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2007年  第24卷  第11期

基本方法
具有最佳超收敛阶的EEP法计算格式:II 数值算例
袁 驷, 邢沁妍, 王 旭, 叶康生
2007, 24(11): 0-006.
摘要:
对一维C0问题的高次有限元后处理中超收敛计算的EEP(单元能量投影)法提出改进的最佳超收敛计算格式,即用m次单元对足够光滑问题的有限元解答,采用该格式计算的任意一点的位移和应力都可以达到h2m阶的最佳超收敛结果。整个工作分为3个部分,分别给出算法公式、数值算例和数学证明。该文是系列工作的第二部分,给出实施算法和数值算例,用以验证理论公式的有效性和正确性。
两种边界条件直杆的撞击屈曲及其应力波效应
王 蕊, 韩志军, 张善元
2007, 24(11): 0-011,.
摘要:
在对Bernoulli-Euler梁运动方程定性分析的基础上,利用非零解的条件,直接展开含双参数的特征行列式得到了两端固定和一端铰支一端固定直杆动力屈曲临界载荷和相应的屈曲模态;证明了 时,模态方程的解不代表杆的动力屈曲。进一步,讨论了杆-杆类直杆动力屈曲过程中的应力波效应,其理论预测结果和相应的撞击实验结果显示出相当好的一致性。
单边切口薄板研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料断裂韧性
高淑玲, 徐世烺
2007, 24(11): 0-018.
摘要:
利用单边切口薄板对配制的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料进行单轴直接拉伸试验研究,得到硬化的荷载-裂缝张开位移全曲线。通过试验观察到缺口尖端处出现呈发散状的多条微小裂纹,部分试件在远离切口处还有多条裂缝出现,并不像混凝土或水泥净浆这类半脆性、脆性材料只有单条裂缝并沿着单条路径开裂,因此,适用于应变软化材料的双K断裂理论以及断裂能理论不能直接用在应变已经发生假硬化的材料中。鉴于上述原因,该文提出起裂断裂韧度和耗散能两个韧性评价指标。
面外约束对韧性材料的断裂韧度的影响
王兆希, 施惠基
2007, 24(11): 0-024.
摘要:
与脆性断裂的断裂韧度随厚度的增加而逐渐趋近于一个常数的变化趋势不同,韧性较好材料的弹塑性断裂韧度的特征为:在一定范围内随着厚度的增加,弹塑性断裂韧度逐渐增加。主要研究在保持试件的面内约束(a/w)保持不变的条件下,面外约束(厚度的变化)对同种材料的试件的断裂韧度的影响。首先采用韧性较好的材料进行断裂韧性实验,通过实验得到结果:试件的弹塑性断裂韧度J积分及临界裂纹尖端张开位移CTOD随着试件厚度的增加而线性增加。然后从能量平衡的角度出发,考虑在裂纹扩展过程中的所有的宏观能量耗散机制,根据通过实验验证的假设,化简后,得到最终的结果:一定程度上表征能量耗散的断裂韧度随着厚度的增加而增加,与实验结果吻合得较好。
伴随气泡和气穴的低压液压管路瞬态分析
蒋 丹, 李松晶, 包 钢
2007, 24(11): 0-040.
摘要:
利用流体动力学原理,基于低压液压管路瞬态脉动过程中气泡和气穴同时存在的假设,在连续方程和运动方程的基础上,建立了低压液压管路中伴随气泡和气穴的瞬态脉动数学模型,给出了摩擦阻力项数学模型以及气泡和气穴的体积计算数学模型。并采用有限差分法和Matlab/Simulink,对一段等径水平直管道中有气泡和气穴产生时的压力瞬态脉动特性进行了仿真分析和实验研究。瞬态压力脉动波的仿真结果与实验数据的比较表明:所提出的伴随气泡和气穴的低压液压管路瞬态数学模型是合理的,仿真方法是可行的。
磁电弹双材料条中螺位错与界面边裂纹的相互作用
齐 敏, 刘金喜, 赵永茂
2007, 24(11): 0-031.
摘要:
研究半无限长磁电弹双材料条中螺位错与界面边裂纹的相互作用。基于镜像原理和保角变换方法,得到了弹性场、电场和磁场的解析解,给出了应力、电位移、磁感应强度、应力强度因子以及像力的显函表达式。以压电-压磁双材料条形介质为例,分析了应力场、电位移和磁感应强度的分布特性,讨论了几何参数、压电和压磁效应对应力强度因子和像力的影响。
磁流变阻尼器简化力学模型研究
方子帆, 邓兆祥
2007, 24(11): 0-035,.
摘要:
基于磁流变液体在不同磁场和剪切率下流变特性和磁流变阻尼器在混合模式下的力学原理,推导出包含四个待定系数的磁流变阻尼器简化力学模型。利用MTS8701系统测试的磁流变阻尼器的阻尼力与活塞杆运动速度及励磁电流的试验数据,对磁流变阻尼器简化力学模型进行了系数辩识。用磁流变阻尼器的电压驱动和电磁系统动态响应时间加上磁流变液体成链时间作为磁流变阻尼器的响应时间,建立了带时滞因子的磁流变阻尼器简化力学模型。试验与仿真分析结果表明,该简化力学模型能反映其基本力学特性。
含曲线裂纹柱体扭转问题的新边界元法
陆孜子, 王银邦, 陈龙珠, 许金泉
2007, 24(11): 0-046.
摘要:
研究了带曲线裂纹柱体的扭转断裂问题,推导出了可以直接应用于任意形状截面含有任意形状曲线裂纹的柱体扭转问题的新的边界积分方程,并建立了带裂纹柱体扭转问题的边界元数值计算方法,提出了裂纹尖端的奇异元和线性元插值模型,给出了抗扭刚度和应力强度因子的边界元计算公式。该文对含有圆弧裂纹、曲线裂纹及直线裂纹的不同截面形状柱体的典型问题进行了数值计算,所得结果证明了边界元方法的正确性和有效性。
耦合均载作用下的电磁热弹性简支圆板
侯鹏飞, 骆 伟, 郭丽娟
2007, 24(11): 0-052,.
摘要:
耦合均载作用下的简支空心和实心圆板问题是一个经典问题,对于电磁热弹性材料尚无理论解。构造了5个含有待定常数的单调和函数,将其代入用单调和函数表示的横观各向同性电磁热弹性材料的通解,获得了表面力电磁热耦合均载作用下的简支空心圆板内耦合场的解,再将所得解代入边界条件获得确定待定常数的线性方程组。该解可以退化得到实心圆板对应问题的解。所得各解都是用初等函数表示,非常方便于工程应用。算例比较了在相同热力载荷作用下,具有相同物理常数的热弹性空心圆板、压电热弹性空心圆板和电磁热弹性空心圆板内的弹性场。
螺型位错偶极子与界面刚性线的弹性干涉
王海容, 刘又文, 方棋洪
2007, 24(11): 0-056.
摘要:
研究了晶体材料中螺型位错偶极子和界面刚性线夹杂的弹性干涉作用。利用复变函数方法,得到了该问题的复势函数以及应力场的封闭形式解答。求出了作用在螺型位错偶极子中心的像力和力偶矩,并分析了界面刚性线几何条件和不同材料特征组合对位错偶极子平衡位置的影响规律。研究结果表明:当位错偶极子不断靠近刚性线时,刚性线对螺型位错偶极子的运动有很强的排斥作用。当刚性线的长度和材料剪切模量比达到临界值时,可以改变偶极子和界面之间的干涉机理。同时,偶极子偶臂的方向对其自身的平衡也有很大的影响。
随机子空间产生虚假模态及模态遗漏的原因分析
常 军, 张启伟, 孙利民
2007, 24(11): 0-062.
摘要:
参数识别是结构健康监测领域研究中的重点。随机子空间法是近年来发展起来的一种线性系统辩识方法,可以有效地从环境激励的结构响应中获取模态参数。由于它具有只需给定系统的阶次一个参数,不存在不收敛的情况等优势,越来越受到国内外业内人士的广泛关注。但是该方法也不是十全十美的,容易产生虚假模态和模态遗漏现象,这些都严重影响了识别效果。因此将识别结果中的虚假模态剔除,是随机子空间方法进一步在理论和应用上拓展的关键。要做到这些,首先要分析虚假模态产生的原因。该文就对虚假模态的产生原因进行了分析。分析表明虚假模态产生的原因主要有两方面:一方面是由于随机子空间方法的基本计算过程而导致的;另一方面是由于实际应用中输入信号不满足白噪声的假定和/或输出信号受到环境的干扰而导致的。分析中采用了一数值模拟例子。
套管构件中轴压内核与柔性套筒线接触的屈曲
申 波, 邓长根
2007, 24(11): 0-069.
摘要:
对套管构件中承受轴向压力的内核,提出了它与柔性套筒之间线接触屈曲的模型,研究了内核与套筒线接触的后续变形过程。利用小挠度二阶平衡微分方程推导了线接触屈曲后内核挠度、弯矩、剪力、接触力等物理量的计算公式。应用算例表明:(1) 当内核与套筒刚度比值足够小时,内核在经历与套筒点接触、线接触的变形过程后,会发生线接触屈曲,最终演变成同侧两点接触变形;(2) 当内核与套筒刚度比值足够大时,内核只经历与套筒点接触、线接触的变形过程,不发生线接触屈曲,最终内核与套筒一起发生失稳破坏。该模型也能应用于模拟内核与刚性套筒线接触的屈曲。
矩形截面锥形薄壁管关于能量吸收和初始碰撞力峰值的优化
龙述尧, 陈仙燕, 李 青
2007, 24(11): 0-075.
摘要:
以矩形截面锥形薄壁管为吸能元件,从吸能能力和轻量化角度出发,以比吸能和比吸能与初始碰撞力峰值的比值为优化目标函数,采用响应面法,利用有限元软件LS-DYNA,分析了矩形截面锥形薄壁管结构的几何参数对其比吸能和比吸能与初始碰撞力峰值的比值的影响,得到了各自优化模型下的最优结果,为汽车结构吸能元件的设计提供参考。
土木工程学科
负载下盖板加固梁柱刚接节点的简化力学模型
石永久, 杨 文, 王元清
2007, 24(11): 0-081.
摘要:
国外已有的试验研究表明:没有初始荷载的情况下采用盖板加固的梁柱刚接节点受力性能良好,其破坏模式都是在盖板末端的梁截面上出现塑性铰;但对于负载下加固节点的受力性能研究则较少。该文在有限元研究的基础上,对盖板和原节点之间的相互作用关系做出合理的假设,并提出了模拟盖板加固的简化力学模型,进一步研究了负载下加固节点的受力性能。通过简化力学模型分析,得到了负载下加固节点中初始荷载与新增荷载在加固盖板与原节点之间的分配关系,负载下盖板加固节点不能视为一个整体来设计,平截面假定也不再满足。同时简化力学模型计算结果表明盖板长度对最终荷载在盖板和原节点之间的分配关系影响很小,盖板厚度是节点负载下加固的主要几何设计参数。
土钉支护开挖影响面及其在土钉力计算中的应用
郭红仙, 宋二祥, 陈肇元
2007, 24(11): 0-087,.
摘要:
结合土钉支护的施工特点和受力规律,定义施工阶段土体开挖时滑动趋势最大的面为开挖影响面,定义以开挖影响面为边界的土块体作用在支护体系上由土钉承担的力为开挖土压力。通过开挖阶段相邻两步的开挖土压力求出土钉支护因开挖而产生的不平衡力,同时考虑保持土体稳定所需要的抗滑力后可得到开挖阶段土钉轴力。首先分析开挖影响面和开挖土压力及其影响因素,然后给出开挖阶段计算土钉轴力的具体方法,并给出与法国CLOUTERRE项目1号墙足尺试验中土钉力测试值的比较。
钢筋混凝土梁长期变形的计算
孙海林, 叶列平, 冯 鹏
2007, 24(11): 0-092.
摘要:
基于受弯等效原则对混凝土徐变和收缩引起的截面曲率增大系数进行了分析,进而得到了钢筋混凝土梁的附加变形增大系数,计算公式形式简单、概念清楚、适用于以受弯荷载为主的钢筋混凝土梁的长期变形计算。与该文中3根试验梁和文献中31根试验梁的试验结果对比分析表明,建议方法计算结果与试验结果吻合较好,且优于文献其它方法。
地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响
王军文, 张运波, 李建中, 范立础
2007, 24(11): 0-105.
摘要:
在等墩高的多跨连续梁桥中,虽然相邻联的基本振动周期完全相同,地震动的行波效应可能导致伸缩缝处相邻梁体间发生碰撞。采用接触单元模拟伸缩缝处相邻梁体间的碰撞,采用阻尼器来反映碰撞过程中的能量损失,应用非线性时程方法研究了地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响。研究结果表明:地震动的行波效应在伸缩缝处相邻梁体间引起较大的相对位移,导致相邻梁体间发生碰撞,碰撞力的大小随表面视波速不同而不同。行波效应引起的伸缩缝处相邻梁体间碰撞,可能增大伸缩缝处相邻梁体间以及墩梁间相对位移,甚至造成上部结构在地震中发生落梁破坏,在连续梁桥的抗震设计与评估中,应该引起足够的重视。
曲线箱梁桥的车桥相互作用分析
李忠献, 陈 锋
2007, 24(11): 0-099.
摘要:
针对公路和城市立交中的曲线箱梁桥,基于剪力柔性梁格法建立了曲线箱梁的梁格模型,进行了车桥相互作用分析。采用三角位移函数,基于平衡法推导了一种新型曲梁单元。利用曲梁的力-位移关系,得到了极坐标下空间曲梁单元的刚度矩阵和一致质量矩阵。根据拉格朗日定理,建立了7自由度空间车辆模型。采用逆傅立叶变换法,由功率谱密度生成了4种等级的桥面不平度。数值仿真了一混凝土单箱双室曲线连续箱梁桥的动力特性和车桥相互作用,并分析车辆横向位置、车速、桥面不平度、曲率半径等因素对桥梁冲击系数的影响。结果表明:该曲梁单元简便、实用,所建立的曲梁梁格模型可以准确地模拟曲线箱梁桥的车桥相互作用。
钢管混凝土套箍机理及组合弹性模量的理论分析
康希良, 赵鸿铁, 薛建阳, 仵建斌
2007, 24(11): 0-125.
摘要:
应用弹性力学中的能量法和最小势能原理,对钢管混凝土进行了小变形下的弹性理论分析。导出了钢管混凝土柱在轴向压力作用下的套箍系数、组合轴压弹性模量的理论计算公式。分析结果表明:套箍系数不仅与核心混凝土的泊松比、横截面直径及单向受压时的弹性模量有关,而且还与钢管的泊松比、钢管径厚比及单向受压时的弹性模量有关。理论计算公式算得的结果与按照统一理论所得的结果相近。理论计算公式能够准确可靠地描述钢管混凝土构件在小变形下的弹性行为及套箍机理。
轻型立转开启桥设计参数研究
徐伟炜, 吕志涛
2007, 24(11): 0-112.
摘要:
轻型立转开启桥是以尽可能减少开启部分的结构重量为目标而设计的一种新型开启桥。与传统开启桥相比,它采用了结构新颖,形态优美的无背索斜塔斜拉桥作为其开启结构,达到平衡压重与结构有机融合的目的,利用了移动兼作减振功能的开合压重以调整结构重心,达到开合的目的,并采用接触弹簧对开启结构进行辅助开合,达到了进一步减轻结构重量的目的。从建立该类开启桥的力学模型出发,对开合过程中结构各部分设计参数应满足的条件进行了分析,并通过一个算例说明了该类开启桥的初步设计过程,同时对结构的振动控制方案作了探讨。
CFRP拉索设计对大跨度斜拉桥力学特性的影响
谢 旭, 朱越峰
2007, 24(11): 0-120.
摘要:
以跨度600m~1400m的桥梁为对象,对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行了研究。通过活载作用下的最不利内力和变形、抗风性以及弹塑性稳定性、振动特性等方面的对比,分析了碳纤维拉索在各种大跨度斜拉桥中的适用可能性。研究结果表明:碳纤维拉索的刚度虽然低于钢索,但使用这种材料不影响大跨度斜拉桥的结构设计内力,相反由于拉索使用效率的提高和较高的侧向刚度有利于主梁结构的设计。碳纤维拉索的设计安全系数在2.5~3.5之间可以满足桥梁结构设计的强度和刚度要求。但经济性是影响碳纤维拉索适用于跨度小于1000m斜拉桥的重要因素之一。
基于塑性破坏的承压水基坑突涌计算模型研究
丁春林, 王东方
2007, 24(11): 0-131.
摘要:
针对软土地区不透水隔水层承压水基坑,从坑底土产生塑性变形破坏的力学机理出发,建立了基于塑性破坏的承压水基坑突涌计算模型,提出了屈服应力比概念和基坑突涌判断标准。用考证实例将模型计算结果与离心试验结果、现场观察结果以及压力平衡理论计算结果进行了比较。结果表明:模型计算结果与离心模型试验结果和现场观察结果比较吻合;而压力平衡理论判断结果与离心模型试验结果和现场观察结果有较大出入。因此,对于软土地区坑底存在不透水隔水层的承压水基坑,采用突涌塑性破坏模型分析基坑抗突涌稳定性是合理可 靠的。
CFL增强RC梁抗弯疲劳强度的实验研究
牛鹏志, 黄培彦, 杨 怡, 林荣伟
2007, 24(11): 0-135.
摘要:
疲劳强度是进行结构抗疲劳设计的重要力学参量。通过对5组24条碳纤维薄板(CFL)增强RC梁进行三点弯曲常幅疲劳试验,得到了增强梁的容许疲劳寿命和极限疲劳寿命S-N曲线及其相应的表达式,并推定其容许疲劳强度和极限疲劳强度分别为其极限承载力的62%和68%。还给出了新的疲劳寿命曲线的表达形式:载荷做功的功率 与增强梁的疲劳寿命 的关系曲线(H-N曲线),并由此推定了增强梁的容许疲劳强度和极限疲劳强度所对应的功率值。
早龄期混凝土路面板非线性温度场下温度应力的计算
张 君, 祁 锟, 张明华
2007, 24(11): 0-145.
摘要:
给出了一种早龄期混凝土路面板非线性温度场下温度应力的解析计算方法。模型将路面板厚度方向的非线性温度分成平均温度、线性温度和非线性温度三个分项,每一分项温度引起应力分别计算,最终总应力为三部分应力的叠加。此外, 由于徐变对温度应力发展具有很大影响,因此该文也对混凝土徐变对板内温度应力的影响进行了分析。模型预测结果表明:在非线性温度分布下,温度应力沿板厚也是非线性分布的,温度变化产生的最大温度应力可能出现在路面板厚度方向的任何高度上,这依赖于沿板厚方向的温度分布特征。混凝土徐变会显著的降低路面板内的温度应力。
其他工程学科
敷设声学覆盖层的板架结构抗冲击性能数值计算研究
姚熊亮, 于秀波, 庞福振, 刘庆杰
2007, 24(11): 0-171.
摘要:
为提高潜艇的隐身性能,通常在潜艇非耐压壳板外表面敷设消声瓦,在耐压壳体的外表面敷设隔声去耦瓦,在耐压壳体内表面敷设“阻尼层”(以上三种结构统称为多种声学覆盖层);由于声学覆盖层含有空腔的特殊结构形式,该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时,腔体将产生变形并吸收能量,这将严重影响潜艇的抗冲击性能。因此,针对敷设声学覆盖层的板架结构的吸能性能进行研究,找出了覆盖层空腔结构变形、速度及加速度与冲击波能量吸收之间的关系,得到敷设声学覆盖层板架结构的抗冲性能;并对声学覆盖层结构进行优化,在此基础上,给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计及性能参数的优化建议。
索的非线性有限元与调索方法研究
梁立农, 韩大建
2007, 24(11): 0-152.
摘要:
介绍了索单元几何非线性刚度的各种模拟方法并进行了评述,采用悬链线理论推导了一种新的柔性索单元切线刚度矩阵及单根柔索的各种非线性计算公式,用变形后线密度q的回代来反应弹性伸长和温度的影响,概念清晰、公式简洁、迭代效率高;还介绍了用增量调索法、绝对索力调索法、无应力索长调索法进行索单元张力的施加及调整的原理,而无应力索长并配合螺母旋转角度调索法可实现任意次序调索,操作性强、效率高、精度好。
斜拉索杠杆质量减振器的减振分析
汪正兴, 任文敏, 陈开利
2007, 24(11): 0-157.
摘要:
提出一种新型的斜拉索减振器——杠杆质量减振器,对其构造、减振原理等进行了分析。采用非线性有限元法,通过计算LMD-斜拉索系统的复特征值来求解系统的阻尼特性。与油阻尼器相比,除首阶模态,系统的各阶模态阻尼比都有提高,表明其具有更好的减振效果。
一种跨音速伺服气动弹性分析方法
张伟伟, 叶正寅, 张陈安
2007, 24(11): 0-163.
摘要:
基于CFD技术,运用系统辨识方法,建立了基于模态坐标的跨音速气动力降阶模型(ROM)。耦合气动状态方程、结构状态方程和伺服状态方程,建立了一个适合跨音速伺服气动弹性分析的数学模型。算例首先通过对比基于ROM技术的分析结果和直接仿真结果,以证明该模型的正确性和精度。在保证精度的同时,其计算效率比直接耦合CFD技术的仿真方法高1个~2个数量级。算例还研究了传感器安放位置和结构陷幅滤波器对该导弹伺服气动弹性特性的影响,结果显示结构陷幅滤波器的引入可以显著地降低开环气动弹性系统和控制系统的 耦合。
可倾瓦滑动轴承系统线性稳定性分析
乔 广, 王丽萍, 郑铁生
2007, 24(11): 0-185.
摘要:
提出可倾瓦轴承系统解析模型并对其进行线性稳定性分析。采用Newton-Raphson和pad assembly这两种方法,可获得系统完整的动力特性系数。基于这些动力特性系数,建立系统的运动微分方程并进行复特征值分析,易求得用来检验系统稳定性的轴瓦临界质量和系统阻尼比。结果表明:预负荷、转速及支点位置均对可倾瓦轴承系统的稳定性有着较大的影响,合理选取这些参数有助于提高系统的稳定临界值。
水下嵌入式混凝土锚体锚碇力试验研究
夏运强, 李华军, 唐筱宁
2007, 24(11): 0-179.
摘要:
在分析国内外现有嵌入锚锚碇力计算方法和大量物理模型试验的基础上,采用正交试验设计分析方法,定量地研究了土质、埋深、拉力角度、锚型等因素对水下嵌入式混凝土锚体锚碇力的影响程度和规律,在此基础上提出了一套更为合理的锚碇力计算公式。研究成果与已有的工程实例相吻合,并且作为国家军用标准的编制依据之一,已成功地用于实际工程中。研究的锚型和推荐的公式可用于浮码头、单点系泊系统等非临时性浮式设施的水下锚体设计。
新型混联机床的振动特性仿真研究
解顺强, 余跃庆, 张兰霞, 王立平, 汪劲松, 龙运佳
2007, 24(11): 0-192.
摘要:
混联机床是并联机床领域的一个重要课题。该文对一种新型混联机床进行了研究。该混联机床是由两自由度并联机构和两自由度的摆头构成。在做了若干假设的前提下,计算了该机床的弹性恢复力,进而建立了该机床的弹性振动模型。以端铣刀铣削平面为例,进行了振动仿真,研究了铣削参数对振动特性的影响。仿真实验表明:切深对振动的混沌性态影响不大,转速对振动的混沌性态有影响。
关键词:混联机床;振动;端铣刀;仿真;混沌性态