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2007年  第24卷  第12期

基本方法
具有最佳超收敛阶的EEP法计算格式: III 数学证明
袁 驷, 赵庆华
2007, 24(12): 0-005,.
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三部分,对所提出的最佳的EEP超收敛格式给出数学证明。
半刚性钢框架实用非线性分析
刘永华, 张耀春
2007, 24(12): 0-013.
摘要:
介绍了在钢框架分析中考虑连接柔性的方法以及常用的连接M–r模型,建立了能够同时考虑几何、材料和连接非线性的精细塑性铰法三维梁柱单元。单元采用稳定函数考虑二阶效应和剪切变形,采用切线模量和抛物线函数考虑沿单元长度和截面的逐渐屈服,采用Kishi-Chen幂函数模型和修正梁单元方法模拟半刚性连接的非线性行为。利用ANSYS软件的用户可编程特性(UPFs)编写了单元程序,并将用户单元添加至ANSYS软件单元库中。半刚性框架算例分析表明:用户单元分析的荷载-位移曲线与试验结果吻合较好,与采用COMBIN 39单元模拟连接所分析的结果非常接近。
三维杆系结构的几何非线性有限元分析
吴庆雄, 陈宝春, 韦建刚
2007, 24(12): 0-024,.
摘要:
为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。
半无限功能梯度材料结构中圆孔对弹性波的多重散射
房学谦, 胡 超, 杜善义
2007, 24(12): 0-018.
摘要:
基于弹性波多体散射理论,采用波函数展开法,研究了半无限指数梯度材料中圆孔对弹性波的多重散射和动应力集中,得到了问题的解析解,给出了圆孔动应力集中系数的数值解,分析了圆孔与边界的距离、入射波波数以及材料的非均匀参数对圆孔周围动应力集中系数的影响。分析表明:梯度材料的非均匀参数小于零时对最大动应力影响较小,但是对动应力在圆周的分布有较大影响; 大于零时对最大动应力和动应力在圆周的分布影响都很大,特别是在圆孔与边界的距离较小时影响更大。
索杆膜空间结构协同形态分析
刘 凯, 高维成, 刘宗仁
2007, 24(12): 0-042.
摘要:
针对索杆膜空间结构进行了协同形态分析。根据现有的索膜非线性有限元找形理论和索杆体系找力方法,并考虑施工成形过程,提出了一种新的适合于索杆膜空间结构形态分析的求解方法——形态迭代求解法,并编制了相应的程序,实现了算法。最后通过一个算例验证了形态迭代求解法的正确性并得到如下结论:按该文算法得到的找形结果满足力平衡方程、相容方程和建筑师给定的边界条件。设计验算时被动张拉索的预应力值应通过计算得到。该文程序可用于索杆膜空间结构考虑施工成形的设计验算。
Weibull应力方法预测低合金钢的韧脆转化曲线
陈忠安, 徐 冉, 曾 振
2007, 24(12): 0-030.
摘要:
采用三参数的Weibull分布描述断裂韧度的统计规律。结合ASTM E1921-05标准,详细讨论了标准断裂试样韧脆转化曲线的建立过程;为了将标准断裂试样的测试结果用于低约束断裂试样,采用两参数的Weibull分布描述裂纹尖端局部区域的应力状态与失效概率之间的关系,并用Weibull应力将各种不同约束水平的裂纹尖端应力场联系起来,得到了预测低约束断裂试样韧脆转化曲线的公式。然后对两种A533B钢三点弯曲断裂试样进行了实例计算,进一步分析了Weibull应力的有限元计算结果,根据这些结果预测的韧脆转化曲线与试验数据相比非常吻合,证明了该文提出的方法是有效的。
三维一致粘弹性人工边界及等效粘弹性边界单元
谷 音, 刘晶波, 杜义欣
2007, 24(12): 0-037.
摘要:
基于粘弹性人工边界推导了三维一致粘弹性人工边界单元的刚度及阻尼矩阵,利用单元矩阵等效原理采用普通有限单元构造了等效粘弹性边界单元来模拟三维粘弹性边界。均匀半空间算例与成层半空间算例证明三维粘弹性边界单元具有与集中粘弹性人工边界相近的精度,并且施加更为简便。
多宗量一维瞬态非线性热传导反问题的正则解
薛齐文, 杨海天
2007, 24(12): 0-046,.
摘要:
基于一种时域正演精细算法,引入Bregman距离函数作为Tikhonov函数的正则项,建立了求解多宗量一维瞬态非线性热传导反问题的数学模型,可对非线性内热源强度、导温系数和边界条件等多个热学参数进行组合识别。对信息测量误差作了初步探讨,数值验证给出令人满意的结果。
两相介质大变形动力问题的数值模拟
邸 元, 唐小微
2007, 24(12): 0-052.
摘要:
基于Biot理论和up列式,推导了两相介质动力问题的控制方程。固相的位移和液相孔隙压力是两个基本的未知量。采用更新的Lagrangian方法和Jaumann应力对这一耦合问题进行了大变形分析。用建议的方法,对一饱和土柱在静力和动力荷载作用下的反应进行了数值模拟,并对大、小变形理论下的计算结果进行了对比。
含裂纹损伤杆系结构的动态特性研究
郑寒辉, 赵晓华
2007, 24(12): 0-058.
摘要:
运用动刚度有限元法,研究了含裂纹损伤杆系结构的动态特性。提出了一种含裂纹的杆单元,基于断裂力学的线弹簧模型,导出了相应的动刚度矩阵。在此基础上,对含裂纹的悬臂梁和平面框架进行了数值计算,并与已有的实验值和解析解进行了比较。结果表明:损伤位置和损伤程度的不同均会导致结构动态特性发生改变,因而在结构分析中应考虑损伤的影响;而该单元能够方便地用于含裂纹损伤杆系结构的动态特性分析,并具有很好的精度。
土木工程学科
任意形状基础滑移振动复合集总参数模型
刘志久, 尚守平, 徐 建, 王贻荪
2007, 24(12): 0-075,.
摘要:
根据基础振动弹性半空间理论的最新发展成果推导出一个计算明置基础滑移振动的复合集总参数模型。采用该模型对复杂形状的明置块体基础在水平谐和扰力作用下的动力响应进行计算,并将振幅计算结果与采用弹性半空间理论所得到的滑移振动刚度和阻尼系数公式(由大量试验、数值计算所证实)的振幅计算结果进行比较,结果表明:两者结果非常吻合,基础沿x和y方向滑移时,振幅误差分别为9.2%和0.8%。利用该模型可以容易地计算在水平扰力作用下任意频率、任意泊松比和任意形状(不包括环型)的均质半空间上块体基础的动力响应。
竖向荷载下半刚接组合框架的有限元分析
王静峰, 李国强
2007, 24(12): 0-064.
摘要:
为了分析连接弯矩-转角关系和荷载大小对组合框架性能的影响,该文采用有限元方法,考虑了连接弯 矩-转角关系、楼板的组合效应和几何非线性的影响,通过引入能直观反映连接刚度的端部约束系数来修正现有刚接框架的结构刚度矩阵和杆件固端力。研究表明:连接弯矩-转角关系对框架内力和位移影响较明显;在半刚接阶段 0.143 < r0 < 0.727,荷载大小对框架弯矩和挠度影响不明显。在钢框架设计中,应考虑半刚性连接和楼板组合效应的影响。该文编制的有限元分析程序可应用于实际工程。
基于T-S型模糊逻辑的半主动摩擦阻尼器对非线性结构的振动控制
赵大海;&#;李宏男
2007, 24(12): 0-071.
摘要:
采用T-S(Takagi-Sugeno)型模糊逻辑调节半主动摩擦阻尼器正压力的方法对非线性结构的振动控制问题进行了研究。首先,建立了采用连续Bouc-Wen滞回模型的非线性结构控制系统运动方程,运用时程分析法确定了小震下摩擦阻尼器的初始滑动力,然后在建立半主动控制策略的基础上,采用T-S型模糊逻辑调节作用在半主动摩擦阻尼器上的正压力,实现对非线性结构的振动控制。数值分析结果表明,该方法能有效地减小非线性结构在地震激励下的峰值响应。
往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟
汪训流, 陆新征, 叶列平
2007, 24(12): 0-081.
摘要:
准确预测地震荷载下钢筋混凝土柱的受力性能,对评估震后混凝土框架结构及桥梁结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于复杂的材料性能和受力行为,地震作用下钢筋混凝土柱受力性能的准确计算目前仍需主要借助数值模拟,并且对数值模型中混凝土和钢筋材料的滞回本构关系提出了更高的精度要求。该文基于纤维分析模型,采用更加完善的反复荷载下钢筋和混凝土的本构,编制了可精确分析钢筋混凝土杆系结构及构件在往复荷载下受力性能的计算程序,并对不同轴压比和不同配筋率的2根压弯柱试件进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好。
拱支预应力网架结构的预应力全过程分析方法
周 臻, 孟少平, 吴 京
2007, 24(12): 0-099.
摘要:
以武汉长江防洪模型试验大厅为工程背景,提出一种新型的杂交空间结构体系:拱支预应力网架结构。结合该结构体系的特点,从索初始形变的角度出发,建立了该结构的刚度法理论,并提出了预应力全过程分析的混合影响矩阵法、循环迭代逼近法、索初始形变“顺序分析法”以及索张拉力“顺序分析逆迭代法”等方法,形成该结构预应力全过程分析的完整理论,不仅适用于拱支预应力网架结构,也适用于其它类似的杂交空间结构。最后,通过长江防洪模型试验大厅工程实际算例验证了该方法的准确性和有效性。
新的kh0-法计算单筋梁
周东华, 程赫明, 王海莹, 高琼仙, 喻 萍
2007, 24(12): 0-112.
摘要:
介绍一新的钢筋混凝土单筋梁的配筋计算方法和算例,该法在混凝土受压区采用矩形加抛物线的应力分布,在计算中求解的未知量是混凝土边缘压应变或受拉钢筋应变,而不是“等效矩形应力”法中的受压区高度。该法是欧洲规范Eurocode 2中采用的方法,计算过程简便,求得配筋后,无须在验算受压区高度;此外,还可用于弯压或弯拉构件的配筋计算。计算结果中除了含有计算钢筋面积的钢筋系数外,还有混凝土受压区边缘应变、受拉钢筋应变、受压区高度及内力臂系数等,结果一目了然。
新型U形外包钢-钢筋砼T形截面组合梁的试验
石启印, 范旭红, WOLFGANG Froncke
2007, 24(12): 0-092,.
摘要:
对新型U形外包钢-钢筋混凝土组合简支梁在施工状态下及在正常使用(组合)状态下的性能进行了试验。试验观察到的结构工作性能与试验前对其工作性能的预测基本一致。该组合梁在施工状态下,外部U形钢板独自承担着来自预应力砼预制板构件的偏心荷载,在该偏心荷载作用下,构件产生很小的变形。对于跨度为6m的边梁,在施工过程中需要在梁的跨中截面处设置一个临时支撑,用来阻止U形外包钢的侧边钢板的扭转屈曲变形。在正常使用(组合)状态下,该组合梁的抗剪承载力试验值大大超过有限元软件的理论计算值。试件的荷载-位移曲线表明,该组合梁结构具有很好的延性。在试件破坏前,组合梁中的混凝土和U形外包钢截面之间具有较好的粘结性能。
堤防地基地震液化的数值模拟
黄 雨, 八嶋厚, 沢田和秀, 张 锋
2007, 24(12): 0-087.
摘要:
基于Biot动力耦合理论,采用一个经过广泛验证的砂土循环弹塑性本构模型,建立了平面应变条件下土堤地基的地震液化数值模拟方法。以某河流堤防的实际工程为例,应用该方法对土堤地基的地震液化进行了数值模拟,并对地震作用下的超孔隙水压力、加速度、位移等动力反应进行了计算分析,得到了一些对于抗震分析有用的结果。
大型火电厂主厂房带边框柱剪力墙有限元分析
&#;王社良;赵 祥;惠宽堂;贠湘宜
2007, 24(12): 0-105.
摘要:
通过对某大型火电厂主厂房纵向框架-剪力墙模型结构进行的伪静力试验,研究了此类工业厂房中纵向带边框柱剪力墙结构的抗震性能问题,并采用宏观有限元方法将这种剪力墙模型结构简化为一个多垂直杆模型,通过将竖向弹簧杆元放置在Gauss积分点处,不仅可以模拟出剪力墙结构的滞回曲线、骨架曲线以及延性等性能,还明显提高了计算效率。另外,比较计算结果与试验数据可以看出:两者在滞回曲线、延性等方面基本吻合,验证了该方法的准确性与有效性,可为推广使用提供参考。
一种简化的R.C框架结构地震位移反应分析方法
马宏旺, 曹晓昀
2007, 24(12): 0-119.
摘要:
采用单自由度体系等效多自由度体系,只考虑第一振型影响,确定结构最大位移反应。该文假定R.C框架结构屈服前刚度与强度相关,屈服位移由结构几何尺寸近似确定。结合我国建筑抗震设计规范,研究不同设计条件下R.C框架结构的超强系数,然后乘以设计地震作用确定结构的实际强度。根据结构屈服位移以及实际强度确定等效结构的有效周期。当有效周期大于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等位移原理确定,当有效周期小于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等能量原理确定。该方法与其它方法相比,避免了复杂的弹塑性动力或静力分析,不需要进行迭代计算,且与我国规范结合紧密,特别适合对既有结构快速评估。
土钉支护稳定性的机会约束规划方法
罗晓辉, 李再光, 何立红
2007, 24(12): 0-134,.
摘要:
土钉支护稳定性所采用的极限平衡理论分析方法是根据“确定性”的土体、土钉强度参数搜索其潜在的滑动破坏面、计算稳定系数及其安全状态,但由于计算参数的随机性及其强度参数不能满足约束条件的随机性,使得稳定计算的可靠程度大为降低。因此采用机会约束规划理论(CCP)在应用概率理论控制其计算参数随机性的基础上,附加强度参数是否满足约束条件的随机性来分析土钉支护的可靠性,进而实现对土钉支护安全状态的判断。应用一工程实例来实现上述分析思想的安全判断结果。
受侧向约束混凝土的内时损伤本构模型
王怀亮, 宋玉普
2007, 24(12): 0-127.
摘要:
受侧向约束混凝土结构由于其核心混凝土处于三向受压应力状态,其强度和变形能力有了很大的提高,因此在土木工程得到了广泛的应用。为了更好的描述这一结构形式的强度和变形特征,该文结合 Valanis所提出的内时理论和Mazars的损伤理论,建立了一种全新的适用于侧向约束混凝土结构分析的内时损伤本构模型。该模型考虑弹塑性与损伤的耦合,用内时理论来描述混凝土的弹塑性特性,用各向同性损伤理论描述混凝土微裂缝扩展引起的刚度退化,通过与试验结果以及与其他模型的比较证实了模型的正确性和必要性。最后将该本构模型用于对常见的约束混凝土结构,如钢管混凝土和CFRP约束混凝土结构的应力-应变全过程分析中。
带框复合墙板承载力计算的简化模型与方法
李升才
2007, 24(12): 0-145,.
摘要:
建立了带框复合剪力墙板承载力计算的简化模型——带有等效斜撑的刚架,模型中考虑了复合墙板随刚度变化而产生的内力重分布现象,确定了等效斜撑的宽度和钢筋面积。基于对作为等效斜撑的夹芯板的承载力和作为刚架的边框的承载力以及复合墙板抗滑移承载力计算方法的分析,提出了带框复合剪力墙板的极限承载力计算方法。将简化模型计算结果与试验结果进行了对比分析,分析表明:应用该承载力计算的简化模型和方法分析的结果与试验结果吻合较好,说明该模型和计算方法是带框复合墙板承载力计算的一种有效的简化模型与方法。
反演理论在悬臂灌筑平弯梁桥线形监控中的应用
孙学先, 张 慧
2007, 24(12): 0-139.
摘要:
将反演理论应用于PC平弯桥梁悬臂分段施工线形监控计算中,在桥梁施工线形控制中依据前期对已建成T形悬臂结构变位的实际监测结果,由位移反分析法实现了结构分析参数准确取值的优化途径,由此可以确保中、后期各梁段施工线形调控计算和实施的精确度,最终达到竣工后桥梁线形与目标线形的吻合。通过用该方法对青海省平阿高速公路园艺场PC平弯连续刚构梁桥监控的实施,使该桥合龙精度和成桥线形均达到了期望的 效果。
深部岩石渐进破损本构模型及其应用
张 平, 贺若兰, 李夕兵, 李 宁
2007, 24(12): 0-152.
摘要:
深部岩石力学特性的数理描述与深部岩体的灾害控制密切相关。从岩石破坏过程和破坏机制出发,将代表性体元(RVE)划分为弹性区及剪切局部化带两个部分;并把剪切局部化带内的变形过程抽象为胶结强度弱化及摩擦强度增强两个阶段,重点考虑了这两个阶段一前一后发挥作用的破坏本质;同时采用细观链式模型及均匀化方法将破坏过程的细观特征与宏观力学特性相结合,建立了岩石局部化渐进破损本构模型的理论公式。模型计算结果与Yumlu和Ozbay试验结果吻合较好,证明了所提出模型的正确性。通过变化模型中的参数,进一步对深部岩石的局部化渐进破坏特征进行了分析,揭示了试样呈现“尺寸效应”、“形状效应”、应变软化及 型应力-应变曲线的内在原因及影响因素。
其他工程学科
铝球弹丸超高速正撞击薄铝板穿孔尺寸研究
管公顺, 庞宝君, 崔乃刚, 哈 跃
2007, 24(12): 0-185,.
摘要:
利用2017-T4 铝球弹丸高速正撞击不同厚度的2A12铝合金板,模拟空间碎片对航天器防护屏的高速撞击作用,分析铝合金板撞击穿孔尺寸特征。铝球弹丸直径为3.18mm~6.35mm,弹丸直径与铝板厚度之比dp /t为1.00~9.96,撞击速度为1.50km/s~6.98km/s,得到了铝球弹丸高速正撞击铝板的穿孔经验公式。实验结果表明:薄铝板高速撞击穿孔直径扩张率与弹丸直径、铝合金板厚度及撞击速度有关。当弹丸直径与铝合金板厚度之比dp /t一定时,薄铝板撞击穿孔直径扩张率随着撞击速度的增大而增大;当撞击速度一定时,薄铝板撞击穿孔直径扩张率与dp /t呈非线性关系,且随着dp /t的增加,对薄铝板撞击穿孔直径扩张率的影响减弱。
多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和弹塑性变形分析
温泽峰, 金学松, 肖新标
2007, 24(12): 0-163,.
摘要:
采用弹塑性有限元法,分析了多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和变形。多步载荷指的是钢轨同时受到机车和车辆车轮的反复作用或多趟列车通过钢轨。通过在钢轨表面重复移动Hertz法向压力分布和切向力分布来模拟车轮的反复滚动作用。材料循环塑性本构模型采用考虑材料棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型。分析结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形而形成波状表面;多步载荷对钢轨残余应力影响不大;随着机车车轮通过次数的增加,钢轨残余剪应变、表面材料位移、波深和残余累积等效塑性应变将增大,在机车车轮通过之后,随着车辆车轮通过次数的增加,前三个量将减小,而残余累积等效塑性应变继续增大,但其增大的速率变小。随着机车和车辆车轮反复滚过钢轨,钢轨残余剪应变、表面材料位移和波深变化速率即棘轮率呈衰减性。
海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正
黄维平, 王爱群, 李华军
2007, 24(12): 0-157.
摘要:
对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究,试验结果表明:当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时,作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力,而是具有一定带宽的窄带随机扰力。因此,管道的涡激振动响应也是一个随机过程。当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时,管道的涡激振动响应逼近简谐振动。试验结果也表明:作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数,也是圆柱体固有频率的函数。
电磁激活板的宽度对圆柱绕流控制的影响
张 辉, 范宝春, 陈志华
2007, 24(12): 0-168.
摘要:
电磁力可以改变流体边界层的结构,是控制流体运动的主动控制方法之一。基于电磁场和流体的基本方程,对置于弱电介质中的圆柱电磁激活板周围产生的Lorentz力及其对圆柱绕流的控制进行了数值模拟,着重讨论了电磁激活板的宽度对其周围的电磁场、产生的Lorentz力、流场的控制和涡量变化的影响。电磁场包覆范围为流体分离点至其后部,当N值较小时,分离点后移,但不能够完全抑制流体的分离,极板越宽对尾涡的抑制效果越好;随着N值的增大,由于极板窄的表面涡量大,所以可以首先达到完全抑制流体分离的控制效果;当N值较大时,无论极板宽窄,都可以达到完全抑制流体分离的效果。
狗的多位点心肌拉伸性质的实验研究
章湘明, 马念科, 杨 帆, 杨 卫
2007, 24(12): 0-174.
摘要:
介绍了自行研究和组装的测试心肌组织试件基本力学性质的实验设备和方法。完成了对6个狗心脏 10个不同位点的肌肉组织的三种力学性质测试,包括:单轴拉伸、松弛和破坏实验,得到了这些位点心肌组织的应力-应变曲线、应力松弛曲线和强度极限。从实验数据中可知:左心室心外膜的刚度和强度最大,右心房侧壁、右心房心耳、房间膈的刚度和强度最小,其余位点介于两者之间。根据Pole-zero模型对所得拉伸数据进行了参数拟合,试验数据和模型之间的相关性较好。根据松弛实验的结果对Pole-zero模型进行了修正,增加了一个粘弹性项。
滞后非线性车辆悬架系统多频激励下的安全与复杂性分析
于威威, 管克英, 郭 璇
2007, 24(12): 0-180.
摘要:
结合顺行平面Hamilton系统周期-能量关系和KAM理论,研究滞后非线性单自由度1/4车辆悬架系统多频激励下的受扰振动问题,给出两种初值条件下系统受扰固有周期运动的理论解析,证明了系统存在安全的拟周期状态。借助Melnikov函数讨论了系统产生混沌的可能性及成因,分别对系统拟周期及混沌状态进行了数值模拟。为悬架系统的参数识别、稳定区域分析及优化设计提供理论依据。
多层抗爆结构冲击响应无网格MPM法分析
王宇新, 陈 震, 张洪武, 孙 明
2007, 24(12): 0-192.
摘要:
在两层钢板中间夹衬泡沫铝等多孔材料构成多层复合结构被应用于抗爆、抗冲击的结构设计中,能够有效地降低冲击载荷对结构的破坏作用。为了研究多层复合结构的抗爆机理和变形破坏过程,使用材料非线性本构模型和无网格物质点法对在高速冲击载荷作用下各层材料的弹塑性大变形进行数值模拟。MPM法利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,不仅与网格无关,也避免了有限元法中网格畸变,而且在对涉及多物质分界面的问题计算时,因MPM法的耦合条件自动满足,不需要考虑材料界面的变形和破坏,为计算多层抗爆结构的冲击响应建立了一个有效的无网格法数值模拟平台。