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2007年  第24卷  第2期

基本方法
平动矩形贮箱刚-液耦合非线性动力学研究
吕 敬, 李俊峰, 王天舒
2007, 24(2): 0-008.
摘要:
首先应用H-O原理建立了矩形贮箱刚-液耦合系统平动的耦合动力学模型,在贮箱水平运动情况下,给出满足边界条件的速度势函数和液面波高的级数表达式,采用伽辽金法离散,将动力学模型转化为常微分方程组,在给定贮箱运动规律和给定外力规律两种形式下,分析了刚-液耦合系统固有频率变化规律,并应用多尺度法对系统的一阶主共振进行解析分析,研究了液体稳态解的幅频曲线,均发现跳跃及软、硬特性随液深转换的现象,在给定水平外力下,得到液体稳态解的同时还可得到刚体稳态解,两者定性性态相同。最后用数值法验证了解析解的正确性。
考虑作动器时滞及其补偿的实时子结构实验稳定性分析
王倩颖, 吴 斌, 欧进萍
2007, 24(2): 0-014,.
摘要:
实时子结构实验中,使用液压伺服作动器作为加载设备时会出现作动器响应的时滞问题。根据作动器的动力特性,提出液压伺服作动器阶跃响应的双线性简化模型。基于该模型,以OS法(Operator-Splitting method)和中心差分法为例,利用谱半径方法分析了作动器时滞及其补偿对实验稳定性的影响。分析结果表明,作动器时滞使实验的稳定性降低,三阶外插补偿可以提高实验的稳定性。此外,分析结果也表明OS法的稳定性好于中心差分法。
三维连续体结构仿生拓扑优化新方法
蔡 坤, 张洪武, 罗阳军, 陈飙松
2007, 24(2): 0-021.
摘要:
Wolff法则是指骨骼通过重建/生长,保证骨小梁方向趋于与主应力方向一致以不断地适应它的力学环境。根据Wolff法则,建立了一种新的拓扑优化的准则法。该方法的基本思想是:(1) 将待优化的结构看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼,骨骼的重建过程作为三维连续体结构寻找最优拓扑的过程;(2) 用构造张量描述正交各向异性材料的弹性本构;(3) 重建规律为结构中材料的更新规律。通过引入参考应变区间,材料更新规律可解释为:设计域内一点处主应变的绝对值不在该区间时,该点处构造张量出现变化;否则,构造张量不变化,该点处于生长平衡状态。(4) 当设计域内所有点都处于生长平衡状态时,结构拓扑优化结束。采用各向同性本构模型,即令二阶构造张量与二阶单位张量成比例,分析三维结构拓扑优化。实例进一步验证基于Wolf法则的连续体结构优化方法的正确性和可行性。
基于当地流活塞理论的气动弹性稳定性分析方法研究
张陈安, 张伟伟, 叶正寅
2007, 24(2): 0-027.
摘要:
基于改进的当地流活塞理论,推导了用模态坐标表示的弹性振动翼面的非定常广义气动力表达式。通过与非定常Euler方程的比较,证明该气动力模型具有较高的数值精度,放宽了原始活塞理论对翼型厚度、迎角、马赫数的限制。再耦合两自由度结构运动方程,在时域和频域内实现了超音速、高超音速气动弹性的稳定性分析。应用算例计算了一系列二元机翼和三维舵面的气动弹性特性。通过与耦合非定常Euler方法或实验结果的比较,证明该方法在保证精度的同时大大提高了超音速气动弹性的计算效率,在颤振分析中有较高的工程实用价值。
结构体系动力方程求解的显式积分格式的能耗特性
李小军, 唐 晖
2007, 24(2): 0-033.
摘要:
针对作者提出的结构体系动力方程求解的一种显式积分格式,探讨其数值计算能耗特性即算法阻尼特性,导出了其算法阻尼值随体系的物理阻尼和结构体系振动频率值变化的关系,并进一步讨论了该积分格式用于无限介质波动的数值模拟中抑制或消除透射边界引起的计算高频失稳问题,给出了该积分格式与中心差分格式的对比分析算例。
数字图像相关方法在膜材拉伸试验中的应用
孙 伟, 何小元, 胥 明, 罗 斌
2007, 24(2): 0-038.
摘要:
利用数字图像相关方法(DICM),测定了双轴拉伸试验条件下Précontraint 1202 Fluotop T2膜材的力学性能,并分析了该膜材的徐变特性。采用CCD及其计算机处理系统,实时获取变形前后膜材表面图像,对变形前后的图像进行相关运算获得应变;确定了膜材的弹性模量和泊松比及徐变时的应变-时间关系。测试及分析结果表明该方法为膜材力学性能的检测研究提供了新的途径。
结构性土强度准则探讨
刘恩龙, 沈珠江
2007, 24(2): 0-055.
摘要:
基于岩土二元介质模型思想,建议了一个适用于结构性土的强度准则。结构性土的土工特性与重塑土的有很大的区别,强度变化规律方面也不例外。已有的强度准则是建立在重塑土或扰动土的基础上的,它们不能很好的反映结构性土的强度变化规律。在大量的结构性土强度试验资料的基础上,分析了结构性土的强度变化规律和机理,基于考虑结构性岩土材料破损机理的二元介质模型概念,通过引入随应力状态变化的剪切抗力分担率参数,建立了结构性土的强度准则,并对准则中参数的变化对强度规律的影响进行了分析。最后,通过两种结构性土Lacustrine clay和Louis clay的固结不排水强度试验进行了验证,验证表明所建议的准则具有较好的适用性。
稳定图方法在随机子空间识别模态参数中的应用
常 军, 张启伟, 孙利民
2007, 24(2): 0-044.
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。在随机子空间识别方法中,确定系统的阶数是该方法的关键工作。稳定图方法是一种比较新颖的确定系统阶次的方法,但该方法容易识别出虚假模态。针对这种情况对稳定图方法进行了改进,避免了虚假模态的出现,进而提高了随机子空间方法的识别精度。稳定图方法改进的重点是用模态置信因子来消除虚假模态。同时由于通常采用的阻尼理论与实际情况尚存在差距,影响了识别效果。在稳定图中将阻尼比的标准放松或取消,得到更加理想的识别效果。最后对此方法在一三跨连续梁的数值模型上进行了验证,结果表明,该方法具有良好的识别效果。
埋置点源简谐荷载作用下Gibson土体动力Green函数
杜秦文, 朱向荣, 丁伯阳
2007, 24(2): 0-049.
摘要:
采用Hankel积分变换方法,研究了Gibson地基在内源简谐荷载作用下的动力响应问题;通过构造积分围道技术,利用对围道上奇点的特殊处理,以消除驻波相来满足实际波的辐射条件,得到了Gibson地基埋置点源简谐荷载的动力Green函数。通过具体算例,分析了地基土体非均质性、荷载埋置深度和激振频率等因素对地基土体表面竖向位移的影响。结果显示:(1) 荷载埋置深度和荷载激振频率对地基表面位移幅值大小和波动性都影响较大;(2) 低频荷载作用下,地基土体的非均质性对其表面位移有较大影响。
薄板弯曲和振动分析的区间B样条小波有限法
向家伟, 陈雪峰, 董洪波, 何正嘉
2007, 24(2): 0-061.
摘要:
基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,研究了用于薄板静动力学分析的区间B样条小波有限元法。在小波有限元用于薄板分析的列式过程中,采用区间B样条小波尺度函数对横向位移场逼近,从矩形和斜形薄板静动力学势能泛函出发,由变分原理得到小波有限元求解方程。该方法具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的小波基函数的特点。数值算例表明:区间B样条小波有限元法能以很少的计算自由度获得与其它方法同样的计算精度。
含表面裂纹板的振动功率流特性研究
朱 翔, 李天匀, 赵 耀, 刘敬喜
2007, 24(2): 0-067.
摘要:
从结构噪声的观点研究了在简谐力作用下含有表面裂纹板的振动功率流特性。由于裂纹的存在,导致了板在裂纹两边转角的不连续性,运用断裂力学的理论得到裂纹导致的附加转角。利用力作用处以及裂纹处的连续性条件推导出了含裂纹板中的弯曲波运动并得到输入功率流以及传播功率流。通过对完善板与裂纹板的输入功率流与传递功率流的对比,表明板中裂纹的存在改变了板原有的振动功率流特性,裂纹的特性参数可以通过板的输入功率流和传播功率流来反映。通过构造裂纹板的输入功率流的等值线图给出了识别板中的裂纹的方法。
土木工程学科
POD方法在双坡屋盖风压场预测中的应用
李方慧, 倪振华, 沈世钊
2007, 24(2): 0-073,.
摘要:
应用本征正交分解(POD)技术对双坡屋盖的随机风压场进行了预测。结合风洞试验同步测量的风压数据,采用了两种方案预测屋盖上未布测点位置的风压系数时间序列。预测出数据的统计特性(均值、均方根值及极值)和功率谱等与实测数据进行了比较,发现所预测风压系数时间序列的均值和均方根值精度较好。虽然预测的风压极值大部分被低估,但是预测数据的功率谱在低频段与实测数据相吻合。因此将预测的数据应用于结构的风致响应计算是可行的。
压弯钢构件火灾下的极限稳定性分析
魏 东, 刘应华, 朱建明, 岑章志
2007, 24(2): 0-079.
摘要:
为考虑温度对材料性质的影响以及不同的温度载荷效应,基于有限积分法建立了压弯钢构件火灾下的非线性分析格式;在此基础上,利用杆件分析法考虑了钢构件火灾下的几何效应,就初始缺陷等因素对构件极限的影响进行了分析,探讨了反映火灾下钢构件响应机制的温度与变形等相关变量之间的关系。本文方法与试验进行了比较,计算结果验证了方法的有效性。
子模型法在超大跨悬索桥钢箱梁应力分析中的应用
李爱群, 王 浩
2007, 24(2): 0-084.
摘要:
以国内第一大跨桥梁——润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,在对大桥整体结构进行非线性有限元分析的基础上,运用子模型法计算了该桥扁平钢箱梁各关键部位的应力。与实测数据的对比表明:子模型法计算结果准确可靠,能够较真实的反映大桥钢箱梁在各种工况下的受力状态,是分析超大跨悬索桥钢箱梁应力水平及其分布的有效方法。最后分析了该桥钢箱梁的受力特点,为同类流线形扁平钢箱梁的应力分析和设计提供参考依据。
竖向多点输入下两种典型空间结构的抗震分析
苏 亮, 董石麟
2007, 24(2): 0-090.
摘要:
以两种典型空间结构为研究对象,考察了竖向地震作用下结构的地震反应以及竖向多点输入对结构地震反应的影响。分析表明,竖向地震一致输入在门式桁架结构和周边支承网壳结构中将产生较大的内力,因此竖向地震作用在这两类结构的抗震设计中是必须考虑的。竖向多点输入对门式桁架结构地震反应的影响很小,这种影响在结构抗震设计中可以忽略;对周边支承网壳结构来说,竖向多点输入使得网壳结构的地震内力降低,同时由于拟静力作用在支承结构中产生的内力较小,多点输入对支承结构的地震内力影响也很小。
分层土中群桩的竖向和摇摆动力阻抗计算
雷文军, 魏德敏
2007, 24(2): 0-097.
摘要:
采用动力文克尔地基梁模型,在研究两桩竖向动力相互作用时,建立被动桩的运动方程,求得均匀土中竖向动力相互作用因子的解析解。在各分层土中建立单桩竖向振动微分方程,利用各分层土之间桩身的连续性条件和桩顶、桩底边界条件,求解单桩振动方程。采用三步法计算分层土中桩基竖向动力相互作用因子,结合单桩竖向动力阻抗和相互作用因子求解群桩竖向和摇摆动力阻抗。通过算例分析,得到一些有意义的结果和结论。
桥梁颤振概率性评价的随机有限元法
周 峥, 葛耀君, 杜柏松
2007, 24(2): 0-104,.
摘要:
在桥梁的各种风振形式当中,颤振对桥梁的安全威胁最大,而在各种随机因素作用下的桥梁颤振概率性评价也受到了人们的重视。为了计算大跨度桥梁的颤振失效概率,推出了一种结合有限元分析和可靠度计算理论的随机有限元方法,考虑了质量、刚度、阻尼和颤振导数等随机因素对颤振临界风速的影响,并对我国第一座真正意义上的大跨度海上桥梁——东海大桥颗珠山斜拉桥进行了颤振可靠性分析。
不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研究及强度变化机理
王海龙, 李庆斌
2007, 24(2): 0-109.
摘要:
利用大型液压伺服试验机研究了不同加载速率下饱和混凝土与干燥混凝土的劈拉强度变化情况,试验研究表明:在准静态加载时,与干燥的混凝土相比饱和混凝土的劈拉强度有所降低,随着加载速率的升高,饱和混凝土的的动态劈拉强度有较大的提高。通过对干、湿混凝土强度变化的比较表明:孔隙及裂缝中的自由水对混凝土强度有所影响。根据细观层次上、不同加载速率下裂纹中孔隙水压力的作用形式(即低加载率时孔隙水的“楔入”作用和高加载率时的“Stefan效应”),利用断裂力学来探讨不同加载速率下饱和混凝土劈拉强度的变化机理。结果表明:提出的机理可以较好地解释饱和混凝土强度的变化情况。
大型桥梁模态参数识别的一种方法
王学敏, 黄方林, 刘建军
2007, 24(2): 0-114.
摘要:
提出一种综合运用经验模态分解(EMD)与随机减量技术(RDT)来识别大型桥梁模态参数的方法。首先利用EMD将桥梁在环境激励下的非平稳响应分解成一系列准平稳的本征模函数(IMF)分量,然后用RDT从中提取自由衰减响应,最后将该自由响应表达为一般解析形式,综合运用参数识别理论、最优估计理论识别出桥梁结构的多阶模态参数。利用南京长江大桥实测动力响应识别该桥的模态参数,并将识别结果与有限元分析结果及有关实测值进行比较,表明该方法具有很好的识别精度,适用于大型桥梁的模态参数识别。
曲壳裙房对球形高层建筑风荷载影响的数值研究
吕少琳, 陈水福, 李建宏, 焦燏烽
2007, 24(2): 0-119.
摘要:
对一球形高层建筑在有和没有曲壳裙房情况下的表面风压分布进行了数值模拟和分析。结果表明,曲壳裙房对主体高层建筑的风荷载有着较显著的影响。裙房缩小了球形建筑迎风面和背风面的正风压区域,最大正风压略有减小;裙房较大程度地提高了球形建筑侧风面和顶面的负风压数值,整体结构的风荷载趋于增大,风压分布趋于不均匀。由于裙房的影响,在球面背风区下侧还观察到了明显的对称涡列。在对不同风向角下的风压分布规律进行分析的基础上,还给出了建筑物在最不利风向角下的最不利剖面上的风压系数分布曲线。
混合结构房屋现浇楼板裂缝的有限元数值分析
郑宏宇, 苏益声, 邓志恒
2007, 24(2): 0-125,.
摘要:
现浇钢筋混凝土楼板开裂是混合结构房屋常遇到的问题之一。在对若干实际工程调查和模型试验的基础上,用有限元程序建立了两种结构形式的有限元模型,进行了非线性有限元分析。有限元分析结果包括混凝土主拉应力及应变、楼板裂缝和钢筋应力的分布和发展,其与试验结果符合程度较好。研究结论给出了楼板开裂的主要原因和影响因素、裂缝形态及范围、控制裂缝的关键措施和楼板钢筋合理的布置方式。
不均匀随机参数桁架结构的随机反应分析
胡太彬, 陈建军, 王小兵, 张建国
2007, 24(2): 0-131.
摘要:
以随机荷载作用下的不均匀随机参数桁架结构为研究对象,提出了求解结构反应数字特征的矩法。从结构有限元方程出发,推导出结构刚度矩阵对各单元的弹性模量、横截面积以及各节点坐标的导数,进一步导得结构位移反应对各随机参数的敏度。利用随机变量函数的矩法,导出了结构位移反应的均值和方差,依据单元位移应力的转换表达式,分析了应力反应的均值和方差。算例表明,结构反应的方差取决于各随机参数的分散性和参数间的相关性。
桥梁顶推施工导梁的优化分析
王卫锋, 林俊锋, 马文田
2007, 24(2): 0-138.
摘要:
在桥梁的顶推施工中,导梁对增大顶推的跨度起到了重要的作用。导梁的各个参数对于主梁在顶推施工过程中的受力都有很大的影响。适当地选择导梁的各个参数值能够减少主梁在施工过程中的内力,从而节约材料和降低施工成本。根据顶推施工的特点和顶推过程内力变化规律,利用结构力学位移法建立简化的结构计算模型,计算和分析了连续梁桥顶推施工中主梁前端所安装的导梁长度、刚度和单位长度的重量这三个参数对顶推施工过程中主梁内力的不同影响,得出了计算顶推施工最优的导梁参数值的方法。该方法简单可靠,便于实际工程应用。
标准低矮建筑TTU三维定常风场数值模拟研究
殷惠君, 张其林, 周志勇
2007, 24(2): 0-145.
摘要:
基于专业计算流体动力学软件平台FLUENT 6提供的标准 等多种湍流模型对大气边界层中的TTU(Texas Tech University Building Model)标准低矮建筑的定常风场进行了数值模拟,并将计算结果与场地实测数据及同济大学TJ-2风洞试验结果进行了比较。结果表明,多种湍流模型均能为工程应用提供有效参考,且对于此种体形简单的建筑复杂的雷诺应力模型的预测结果并不优于简单的涡粘模型,这为钝体绕流现象的数值模拟研究提供了有利依据。
钢管混凝土拱桥混凝土灌注阶段的受力仿真分析
张治成
2007, 24(2): 0-153.
摘要:
摘 要:以一座308米跨的钢管混凝土拱桥为背景,采用平面杆系整体分析与空间实体局部分析相结合的方法来分析混凝土泵注阶段钢管的受力情况。在施工仿真分析的有限元建模中,引入了“单元生死技术”,使得分析过程简单快捷;在处理施工荷载时,充分考虑了泵送液态混凝土复杂的力学性质,提出了分配液态混凝土自重荷载的新方法,并通过温度荷载等效模拟混凝土的自膨胀效应及水化热效应对结构内力的影响。计算分析结果与施工控制中的实测结果吻合较好。
双钢管构件由点接触到线接触的连续过渡
申 波, 邓长根
2007, 24(2): 0-160.
摘要:
针对轴向压力作用下的双钢管构件,提出了内核与有限刚度套管之间线接触的力学计算模型。利用小挠度二阶平衡微分方程推导了内核与套管处于点接触、线接触时内核的挠度、弯矩、剪力、接触反力等物理量的计算公式。理论公式和应用算例表明,在内核与套管之间由点接触到线接触过渡时,这些物理量满足必要的连续性和协调性条件。本文提出的力学计算模型也能应用于模拟内核与刚性套管的线接触。
升温过程中混凝土构件轴向变形简化计算
周建康, 时旭东
2007, 24(2): 0-165,.
摘要:
混凝土的热惰性将导致构件截面温度分布的不均匀性,由此必然产生温度变形差。采用有限元和试验验证相结合的方法,对影响混凝土构件温度变形差的主要因素进行了热-力耦合分析,确定了构件截面尺寸和升温速度等因素的影响程度,并给出温度变形差和等效温度的简化计算公式。有了等效温度,即可将升温过程中混凝土构件轴向变形转化为按截面温度分布均匀计算。同时,它可用来分析不均匀温度场引起的力学问题。
其他工程学科
轴对称航行体通气超空泡的特性实验研究
王海斌, 王 聪, 魏英杰, 于开平, 张嘉钟, 贾力平
2007, 24(2): 0-171.
摘要:
为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究。采用通气的方法在较低水速下(V= 7m/s-15m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了不同空泡长度下的模型阻力系数。研究结果表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较模型上下表面的空泡长度,定量的给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响。当Fr >43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略。
水下非流线型航行体减阻的数值模拟与比较
刘玉秋, 于开平, 张嘉钟
2007, 24(2): 0-182.
摘要:
针对某水下非流线型航行体的试验模型,采用混合均质流理论、Realizable 湍流模型进行了自然状态和通气产生超空泡状态下阻力的数值模拟,通过对流线型航行体的数值模拟和经验公式的比较验证了采用方法的适用性,得到了自然和通气状态下非流线型水下航行体的阻力变化规律。计算结果表明,自然状态下非流线型航行体的阻力比流线型的大大增加,压差阻力成为主要成份,但通气形成超空泡后可以大大降低航行体的阻力,在小空化数下摩擦阻力可以忽略。
交叉缩放椭圆管冷压成形的数值模拟
秦 乐, 孟继安, 李志信
2007, 24(2): 0-177.
摘要:
对新型强化换热管——交叉缩放椭圆管的冷压成形过程进行了有限元数值模拟。计算了成形后交叉缩放椭圆管的残余应力分布并比较了三个典型截面上的残余应力状况。分析了模具过渡段倾斜角对成形的影响。结果表明残余应力最大值出现在换热管过渡段的内壁面;模具过渡段倾斜角较小时将使换热管表面的残余应力显著增大。分析结果有利于加工过程中控制参数的合理选择。综合考虑交叉缩放椭圆管的换热性能和加工后的残余应力状况,给出了模具过渡段倾斜角的参考值。
卫星微型雷达多柔性体传动机构运动仿真
张士元, 郑百林, 凌 云, 贺鹏飞, 王淦泉, 王伟成, 孙小进
2007, 24(2): 0-187.
摘要:
对于高速轻型系统,在其大幅度刚性运动的同时某些柔性构件存在着弹性变形,并相互耦合,相互作用,这种弹性变形对于有高精密度要求运动系统有明显的影响。主要研究卫星微型雷达中的两个转动机构在开启第二传动机构时,这两个机构所产生的扭转振动对卫星雷达精度影响。研究表明,两个转动机构都会产生有衰减的扭转振动现象。但对精度的影响不大,可通过在控制反馈中加入补偿来消除。
横向有限应变对部分浸入水中平面运动柔性梁的非线性振动响应的影响
瞿 元, 余春华, 尹晓春
2007, 24(2): 0-192,.
摘要:
基于Hamilton原理,根据克希霍夫假设以及拉格朗日函数,得到部分浸入水中柔性梁的大挠度条件下的运动方程和边界条件。在运动方程和边界条件的推导过程中,考虑了横向有限变形,并运用格林应变张量表示非零的应变张量分量。然后,应用中心差分法对方程进行数值处理,研究不同涡旋脱落荷载作用下,横向有限应变对结构振动响应的影响。结果表明,涡旋脱落荷载超过一定幅值后,横向有限应变的影响比较明显,不应忽略。