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2006年  第23卷  第12期

基本方法
平板断面扭弯耦合颤振机理研究
杨詠昕, 葛耀君, 项海帆
2006, 23(12): 1-8.
摘要:
基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。
基于单胞(GMC)模型的韧性复合材料极限分析
常晓环, 张宏涛, 刘应华, 徐秉业
2006, 23(12): 9-13.
摘要:
本文将细观力学中的单胞(GMC)模型运用到塑性力学的静力极限分析中,研究韧性复合材料的塑性极限承载能力。从反映复合材料细观结构的代表性胞元入手,通过宏观强度域的概念建立了单胞极限载荷的计算格式,最终将上述问题归结为求解一组带约束的非线性数学规划问题,并采用序列二次规划法进行了求解。算例结果表明,本文方法为复合材料的强度分析提供了一个有效手段。
裂纹面受两对集中剪力作用下的弹塑性分析
周小平, 张永兴
2006, 23(12): 14-18.
摘要:
利用裂纹线场方法对理想弹塑性材料无限大板受两对集中剪力问题进行了弹塑性分析,并且获得了理论解。这个解包括:裂纹线附近弹塑性边界上的单位法向矢量、裂纹线附近的弹塑性解析解、裂纹线上的塑性区长度随荷载的变化规律及其承载力。分析不受小范围屈服假设的限制,并且不附加假使条件。结果在裂纹线附近足够精确。
复杂边界条件功能梯度板三维分析的细观元法
程红梅, 曹志远
2006, 23(12): 19-24.
摘要:
发展一种细观分析和宏观计算相结合的计算方法—细观元法。细观元法是使功能梯度构件宏观响应和材料组分的几何、物理、构造参数直接发生关联的分析方法,实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过度分析,为解决功能梯度构件宏、细观跨尺度分析提供了一种有力工具。细观元方法不增加结点自由度,却使得功能梯度板件的任意功能梯度变化、各种复杂边界条件得到反映。用细观元法得到了几种具有不同复杂边界条件的功能梯度板件的力学量三维分布形态。
基于时变NARMA模型的非线性时变系统辨识
庞世伟, 于开平, 邹经湘
2006, 23(12): 25-29.
摘要:
在非线性自回归滑动平均模型NARMA(Nonlinear Auto Regressive Moving Average)中引入时间变量,将其扩展为时变NARMA模型,用Taylor展开将模型中的非线性函数展开为关于输入输出的多项式,得到关于参数线性时变的多项式形式的时变NARMA模型,再用基序列拟合模型的时变参数得到关于参数线性时不变的模型,最后用递推最小二乘法估计模型参数。仿真算例证明,与小波网络方法相比,辨识精度高,计算量小。
地震动非平稳特性对结构非线性响应影响的分析
曹晖, 林学鹏
2006, 23(12): 30-35.
摘要:
虽然地震动的非平稳特性被越来越多的研究者所认识,但是其对结构非线性响应的影响却一直没有较为深入的研究。传统的反应谱和功率谱缺乏对地震动时间信息的表达,而由小波变换得到的地震动局部谱(时变谱)能更准确地反应地震动的非平稳性。更为重要的是,小波变换可以将地震动能量在时间上的分布进行调整而不改变能量在频率上的分布,对考察地震动非平稳性对结构非线性响应的影响非常有利。利用小波变换的上述优势,对比分析了三条实际地震动记录对一榀钢筋混凝土框架非线性时程响应的影响,通过调整其中一条记录的能量在时间上的分布,清楚地表明地震动能量在时间上的集中对结构响应非常不利,并由此提出了有效峰值的概念来定量反应这种表现为能量集中的地震动非平稳性。
弹性压应力波下直杆分叉动力失稳特征值有限元分析
郑波, 王安稳
2006, 23(12): 36-40.
摘要:
运用有限元特征值分析方法对弹性压应力波作用下直杆分叉动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了直杆动力失稳时的有限元特征方程,把弹性直杆的动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入直杆动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。
非光滑碰撞振动系统动力学分析的Lyapunov指数判据
金俐, 刘新华, 陆启韶
2006, 23(12): 41-46,2.
摘要:
对n维非光滑(刚性约束和分段光滑)碰撞振动系统引进局部映射,利用Poincaré映射分析方法,建立了该类系统的Lyapunov指数谱与Floquet特征乘子之间的解析关系,提出了非光滑碰撞振动系统动力学分析的Lyapunov指数判据。以一类刚性约束的非线性碰撞振动系统为例,给出该系统的Lyapunov指数谱随参数大范围变化的规律,并将此规律与相应的Poincaré映射分岔图进行仔细对照,得到了一致的结论,验证了上述动力学分析的Lyapunov指数判据的正确性和有效性。
基于统计模型的结构损伤识别
黄斌, 史文海
2006, 23(12): 47-52,1.
摘要:
提出了一种基于递推随机有限元方法(RSFEM)的随机结构损伤识别方法。在定义了随机损伤指数概念的基础上,考虑模型误差的不确定性和测量噪声的影响,建立了关于随机损伤指数的控制方程。然后,利用RSFEM得到了结构随机损伤指数的统计特性。数值算例的结果显示,新的方法能在考虑模型误差和测量噪声的情况下对结构损伤进行有效识别,且在结构随机参数有较大涨落情况下,该方法仍能有效识别出结构损伤,识别结果与蒙特卡洛模拟解非常吻合。
加层压电层硬币型裂纹断裂分析
李艳松, 冯文杰, 王洪军
2006, 23(12): 53-58.
摘要:
研究粘接着弹性层的压电层内硬币型裂纹的断裂问题。压电层与弹性层均为横观各向同性材料,r轴方向无限长,z轴方向有限厚度。压电层沿z轴方向极化。考虑电不导通裂纹表面条件,利用Hankel积分变换将问题化为求解积分方程组,导出了场强度因子与能量释放率的表达式。给出了数值计算结果,并分析了弹性层厚度对场强度因子与能量释放率的影响。
无限大平面中斜裂纹的压剪断裂分析
师俊平, 解敏, 王静
2006, 23(12): 59-62,5.
摘要:
根据Muskhelishvili的复势理论,结合裂面边界条件和位移单值条件,将无限大平面受压应力作用的裂纹问题转化为对应的Hilbert问题,并运用复变函数法分别给出了在伪集中力作用下,不同裂面形态的基本解。对不同裂面形态的摩擦力大小和分布进行了详细分析,建立了新的摩擦力计算模型。采用“伪力法”和叠加原理,结合所求的基本解,给出了含中心斜裂纹的岩石类材料在压缩荷载作用下的应力强度因子(SIF)的解法。研究表明:裂面状态对K的大小没有影响,而对K的影响却很大,相同应力条件下,裂面状态会影响裂纹的开裂角和开裂方式。
弹性力学极坐标辛体系Hamilton函数的守恒律
朱炳麒, 卓家寿, 周建方
2006, 23(12): 63-67,7.
摘要:
用弹性力学直角坐标辛体系中类似的形式,定义了极坐标问题径向和环向辛体系的Hamilton函数,对其守恒性进行了研究,由Hamilton对偶方程推出了Hamilton函数的守恒律,同时给出了守恒条件,指出两种极坐标辛体系中Hamilton函数是否守恒均取决于两侧边的荷载和位移情况。在径向和环向辛体系中都给出了算例,验证了Hamilton函数的守恒律。这一守恒律丰富了弹性力学辛体系的理论内容,不仅对于弹性力学极坐标问题的理论分析有所帮助,也为极坐标问题的数值计算分析提供了一个判断依据。
绕大攻角翼型加速流动的数值模拟
吴大转, 王乐勤
2006, 23(12): 68-72.
摘要:
采用有限体积法对绕30º大攻角NACA0015翼型的粘性不可压缩加速流动进行了二维数值模拟,计算了水道中以50mm/s2和100mm/s2两个加速度下绕翼型的非定常流动,最终稳定流速都为100mm/s,对应雷诺数为8000。通过计算给出了从静止到稳定流速的加速过程和完成加速后的详细瞬态流动结构和演化过程,并分析了加速度对流动结构的影响。计算结果表明启动过程绕大攻角翼型的加速流动结构复杂,该瞬态过程的流动分离现象也明显区别于稳态过程自生和自维持的分离流动,并且启动加速度大小对流动的分离、漩涡结构和强度等都有直接影响。
土木工程学科
鞍形索网屋盖结构风振响应分析的Ritz-POD法
冯若强, 武岳, 沈世钊
2006, 23(12): 73-79.
摘要:
鞍型索网屋盖结构频率密集,当采用基于随机振动理论的振型叠加法进行分析时,如果只考虑前几阶或者十几阶振型很难得到准确结果,这就需要考虑多阶振型的影响,而应该选取多少阶振型,选取哪些振型,目前还没有一个系统且准确的选取方法。为此,提出了一种有效的选取结构主要振型的方法,即Ritz-POD法,该方法主要是联合运用Ritz向量叠加法和本征正交分解法(POD法),在频域内进行大跨度屋盖结构的风振响应分析,并采用该方法分析一鞍形索网屋盖结构的风振响应,同传统的振型叠加法的计算结果进行了比较,证明了该方法的准确性及高效性。
工字梁与H型钢柱腹板连接节点性能分析
刘洪波, 谢礼立, 邵永松
2006, 23(12): 80-85.
摘要:
利用ANSYS对工字梁与H型钢柱腹板连接节点进行有限元分析,建立梁翼缘连接板剪切变形和梁连接板部分弯曲变形理论分析模型,推导出梁翼缘连接板剪切变形的等效刚度公式,根据楔形梁段假定推导出梁连接板部分的抗弯刚度公式,并通过有限元分析确定刚度系数。根据对梁柱腹板连接节点各部分刚度和强度分析,建立腹板连接节点模型。这个简化模型可以用来分析单向荷载和循环荷载作用下梁柱腹板连接节点的响应。
考虑地震动部分相干效应的拱坝随机响应分析模型
吴健, 金峰, 徐艳杰
2006, 23(12): 86-90.
摘要:
将随机振动的虚拟激励法与拱坝-地基动力相互作用FE-BE-IBE时域模型结合,发展了一个可以考虑地震动部分相干效应的拱坝随机动力响应计算模型,并用Monte-Carlo方法对模型进行了验证。不同模型的计算结果表明,地震动的部分相干效应对拱坝的动力响应有显著影响。
简支梁桥与多跨连续梁桥上移动荷载的识别与参数分析
李忠献, 陈锋
2006, 23(12): 91-99.
摘要:
移动车辆荷载反复作用会导致桥梁疲劳损伤甚至破坏,移动荷载识别是桥梁健康监测的重要措施之一。采用样条函数逼近法对简支梁桥与多跨连续梁桥上的移动荷载进行识别和参数分析。基于模态叠加法和梁固有振动的精确解,建立了移动荷载作用下简支梁和连续梁的运动方程;利用样条最小二乘法逼近桥梁应变响应,由样条数值微分求得响应导数;再通过Tikhonov正则化方法结合奇异值分解技术得到了荷载识别的正则解。对一简支梁和一三跨连续梁进行了数值仿真,并对一些影响因素进行了参数分析。利用已有的试验数据验证了方法的可靠性。结果表明,样条函数逼近法能有效地识别简支梁与连续梁桥上的移动荷载,具有很强的实用性和抗噪性能;而且简支梁桥上的荷载识别精度和抗噪性能高于连续梁桥;利用Tikhonov正则化方法可得到荷载识别的稳定解,并有利于提高识别精度,降低对噪声的敏感性。
初始几何缺陷对仓壁柱承钢筒仓稳定性能的影响
叶军, 赵阳, 俞激
2006, 23(12): 100-105.
摘要:
仓筒壁直接支承于支柱是小型钢筒仓的一种简单、经济的支承方式。薄壳结构通常对初始几何缺陷十分敏感。引入周向轴对称焊缝凹陷和特征值屈曲模态两种缺陷形式,通过几何非线性分析,研究初始缺陷对轴压下仓壁柱承筒仓稳定性能的影响。研究表明,周向焊缝凹陷会显著降低结构的屈曲荷载,且与焊缝位置密切相关,而特征值模态缺陷只有在支柱接近仓顶时才会显著影响其屈曲强度。
工程随机因素对索网结构初始形状确定的灵敏度分析
靳慧, 张其林
2006, 23(12): 106-111.
摘要:
考虑了张拉结构找形过程中的不确定性,将这些不确定性用随机变量表示。在预拉力给定的索网结构形状确定的特殊拉索单元法的基础上,推导了等效外力向量、等效单元不平衡力向量和单元切线刚度矩阵的偏导计算式,建立了初始平衡状态几何向量的灵敏度计算迭代格式。根据平衡几何向量的灵敏度和索段长度的灵敏度,计算出索网零状态时,索段放样长度对随机变量的灵敏度,并进一步求出了放样长度均匀性的灵敏度。以此为依据,对设计参数进行修改,使索网放样长度更均匀,便于施工安装。此方法同样也可用在放样长度给定的索网找形分析中,使得其初始平衡状态的预应力更均匀,提高索网的受力性能。
基桩后屈曲的摄动分析方法
赵明华, 贺炜, 邹新军
2006, 23(12): 112-116,.
摘要:
基桩自由长度较大或桩周土较软弱时,易发生屈曲破坏,故研究基桩发生屈曲时的力学性状具有重要意义。首先基于两端铰支桩,用能量法建立出大挠度微分方程,然后选取符合边界条件的基桩位移挠曲函数,采用二次摄动技术将非线性大挠度微分方程化为一系列摄动方程求解,在求得大挠度渐近解的基础上,通过摄动参数转换,得到以桩身挠度为摄动参数的后屈曲平衡路径高阶渐近解。最后,利用本文解答分析了基桩埋置率、地基土弹簧刚度与桩身抗弯刚度等因素对基桩荷载达临界值后力学性状的影响,结果表明,随埋置率和土桩刚度比的增大,基桩后屈曲平衡路径趋于不稳定。
可控制精度的预应力混凝土杆系结构时变效应通用分析法
胡狄
2006, 23(12): 117-122.
摘要:
基于杆系有限单元法和时变效应分析的全量形式自动递进法,提出了可控制精度的预应力混凝土杆系结构时变效应通用分析法。有限元法仅用来计算结构的弹性响应,列式中不考虑与时间有关的影响因素;自动递进法仅完成结构不考虑约束情形下的收缩、徐变效应;通过控制有限元法和自动递进法各自计算精度来方便地控制通用分析法的计算精度。建立了考虑混凝土、普通钢筋和预应力钢筋影响的组合单元,单元刚度随混凝土弹性模量时变和预应力钢筋的不断张拉而调整;结合计算锚固瞬间考虑反摩阻影响的预应力钢筋中应力分布的统一算法,建立了可方便计算每束力筋对结构弹性响应贡献的有限元列式,为较准确分析结构时变效应提供了基础。讨论并比较了通用分析法和目前常用分析法的理论计算值及试验结果,表明通用分析法计算精度可控,直到获得满意的精度。
润扬大桥北汊斜拉桥钢箱梁的局部应力测试与分析研究
丁幼亮, 李爱群, 赵大亮
2006, 23(12): 123-128.
摘要:
在大跨斜拉桥扁平钢箱梁应力计算的误差分析基础上,提出了扁平钢箱梁局部应力分析的两体系计算方法。根据扁平钢箱梁的构造特点分别建立整体结构尺度模型和局部构件尺度模型并采用子模型法进行跨尺度模型的衔接。以润扬斜拉桥的扁平钢箱梁为例,计算了车轮荷载作用下的钢箱梁局部应力响应,并与润扬斜拉桥成桥静载试验结果进行了比较,验证了该方法的有效性,并在此基础上系统地总结了大跨斜拉桥扁平钢箱梁在车辆载荷作用下的工作行为与受力性能。
基于小波分析的桥梁健康监测方法
郭健, 顾正维, 孙炳楠, 陈勇
2006, 23(12): 129-135.
摘要:
通过分析桥梁健康监测中的几个关键性问题,阐述了测试数据分析处理的重要性。针对小波分析技术在信号处理和数据分析领域的优势,举例说明了小波分析在桥梁健康监测中的应用,包括可实现结构振动测试数据的信号去噪、信号检测、特征提取和数据压缩,显示出以小波分析为工具能非常有效地完成桥梁结构健康监测中的特定目标。并基于小波分析提出了结构损伤识别四阶段方法,可分阶段实现大型桥梁健康监测中的损伤预警、确认、定位及定量。较全面地展示了小波分析在桥梁健康监测中的广泛应用前景。
既有钢筋混凝土拱肋承载力测试与分析
张建仁, 李传习, 王磊, 徐飞鸿, 喻小明
2006, 23(12): 136-142.
摘要:
对于服役多年的钢筋混凝土桥梁,混凝土开裂、钢筋锈蚀等存在着复杂性和随机性,对其性能影响很大。基于实桥两根服役28年的钢筋混凝土拱肋极限承载能力试验研究,详细阐述了拱肋的荷载位移、荷载应变关系、残余承载力以及失效形势,分析了影响承载力的相关因素,给出了服役多年混凝土的本构关系,分别建立了考虑与未考虑老化与损伤的拱肋极限承载能力的有限元计算模型,并对比分析了理论计算值和实验结果。各项研究表明初始裂缝、钢筋锈蚀和拱轴线的线形对结构的承载能力和失效形势有较大影响。
FRP加固混凝土构件中裂纹扩展规律的数值模拟
张娟霞, 唐春安, 朱万成, 梁正召, 吴献
2006, 23(12): 143-148.
摘要:
用材料破坏过程分析系统MFPA(Material Failure Process Analysis)对FRP(Fiber Reinforced Polymer)加固混凝土梁在外荷载作用下沿FRP板和混凝土之间界面剥落的不同破坏模式以及混凝土中的裂纹分布进行了数值模拟。通过分析,发现剥落破坏可能产生在FRP板与混凝土之间的粘结层内或其上方附近的混凝土中。模拟结果与实验结果较吻合。粘结层和混凝土的特性对于剥落传播的类型及裂纹的分布有很大的影响。着重探讨了混凝土的强度参数以及粘结层的强度参数对于整个构件承载能力及最终破坏模式的影响。
悬索结构的初始平衡构型分析
杜敬利, 段宝岩, 仇原鹰, 王从思
2006, 23(12): 149-153.
摘要:
根据悬索悬链线解析表达式推导出悬索长度与索端拉力之间的关系,从而可对悬索进行精确的力学分析以提高求解精度。结合LT中索网主动反射面给出了一种以优化策略求解悬索结构初始平衡构型的方法,该方法以悬索长度为设计变量,引入相应的约束条件,可以解决已知几何形状与边界条件时索网的内力分布问题。数值算例中以单索为例给出了索网主动反射面分析的详细过程。
多个移动车辆作用下简支梁的动力响应分析
盛国刚, 李传习, 赵冰
2006, 23(12): 154-158,.
摘要:
将简支梁桥简化为欧拉-伯努利梁模型,考虑四自由度车辆移动系统与结构表面接触处不平顺产生的随机激励,建立了多个移动车辆振动系统与梁的耦合动力效应模型。在数值算例中,计算了不同模态截断阶数情况下由动力效应产生的挠曲线;讨论了移动速度变化时,在梁上作用不同荷载组合情况下冲击系数的变化规律;并讨论了跨径变化时冲击系数的变化规律;最后比较了在不同等级平整度情况下梁的动弯矩、动剪力的结果。
机械工程学科
直线电机地铁车轨系统动力响应分析
冯雅薇, 魏庆朝, 高亮, 时瑾
2006, 23(12): 159-164,.
摘要:
直线电机地铁系统是一种新型的城市轨道交通模式,它采用直线感应电机牵引,轮轨支撑导向。根据系统特点,建立直线电机地铁系统垂向车辆-轨道耦合模型。在此基础上编制计算机仿真程序,分析确定性不平顺对车辆和轨道动力响应特性及直线电机气隙变化的影响规律。
一种基于综合泄漏流机制的涡轮转子流固耦合模型
袁振伟, 褚福磊, 郝如江
2006, 23(12): 165-170.
摘要:
针对涡轮转子Alford力模型的固有缺陷,综合考虑涡轮径向和轴向动静转子间隙变化对泄漏流的影响,研究了既包括涡轮径向偏心又涉及涡轮轴向偏斜的综合泄漏流机制,并以此为基础建立了能够同时反映涡轮径向偏心和轴向偏斜,同时还能体现涡轮平均径向和轴向间隙的非线性流体激振力模型。通过MATLAB进行数值积分和图形处理,得到了反映流体激振力与涡轮径向偏心距和轴向偏斜角关系的一组图形。最后还讨论了涡轮平均径向和轴向间隙以及涡轮偏心与偏斜相位差对流体激振力的影响。理论分析结果与现有实验数据比较证明,该模型是有效的,对建立考虑流固耦合的涡轮转子动力学模型具有实际意义。
其他工程学科
土中装药不同埋深爆炸试验研究
施鹏, 辛凯, 杨秀敏, 陈肇元
2006, 23(12): 171-174.
摘要:
利用自由场试验研究了土中装药不同埋设深度爆炸问题,给出了相应的爆炸宏观特征,得到了耦合系数试验数据,得到的结论是:当土中装药比例爆炸埋深超过2.0m/kg1/3后,爆炸达到完全封闭。并指出该数据与美军设计规范TM5-855-1中的耦合系数数据0.56m/kg1/3相差较大,分析了产生差异的可能原因。
自然超空泡形态特性的射弹试验研究
曹伟, 王聪, 魏英杰, 邹振祝
2006, 23(12): 175-179,.
摘要:
利用高速射弹试验对自然超空泡的形态特性和发展规律进行了深入研究。试验采用了不同尺寸的试验弹,射弹最大速度可达70m/s,最小空化数可达0.04。获得了水下航行体的自然超空泡形态参数随空化数变化的规律,并与相关文献中使用的经验公式进行了对比,在小空化数下一致性较好。研究结果表明,高速射弹试验是研究自然超空泡形态特性的一种有效手段,能够捕捉到大量超空泡水动力学现象,证实了自然超空泡的直径和长度都随空化数的增大而减小,且呈指数规律。
一种新的橡胶-帘线复合材料的模型及其参数识别方案
任旭春, 姚振汉
2006, 23(12): 180-187.
摘要:
为了给工程应用提供简便而有效的数值计算方法,提出了橡胶-帘线复合材料的一种非线性数值模型。首先推导了这种模型的有限元格式,以便在ABAQUS软件基础上实现这种模型;然后在单胞有限元分析的基础上,将此类超弹性基体、长纤维增强复合材料等效为一种横观各向同性超弹性材料。给出的数值算例将此方法的计算结果与纤维、基体分别细分单元的有限元分析结果进行了比较,验证了该方法的有效性与实用性。
卫星编队飞行中Lawden方程的误差分析
崔海英, 李俊峰, 高云峰
2006, 23(12): 188-192.
摘要:
从Lawden方程的建立着手,分析了方程的模型误差。通过对Lawden方程与数值积分两种方法得到的相对轨迹进行比较,指出了Lawden方程解的非周期性,以及为满足解的周期性而选取的初始条件是一个与满足长期编队条件没有必然关系的强制条件。并通过计算从星能量变化确定方程解的精度,提出了通过约束相对轨迹的大小来保证设计精度这一控制误差的方法。仿真结果证明了方法的正确性。