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2006年  第23卷  第5期

基本方法
基于离复位控制策略的结构振动控制研究
杨润林, 闫维明, 周锡元, 董娣, 牛东旭, 刘锡荟
2006, 23(5): 1-8.
摘要:
对于主动或半主动控制系统来说,目前有多种经典控制算法可以应用于结构控制,然而由于结构控制系统内嵌的参数不确定性、非线性行为和时变特征,这些常规算法的适用性和控制效率往往是不理想的.与之相反,模糊控制系统由于不依赖系统的精确数学模型即可有效实施控制,因而许多研究者转向考虑采用模糊控制途径实施结构控制以避免这些问题.模糊控制现阶段的难题在于控制规则的建立仍无系统的方法可循,一般采取半经验的方法.由于缺乏系统完整的分析和设计方法,模糊控制规则的建立通常需要进行反复的尝试或试验,存在一定的困难.针对这一难题,提出并发展了一种离复位控制策略,用以生成结构模糊控制系统的控制规则.以这种策略作为设计模糊控制规则库的依据,研究了一个底层设有主动拉索控制系统的多层结构的地震反应控制问题.在算例中,通过与线性二次型最优控制算法进行控制效果的对比,验证了它的合理性和有效性.
任意荷载作用下层状横观各向同性弹性地基的直角坐标解
王有凯, 龚耀清
2006, 23(5): 9-13,1.
摘要:
首次建立了在直角坐标系下层状地基力学问题的通用解法,改变了过去仅能在柱坐标系下进行求解此类的状况.首先将坐标系的原点选在荷载影响范围以外足够远处,从直角坐标系下的横观各向同性弹性问题的基本方程出发,利用Laplace变换及其微分性质,建立了单层横观各向同性弹性地基的状态控制方程,并利用状态空间理论给出了单层地基的解答.然后再利用传递矩阵技术,给出了任意荷载作用下的层状横观各向同性弹性地基的解析解.用提供的方法求解层状横观各向同性地基的非轴对称问题比在极坐标下求解简单、快捷.
结构随机延性需求谱的理论研究
易伟建, 张海燕
2006, 23(5): 14-19.
摘要:
引入结构屈服水平系数,建立了结构的延性需求谱,使地震动的幅值特性和频谱特性可以分开考虑.利用双线性单自由度体系的时程反应分析结果,对延性需求系数的条件分布类型进行了假设检验,通过回归得到了Ⅰ类和Ⅱ类场地上延性系数的条件均值和条件标准差的拟合公式.在此基础上,提出了延性系数的统计参数的计算方法,建立了随机的延性需求谱,进而可获得随机的弹塑性位移反应谱.
基于平衡降阶法的结构振动模态预测控制
张建华, 刘建军, 张庆国, 何玉敖
2006, 23(5): 20-23.
摘要:
针对高层建筑结构由于数学模型阶数较高而带来的难以直接进行控制器设计的问题,采用平衡降阶法对结构模型进行降阶,将可控度较大的几阶模态组装成状态方程;并对地震加速度进行在线预测,从而建立起考虑时滞现象的预测模型,通过滚动优化和反馈校正环节求取主动控制律,对结构实施预测控制.最后对十一层框架结构进行地震响应分析,仿真结果表明,该算法不但有效的抑止了结构的响应,而且很好的解决了时滞问题.
软材料的霍普金森压杆测试新技术
宋力, 胡时胜
2006, 23(5): 24-28.
摘要:
提出了一种用于软材料动态压缩性能测试的霍普金森压杆改进方案.该方案采用了长杆直接撞击试件的加载方式并在透射杆中使用半导体应变片.通过对测试过程中试件内应力波传播的分析,提出了实现软材料动态性能测试时试件内应力尽快均匀的最佳加载方式以及实现此种加载的加载整形技术.该方案能解决由于杆-试件之间波阻抗失配导致的应变信号微弱而测试困难的问题,与高聚物霍普金森压杆相比则具有更高的可靠性.该方案能实现对软材料的大变形、近似恒应变率及大应变率范围动态压缩测试.最后给出了一个试验性装置的测试结果.
含半椭圆表面裂纹圆柱壳体的三维热弹性动态断裂
郭瑞平, 范天佑
2006, 23(5): 29-33,3.
摘要:
研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在热应力与冲击载荷作用下的动态断裂情况,并应用所研制的三维动态断裂有限元程序进行了大规模的数值计算,确定了圆柱壳体的三维温度分布及热-力耦合下的动态应力强度因子,所得结果在一定程度上揭示了热-力作用下圆柱壳体的边界表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用在结构动态断裂中的重要性.
水力驱动系统在冲击作用下的动力学响应
李笑天, 何树延
2006, 23(5): 34-39.
摘要:
推导了水力驱动系统在冲击载荷下的动力学方程,并数值模拟控制棒在不同冲击载荷下的动力学响应.研究表明,控制棒水力驱动系统在不同的冲击载荷作用下的响应机理是不同的.在快速冲击作用下,控制棒来不及进行自我调节,响应幅值主要依赖于冲击位移的输入,冲击位移大则响应大.冲击响应幅值还与冲击方向有关,当冲击位移向下时,控制棒的响应位移相对比较大.在慢速冲击作用下,只要冲击加速度不大,水力驱动系统就有时间依靠自身的调节能力维持系统的稳定,系统的响应幅值很小.
轴向阶梯载荷下薄圆柱壳的弹性动力屈曲
王安稳
2006, 23(5): 40-45.
摘要:
对于轴向阶梯载荷下圆柱壳的非轴对称动力屈曲,将临界应力和屈曲惯性指数作为双特征参数求解.由屈曲瞬间的能量转换和守恒准则导出压缩波阵面上的屈曲变形补充约束方程.利用Galerkin方法求解失稳控制方程,得出包含双特征参数的代数特征值问题.该特征值问题满足补充约束方程的解给出动力屈曲的临界应力和惯性指数.
无网格MPM法在冲击载荷问题中的应用
王宇新, 顾元宪, 孙明
2006, 23(5): 46-51.
摘要:
物质点法MPM(Material Point Method)是无网格方法之一,它是在质点网格法(PIC)基础上发展而来的一种新数值方法,它利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,仅简单地划分背景网格,物质点信息通过形函数映射到背景网格节点,然后根据相应的控制方程和本构关系,计算物质点在冲击载荷下的应力和应变,通过物质点来跟踪材料体的变形和破损,而在整个计算过程中背景网格始终固定不变,避免了重新划分网格.系统地介绍了MPM法的基本理论,同时给出了使用MPM法来解决冲击载荷问题的两个具体计算实例.
微分求积法与有限元相结合分析带弹性安置质量圆板的横向振动
李萍, 陈殿云
2006, 23(5): 52-55.
摘要:
微分求积法(GDQM)是近年来发展起来的一种结构计算方法,但是目前仍存在很多的局限性.而有限元法是一种成熟的计算方法,但是计算比较繁琐.用GDQM与有限元相结合对中心带有弹性安置质量圆板的轴对称自由振动进行了计算分析,同时发挥GDQM精度高、计算量小、收敛快和有限元法十分灵活的优点,使两种方法得到了有机结合,首次提出了一种结构分析的新思路.计算结果与现有文献的结果作了对比,证明方法具有较高的精度.
土木工程学科
模拟不中断交通状况下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁试验研究
王文炜, 赵国藩, 黄承逵
2006, 23(5): 56-61.
摘要:
为了调查动荷载作用下碳纤维布与钢筋混凝土梁的粘贴性能及加固效果,进行了5根模拟交通荷载(等幅正弦波形动荷载)作用下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁和1根保持荷载下粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁以及2根对比梁的试验研究.试验中考虑了混凝土等级、配筋率、有无锚固条、粘贴长度、荷载幅值5个变化参数.试验结果表明,在模拟交通荷载的作用下,碳纤维布加固的钢筋混凝土梁粘贴性能满足要求,粘贴效果良好.在模拟交通荷载后的静载作用下,试验梁的抗弯承载力提高较多,加固效果明显,进一步验证了粘贴效果.
组合楼盖竖向承重体系中楼板变形及内力分析
田春雨, 聂建国
2006, 23(5): 62-66.
摘要:
在组合楼盖体系中,当组合梁作为横向承重构件时,其变形对于楼板的内力和变形有很大影响.采用薄板理论对组合楼盖竖向承重体系中的单向混凝土板进行分析,建立控制方程,运用单三角级数法得到其挠度函数,进而求得曲率和弯矩的计算式并进行简化.通过与有限元结果对比,验证了简化公式的准确性.参数分析结果表明,随板相对刚度增大和梁上荷载增大,板内横向曲率和弯矩减小.即使在单向板中,计算板内弯矩也需同时考虑两个方向的曲率.
钢结构梁柱半刚性端板连接弯矩-转角全曲线计算方法
施刚, 石永久, 王元清
2006, 23(5): 67-73,5.
摘要:
提出了一种计算钢结构梁柱半刚性端板连接转动变形的方法,通过与试验结果比较得到验证,该方法不但能够很好地计算端板连接的整体转动变形特性,包括初始转动刚度和弯矩-转角(M-φ)全过程曲线,而且能够较好分析计算其转动变形的各种来源,包括节点域剪切变形、螺栓伸长、端板和柱翼缘弯曲变形等,从而能够提供弯矩-剪切转角(M-φs)和弯矩-缝隙转角(M-φep)曲线,为准确分析端板连接的细部转动变形特性提供了可靠依据,同时也为我国钢结构设计规范关于节点转动变形的具体设计计算方法提供了有益补充.
FRP片材与混凝土粘结性能的精细有限元分析
陆新征, 叶列平, 滕锦光, 庄江波, 江见鲸
2006, 23(5): 74-82.
摘要:
FRP-混凝土界面粘结性能是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题.基于FRP与混凝土界面面内剪切试验,采用精细单元有限元模型对其界面粘结性能进行了研究.在该模型中,混凝土和FRP片材都使用非常小的单元加以模拟,通过调整混凝土材料的本构模型来考虑单元尺寸的影响.FRP单元和混凝土单元直接连接,通过混凝土单元的断裂破坏来模拟FRP和混凝土界面的宏观剥离破坏过程.通过与大量面内剪切试验结果对比,验证了该精细有限元模型的正确性,并基于精细有限元分析结果,对界面剥离破坏机理进行了讨论.
大跨度钢结构施工过程的结构分析方法研究
崔晓强, 郭彦林, 叶可明
2006, 23(5): 83-88.
摘要:
近几十年来大跨度空间结构在世界范围内得到了长足的发展.这些大跨度钢结构的施工过程中遇到了很多在中小型钢结构建造过程中从未遇到过的问题,如大型构件吊装过程中的强度、刚度和稳定性,拆撑过程中永久结构和临时结构的相互作用及其安全性等.用施工力学的方法对施工过程进行预分析,不仅可以优选结构施工方案,而且可以与施工同步实测的数据进行比较,保证结构施工安全顺利地进行.基于有限元方法,开发了针对大跨度钢结构施工过程分析的方法和程序,可以建立在ANSYS、MARC等大型有限元平台上,并充分考虑施工步骤,施工荷载,支撑条件变化,拆撑过程等的影响,对结构施工进行全过程的跟踪模拟分析.
输电塔-导线耦联体系模型的振动台试验研究
石文龙, 李宏男, 贾连光
2006, 23(5): 89-93.
摘要:
进行了大跨越输电塔-导线耦联体系的振动台试验,用以检验所提出的输电塔-导线耦联体系理论计算模型和方法的合理性和正确性.试验结果表明,在纵向和侧向振动情况下,最大加速度地震反应的理论值和试验值的误差均在可以接受的范围以内,说明所提出的输电塔-导线耦联体系的理论计算模型是合理的.从理论计算结果和试验结果的误差分析可知,侧向振动情况下的输电塔理论计算模型要比纵向情况下的精确一些.导线对输电塔地震反应的影响较大,在实际计算中不可忽略.塔架与导线之间存在的耦联作用越显著,导线对输电塔地震反应的影响越大.
钢纤维钢筋混凝土梁柱节点抗震设计方法
季韬, 郑建岚, 林旭健
2006, 23(5): 94-98.
摘要:
基于压杆模型和软化桁架模型,提出钢纤维钢筋混凝土梁柱节点的一种新的抗震设计方法.掺入节点核心区的钢纤维可被等效为部分水平和竖向剪力筋.在节点核心区与梁或柱相交端截面处建立平衡方程、协调方程和本构方程,可以求出传给节点压杆模型和软化桁架模型的地震作用.提出的设计方法能够对节点的水平和竖向抗剪承载力进行设计,其可靠性得到七个钢纤维钢筋混凝土梁柱外节点试验数据的验证.
钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力试验研究
陈宝春, 韦建刚, 林嘉阳
2006, 23(5): 99-106.
摘要:
进行了钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力全过程的试验研究.研究表明,在面内和面外荷载共同作用下,面内的受力性能对初始缺陷的敏感性要大于面外受力;面外变形是钢管混凝土单肋拱极限承载能力的主要控制因素;与面内受力相反,空间受力时,几何非线性成为钢管混凝土拱的非线性性能与极限承载力的主要影响因素,材料非线性降为次要的影响因素.对应用通用程序进行钢管混凝土拱空间受力双重非线性有限元分析进行了探讨.
钢筋混凝土筒体结构裙深梁非线性分析简化模型
王海波, 陈伯望, 沈蒲生
2006, 23(5): 107-112.
摘要:
提出并推导了钢筋混凝土梁剪压区剪切模量的简化折减系数,提出了非线性剪切变形的简化计算方法,采用三分段杆单元模型可对钢筋混凝土筒体结构裙深梁进行非线性分析,最后提供了两个算例,并与试验结果比较,表明方法的合理性.
叠层复合材料方板多孔形状优化
刘毅, 金峰
2006, 23(5): 113-118.
摘要:
采用一种无梯度仿生技术——基于等限制Tsai-Hill值准则的固定网格渐进优化方法(FGESO),研究了叠层复合材料方板在拉剪荷载时不同孔数、不同叠层构造条件下的最优孔形问题.在孔的周围不断把限制Tsai-Hill值小于删除标准的材料删除,直到稳定状态达到,然后提高删除标准继续迭代,直到达到指定的开孔面积.与传统渐进优化方法(ESO)的不同之处在于利用节点而不是单元的限制Tsai-Hill值来确定需要删除的材料,因此得到了比ESO更光滑的结果.例子证明了方法的普适性和有效性.还研究了两孔方板最优孔形的优化历程,结果反映了相邻开孔相互影响的一些规律.
薄壁高墩大跨度连续刚构桥的非线性稳定分析
李黎, 廖萍, 龙晓鸿, 彭元诚
2006, 23(5): 119-124,.
摘要:
结合龙潭河特大桥的工程实例,采用有限元程序ANSYS,分别选取两种单元建立了梁单元模型和壳单元模型,对比分析了该大跨度连续刚构桥高墩的稳定性.在对刚构桥的稳定分析时采用几何非线性和材料非线性耦合的方法.采用U.L.列式法求解切线刚度矩阵来考虑几何非线性.为了模拟桥墩材料非线性性能,在壳模型中用COMBIN39多线性单元多弹簧模型(MS模型)来模拟墩底塑性铰区,在梁模型中用COMBIN40双线性弹簧单元模拟墩底塑性铰.通过分析可知,考虑非线性影响的稳定分析对于指导工程实践具有更好的实际意义.
基于统一强度理论的轻骨料混凝土多轴强度准则
王立成, 日和田·希与志
2006, 23(5): 125-131.
摘要:
试验结果表明轻骨料混凝土在高压应力状态下具有平台流塑现象,并且其极限强度面与静水应力轴有两个交点,这与普通混凝土极限强度面为开口的结论是截然不同的,因此那些针对普通混凝土建立起来的强度准则直接应用于轻骨料混凝土是行不通的.采用俞茂宏教授提出的统一强度理论,考虑轻骨料混凝土高压应力状态下的强度特性,建立了基于统一强度理论的多轴强度准则.通过几个特征试验点就能够得出强度准则的表达式,形式简单,便于实际应用.
横观各向同性饱和层状地基的三维稳态动力响应
王小岗, 黄义
2006, 23(5): 132-138.
摘要:
首先引入状态向量,将直角坐标系下横观各向同性饱和土的Biot波动方程转化为一组状态方程,然后基于双重Fourier变换,求解了状态方程并得到传递矩阵.进而利用传递矩阵,并结合饱和地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了横观各向同性饱和层状地基的稳态动力响应问题.数值算例表明采用各向同性饱和介质的动力学模型,不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性.
钢纤维增强水泥砂浆压剪联合冲击下动态剪切性能
徐松林, 唐志平, 张兴华
2006, 23(5): 139-146.
摘要:
基于唐志平等提出的剪切波跟踪技术(SWT),对钢纤维增强水泥砂浆进行了冲击速度40m/s~270m/s倾斜角为0~20°的斜撞击试验.研究结果表明,在此冲击速度下,材料处于损伤状态和由损伤状态向孔洞崩塌过渡阶段.此结果与聚丙烯纤维增强水泥砂浆的实验结果进行对比,发现钢纤维体积含量为0.5%时,对压缩性能的增强效果并不明显,但相应的剪切波速明显增加;当钢纤维体积含量为1%时对压缩性能和剪切波速均有较大的提高.由于钢纤维与水泥砂浆基体的强度相差太大,剪切强度有一定的改善,但数据较离散.同时通过对剪切结果分析表明,采用剪切波,尤其是卸载剪切波来探测脆性材料内部动态损伤非常有效.
机械工程学科
双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩故障的非线性响应研究
罗跃纲, 王培昌, 闻邦椿
2006, 23(5): 147-151,.
摘要:
分析了带有裂纹-碰摩故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的复杂非线性运动.在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨裂纹-碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型,并对系统裂纹、碰摩及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究.单一裂纹故障时系统响应在超临界转速区有短暂的混沌运动;单一碰摩故障时系统响应在亚临界转速区有拟周期运动出现;裂纹-碰摩耦合故障时在超临界转速区有较大范围的周期4运动区间,小裂纹对系统非线性特性的影响不明显.研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了一定的理论依据和参考.
椭圆柔性铰链的计算与分析
陈贵敏, 贾建援, 刘小院, 勾燕洁
2006, 23(5): 152-156.
摘要:
基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到了椭圆型柔性铰链的柔度计算的积分公式.通过定义中间参数,推导出了较为简洁的解析计算公式,从而避免了费时的数值积分.分别分析了切口几何形状、尺寸以及最小厚度与铰链的柔度之间的关系.用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链.有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果吻合得很好,说明了此解析计算公式的正确性.
水泵水轮机全流道双向流动三维数值模拟与性能预估
杨琳, 陈乃祥, 樊红刚
2006, 23(5): 157-162.
摘要:
要优化水泵水轮机转轮设计,应了解转轮在内的水泵水轮机全流道的流动特性.采用SIMPLEC算法和标准k-ε湍流模型对某一用全三维逆向设计方法设计的高水头可逆式水泵水轮机进行了全流道双向三维湍流数值模拟.详细分析了转轮内部及蜗壳、尾水管中的流动情况,并对不同部件的水力损失以及转轮的性能进行了预估.计算结果揭示了水泵水轮机转轮内部流动的复杂性,分析了转轮各部件间的关系,优化并改进了转轮设计.
求滑动轴承非线性油膜力的加权有限元方法
王丽萍, 刘大全, 张文, 郑铁生
2006, 23(5): 163-167,.
摘要:
基于流体润滑的变分不等方程理论,提出加权有限元方法求滑动轴承非线性油膜力.选择了适当的权函数后,可用一维单元来逼近二维问题,且极少的单元划分即可达到相当高精度.采用一维线性元离散化的系数矩阵为对称三对角阵,可通过修正的追赶法,无需迭代直接求得满足离散变分不等方程的解.计算结果表明,与二维有限元方法相比,算法可达到千分位精度,而计算时间大为缩短.
其他工程学科
压电-压磁板条中反平面裂纹的电-磁-弹性分析
胡克强, 李国强, 朱保兵
2006, 23(5): 168-172.
摘要:
基于线性电磁弹性理论,获得了压电-压磁板条中反平面裂纹尖端附近的奇异应力、电场和磁场.假设裂纹位于和板条边界平行的中心位置,并且裂纹是电磁渗透型的.利用Fourier变换,将裂纹面的混合边值问题化为对偶积分方程,即而归结为第二类Fredholm积分方程.通过渐近分析,得到了裂纹尖端附近应力、应变、电位移、电场、磁场和磁感的封闭表达式.结果表明,对于电磁渗透裂纹,电场强度因子和磁场强度因子总为0;板条的宽度对应力强度因子有显著的影响;能量释放率总为正值.
弹性机翼跨音速静气动弹性问题研究
史爱明, 杨永年, 王刚
2006, 23(5): 173-176.
摘要:
在非结构网格基础上,采用有限体积法求解了Euler方程;在结构网格基础上,采用有限差分方法求解了N-S方程.同时采用结构影响系数法计及机翼结构系统的弹性影响,计算了弹性机翼的结构变形和气动力载荷.计算结果表明:后掠机翼结构系统的弹性使弹性机翼产生了正的挠度和负的剖面扭转角;负的扭转角使弹性机翼的有效迎角减小;有效迎角的减小又使得弹性机翼的有效气动力载荷减小.针对算例机翼结构系统的弹性使弹性机翼的升力相对刚性机翼的升力减小27.9%.