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2010年  第27卷  第4期

基本方法
基于概率简单叠加法则的动力可靠度高效计算方法
刘 佩, 姚谦峰
2010, 27(4): 1-004,.
摘要:
基于计算单元失效域的重要抽样法和区域分解法是计算高维输入随机变量条件下小失效概率的高效算法。该文在此基础上,首先利用基于计算单元失效域的重要抽样法的思想,引入构成总失效域的由持时内的时间点划分出的单元失效域,其次利用区域分解法的思想,引入构成总失效域互斥的单元失效域,最后根据两种单元失效域的关系和概率简单叠加法则,即可计算总失效概率。其中关键问题是计算结构反应时单位脉冲响应函数的确定和落入各个互斥单元失效域的样本数的确定。算例部分对受高斯白噪声激励作用的单自由度线性体系和多自由度线性体系,分别应用该文方法、基于计算单元失效域的重要抽样法和区域分解法进行了计算,并用Monte-Carlo法进行了验证,结果表明计算动力可靠度,尤其是小失效概率时,该文方法对比Monte-Carlo法计算效率有明显提高,并同基于计算单元失效域的重要抽样法和区域分解法一样高效。
T应力对I-II复合型裂纹扩展的影响
赵艳华, 陈 晋, 张 华
2010, 27(4): 5-012.
摘要:
利用最大周向正应力判据MTS重新分析研究了脆性破坏的I-II复合型裂纹扩展,其中考虑了平行于裂纹方向的非奇异项T应力。以平板中的斜裂纹处于双向受力为研究对象,通过两个方向力的不同组合以及裂纹与受力方向的夹角变换得到包括纯I型和纯II型在内的I-II复合型裂纹,分析了T应力对裂纹扩展方向以及断裂时的应力强度因子的影响,并将预测结果与现有的实验数据进行了比较。在此基础上,给出了不同T应力条件下通用的I-II复合型裂纹扩展条件,可用于给定几何试件的脆性断裂判定。分析结果表明:裂纹尖端非奇异项T应力对裂纹扩展的影响是不可忽略的,尤其是对II型断裂的影响更为明显。
弹性力学辛体系广义动量矩定理
朱炳麒, 卓家寿, 周建方
2010, 27(4): 13-018.
摘要:
类似于动力学中动量矩的概念,提出了弹性力学辛体系中广义动量矩的概念,给出了平面直角坐标辛体系和极坐标辛体系中广义动量、广义动量矩的统一定义,对广义动量矩的相关理论进行了研究。由Hamilton对偶方程导出了广义动量矩定理,得到了广义动量矩的守恒律,给出了守恒条件,分析了广义动量矩定理和守恒律的物理意义,经典问题验证了广义动量矩定理和守恒律。这一定理进一步丰富了弹性力学辛体系理论的内容,它和Hamilton函数、广义动量等相关理论一起,形成了辛体系中类似于动力学基本定理的一个理论体系。
DDA方法中的两种无反射边界研究
甯尤军, 杨 军, 陈鹏万
2010, 27(4): 19-023,.
摘要:
在非连续变形分析(DDA)方法中研究并实现了叠加边界和粘性边界两种无反射边界条件,分别采用固定边界、叠加边界和粘性边界对一岩石细杆在飞块撞击下的动态响应进行了模拟。模拟结果表明:叠加边界和粘性边界都对反射应力波具有一定的衰减能力,但叠加边界的衰减能力更强,并且它对入射应力波的影响也比粘性边界小。
随机激励下振动系统非线性特性定性方法研究
何 蕊, 罗文波, 王本利, 孔宪仁
2010, 27(4): 24-029.
摘要:
结合FPK方程和非线性等效原理,对随机激励下的分别含有非线性阻尼、非线性刚度的单自由度系统计算等效阻尼及等效刚度。结果表明:非线性系统的等效线性频响函数图及奈奎斯特图随外激励量级的变化而变化,不同非线性类型的等效频响函数及奈奎斯特图随外激励量级的变化规律不同,从而给出了对根据实测频响函数与奈奎斯特图变化规律定性分析振动系统非线性特性和软硬特性的方法,为真实非线性动力学系统建模提供了理论依据。最后应用此方法对铝蜂窝夹层板的随机试验数据进行定性分析,得到结果可用于指导建模。
考虑剪滞变形时箱形梁广义力矩的数值分析
张元海, 李 乔
2010, 27(4): 30-036.
摘要:
为了简化变截面箱梁等复杂结构的剪滞效应分析,在明确定义相应于剪滞位移的广义力矩和有关几何特性的基础上,提出一种梁段有限元数值分析方法。选取控制微分方程的齐次解作为单元位移函数,以各积分常数为中间转换变量,推导梁段单元刚度矩阵和等效节点力向量的具体表达式,并给出用单元节点力直接计算应力的一般公式。编制了箱梁梁段有限元程序,对简支、悬臂、连续箱梁3个有机玻璃模型进行计算并与实测结果对比,验证了该文方法及公式的正确性。用所编程序对箱梁的剪滞广义力矩进行数值分析,并揭示了其变化规律。研究表明,在竖向荷载作用下,剪滞力矩与弯矩具有相似的分布规律,而且数值大小也接近。
圆周非贯穿裂纹管局部柔度的理论和试验研究
胡家顺, 冯 新, 周 晶
2010, 27(4): 37-043.
摘要:
圆周非贯穿裂纹是管类结构裂纹发展的典型形式,是引起管道断裂的主要因素之一。首先,从线性断裂力学理论出发,推导了管类结构中由圆周非贯穿裂纹引入的局部柔度系数方程,利用适应性的Simpson数值积分方法计算得到相应的局部柔度系数。其次,进行了圆周非贯穿裂纹管的动力模型试验,通过理论值与试验值对比分析验证了局部柔度系数求解方法的有效性。研究结果表明:根据局部柔度系数求解得到的裂纹管模型频率值与试验值基本吻合,从而验证了圆周非贯穿裂纹管局部柔度系数推导和求解的合理性。
三维离散元与壳体有限元耦合的时空多尺度方法
张 锐, 唐志平
2010, 27(4): 44-050.
摘要:
壳体结构的局部失效及其对整体结构稳定性影响涉及到跨宏细观多尺度力学问题。该文推导出元/网格动量传递的多尺度算法,建立了三维离散元与壳体有限元耦合的时空多尺度数值计算方法。通过激光辐照下充内压圆柱壳局部失效算例的数值模拟,验证该多尺度方法能够完善地并行实现时间多尺度与空间多尺度计算,不仅能够准确模拟壳体结构局部细观非均匀演化及其对整体结构的影响,而且计算时间很少,有效地发挥了时空多尺度模拟高效率优势。
喷管内临界泡状流计算分析
付英杰, 魏英杰, 张嘉钟
2010, 27(4): 51-056,.
摘要:
基于均质混合流模型,引入Rayleigh-Plesset方程考虑气泡动力学作用,采用拉格朗日有限体积法,进行喷管内非稳态泡状流计算。分析临界泡状流的特性,并把流场计算结果与相关实验数据对比,吻合较好。将不同边界条件下的临界泡状流计算结果进行对比分析,得到了入口含气率、压力及初始气泡半径对临界泡状流动的影响。结果表明:临界入口速度随着入口含气率的增大而减小,而随入口压力、初始气泡半径的增大而增大。
基于映射理论的网格生成新方法及应用研究
赵尧军, 周 岱, 李 磊, 陈祥侨, 何 涛
2010, 27(4): 57-067.
摘要:
基于映射函数理论提出二维/三维流场的网格生成新方法。针对实际应用中对场函数变密度的要求,提出可控制网格疏密度的插值公式,并以此对典型物体周围流场进行网格剖分,验证其有效性。针对圆形域(柱形域)流场网格生成质量的缺陷,提出在目标域中建立内置块的新策略,统计分析网格最小内角分布,并与原方法对比分析,以验证改进效果。运用自编程序,对具有复杂外形的空间膜结构进行流场网格剖分,并将该网格导入Ansys-CFX软件,进而数值模拟结构表面风压分布。经验证,该方法可有效地运用于流场网格剖分。
前屈曲耦合变形对FGM圆板稳定性的影响
杨 帆, 马连生
2010, 27(4): 68-072,.
摘要:
功能梯度材料结构沿厚度方向具有非均匀性,在其本构关系中会存在拉伸-弯曲耦合效应。在某些条件下,由于这个耦合效应的存在会引起前屈曲耦合变形,因此只要施加面内外载荷,就会伴随该载荷而产生耦合挠度。该文基于经典非线性板理论,导出了计及前屈曲耦合变形时功能梯度圆板稳定性问题的基本方程,并给出了判断功能梯度圆板是否发生屈曲现象的方法。用打靶方法对所得方程进行了数值求解,并利用数值结果研究了在不同边界条件和不同外因素下前屈曲耦合变形对功能梯度圆板稳定性的影响。
爆炸荷载下RC梁系的解析分析
陈明雄, 宋春明, 王明洋
2010, 27(4): 73-078.
摘要:
对梁系结构在爆炸荷载作用下的动力计算问题进行了研究,由于支承构件的变形性,梁系结构可归结为第二类的动支座问题。建立了梁系的动支座计算模型,推导并给出了梁系结构分别在弹性阶段和塑性阶段的动力计算公式,分析了影响梁系振动的主要因素和影响规律。研究表明:影响梁系结构振动的主要因素有两个,下部支承结构的基频0和无量纲参数,基频0和参数越大,上部构件的动力系数就越大。当0 5时,下部构件对梁系振动的影响可忽略,认为上部构件是刚性支承。
结构区间有限元方程组的一种解法
李金平, 陈建军, 朱增青, 宋宗凤
2010, 27(4): 79-083.
摘要:
针对结构静力区间有限元方程组的求解提出了一种简易解法。该法将含区间变量的整体刚度矩阵在区间变量的中值处进行一阶泰勒式展开。在对刚度矩阵展开式进行近似处理之后,将刚度矩阵的逆矩阵用一系列的Neumann展开级数来表示。为减小区间运算的扩张,利用区间乘法运算的次分配律和相关运算规则,导出不确定结构响应量上界、下界的计算式。几个算例结果分析表明:该方法具有较好的精度,是可行和有效的,且易于编程实施。
摩擦接触裂纹问题的扩展有限元法
余天堂
2010, 27(4): 84-089.
摘要:
扩展有限元法(XFEM)是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法。扩展有限元法分析闭合型裂纹时,必须考虑裂纹面间的接触问题。已有文献均采用迭代法求解裂纹面的接触问题。该文建立了闭合型摩擦裂纹问题的扩展有限元线性互补模型,将裂纹面非线性摩擦接触转化为一个线性互补问题求解,不需要迭代求解。算例分析说明了该方法的正确性和有效性,同时表明扩展有限元法结合线性互补法求解接触问题具有较好的前景。
土木工程学科
混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁纯钢梁段的受压翼缘局部稳定性分析
聂建国, 王宇航
2010, 27(4): 90-094,.
摘要:
为解决实际工程中遇到的混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁受压翼缘局部稳定性问题,基于薄板理论,对组合梁混凝土翼板开洞处纯钢梁段受压翼缘的临界屈曲应力计算公式进行了推导,考虑了弯矩梯度的影响,并用通用有限元软件ANSYS验证了公式的准确性。根据临界屈曲应力计算公式得出了合理的受压翼缘宽厚比限值,与现行《钢结构设计规范》中的规定进行了对比。对比结果表明:将《钢结构设计规范》中的宽厚比限值直接用于组合梁开洞处的纯钢梁段,显得过于保守。最后通过算例分析,进一步验证了该文的结论。
砂土强度和剪胀性的颗粒力学分析
常 在, 杨 军, 程晓辉
2010, 27(4): 95-104.
摘要:
砂土强度和剪胀性一直是土力学强度和变形研究的难点和重点,对其进一步认识的关键取决于对砂土颗粒状微观结构的洞察。砂土的颗粒性和散碎性使其适合采用颗粒力学来研究。该文从颗粒力学角度出发,利用平面离散元模拟砂土变形,建立并标定了砂土单元实验的一个颗粒力学模型。在此基础上,通过颗粒力学参数影响分析,研究了砂土无侧限双轴试验的三种表观强度指标(临界状态强度、峰值强度和特征应力强度)、剪胀性及剪切模量的颗粒力学影响因素。研究结果表明:砂土临界状态强度仅受砂土颗粒摩擦系数的影响,是材料属性,符合临界状态土力学理论;砂土峰值强度和特征应力强度不但与砂土颗粒摩擦系数相关,还与围压水平和相对密实度有关。峰值强度不受砂土颗粒自身刚度性质的影响,而特征应力强度受颗粒刚度性质的影响较大,但后者的影响规律不是简单的正比或反比的关系。砂土剪切模量主要受其颗粒自身刚度性质的影响,就目前研究来看,它与砂土相对密实度的关系并不显著。用颗粒力学方法对剪胀性的深入研究比较困难,主要是因为诸多颗粒力学参数(砂土颗粒摩擦系数和刚度、砂土样品的孔隙率及围压水平)均与之相关。该文尝试研究了砂土剪胀性与其颗粒转角的关系。最后,用该文标定的颗粒力学模型,研究了无重地基极限承载力普朗德尔-瑞斯纳问题,通过颗粒力学计算结果与普朗德尔-瑞斯纳解的对比,深化了对砂土地基极限承载力的理解,也为计算颗粒力学方法在岩土工程尺度上的应用提供了参考。
水泥混凝土路面角隅应力分析
周玉民, 谈至明, 刘少文, 牛开民
2010, 27(4): 105-110.
摘要:
鉴于我国刚性、半刚性基层上水泥混凝土路面角隅断裂多发的状况,采用弹性地基上不等平面尺寸双层结构模型分析其产生的原因。面层角隅在单个矩形荷载作用下,讨论了半空间地基和文克勒(Winkler)地基路面结构应力、弯沉的异同,给出了按应力和弯沉等效时地基参数之间的换算关系;分析了基层超宽对面层和基层自身应力的影响,得到了基层超宽系数的近似回归式;探讨了面层角隅受荷和温度梯度共同作用下面层应力采用叠加方法和耦合方法计算的差异;初步给出了板底脱空(层间接触刚度弱化)、邻板接缝传荷对路面结构应力、弯沉影响的规律。
玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态本构模型
许金余, 李为民, 黄小明, 李 澎
2010, 27(4): 111-116.
摘要:
以矿渣与粉煤灰为原材料制备玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC),采用100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对BFRGC进行了冲击压缩试验,并对SHPB试验过程中的波形整形技术展开了研究,以此来提高材料SHPB试验的精度。通过SHPB试验,获得了BFRGC在10s1―102s1应变率范围内的应力-应变曲线,分析了BFRGC的强度和变形性能,并建立了BFRGC的率型非线性粘弹性本构模型。通过试验对模型进行验证,模型曲线与试验曲线吻合良好,该文建立的率型本构模型可以较为准确地描述BFRGC的动态力学行为。
张拉膜结构形状确定的实验研究
叶继红, 田 珺
2010, 27(4): 117-124,.
摘要:
在膜结构找形中,力密度法引入了“力密度”的概念,使问题简化。但力密度法需要多次试算后才能确定合适的力密度取值,这给找形过程带来困难。该课题组对力密度法的找形过程进行改进,避开其中“力密度”的概念,使找形计算过程简洁高效。该文即对这种“改进力密度”法进行了试验研究,以验证该方法的正确性。试验模型为一平面尺寸为4m×4m柔性索边界、四点支承的马鞍形张拉膜结构。张拉过程采用应力和位移同时控制,量测模型零状态、中间状态和张拉成形后状态边索和膜面的应变值及膜面监测点的空间坐标。通过试验值与理论值在膜面应变、索应变及膜面空间坐标的比较及与ANSYS法、解析法的比较,说明改进力密度法是正确的,可用于实际工程的膜结构找形分析。另外,通过本次实验,我们对膜面应变的量测也得到了一些经验教训。
框支剪力墙结构楼层侧向刚度比值初探
韩小雷, 何伟球, 郑 宜, 季 静, 田小霞
2010, 27(4): 125-132.
摘要:
针对现行规范关于框支剪力墙结构设计中楼层侧向刚度控制准则的局限性,从理想化悬臂杆件的抗侧刚度和变形出发,提出高层建筑转换层结构底部刚度的需求应使结构的变形与理想化悬臂杆件的变形接近;通过经典力学原理推导出上述理想杆件变形曲线,并以此曲线为基准,得出符合此曲线的结构层间位移角,以工程界所熟悉的层间位移角比值作为控制参数反映高层建筑转换层结构的楼层侧向刚度比。进行一系列按不同的楼层刚度控制准则下的典型框支剪力墙结构在地震作用下的弹性及弹塑性性能分析,通过对转换层结构的动力响应和屈服机制进行比较,初步证明该文所提出的楼层侧向刚度控制准则较现行规范更趋合理,可供工程借鉴。
内置竖向插板加强型管节点静力强度研究
李 涛, 邵永波, 张季超
2010, 27(4): 133-140.
摘要:
焊接圆钢管节点主管的径向刚度一般远小于支管的轴向刚度,因此在静力作用下发生破坏的部位常位于主管表面靠近焊缝处。为了提高管节点的承载能力,可采用在靠近节点部位的主管内部设置竖向插板的方法提高管节点的静力强度。利用有限元方法对33个加强与未加强的T节点的静力破坏过程进行了模拟和分析,调查了节点区域和内置插板在静力加载过程中的应力演变过程。通过模型的参数研究发现:插板的长度对节点的静力强度影响较大,随着插板长度的增加,节点的静力强度提高,但长度在达到一定的数值后提高效果不再明显;插板的厚度对节点的静力强度的提高效果不大,但插板的厚度不宜过小,防止插板先于节点产生失稳破坏而起不到显著的加强效果。最后,对24个不同尺寸的T型节点分别进行了内置竖向插板加强前和加强后的有限元模拟,研究了推荐尺寸的插板对节点承载力的提高效果。
运营桥梁结构间接系统辨识的模式搜索方法
李炜明, 朱宏平, 丁烈云, 夏 勇
2010, 27(4): 141-148.
摘要:
通过引入模式搜索的下降准则及其算法,部分解决了环境激励下运营桥梁结构间接辨识中可能存在的局部极值与算法收敛的问题,以及工程数据中可能存在的不可导、不连续的问题。引入了带收敛证明的广义模式搜索方法,介绍了模式移动、网格尺寸、表决等概念,通过构造算例来阐述了其搜索机理。对于运营结构的间接辨识,提出了其响应数据可能不可导、甚至不连续,或在一般算法中可能存在局部极值、算法不收敛的问题;基于无导数下降准则的模式搜索,能准确地通过车辆响应来对结构参数、车辆参数进行辨识;通过比较不同噪声水平下算法的迭代过程中的目标函数值、搜索次数、网格尺寸与表决结果,说明了其具备抗强噪声水平干扰的能力;并指出了通过加入罚函数即可向含约束的类似问题推广。
基于逐步扩大网格法的饱和无限地基动力分析
贺向丽, 李同春
2010, 27(4): 149-152,.
摘要:
饱和无限地基的动力分析是研究结构与饱和土共同作用的基础。当用有限区域模拟饱和无限地基时,将在人工截取的边界上发生波的反射,导致模拟失真。该文基于远置人工边界的原理,采用逐步扩大网格法的思想来解决这一问题。并通过算例验证了该方法的精度。该方法避免了饱和介质中其他人工边界实施上的繁琐,并且避开了其它人工边界存在的大角度入射情况以及稳定性问题等不确定因素,可以用于饱和介质中其他人工边界条件的检验工作。
方形钢管混凝土叠合柱的力学性能研究
廖飞宇, 韩林海
2010, 27(4): 153-162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2008.11.0752
摘要:
建立了方形钢管混凝土叠合柱的非线性有限元模型,对其在往复荷载作用下的滞回性能进行了数值模拟。有限元模型考虑了反复荷载作用下混凝土的损伤、构件的几何非线性以及钢筋和内钢管与混凝土之间的粘结滑移。算例分析结果表明,有限元计算和试验结果总体上吻合良好。采用有限元模型对方形钢管混凝土叠合柱在轴压力和侧向力共同作用下的工作机理进行了细致分析。
基于改进LHS方法的预应力混凝土结构长期性能概率分析
熊学玉, 顾 炜
2010, 27(4): 163-168.
摘要:
针对混凝土收缩徐变模型离散性较大的特点,改进拉丁超立方抽样方法的样本点生成策略。改进策略在样本均值误差为零的限制条件下,避免样本点中出现小于0的现象,符合物理意义。收缩应变的简单算例表明:采用改进生成策略后的计算结果与改进前相比,二者均值基本一致,改进后的标准差略有降低。对超长预应力混凝土多层框架结构进行概率分析,考察10000d时间内,季节性温差作用下结构长轴方向端柱顶部位移和结构中部楼板应力的变化趋势。结果表明:改进样本点生成策略可成功应用于大型复杂结构长期性能的概率分析。
钢纤维水泥砂浆加固砌体墙的平面外受力性能
陈升平, TAN Kiang Hwee
2010, 27(4): 169-172.
摘要:
用钢纤维混凝土加固修复工程结构是一种提高其极限承载力和延性的有效方法。该文研究了钢纤维水泥砂浆加固砌体墙的平面外受力性能,试验了4个1000mm×1000mm×115mm的砌体墙,采用30mm厚、纤维体积含量分别为1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的钢纤维水泥砂浆加固。试验结果表明:用体积含量为1.5%的钢纤维水泥砂浆加固效果最好;同时该文数值模拟了钢纤维水泥沙浆加固砌体墙的平面外极限承载力,数值模拟结果与试验结果吻合较好。
大型焊接空心球节点的多轴加载有限元分析与足尺试验
纪 晗, 熊世树, 黄丽婷
2010, 27(4): 173-178.
摘要:
针对武汉体育中心体育馆索支穹顶结构大型焊接空心球支座节点设计的需要,对其进行了非线性有限元分析和足尺试验研究。该节点与12根杆件、2个方向拉索相连,且其中有3根杆件相贯连接。通过有限元分析,得到了该节点的应力分布规律,且在1.4倍设计荷载下,杆件相贯处和其底端部分区域屈服。进一步的足尺试验结果表明,在1.4倍设计荷载作用下,最大杆件根部屈服,与有限元结果基本一致。进而,对这类节点的设计提出了建议。
机械工程学科
螺杆泵系统漏失和磨损机理研究
金红杰, 吴恒安, 曹 刚, 刘 合, 王秀喜
2010, 27(4): 179-184.
摘要:
应用流体动力学和结构力学对螺杆泵系统进行了三维数值模拟,分析液压对螺杆泵特性的影响,提出一种新的解释螺杆泵漏失和磨损的力学机理。建立液腔的计算流体动力学分析模型,有限体积法计算得到螺杆泵液腔压力分布,进一步计算得到液压对转子的作用力和力矩。建立螺杆泵系统定转子过盈接触的有限元法计算模型,分析液压作用在转子上的力和力矩对定转子之间相互作用的影响,以及定子的受力和变形情况。结果表明:液压作用在转子上的力是螺杆泵系统漏失的主要原因,液压作用在转子上的力矩是螺杆泵两端磨损严重的主要原因。
大型液压启闭机油缸活塞杆的计算分析研究
刘礼华, 陈五一, 魏晓斌, 王 蒂, 欧珠光
2010, 27(4): 185-189,.
摘要:
对水利工程中的大型液压启闭机油缸活塞杆进行了计算分析,在分析中考虑了油缸与活塞杆联接间隙所引起的几何变形和油缸活塞杆自重对杆轴横向变形的影响,依据固体力学基础理论对油缸活塞杆的受力与变形进行了定量计算推导,并结合工程实际给出了具体应用算例。该文中指出了目前水利工程运行管理人员对此类启闭机油缸活塞杆安全控制条件的误解。结果表明,考虑几何变形和自重影响的油缸活塞杆的受压问题应属于第二类稳定问题,由强度控制其安全性。研究结果有助于大型表孔弧门油缸活塞杆的设计布置,并指导电站现有油缸活塞杆的安全运行。
其他工程学科
输流管道在分布随从力作用下的振动和稳定性
郭长青, 刘红涛, 王晓锋, 张楚汉
2010, 27(4): 190-196.
摘要:
以Pflüger柱模型和普通输流管道模型为基础,建立了在流动流体和分布随从力共同作用下管道的运动微分方程,并采用Galerkin法进行离散。通过特征值分析,得到了发生发散失稳的临界流速计算公式,以及不同参数下系统复频率随流速的变化曲线。通过Runge-Kutta数值积分法对离散方程组求解,得到了不同参数下管道的位移时程曲线和相图。计算结果表明:分布随从力作用下输流管道发生发散失稳的无量纲临界流速与质量比无关,发生颤振失稳的无量纲临界流速随质量比的增大略微提高;随着分布随从力的增大,发生发散失稳和颤振失稳的临界流速均明显降低;随着质量比的增大,发生发散失稳时管道的位移随时间增加变快,流致振动的振幅增大。在无分布随从力作用和不考虑流体流动两种特殊情况下,所得结果与已有研究一致。
充气天线反射面结构的理论分析与精度预测
毛丽娜, 谭惠丰
2010, 27(4): 197-201.
摘要:
针对充气天线反射面的结构特点,运用无矩理论建立了充气反射面结构分析模型和力边界约束模型。推导出薄膜反射面结构位移和应力的通解以及在特定边界条件下的特解,并通过具体算例对理论法与数值法的分析进行了比较。最后指出了初始几何构型为所设计的反射面结构时,充气后反射面的精度估算方法。并且分析了充气天线结构中各个设计参数和使用条件对形面精度的影响,为充气天线反射面结构的设计和优化提供依据。
冻融循环和荷载耦合作用下CFRP(碳纤维增强聚合物)片材的耐久性试验研究
任慧韬, 李 杉, 黄承逵
2010, 27(4): 202-207.
摘要:
碳纤维增强聚合物(CFRP)在混凝土结构加固领域正在迅速发展,但关于这类材料的耐久性研究仍不充分,尤其对遭受恶劣环境与荷载耦合作用下的耐久性研究。该文研究冻融循环与荷载双因素作用对CFRP片材长期性能的影响,冻融循环次数分别考虑50次、100次、200次、300次,荷载等级考虑极限荷载的30%和60%。分析了双因素作用后CFRP片材的极限抗拉强度、弹性模量和延伸率的影响。结果表明:荷载与冻融循环双因素作用对CFRP片材的抗拉强度和延伸率影响较大,对弹性模量影响较小。最后给出了冻融循环与荷载共同作用下的CFRP片材剩余强度损伤模型。
后碰撞中人体颈部动力学响应的有限元分析
张建国, 王 芳, 薛 强
2010, 27(4): 208-0211.
摘要:
为了得到人体颈部在后碰撞中的动力学响应数据,细化完善了先前建立并验证的符合中国人特征且具有较高逼真度的C1-T1全颈椎有限元生物力学模型,模型由椎骨、椎间盘(髓核、纤维环及软骨终板)、韧带和肌肉构成,用六面体实体单元、梁单元和索单元进行模拟,其材料分别定义为线弹性、粘弹性和索。用后碰撞志愿者实验数据对模型进行仿真,得到各椎骨间相对转角,软组织的等效应力曲线。后碰撞过程中颈部形成S形曲线、C形曲线,各软组织应力曲线峰值均发生于最大S形曲线、C形曲线出现阶段,最大相对转角及各软组织最大应力主要发生在C7-T1。后碰撞中过度伸展易导致颈部损伤。有限元仿真有助于理解颈部运动学及其损伤机制。
海洋顺应式结构的非线性自由振动分析
沈纪苹, 杨 骁
2010, 27(4): 212-217.
摘要:
将海洋平台中顺应式结构简化为底端具有线扭转弹簧支撑,顶端附有集中质量块的水中柔性梁。采用连续介质力学方法,在小变形和大转角的假定下,应用大挠度理论建立了梁的非线性耦合运动控制方程和边界条件。在Morison方程的基础上研究了流体力的作用效应。运用有限差分法和Runge-Kutta法得到了方程数值解,分析了梁在真空中和在水中无阻尼、有阻尼的自由振动,并对大挠度理论下非线性结构与横截面转角近似下非线性结构及线性结构进行了比较。
基于HFFB试验的特高压输电塔风振响应分析
肖正直, 李正良, 汪之松, 晏致涛, 任 坤
2010, 27(4): 218-225.
摘要:
以建设中的向家坝-上海、锦屏-苏南±800kV特高压直流输电线路工程为背景,针对输电塔风致响应复杂的特点,进行了气弹模型风洞试验及高频天平测力试验。利用高频动态测力天平基本原理,在脉动风荷载准定常假设的基础上,估计出输电塔脉动风荷载的空间分布。然后对输电塔进行风振响应分析,并与气弹模型风洞试验的结果进行了对比。计算结果表明:该方法能较好反应风荷载空间分布特性,是对高频天平测力实验局限性的一种可靠方便的扩展,并能很好的反应输电塔结构的横风向风振响应。
爆炸荷载下大空间结构的冲击波压力场分布及泄爆措施研究
高轩能, 王书鹏, 江 媛
2010, 27(4): 226-233.
摘要:
应用LS-DYNA有限元程序建立了模拟大空间结构室内爆炸的计算模型,并对大空间结构在爆炸荷载作用下的冲击波压力场进行了数值模拟计算。通过提取结构表面有限测点的冲击波超压并将其POD分解,解决了爆炸荷载的时空差异性问题,得到了大空间结构的爆炸冲击波压力场分布。研究了全封闭大空间结构和屋顶开洞结构的爆炸冲击波压力场分布规律,结果表明:柱壳和拱形屋顶等全封闭大空间结构在爆炸荷载作用下易于产生顶盖冲击波压力场积聚;合适的孔洞布置可有效泄爆;孔洞率相同的情况下,减小孔洞间阻挡材料的宽度可有效减小爆炸对结构的冲击作用。提出了大空间结构的防爆和泄爆措施。
薄靶板受叶片形弹体撞击的数值仿真研究
何 庆, 宣海军, 廖连芳, 洪伟荣, 吴荣仁
2010, 27(4): 234-239.
摘要:
为研究航空发动机薄壁机匣包容高速飞断平板条叶片的能力,数值模拟了平板条叶片以不同偏航角和初始速度垂直撞击矩形靶板的过程。数值仿真采用Johnson-Cook本构模型和失效准则以考虑应变率、应力三轴度和温度对材料性能的影响,分析了叶片形弹体的偏航角和初始速度对弹体和靶板变形、失效模式及能量损耗过程的影响。结果表明:随着偏航角的增大,靶板的主要失效模式从绝热剪切带破坏过渡到撕裂破坏,破坏及变形区域增大,弹道极限速度提高;平板条的主要变形则为撞击头部的镦粗过渡到整体的弯曲。研究结果对于揭示机匣受断叶冲击破坏机理和改善叶片包容能力设计方法具有指导意义。
短波对港池长周期振荡的影响
王 岗, 马小舟, 马玉祥, 董国海
2010, 27(4): 240-245.
摘要:
该文采用完全非线性Boussinesq方程,模拟波群引起的港内二阶长波振荡的现象,研究了短波对港池振荡的影响。发现:并非所有波群都可以引起港内长周期振荡,而只有短波波长与港口宽度之比大于3.3时港内才会出现明显的二阶长波振荡。且在某些条件下,港内二阶长波的波幅可以达到与短波相同的量值。通过基于小波变换下的自相关系数谱分析发现,港池振荡时港内各次谐波间存在着复杂的非线性能量传递。
太阳辐射模型对钢管混凝土墩柱温度场的影响研究
任志刚, 胡曙光, 丁庆军
2010, 27(4): 246-250,.
摘要:
太阳辐射模型对外界环境作用下的桥梁结构温度场数值模拟分析至关重要。通过选取ASHRAE模型、Hottel模型、Dilger模型3种瞬态太阳辐射计算模型,结合热传导理论和有限元分析方法,建立了太阳辐射作用下的桥梁结构热分析有限元基本方程。并以钢管混凝土墩柱为例,分别就3种模型作用下的“大暑”日与“大寒”日截面温度场进行了分析。结果显示:晴朗天气条件下的截面最高温度、最大非线性温差可分别达到52℃、20℃以上;同时,对3种模型作用下截面温度效应的对比分析表明,Hottel模型具有较好的易用性和普适性,而在有充分的太阳辐射观测数据便于模型待定参数回归分析的地区,ASHRAE模型则较为实用。
考虑膜面二维变形的改进非线性力密度法
向新岸, 田 伟, 赵 阳, 董石麟
2010, 27(4): 251-256.
摘要:
力密度法在张拉膜结构找形过程中不能准确反映膜线单元所代表膜面区域的长度和宽度的非线性变化,找形结果与真实解存在一定的差距。该文提出一种考虑膜面二维变形的改进非线性力密度法,在找形计算过程中同时考虑膜面长度和宽度的变化,并采用Matlab编制了与专业索膜结构软件Easy数据格式兼容的计算程序,通过对比算例证明这种方法可以获得更接近理论解的结果。最后将该方法成功应用于上海2010年世博会世博轴屋盖超大型张拉索膜结构的分析。