球殼的案例
球殼拓撲優化
不同工況下球殼拓撲優化結果有不同的結構力學傳遞路徑，組合拓撲優化結果兼顧了兩種載荷工況。
基于lammps計算球殼模型金屬Cu的熔化溫度
球殼方法-----計算熔化溫度的思路：
提出過程：
1. 在構建好的體系中挖去一部分原子，人為的制造一些缺陷，因為完美晶體會使計算熔點的誤差增大；
2. 最原始的文獻提出在等溫等壓系綜（NPT）中模擬，接著又有人對這種方法提出了改進，即在等壓等焓系綜中模擬，這種方法基于兩相共存理論，具有明確的物理意義。
具體步驟：
1. 在等溫等壓系綜（NVT）中，構建一個坐標原點為（0，0，0）、半徑為12的球體，先將整個體系在室溫（300 K）下進行一段時間的弛豫（10 ps），時間步長取1 fs;
2. 接著制造一部分缺陷，即挖掉一部分原子，整個體系包含28435 個原子，最后將整個體系在升溫熔化，直至3000 K;
3. 最后在NVT系綜下統計熱力學量。由下圖分析可知，其中（a）-（d）通過可視化程序來觀察整個體系在300 K-3000 K的溫度下演化的過程，很明顯的觀察到在3000 K下已經發生了熔化；從圖（e）中可以看出來熔點大約在1369 K左右，圖（f）可以反映出在3000 K下體系已經處于液態了，MSD隨時間步長呈線性關系。
Cu 的晶胞示意圖
（a）
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
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公眾號:
320科技工作室
展開 基于ANSYS/Workbench軟件的球罐有限元分析
如圖4所示，從球殼的應力分布云圖中可以看出，球殼的第三強度應力最大值分布在球罐外表面支柱托板下部的位置。如圖5所示，對該應力最大值處進行線性化[6]操作，球殼的一次局部薄膜應力強度SⅡ=321.01 MPa、“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=468.64 MPa。如圖6所示，從支柱應力分布云圖中可以看出，支柱的第三強度應力最大值分布在支柱帽內表面與球殼連接的位置。如圖7所示，對該應力最大值處進行線性化操作，支柱的“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=498.21 MPa。該支柱下端軸向約束反力WT=2.167 2×106N ；徑向約束反力為68 064 N；繞環向約束彎矩MT=2.164×108N·mm。
通過對球罐的水壓試驗工況進行有限元分析，根據圖4-圖7中的應力云圖以及關鍵部位的應力線性化結果可以得出：球罐的支柱與球殼焊接部位應力水平較高，其建造過程中應嚴格控制組對、焊接、無損檢測[7]及熱處理[8]的質量。
8)將模型的網格劃分等前處理操作共享到設計荷載工況中，施加設計荷載工況下模型分析計算的邊界條件。考慮模型自重、在球殼內壁施加2.4 MPa的設計壓力以及球殼完成物料充裝后的液柱靜壓力，最后，在模型的每根支柱的底板上施加3個方向的固定約束、對稱面上施加無摩擦約束。
9)依次求解出設計荷載工況下模型中球殼以及支柱的第三強度應力。如圖8所示，從球殼的應力分布云圖中可以看出，球殼的第三強度應力最大值分布在球罐外表面支柱U形托板下部的位置。如圖9所示，對該應力最大值處進行線性化操作，球殼的一次局部薄膜應力強度SⅡ=249.72 MPa、“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=353.54 MPa。如圖10所示，從支柱的應力分布云圖中可以看出，支柱的第三強度應力最大值分布在支柱帽內表面與球殼連接的位置。
展開 基于Lumerical fdtd的異型納米空心球散射光場仿真
基于FDTD腳本驅動的全流程：微型球體聚合空心球殼nanojet建模、散射光場及散射效率曲線繪制實踐
焚天神劍
關鍵詞：FDTD腳本編碼，全流程，異型球體建模，nanojet散射，散射效率曲線
本設計運用FDTD腳本全流程，針對微型球體聚合的空心球殼nanojet展開深入探究。從建模著手，精心調試各項參數，成功搭建出精準且完善的模型，精準復現了空心球殼的結構特征。在散射光場模擬環節，其呈現效果與預期幾近一致，直觀展現出光與納米結構相互作用的細節。散射效率曲線繪制結果表明，不同球殼半徑在各異波長下呈現出穩定的差異規律。此項設計為納米光學研究、微納器件制備等領域提供了有力支撐，極具應用潛力。
結構設計
納米球的外形輪廓如下圖左所示，預計產生的光場散射效果如右圖所示。
圖1 預期球殼外形以及散射效果
粗糙表面納米二氧化硅空心球，300-2500nm的波長，球殼的直徑200-1000nm，外部小球40nm。對球體進行編程建模，形成FDTD的參數列表以及模糊化處理的編碼。編碼的優勢為波長范圍、頻率采樣率、球殼半徑、微球半徑以及材料靈活設置，一鍵式操作。
圖2 model參數設置以及編碼
形成如下結構樹以及規律排列的球形微球陣列。
圖3 結構樹以及建模效果
掃描設計
結構掃描個性化編碼，設置好掃描數量和范圍，仿真后形成下列仿真好的文件（需要經過一些仿真時間）。
圖4 掃描腳本以及生成的仿真結果
散射光場、效率曲線
首先，基于第二節的仿真結果，選取特定球殼半徑以及波長序號，生成光場圖，見下圖效果。
展開 
利用LS-DYNA的球心爆炸模擬
證明了建立的模型以及方法可以很好的應用于球殼結構的爆炸問題模擬。
鈦與鈦合金沖壓成形研究進展及應用現狀
鈦與鈦合金以其優異的綜合性能成為載人艙球殼的最佳材料，歐美等發達國家于20世紀60年代開始采用鈦合金制造深潛器載人艙球殼。為提高載人艙球殼的安全可靠性和結構效益，載人艙球殼大多采用半球殼整體沖壓成形工藝，如法國的6000m“鸚鵡 螺號”、日本的“深海6500”及美國的“新阿爾文號”載人深潛器。而俄羅斯的“和平號”載人艙球殼采用瓜瓣焊接方式制備。與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對更好，疲勞壽命也會大幅提高。我國深潛器載人艙球殼研究起步相對較晚，2015年5月，我國首個4500m載人潛水器載人球殼在中國船舶重工集團公司第七二五研究所出廠，該球殼采用近α型鈦合金制造，先將鈦合金厚板分瓣沖壓成形，再進行組裝并焊接成球，球殼直徑為2.1m，是我國首次利用沖壓成形技術成功制造的大規格鈦合金半球殼。
日常生活領域
隨著鈦與鈦合金沖壓成形技術的不斷提高，以及低成本鈦合金的開發，鈦與鈦合金沖壓制品在日常生活領域中也得到了廣泛的應用。1953年日本光學工業公司將鈦合金沖壓成形件成功應用于尼康F相機焦點快門的金屬簾；1990年推出首架全鈦外殼照相機；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相機上都采用了鈦合金沖壓成形件外殼；富士通公司于1999年推出了鈦合金外殼的筆記本電腦INTERTOP CX300；部分手表外殼、手機外殼、筆筒和水杯等也利用鈦合金取代了傳統材料。此外，西北有色金屬研究院通過沖壓成形技術研發出一款重量輕、抗腐蝕性能好、無毒的純鈦鍋（圖1），已經進入了很多消費者的廚房。
圖1 純鈦鍋
其他領域
除了航空航天、海洋和日常生活領域外，鈦與鈦合金沖壓件也應用到了生物醫療和國防軍工等領域。
展開 裙座支撐-小型高壓球罐（10m3）有限元分析設計工程案例
球罐
邊界條件
的施加
1）內壓：在球殼與接管內表面，施加壓力載荷(10.0MPa)。同時，為保證設備內壓力系的平衡，在接管端部施加內壓產生的軸向平衡壓力；
2）球罐自重：球罐的操作質量，包括球殼、接管、裙座、物料及球罐預焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重載荷，采用等效密度法，經計算當量成材料的等效密度(ρ=m/V)，以慣性載荷的形式在加速度場中轉換成單元體積力(G=mg)的方式，加載在整個球殼單元上。
3）位移邊界條件：球殼裙座下底面，施加豎直軸向與環向位移約束。
載荷和位移邊界條件的施加如下圖5所示：
圖5 有限元模型載荷和位移邊界條件
應力計算結果
三種工況應力計算云圖如下圖6~7所示：
圖6 內壓工況：應力最大值470.82Mpa
圖7 自重工況：應力最大值7.54Mpa
圖8 內壓+自重工況：應力最大值470.67Mpa
經分析可知，“自重+內壓”所產生的組合工況，為設備的最危險工況，且自重本身產生的應力較小，遠低于內壓所產生的應力，應力水平在總應力值中占比極小，對本球罐影響甚微。故球罐的強度校核僅需要對“自重+內壓”工況進行評定即可。在球罐各部分焊縫處，采用各種材料中相應設計許用應力強度的最低值，來對設備強度進行評定。
展開 2000m3大型丙烯球罐整體有限元分析
球殼內壁考慮2mm的腐蝕裕量，鋼板負偏差為0.3，球殼內直徑為15704mm，球殼厚度取有效厚度43.7mm。考慮的載荷包括設計壓力、操作介質液柱靜壓、附件重量、風載荷、地震載荷、雪載荷及腐蝕層的重量。
幾何模型
本例球罐采用了各種單元的組合建模方法，因模型較大，球體采用Solid185增強應變單元，可在計算精度與Solid186單元相當且能保證計算精度的情況下，大大減小單元和網格節點數量，進而保證計算效率和計算時間的大大提高；支柱部分：支柱與球體的連接處是應力重點考察區域，因而上半部分支柱同樣采用Solid185增強應變單元，而下半部分支柱并非重點考察對象，在采用Shell181單元的情況下同樣可減小單元和網格節點數量；拉桿部分采用Link180單元。需要注意的是：不同單元組合建模時候需要考慮不同單元之間的連接問題，桿單元具有三個自由度，殼單元具有六個自由度，實體單元具有三個自由度，雖然桿單元與殼單元具有不同的自由度，但桿單元與殼單元可以實現網格節點的共享，而殼單元與實體單元則無法實現網格節點的共享，因而在殼單元與實體單元連接處需采用綁定接觸將二者聯系起來，詳細幾何模型見下圖：
網格劃分
網格劃分采用全六面體網格劃分，相對于實體部分，球體部分結構規則可切分出可掃掠的體，但球體與支柱連接部分因結構非常不規則，難以進行切分，但可劃出以六面體主導的網格，采用殼單元和桿單元的支柱和拉桿部分網格劃分則較為簡單，同時根據應力分析的需求將支柱與球體連接部分網格細化，而其它部分網格可粗化，在保證計算精度的前提下同時提高計算效率。
展開 液壓成形，一種新的先進制造技術
最終殼體形狀可以是球形、橢球形、環殼和其他形狀殼體。
球形容器無模液壓成形
(a)下料 (b)彎卷 (c)組裝焊接 (d)液壓脹形
它的成形工藝是先由平板經過焊接形成封閉多面殼體，然后在封閉多面體內充滿液體介質(一般為水)，并通過一定加壓系統施加壓力，在內壓作用下殼體產生塑性變形而逐漸趨向于球殼。
主要優點有不需要模具和壓力機;容易變更殼體壁厚和直徑;產品精度高;降低成本，縮短制造周期。
缺點是：
①由于該技術為“先焊接后成形”，封閉多面殼體的焊縫在成形過程中承受一定的塑性變形，如果焊縫質量存在問題，會引起開裂，造成整個殼體報廢。對于厚板和低合金鋼這種問題更嚴重。因此，控制焊接質量是關鍵所在。
②對于大型殼體，成形過程的支撐基礎難度大、費用高。例如，直徑12.3m的球殼，容積為1000m3，需要解決支撐1000t水及殼體自重的基礎。
與普通拉深一樣，壓力過大，在凸坎與直壁相接處容易成形爆破。
工藝的基本過程是先由平板或經過輥彎的單曲率殼板組焊成封閉多面殼體，然后再封閉多面殼體內充滿液體介質(通為水)，并通過一個加壓系統向封閉多面殼體內施加內壓，在內壓作用下殼體產生塑性變形而逐漸趨向于球殼。
對于單曲率殼體，該工藝的主要工序為:下料---彎卷---組裝焊接---液壓成形。
長遠看，殼體液壓成形將選用輕質傳力介質，因為水作為目前的傳力介質具有成本低和清潔的優點，但是對于大型殼體，水的質量很大，限制了該技術的發展應用，因此開發密度小于水的介質是殼體液壓成型技術的一個主要發展方向。
在焊接環節，將應用高能束焊接技術和自動化工藝焊接封閉殼體。目前封閉殼體多采用手工電弧焊，容易引起焊接接頭質量問題導致成形時開裂。
在材料方面，鋁合金等輕質材料也是球殼液壓成形的一個方向。
展開 CAD隨機球體顆粒&過渡區3D插件 ￥899
其中基體是長方體部件，基體內部帶有球形孔洞，與過渡區部件形成無干涉且無間隙的裝配關系；過渡區部件是有厚度的球殼，球殼外表面連接基體，內表面連接內部球體；球體顆粒分布在過渡區內部。三者之間形成裝配模型。基體、過渡區、每種粒徑范圍的球體均繪制在不同的CAD圖層上，方便批量管理。
插件除在CAD內生成模型外，還輸出模型對應的參數信息，如實際生成的球體個數及體積比（實際球體百分比），以上信息將呈現在插件右側的提示框內。同時插件輸出模型中每個球體的半徑R、球心坐標（x,y,z）、球體體積Vsphere、過渡區體積Vitz，該信息輸出到插件文件夾內的SphereData.xlsx文件內，用Excel軟件打開查看。使用中需注意每次繪圖該信息將進行覆蓋，請及時備份保存。
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展開 如何正確模擬不同類型的流體流動？
管殼式換熱器
管殼式換熱器是一種常見的換熱器，并且是非等溫流動與強制對流的一個典型例子。水流經管側，空氣流經換熱器的殼側。兩種材料都具有溫度相關的特性，在計算雷諾數時需要考慮這些特性。管子內部的特征長度是管徑，但在入口和出口區域，特征長度是什么不清楚。
當涉及到管道和擋板周圍的氣流時，特征長度同樣也不明確。這些氣流引導空氣流動，從而增加了兩種流體之間的熱量傳遞。您可以參考相關文獻（例如，這個資源）來查找具有一個較好的 估計值的示例計算。
觀察雷諾數如何在建模域中變化非常有意思。在 COMSOL Multiphysics 中，您可以在模擬之后繪制 。為水域添加 3D 體積圖并在表達式字段中輸入 nitf.U*nitf.rho*0.015[m]/nitf.mu。然后，對于基于局部速度、密度和黏度的每個點，以管道直徑作為特征長度計算雷諾數。在這個長度尺度適用的情況下，雷諾數超過管道內流動的臨界值，高到足以使流動成為湍流。
在這種情況下，我們使用湍流接口進行穩態研究。這意味著我們不解決所有可能出現的與空間和時間相關的渦流特性。相反，我們通過添加額外的變量，考慮渦流對熱交換器特性的影響，計算了一個平均速度場。
沿管側速度場的流線圖。顏色表示雷諾數。
3. 球殼中的自然對流
最后一個例子來自地球物理學主題，是關于球殼內浮力驅動的自然對流（無旋轉）。當對流開始時，首先形成固定的對流單元（瑞利-貝納爾單元）。這使得浮力增加，從而導致這些單元開始移動。最后，它們破裂后產生更小的渦流，在較短的時間尺度上支配著流動系統并產生湍流。
下面的動畫顯示了球殼內的自然對流，其中浮力作用在徑向方向。納維-斯托克斯方程是用無量綱參數而不是材料屬性定義的，而浮力則用瑞利數表示。該模型是使用一個含瞬態研究的層流方法來求解的。
展開 
風雨不動安如山：大跨空間結構受力研究
采用風雪單向耦合及單方程雪相模型方法對典型球殼屋蓋結構進行風致積雪分析。通過改變風速和矢跨比分別研究屋蓋表面積雪侵蝕沉積量隨風速及矢跨比變化的關系。擬合了球殼屋蓋表面積雪侵蝕量隨風速和矢跨比變化的近似公式，并得出球殼屋蓋表面雪荷載不均勻分布系數計算公式，方便結構工程師直接應用。
對膜結構來說，荷載的不均勻分布即局部荷載極易導致袋狀效應的出現。如下雪天氣，當局部堆積的積雪厚度超過膜面正常承受范圍時，會使膜面產生局部凹陷。凹陷的曲面會引起周圍更多積雪的滑落，從而不斷加劇結構的凹陷變形，引發袋狀效應。又如強降雨天氣時，在強降雨的持續作用下，匯集到凹陷內的雨水越來越多，膜面變形和應力增大速度越來越快，短時間內可因膜面撕裂而破壞，非常危險。項目對膜結構在雪荷載及強降雨荷載作用下的袋狀效應進行了模擬分析。“浙江臺風、雨雪天氣較多，如果設計有瑕疵的話，膜結構會碰到流水或者積雪不通暢的情況，它的凹面就會像布袋一樣越來越大、越來越大，最終破壞。所以我們立項時，既要考慮項目的新意，同時也要考慮應用過程中可能遇到的問題。”
對典型大跨空間結構考慮風致漂移的雪荷載不均勻分布進行的數值模擬以及提出的屋蓋風致積雪分布系數計算公式等研究，補充和完善了我國現行建筑荷載規范中的雪荷載相關條例，為準確、安全地確定惡劣天氣災害荷載提供了依據。
研究大跨空間結構倒塌的不連續行為
計劃趕不上變化，雖然材料已經進行了嚴格的篩選和設計，但是理論和現實總有差異，實驗室里也不可能真的模擬出現實中才有的惡劣天氣，當真的發生事故時，該如何降低損失？袁行飛老師的團隊還對大跨空間結構倒塌全過程中的不連續行為進行了研究，建立了桿單元、索單元和梁單元的斷裂準則和斷裂模式，推導了桿件運動中的接觸和碰撞模型。
展開 乘用車前擺臂和副車架的強度分析及優化
該前擺臂有限元模型共有3406個節點，3241個單元，其中，三角形殼單元182個，四邊形殼單元3059個，三角形單元所占比例為5.6%。
副車架有限元模型共有15612個節點，14994個單元，其中，三角形殼單元1128個，四邊形殼單元13866個，三角形單元所占比例為7.5%。
1.2 連接關系的模擬與簡化
本文研究的前擺臂及副車架的模型只保證了各零件的相對位置，而沒有對零件之間進行連接處理。在對前擺臂及副車架進行仿真分析時，只有準確地模擬出各種連接，才能精確地傳遞力和力矩，從而達到良好的仿真效果。
實際的物理連接方式一般有焊接、鉚接和螺栓連接等，每種連接都有各自的特點，在有限元軟件中的模擬方式也各不相同[7]。在本文中，前擺臂和副車架的裝配以剛性連接為主，兼之還有螺栓連接、球鉸等。
1.2.1焊接的模擬
由于前擺臂和副車架的強度和剛度都比較大，可采用沒有任何屬性的剛性節點對其進行模擬，為保證精度，最好在每個單元節點建立剛性節點。焊縫之間采用一維剛性單元模擬采用點對點連接方式,并約束6個方向的自由度，部分剛性連接如圖4所示。
圖4 部分剛性連接
1.2.2螺栓的模擬
在本文中，螺栓連接采用的是點對點連接方式, 并約束6個方向的自由度，將螺栓的兩端邊緣的節點進行連接，部分螺栓連接如圖5所示。
圖5 部分螺栓連接
1.2.3球鉸的模擬
球鉸由兩個部分組成：球與球殼。球鉸只允許兩部分繞公共的球心相對轉動，限制它們第三方向的相對移動。本文中球鉸連接的方法為約束6個方向的自由度，分別對球與球殼進行連接，如圖6a、圖6b所示；接著使用點對點的連接方式，并只約束移動自由度，對剛建立連接的球與球殼的中心點進行連接，如圖6c所示，最后對建立聯系的球與球殼的中心點在中點進行合并，如圖6d所示。
展開 O型球閥與V型球閥區別
二、V型球閥結構：
V型球閥球芯帶有Ｖ型結構，閥芯是1/4球殼，開有V型缺口，流通能力大，可調范圍大、具有剪切力，能關閉嚴密等特點，特別適用于流體物質帶纖維狀的工況。 一般情況下V型球閥都是單密封球閥。不適合用來雙向使用。
V型狀邊緣，切斷雜質。在球體轉動過程中，球體V型刀口與閥座相切，從而切斷流體中的纖維和固態物質，而一般的球閥則不具備這一功能，故易導致關閉時纖維雜質卡住，給維修和維護帶來極大的不便。而V型球閥其閥芯是不會被纖維卡住的。此外，由于采用了法蘭連接形式，因而其拆裝簡便，無需特殊工具，維修維護也簡單易行。當閥門關閉時。V型缺口與閥座之間產生契形剪刀作用，并既具有自潔功能又可防止球芯卡死，閥體、閥蓋及閥座分別采用金屬點對點結構，另外使用了摩擦系數較小的閥桿彈簧，因此，操作扭矩小，很穩定。
V型球閥是一種直角回轉結構，可實現流量調節作用，可根據V型球體的V型角度，實現不同程度的比例，V型球閥一般與閥門執行器及定位器配套使用，可實現比例調節， V型閥芯最適用于各種調節場合，具有額定流量系數大，可調比大，密封效果好，調節性能零敏，體積小，可豎臥安裝。適用于控制氣體、蒸汽、液體等介質。V型球閥為直角型回轉結構，由V型閥體、氣動執行機構、定位器及其他附件組成；有一個近似等百比的固有流量特性；采用雙軸承結構，啟動扭矩小，具有極好的靈敏度和感應速度，超強的剪切能力。
展開 11種污水處理填料的用途及性能對比，非常實用!
5.懸浮填料
成分：PE球殼 +醛化維綸絲花束或者PP寬扁絲帶
適用范圍：適合兼氧、厭氧， 也有用于曝氣池。易掛、脫膜，污泥減量效果一般，整體使用效果一般，成本較高，適用于改造或小型污水處理裝置及流化床。
6.斜懸式多孔懸浮填料（MBBR）
成分：PP
適用范圍：適用于自來水遠水處理， 效果很好，也可以用于污水 處理裝置的厭氧池、曝氣池、生物流化床。成本較高， 性價比較高。
7.梅花環
成分：PP
適用范圍：適用于占地面積較小的塔式小型生物膜法處理裝置。
8.生物轉盤
成分：玻璃鋼或塑料
適用范圍：適用于日處理量不大的，膜法生物處理裝置。
9.纖維球填料
成分：滌綸纖維
適用范圍：適用于高效過濾器、生物流化床。
10.蜂窩斜（直）管填料
成分：PP或PVC
適用范圍：直管適用于小型生物膜法污水處理裝置，斜管適用于沉淀池。
11.鮑爾環、階梯環、多面球、拉西環、海爾環
成分：PP
適用范圍：適用于空氣處理過濾塔、污水處理裝置、流化床裝置。
展開 