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2006年  第23卷  第2期

基本方法
一维C1有限元超收敛解答计算的EEP法
袁驷, 王枚, 和雪峰
2006, 23(2): 1-9.
摘要:
将新近提出的C0有限元后处理中超收敛解答计算的单元能量投影(Element Energy Projection,简称EEP)法推广到一维C1类有限元。根据单元投影定理具体推导了一般梁单元的计算公式,并对两个有代表性的单元给出了数值算例。分析和算例表明,EEP法在一维C1类有限元中再次获得令人满意的效果,即对任一单元中的任一点,从位移一直到三阶导数(如梁的挠度、转角、弯矩、剪力),匀可获得与结点位移精度相当的超收敛结果,而且可精确满足自然边界条件。
非比例阻尼线性体系基于规范反应谱的CCQC法
周锡元, 俞瑞芳
2006, 23(2): 10-17,9.
摘要:
根据平稳随机过程理论和抗震设计反应谱,对具有非比例阻尼特性的线性体系,给出了实数形式的复振型反应谱叠加法和复振型完全平方组合(CCQC)计算公式。式中除了包含一般CQC方法中振型间的位移相关系数以外,还包含了新的速度相关系数和位移-速度相关系数。公式推导按照与一般CQC法同样的原理和假定,形式也同样简洁、明了,易于工程设计人员掌握和使用。用实例分析对比了基于设计反应谱的CCQC法、CSRSS法及强迫解耦法,并以人工地震波作为地震输入,用逐步积分法对计算结果进行了验证。结果表明:提出的CCQC法比CSRSS法具有更好的精度。实例分析还表明,对于一般的强非比例阻尼结构,抗震设计规范中采用的强迫解耦方法也具有较好的精度。
基于神经网络的损伤构件及损伤程度识别
孙宗光, 高赞明, 倪一清
2006, 23(2): 18-22.
摘要:
确定损伤构件及其损伤程度是分阶段损伤识别的最后一步,同时又是进一步制定结构安全运行决策的前提和基础。研究了在确定了结构损伤区域的条件下,应用反向传播(BP)神经网络同时实现对具体损伤构件及其损伤程度识别的方法。探讨了针对上述神经网络训练数据的构造和训练策略。应用提出的方法对汲水门斜拉桥桥面结构进行了损伤识别仿真模拟。基于模态参数对损伤的灵敏度分析,选取了12个自振频率和损伤区域附近的6个振型分量作为构造网络输入的基本数据。网络的输出向量同时指示了损伤构件及其损伤程度。就模拟的10种损伤情况,当损伤程度达到60%以上时,有9种实现了正确的构件识别,半数以上给出了可以接受的损伤程度描述。
基于多分支BP神经网络的结构系统辨识
李宏男, 杨浩
2006, 23(2): 23-28,4.
摘要:
结构动力学系统是一个多输入多输出系统,建立能精确体现结构动力特性的辨识模型是实现结构高品质振动控制和关系到控制是否有效的关键。提出一种多分支BP神经网络辨识模型,将影响结构动力反应的结构状态变量和地震动输入分别作为模型的分支输入来进行辨识,提高学习效率及预测精度,并利用训练好的模型预测结构在不同地震波输入下的动力反应,验证模型的泛化能力。数值分析结果表明,用所提出的多分支BP网络模型对结构动力学系统进行动力特性辨识时能达到较高的精度,而且预测精度也很高。
非线性隐式极限状态方程失效概率计算的组合响应面法
刘成立, 吕震宙
2006, 23(2): 29-33.
摘要:
提出组合响应面的新方法,用以计算设计点附近非线性程度较大的隐式极限状态方程的失效概率。该方法用主响应面和多个次响应面近似对失效概率贡献较大的区域,其响应面函数形式为不含交叉的二次多项式。主响应面依据传统响应面法通过选择适当的插值点和迭代运算获得,其设计点为主设计点。延坐标轴正负方向偏移主设计点得到拟均值点。以拟均值点为基础得到一组次响应面和次设计点。通过主次响应面在各自设计点处的切平面建立组合响应面近似原隐式极限状态方程,并计算其失效概率。算例结果说明所提方法具有较高精度。
定常温度热弹性梁的精化理论
高阳, 王敏中
2006, 23(2): 34-40.
摘要:
首先给出了定常温度热弹性Biot通解的一种新的简化形式,它看起来与各向同性弹性力学的Papkovich-Neuber通解十分相似。不作预先假设,从热弹性理论出发,利用Biot通解和Lur'e算子方法构造了梁的精化理论,得出了自由表面热弹性梁的三个精确方程:四阶方程、超越方程和温度方程。由一般的各向同性弹性梁推广到热弹性梁,导出了在反对称载荷和介质温度作用下热弹性梁的近似控制微分方程。
一种高超音速热气动弹性数值研究方法
张伟伟, 夏巍, 叶正寅
2006, 23(2): 41-46.
摘要:
基于热气动弹性的特点,采用松耦合方法建立气动弹性仿真模型。将该问题的求解分解成四步,即气动热的计算、结构的温度分布计算、热结构计算和气动弹性计算。研究了给定温度分布热效应下的气动弹性问题。运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析有限元分析模型,并计算了两种典型高超音速翼面的热结构。运用基于CFD技术的当地流活塞理论计算高超音速非定常气动力。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度和结构支持方式对热气动弹性系统的不同影响。
亚格子尺度湍流特性研究
王兵, 张会强, 王希麟
2006, 23(2): 47-51.
摘要:
采用大涡模拟方法模拟了雷诺数ReH=18,400的后台阶湍流流动,研究了亚格子尺度湍流动能和湍流耗散的特性。给出了后台阶湍流流动的流场结构以及亚格子湍动能和亚格子湍耗散的空间分布结果,比较了大涡模拟预报湍流粘性以及等效计算粘性。研究表明,亚格子尺度湍动能和亚格子湍耗散随着流动在空间的发展而呈现减弱趋势,回流区内亚格子湍动能和耗散较弱;在台阶截面(y/H=1处)亚格子湍动能和耗散最大。亚格子湍动能小于脉动动能统计量,亚格子粘性小于等效湍流模型粘性预报结果。
矩形悬臂厚板的解析解
钟阳, 张永山
2006, 23(2): 52-55,4.
摘要:
首先把胡海昌提出的弹性厚板弯曲问题的简化方程表示成为Hamilton正则方程,然后利用辛几何方法对全状态相变量进行分离变量,求出其本征值后,再按本征函数展开的方法求出矩形悬臂厚板的解析解。由于在求解过程中不需要事先人为地选取挠度函数,而是从厚板弯曲的基本方程出发,直接利用数学的方法求出可以满足其边界条件的这类问题的解析解,使得问题的求解更加合理论化。最后还给出了计算实例来验证所采用的方法以及所推导出的公式的正确性。
基于二阶常微分方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法
丁洁玉, 潘振宽
2006, 23(2): 56-59.
摘要:
针对二阶常微分方程描述的多体动力学模型和通用积分形式的目标函数,通过引入伴随变量,系统地推导了多体系统动力学设计灵敏度分析计算公式,避免了直接微分方法中广义坐标及其各阶导数对设计参数偏微分的计算,在设计参数较多的情况下提高了计算效率。又将目标函数及其导数积分形式的计算转化为微分方程的初值问题,进一步提高了计算效率和精度。文末给出一个平面机械臂模型算例。
平面爆炸波在半无限混凝土介质中传播与衰减特性的数值分析
董永香, 夏昌敬, 段祝平
2006, 23(2): 60-65.
摘要:
采用非线性软件LS-DYNA,混凝土选用JHC模型的基础上,数值模拟了一维应变下爆炸波在半无限混凝土介质中的传播过程,得到了平面爆炸波在混凝土中随时间和空间的衰减规律,以及在爆炸冲击波作用下,脆性介质混凝土形成破碎区和损伤区的演化特性。数值拟合结果表明,在爆炸近区应力波幅值衰减速率快,材料损伤演化和应力波幅值衰减存在着内在的联系。模拟结果对于爆破与防护工程设计均具有一定的参考价值。
土木工程学科
P、SV波作用下层状土层随机波动分析
潘旦光, 楼梦麟, 董聪
2006, 23(2): 66-71.
摘要:
提出了P、SV波作用下层状土层地震反应分析的随机波动分析方法。在这一方法中,将波动理论和随机振动理论结合起来,求解波动方程和土层地震反应的统计参数,可以准确而又方便考虑地震波斜入射及基岩弹性刚度对土层地震反应的影响。文中进一步通过算例分析,探讨了P、SV波的入射角度、土层厚度以及基岩和土层间的剪切波速比等因素对土层随机地震反应的影响。
土与结构接触面弹塑性损伤模型用于单桩与地基相互作用分析
张嘎, 张建民
2006, 23(2): 72-77.
摘要:
基于粗粒土与结构接触面弹塑性损伤静动力统一模型(称作EPDI模型)建立了可用于有限元分析的弹塑性损伤接触面单元。对接触面试验进行了模拟,采用不同的接触面本构模型及参数对单调和循环荷载作用下的单桩基础的侧摩阻力和桩顶位移进行了有限元分析。结果表明:包括剪应力应变关系和剪胀特性在内的接触面力学特性对桩土相互作用分析有重要影响,需要合理地加以描述。基于试验结果建立的弹塑性损伤接触面单元能够有效地用于土体与结构物相互作用分析,并能够合理地反映土与结构接触面的包括体应变及其与剪应变耦合特性在内的接触面主要静动力学特性。
预应力混凝土斜拉桥自适应施工控制分析
赵文武, 辛克贵
2006, 23(2): 78-83.
摘要:
在预应力混凝土斜拉桥的施工过程中对主梁线形与结构内力的控制非常重要。提出一种自适应施工控制分析方法。其中用改进刚性支承连续梁方法分析合理成桥状态,用正装迭代法分析合理施工状态,用基于最小二乘法的参数复核识别算法进行参数估计,用带残差修正的灰色预测模型进行参数预测。通过算例分析表明,提出的施工控制分析方法可行且结果合理。
加劲钢板剪力墙弹性抗剪屈曲性能研究
郭彦林, 陈国栋, 缪友武
2006, 23(2): 84-91,5.
摘要:
系统地分析了三个主要参数(板高厚比λ、肋板刚度比η和柱刚度β)对钢板剪力墙弹性屈曲性能的影响;提出了钢板剪力墙的三种弹性屈曲形式(局部屈曲、整体屈曲和相关屈曲),指出肋板刚度比η=40时(相当于Is=3.7bt3)能保证十字加劲板发生小区格板的局部屈曲或整块板的相关屈曲;指出现行高层建筑钢结构规范用于纵横加劲板局部屈曲荷载的设计表达式仅适用于η≥40的条件,而在η<40范围内,其计算结果偏于不安全;研究了交叉加劲板的弹性屈曲荷载,并与非加劲板和十字加劲板的屈曲性能进行了比较;最终给出了柱刚度对弹性屈曲荷载的修正系数,提出了交叉加劲板弹性屈曲荷载的简化计算公式。
按桩顶沉降量控制超长灌注桩竖向承载力研究
赵明华, 刘齐建, 曹喜仁, 邹新军
2006, 23(2): 92-96.
摘要:
采用桩端阻三折线、桩侧阻双折线荷载传递模型,对基桩竖向承载力进行深入分析,提出了按桩顶沉降量控制大直径超长灌注桩基桩竖向承载力的设想,并导得了多层地基中桩周桩端土层处于各种不同状态下的竖向承载力解析解。该解答不仅能考虑桩周土的分层,还能考虑桩端土体的非线性及沉渣的影响。最后,采用本文方法对两根试桩的实测荷载-沉降曲线进行了比较分析,结果表明二者基本吻合,计算方法可供工程实践参考。
锚杆拉拔力影响因素的数值试验研究
苏霞, 李仲奎
2006, 23(2): 97-102.
摘要:
判断锚杆拉拔力的大小是锚固支护中的重要问题之一。它涉及到岩石、粘结剂和钢筋材料的性质以及在受力过程中材料之间的相互作用。尝试采用适用于进行非线性、非连续介质复杂机理研究的“岩石破裂过程分析”(RFPA)系统,用正交试验方法进行了一系列数值试验,对影响锚杆拉拔力的6个因素进行了分析研究,并与有关物理试验结果进行了对比,得出几点有参考意义的结论。
风荷载作用下大跨度悬索桥的动力响应及列车运行安全分析
郭薇薇, 夏禾, 徐幼麟
2006, 23(2): 103-110.
摘要:
建立了风-列车-桥梁体系动力分析模型,根据实测空气动力参数和颤振导数模拟产生抖振力和自激力时域随机风荷载作为输入激励,以一座大跨度悬索桥方案为例,分析了风作用下桥梁和车辆的动力响应。结果表明:悬索桥的横向、扭转位移由风力控制,竖向位移主要由列车重力加载引起。风对桥上列车的运行安全有很大影响:在平均风速为30~40m/s的脉动风作用下,车辆的轮重减载率、脱轨系数和倾覆系数超标,必须给予足够的重视。
浅圆仓散料侧压力计算探讨
王复明, 原方, 师旭超
2006, 23(2): 111-114,.
摘要:
浅圆仓散料侧压力一般采用Rankine或Coulomb土压力理论计算,而Rankine理论和Coulomb理论适合于直线形挡墙,对仓壁这样在平面上投影为圆形的墙不一定适用,况且,在应用上述理论时往往假设侧压力沿墙高是线性分布的,但众所周知,散体不同于流体,其侧压力沿高度的分布不可能是线性的。基于此,依据极限平衡理论,研究浅圆仓散料侧压力的实际分布规律及计算方法。首先得到散粒体作用在单位弧长的墙壁上的合压力,然后通过严格的数学推导,求得侧压力的曲线分布规律。将结果与实仓试验结果对比,说明公式不论对贮料平堆还是锥堆都比较适合,而上述两种理论用于浅圆仓均有缺陷。
基于损伤理论的钢筋混凝土拱结构破坏过程的数值模拟
唐雪松, 张建仁, 李传习, 徐飞鸿, 潘军
2006, 23(2): 115-125.
摘要:
从一服役28年的旧拱桥上拆下来两个钢筋混凝土拱肋,对其进行了静载破坏试验。将第一作者提出的弹性损伤理论与有限元法相结合,针对钢筋混凝土结构的破坏问题,建立了相应的损伤力学有限元数值计算方法,编制了相应的计算机程序。对钢筋混凝土拱肋的破坏过程进行了数值模拟计算。拱的破坏模式、位移与应变的理论计算结果与试验结果吻合良好。得出了混凝土材料损伤特性参数的数值,揭示了混凝土材料破坏过程中一些复杂的力学行为。在较大的荷载水平下,钢筋混凝土结构呈明显的非线性特征。研究表明,本文损伤模型可以较好地描述混凝土材料的损伤与破坏行为。
灌注桩竖向承载力的分项系数研究
赵春风, 徐超, 高大钊
2006, 23(2): 126-130,.
摘要:
在荷载规范给定的分项系数前提下,利用可靠度理论和一维随机场理论,对灌注桩单桩竖向抗压承载力由总安全系数设计方法过渡为分项系数设计方法进行了深入研究,并得出了对应上海地区3种确定灌注桩单桩竖向承载力的分项系数设计的理论公式。在由经验公式计算单桩竖向承载力的推导过程中,考虑了土的分层特点;而在按静力触探比贯入阻力计算单桩竖向承载力的推导过程中,不仅考虑了土的分层特点,同时还考虑了土性的相关性。同时推导出相应于3种分项系数设计方法的抗力分项系数公式,并说明了抗力分项系数的计算方法。所得结果可供规范转轨时参考。
自感知压电层合梁的数值分析与数值模拟
丁根芳, 王建国, 覃艳
2006, 23(2): 131-136.
摘要:
从压电本构方程出发,借助Hamilton原理建立了压电层合结构的有限元方程,基于此理论,对一五层的压电梁运用ANSYS参数化设计语言(APDL)建模,采用二维四结点四边形耦合单元,分析了梁与压电层的几何参数对传感与致动性能的影响,比较了不同边界条件下梁的变形变化。得出的一些有效结论,对多层智能结构的设计具有一定的参考价值。
碳纤维加固复合受力钢筋混凝土箱梁的应力分析
李忠献, 景萌
2006, 23(2): 137-143.
摘要:
对碳纤维加固复合受力的钢筋混凝土箱梁进行应力分析。针对扭剪比较大的矩形箱梁构件,在斜压场理论的基础上,考虑混凝土软化的影响,提出了弯剪扭复合受力下碳纤维加固钢筋混凝土箱梁受力分析的计算理论,推导了相应的计算公式,编制了相应的计算机程序,并对4根碳纤维加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能试验模型进行了数值分析。通过理论计算值与试验测试值的对比分析可以看出,各箱梁试件单位长度扭转角的试验测试值与理论计算值的比值的平均值为0.846~1.064,均方差为0.071~0.177;各箱梁试件底部纵筋应变的试验测试值与理论计算值的比值的平均值为0.946~0.997,均方差为0.051~0.093,即理论计算值与试验测试值吻合较好。由此得出结论,所建立的碳纤维加固钢筋混凝土箱梁受力分析的计算理论是合理可行的,能较好地反映碳纤维加固钢筋混凝土箱梁的复合受力情况。
减沉桩基础作用特性的有限元分析
刘润, 徐余, 闫澍旺
2006, 23(2): 144-148.
摘要:
合理地控制沉降是减沉桩基础设计的指导思想和目标,由于这种基础形式形成和发展较晚,实际工程中大都以以往的经验为依据进行设计。采用弹塑性有限元法模拟减沉桩基础,分析桩土共同作用的机理,结合典型工程,重点分析影响沉降量的各个要素,并充分发挥有限元分析方法的特长比较了沉降量对各个影响因素的敏感程度,为减沉桩的设计提供理论依据和有效途径。有限元分析结果与工程实测结果吻合较好,表明减沉桩基础中桩和桩间土协同工作,共同承担上部荷载,能很好地控制建筑物的沉降量;调整桩长是控制沉降量的最有效手段。
基于互补模型的弹塑性桁架结构灵敏度分析过程
李建宇, 李兴斯
2006, 23(2): 149-152,.
摘要:
提出了一个用于弹塑性结构灵敏度分析的方法,称为NCP函数法。通过引入NCP函数,弹塑性结构分析的互补模型被等价为方程组形式;利用直接法对等价的方程组模型关于设计变量直接求导,建立了用于弹塑性灵敏度分析的线性方程组模型。新的灵敏度分析模型精确刻画了材料性质发生变化时灵敏度系数的不连续性,并避免了通过迭代过程来确定灵敏度系数的跳跃量。针对桁架结构的数值试验显示了算法的特点及其有效性。
机械工程学科
水闸钢拉索的不稳定振动分析
罗银淼, 应祖光
2006, 23(2): 153-156.
摘要:
水电站事故闸门启闭系统普遍采用钢索拉杆传动,水轮机诱发的闸门振动将会导致钢索的大幅振动,从而造成系统的失效破坏。基于对某水电站快速闸门系统振动破坏的实验和理论分析,建立等效索的参外激振动方程,根据Floquet理论进行运动稳定性分析。通常当闸门的水平摆动频率接近索的固有频率时,将产生横向共振。而闸门的铅直波动将引起索的主、超、亚谐波失稳,产生大幅振动,是导致其失效破坏的一个主要原因。
其他工程学科
用ALE格式有限元法分析快中子增殖堆的假想堆芯破损事故
刘闯, 张雄, 陆明万
2006, 23(2): 157-162.
摘要:
任意拉格朗日欧拉(ALE)格式具有网格划分灵活、计算精度高、适用范围广的优点,尤其适用于处理自由液面变化剧烈的快堆假想堆芯破损事故(HCDA)的流固耦合问题。采用ALE格式建立了HCDA分析的有限元计算公式,编制了相应的有限元计算程序,对快堆假想堆芯破损事故进行了流固耦合分析。用国际常用于检验快堆分析程序的CONT标准考题进行了验证,结果与国外多个程序的计算结果相吻合。
长管体斜侵彻半无限均质靶简化模型
韩永要, 赵国志, 杜忠华, 方清
2006, 23(2): 163-167.
摘要:
长管体斜侵彻半无限靶的研究具有重要意义。描述了长管体在速度范围在1000m/s~1500m/s时斜侵彻半无限均质靶板的物理图像,对长管体在侵彻各个阶段的受力和运动情况进行了分析,发现侵彻时管体中央的“靶芯”对侵彻过程影响很大。在一定假设条件下,基于变质量系统动量守恒定律建立了不同侵彻阶段长管体侵彻的质心运动方程,基于动量矩定理建立了不同侵彻阶段绕质心的摆动方程,并进行了数值计算。进行了长管体侵彻半无限均质靶板的试验,试验与计算结果表明二者的侵彻行程吻合较好,说明所建立的模型能够描述长管体对半无限均质靶板的侵彻过程,对空心弹和异形穿甲弹的研究和设计具有一定参考价值。
风荷激励下天线结构的随机振动分析
王芳林, 高伟, 陈建军
2006, 23(2): 168-172.
摘要:
研究随机天线结构的风激随机振动响应问题。考虑天线结构物理参数、几何尺寸和结构阻尼的随机性,在基于随机因子法对结构进行动力特性分析的基础上,从结构风激随机振动响应在频域上的表达式出发,利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法,导出了随机天线结构在风荷激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。以8米口径天线为例,分析了结构物理参数、几何尺寸和阻尼的随机性对天线结构风激位移响应均方值和应力响应均方值随机性的影响。
埋设悬跨海底管道的屈曲分析
邢静忠, 柳春图, 徐永君
2006, 23(2): 173-176,.
摘要:
考虑海床刚度,研究了埋设悬跨海底管道在热膨胀引起的轴向压力下的屈曲问题。传统方法是将悬跨管道简化为两端简支或者两端固支梁来处理。基于欧拉-伯努利梁理论,考虑线弹性海床刚度和轴向压力,建立并求解了埋设段管道和悬跨段管道在自重作用下的四阶常微分方程,获得了两段管道的静挠度和内力的解析公式。通过对静挠度的特性分析,给出了埋设管道段和悬跨管道段的稳定性判断准则。