的开发，通常是水道挖泥船的一部分。分析的对象是一个悬臂结构，建造从河床的粮食材料的挖掘。论文的主要目的是证明与简单但不充分的模型相比，足够复杂的即“最优”FEM模型用于这种类型的结构的结构分析的益处。正确的应力状态被强调为主要的，但不仅是条件。有必要达到可用性和耐久性状态，以及可承受的金融建设情况。

关键词：有限元建模 三角 特殊限元 非线性分析

介绍：

挖泥船的吊臂（图1）应满足几个相反的要求，其结构是工程意义上的一个折中解决方案的结果。负载能力是其主要特性 - 它防止故障，以及屈服极限状态。另一个要求是吊臂的屈曲刚度。考虑到这是薄壁钢板结构，出现局部稳定性损失是可能的。

可维护性为机器的真正开发提供了条件。它由足够的结构刚度提供，并允许不间断的操作。就功能而言，耐久性是在所需时间跨度内保持可服务性的要求。已经列出的要求与低质量的悬臂结构的要求相反，其应当提供在开采和维护期间的机动性以及挖泥船的能量效率。为了满足成本效率的要求，还需要使悬臂结构尽可能简单，同时用最小输入钢。满足所列要求的过程中的关键阶段是选择结构体系与详细的设计。下一阶段是选择一个可靠的数值模型，具有在各种条件下结构行为的真实模拟的能力，这代表了本文的主要主题。

存在相对稀疏的论文，通过有限元分析来处理这种类型的结构。它们的主要特征是使用复杂的FEM模型来分析关键结构部件。这个不寻常特征为本文作者提供了一个主要动机，以研究悬臂结构的高级建模的替代方法。

可能的数字模型的三角结构分析：

水路挖泥船臂是具有明显的纵向尺寸的空间结构。它由各种厚度的薄钢板制成，增强了承载能力和刚度。还可以对具有梁结构有限元的1D模型进行初步（试验）数值分析。然而，只有具有表面有限元的2D模型满足开发研究的要求。由于存在具有相对高的电镀厚度的区域，必须使用符合Reissner-Mindlin板理论的有限元件（在[6,7]中更详细地给出）。假设避免了“剪切锁定”现象的出现，与基于Kirchof假设的其他常规表面有限元件相比，这种有限元件表现得非常好。

一个简单的基准测试可以说明使用2D 限元的模型的优点，与1D 限元模型相比。对于垂直，均匀的载荷，由梁FE组成的一维模型和使用四边形壳（等参数，九节点，杂种优势）Fes的二维模型产生完全不同的关于结构行为的信息。关于更精确的2D模型，主应力是较简单的1D模型获得的主应力的1.75至11.77倍。类似地，垂直位移相比于2D模型相差因子1,54至1.80。此外，对于具有水平位移的特征值形状，1D模型的最低特征值频率比2D模型的特征值频率低1.8倍。

这个基准测试提供了关于结构行为的关键方面的重要信息，并且肯定证明应用更复杂的模型是合理的。考虑到这一点，所有进一步的考虑将涉及使用2D外壳有限元的臂架的数值模型。重要的是要注意，为了使悬臂满足适用性要求，悬臂的刚度（特别是其在水平面中的弯曲强度和扭转强度）应当保持在提供链斗系统的适当功能的限度内。换句话说，应当防止由于结构的大的变形或扭转变形而导致的链卡住的可能性。错误的刚度感觉，由于不适当模型的应用，可能导致困难或者甚至不可能纠正在过程中的问题。

三角结构形态和几何学的建模

为了创建臂架结构的几何模型（图2），使用非自动化方法来生成FE网格，目标是最小化FE的数量，并提高分析的效率。这种方法的另外的优点是FE的四边形形状的优势，避免大的FE变形，这有助于使误差最小化。

元素，边界条件和动作的建模

定义几何和拓扑的概念导致数值稳健，有效和合理的模型与6525节点，7188壳FE和140838自由度。基于Reisner-Mindlin和膜应力状态理论，结构元素被近似为具有九个节点的四边形壳FE（杂种优势类型）和具有七个节点的三角形FE。该元件的每个节点具有六个自由度，三个平移自由度和三个旋转自由度。应当注意，在FE平面中的旋转自由度（所谓的“钻孔”DOF）被隐含地引入，这是通常的方法。下一步需要来自设计工程师的更高程度的创造性，并且涉及结构系统的支撑区域的建模，具有偏心的刚度的突然变化的点以及建筑元件以特定方式连接的点。在FEM建模中通常通过定义边界和界面条件来执行此操作[9,10]。

悬臂轴连接需要特殊的方法。更确切地说，有必要对起重臂绕轴的几乎完全自由的旋转（具有小的摩擦）进行建模，并且禁止起重臂围绕轴在径向和切向方向上以及在轴的旁边移动。这是使用链接类型FE（在[11]中的更多细节）。

链路FE允许对具有特殊特性的链路和连接建模。如果两个相邻FE之间的连接使得没有相互的节点，则使用链路FE。通过改变所谓的“接口点”的刚度和位置参数，可以对多个不同的连接建模。在建造起重臂结构的两种情况下使用链接FE：定义轴 - 臂连接，以及在臂架板之间的大量偏心连接。悬臂轴连接是圆柱形铰链（图3），其仅允许围绕全局坐标系的Y轴旋转。图4所示的是具有链路FE的布置的该铰链的模型。可以看出，连杆FE允许在轴上的节点和悬臂铰链的壳体FE上的适当节点之间的径向连接。

在限定连杆FE的刚度的六个参数中，只有与围绕全局Y轴的旋转有关的参数被设置为零，这限定了理想的无摩擦旋转。所有其他参数设置为指示摩擦，弹性/轴向刚度的值（详见[12]）。以这种方式，获得该连接的简单且足够精确的模型。任何其他替代方法的建模应导致寄生应力的发生，不代表支持的真实行为。类似的也适用于薄板或肋之间的所有其它偏心连接，如果它们具有不同的厚度。这里，所有六个刚度参数都是非零值，模拟一个焊接的偏心连接。这种偏心焊接薄板的模型构造是必要的，特别是在壳应力大的情况下。

三角结构应答的分析

吊臂的特征构造是：修理位置，运输位置和挖掘三个位置。考虑了8种负荷组合，并测定参考配方和负荷组合。根据项目数据和本区域使用的设计规程采用负荷值。集中力用连续负载（其对应于实际负载的特性）替换，以避免由于大的集中力引起的应力集中。关于位移标准，参考悬臂配置与水平线成18ordm;和45ordm;。表1给出了吊臂局部坐标系中的最大位移，图5给出了y方向的位移。根据主要应力，参考臂架配置在18°。如图6-8所示为主臂应力在悬臂底部支撑区域的分布。

表1最大起重臂位移

由于大体积的结果（对于顶板/底板区域的两个方向上的主应力，对于两个配置）以及大量的FE，这里仅示出超过允许应力的区域（16,0kN·cm -2），用于两个配置（图中阴影区域）。

应当强调的是，在与河底接触的悬臂支撑区域中的过度应力主要是由于代表悬臂结构的这部分的数值模型的简化。更确切地说，假定从该模型（滚筒，轴，骨料等）中省略的设备将显着增加刚度和承载能力。

结论和建议

从以前的分析可以看出，作为一个高度复杂的任务，要求对建模的全面注意 - 不仅是吊臂结构元件，还有支撑和连接。对连接建模尤其重要的是链路FE，其允许模拟几乎所有的边界和接口条件。在这种复杂性和准确性水平的模型允许详细地了解在载荷下的悬臂行为。另一方面，所提出的模型和建模算法提供了对理性，可靠，坚固和成本效率这种类型的结构设计。

参考文献

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[12] W.J.Vlasblom，Dredging Equipment and Technology，Ch。 6 - 铲斗（梯子）挖泥船，代尔夫特理工大学，2004.

基于汞侵入法对挖泥船填充的孔隙微观结构特征研究

摘要：材料组成和微观结构对挖泥船填土地质工程性能有着广泛的影响。挖泥船填料的孔隙度是微观结构的重要特征。采用天津滨海新区的挖泥船填料作为研究对象，通过粒度分析，矿物成分分析和水银侵入法获得孔隙分布趋势。通过讨论两种不同类型的加工方法对疏浚填土的变化规律，提出了挖泥船填土工程地质性质评价的理论基础。从试验结果可以看出，排水处理后，孔隙率减小，结构单元从相对松散状态变为聚集状态。在一定的深度范围内，挖泥船填充与排水处理的整合效果优于无排水处理。

关键词：挖泥船填充 微观结构 特性 汞侵入法

1. 介绍

目前，沿海城市建设的需求和开放政策，填海造山工程已成为解决沿海城市土地资源短缺的主要过程，是沿海工程建设和开发项目的重要组成部分。使用淤泥的再生将减少土地资源的占有。同时，它可以降低工程成本。天津滨海新区目前在世界上正在进行大规模的再生造山工程。大量的工程实践已经表明，在淤泥和下层海相砂岩的水力回收之间的物理和机械性能存在巨大差异，并且增强方法的适应性也非常不同。到目前为止，这种人工填海区仍然缺乏全面的研究。钢筋设计方案很大程度上取决于使用现有海相砂岩的材料。因此，增强效果往往难以保证，特别是施工后的沉降量大于预期。这是要解决的实际工程问题。因此，研究挖泥船填充结构的形成和工程安全操作的结构强度对以后施工工程的影响是非常重要的。

以天津滨海新区挖泥船填埋为研究对象，通过比较疏浚填土不同加工方法的基本性能和微观结构特征，分析评价固化特性，特别是材料组成和微观结构。通过研究挖泥船填筑的固结规范，分析填海土地影响因素，为工程设计施工提供客观的科学依据。

1. 挖泥船填充的特点

2.1测试方案

为了分析疏浚填料不同加工方法的物理化学性质和微观结构特征，选择两组土壤样品。排水处理的挖泥船填充样品编号从ZY01到ZY30，没有排水处理的挖泥船填料编号从ZY201到ZY220。通过对同一位置的两组挖泥船填充样品的基本物理性能，粒度组成，矿物成分和汞侵入方法进行测试，分析了不同处理方法对结构特征对疏浚填充凝固过程的影响。

2.2抽样情况

挖泥船采用回填土地建筑方法，填筑样品取自滨海新区村中心，位于天津滨海新区汉沽区。自2007年开始建设以来，20.8times;10 6 m 3土地已经开垦，形成3. 5 km 2的土地。研究区包括1.2平方千米的再生基础土真空预处理，真空预加载垂直排水沟约8-10米深。约1.9平方千米再生基础土未经真空预处理的为固定固结。

2.3土壤样品的基本性质

对挖泥船与排水处理填补的基本特性进行了测试，测试结果如下：初始含水量为29 1％。液体极限

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