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2011年  第28卷  第4期

基本方法
平稳运动稳定性分析的位移变分法
文 颖, 曾庆元
2011, 28(4): 1-006,.
摘要:
该文论述系统平衡状态受到位移干扰(即位移变分)时,产生抗力增量与荷载增量,当前者大于后者时,平衡状态稳定;小于时,则不稳定,得出平衡状态稳定性的力素增量判别准则。而两种增量的代数和即系统平衡方程位移变分与其系数之积,当系数大于零时,平衡状态稳定;小于零时,不稳定,得出位移变分系数的判别准则,简称为位移变分法。按照D’Alembert原理,可将动力学问题转化为静力学问题来处理,此种位移变分法可用于运动稳定性的分析。该文7个例子的计算结果均与经典理论解相同,并有经典解得不出的若干结果。
裂纹面荷载作用下多裂纹应力强度因子计算
刘钧玉, 林 皋, 胡志强
2011, 28(4): 7-012.
摘要:
该文基于比例边界有限元法计算了裂纹面荷载作用下平面多裂纹应力强度因子。比例边界有限元法可以给出裂纹尖端位移场和应力场的解析表达式,该特点可以使应力强度因子根据定义直接计算,同时不需要对裂纹尖端进行特殊处理。联合子结构技术可以计算多裂纹问题的应力强度因子。数值算例表明该文方法是有效且高精确的,进而推广了比例边界有限元法的应用范围。此外,比例边界有限元法可方便的处理各向异性材料裂纹问题,该文计算了正交各向异性材料多裂纹问题的应力强度因子。
基于扩展有限元方法的界面接触算法
喻葭临, 于玉贞, 张丙印, 吕 禾
2011, 28(4): 13-017.
摘要:
该文构建了适用于扩展有限元法(XFEM)的界面接触算法,该算法具备模拟界面上粘连、滑动和分离状态的能力。对平面摩擦问题的计算结果表明,该方法对于界面接触行为的描述能力与常规接触面单元十分接近。对平面应变压剪试样中剪切带问题的模拟分析表明,该算法合理地反映了摩擦接触的耗散机制,从而避免了零能耗散现象,能够较准确地描述平面应变压剪试样中的局部化变形现象。
随机变量概率信息不充分时的可靠性新模型
唐樟春, 吕震宙, 吕媛波
2011, 28(4): 18-022.
摘要:
针对随机变量具有一定的数据积累而又不足以确定概率分布的情况,提出了一种新的可靠性模型。对于具有 个试验样本数据的基本随机变量,给定一映射变量的 个样本数据以形成 个子区间,使得每个子区间只包含1个基本随机变量的样本数据,从而可以确定每个子区间的基本可信度分配BPA。用证据合成的Dempster法则对具有 个基本随机变量基本可信度分配BPA进行合成,而后求得结构失效 的信任测度函数 和似真测度函数 ,进一步可用 和 作为失效概率的上下边界来对失效概率进行近似估计。算例表明,所提模型可以充分地利用样本信息,从而可以合理地度量结构的安全程度。
拉压模量不同圆板的非线性弯曲计算
吴 晓, 黄 翀, 杨立军, 孙 晋
2011, 28(4): 23-027,.
摘要:
拉压弹性模量不同的圆板在均布外载荷作用下,会形成拉压弹性模量不相同的拉伸区和压缩区,把拉压弹性模量不同的圆板看成两种材料组成的层合板,采用弹性力学理论建立了拉压模量不同圆板在均布外载荷作用下的静力平衡方程,利用静力平衡方程确定了拉压弹性模量不同圆板的中性面位置。在此基础上,建立了拉压弹性模量不同圆板的非线性弯曲微分方程,求得了圆板中心挠度与均布荷载的关系式,并把该方法计算结果与有限元方法计算结果进行比较,验证了该计算方法可靠性。算例分析表明:当圆板材料拉压弹性模量相差较大时,其挠度计算不宜采用相同弹性模量弹性理论,而应该采用拉压弹性模量不同的弹性理论。
含多个椭圆孔或裂纹的圆柱体扭转问题
黄 成, 高存法
2011, 28(4): 28-034.
摘要:
基于复势函数理论,提出了一种既简洁又直观的方法来研究含多个椭圆孔或裂纹的圆柱体的Saint-Venant扭转问题。首先,应用保角变换技术以及Faber级数和Fourier级数展开方法,给出了孔边应力和抗扭刚度的半解析解;然后,当椭圆退化成裂纹时推导了裂纹尖端的应力强度因子解。最后,通过几组数值算例,讨论了各种参数的变化对孔周应力集中、抗扭刚度以及应力强度因子的影响,并就特殊情况与文献中的一些结果进行了比较,结果表明了该方法具有精度高,收敛速度快等优点。
基于神经网络模型的结构参数提取新方法
许 斌, 龚安苏, 贺 佳, MASRI Sami F
2011, 28(4): 35-041.
摘要:
参数识别是结构健康监测、性能评估的关键问题之一。作为一种代表性的动力系统时域参数化模型方法,自回归滑动平均(Auto-regressive and moving average, ARMA)模型在机械和土木工程结构的参数识别中得到了广泛应用;另一方面,尽管一般而言神经网络模型的权重和阈值并不需要具备明确的物理意义,但由于神经网络具有描述复杂函数关系的能力,作为一种非参数化模型方法在结构动力系统的建模和控制领域发挥重要作用。该文首先通过结构运动平衡方程的离散时间解,证明了非参数化神经网络模型与ARMA模型在描述线性结构动力系统的响应时间序列上的等效性,在此基础上,提出了一种从结构的非参数化神经网络模型中抽取结构物理参数的新方法。通过一个多自由度系统的数值模拟结果和一个四层钢框架模型的动力试验实测数据验证了所提出的结构参数抽取方法的有效性。
Reissner-Mindlin板壳无网格法的闭锁与灵敏度分析及优化的研究
龚曙光, 曾维栋, 张建平
2011, 28(4): 42-048.
摘要:
该文利用罚函数法施加边界条件,建立了Reissner-Mindlin板壳无网格法的离散形式,通过数值锁死试验,探讨了EFG法、RPIM以及基于节点积分的无网格法在解决Reissner-Mindlin 板壳闭锁问题中所存在的优缺点。所得结果表明,基于匹配近似场和节点积分方案的无网格法在处理剪切闭锁问题时具有优越性。然后以SCNI-MLS无网格法为基础,对Reissner-Mindlin板壳结构的尺寸、形状和轮廓设计进行了统一的设计灵敏度分析,结合约束变尺度序列二次规划法,完成了SCNI-MLS无网格法壳结构优化设计的算例,算例结果验证了所建立灵敏度分析的精度和优化方法的可行性。
土木工程学科
钢管混凝土组合柱轴心受压承载力计算方法
钱稼茹, 江 枣
2011, 28(4): 49-057.
摘要:
简要介绍了钢管混凝土组合柱轴心受压承载力已有的主要计算方法。在提出组合柱轴压承载力极限状态及组合柱轴压峰值应变的基础上,建立了组合柱轴压承载力计算公式。采用该文公式计算了34个组合柱试件的轴压承载力,计算值与试验值符合良好。为使轴心受压组合柱的峰值应变大于管外箍筋约束混凝土的轴压峰值应变、小于钢管混凝土的轴压峰值应变,提出了钢管混凝土截面面积在组合柱总面积中所占比例的上限值建议。
权函数法计算的混凝土断裂韧度
张秀芳, 徐世烺
2011, 28(4): 58-062,.
摘要:
在采用解析方法确定混凝土的双K断裂韧度时,粘聚断裂韧度计算的准确性直接影响起裂韧度断裂控制参数计算的准确性。根据权函数法,给出了基于CEB-FIP粘聚应力软化函数计算的粘聚断裂韧度的表达式。使用最大高度为1000mm的五组楔入劈拉紧凑拉伸试件测量的最大荷载和临界裂缝嘴张开口位移,计算了混凝土的双K断裂韧度,并与积分解析计算公式进行了对比。结果表明,两种解析计算方法较为吻合,最大误差不超过2%。
非加劲钢板剪力墙结构分析等代模型研究
郭彦林, 周 明
2011, 28(4): 63-075.
摘要:
非加劲钢板墙等代模型Strip Model(SM)由Thorbur在1983提出,并被加拿大国家标准CAN/CSA S16-01及美国AISC推荐。但前人研究发现,应用SM模型获得的极限承载力和初始侧移刚度总是不同程度低于试验包络线。为弥补上述缺陷,加拿大Alberta大学于2005年提出了修正的等代模型Modifided Strip Model(MSM)。尽管如此,SM和MSM的具体适应范围始终未能界定。该文的分析表明,当墙板较厚时,SM的计算结果过于保守,MSM则未能弥补SM的关键缺陷,也不是合理的等代模型。一般厚度的非加劲墙板,除拉力场效应外,还应包括一部分剪切作用,SM获得的结果偏保守之主要原因在于完全忽略了墙板的剪切部分。为此,该文提出了适于用任意墙板厚度(厚板、中厚板及薄板)的统一等代模型Unified Strip Model(USM),该模型由剪切和拉力场两部分组成,针对墙板厚度的变化,二者的比例相应调整。结果显示,与SM相比,USM大幅提高了初始侧移刚度和框架内力的准确度,克服了滞回曲线过度的捏缩现象,消除了等代模型如SM适用范围不明确的问题。
有挤压墙面板堆石坝的面板温度应力分析及改善措施研究
程 嵩, 张 嘎, 张建民, 侯文峻
2011, 28(4): 76-081.
摘要:
该文在综合考虑挤压式边墙、面板、坝体相互作用的基础上开发了面板堆石坝面板温度应力的数值模拟方法并验证了其合理有效性,然后重点分析了挤压式边墙这种结构对于面板堆石坝面板温度应力的影响规律。分别采用沈珠江双屈服面弹塑性模型和清华弹塑性损伤模型描述堆石料和土与结构接触面,结合三维有限元分析方法计算了设置挤压式边墙以及面板与挤压墙之间采用不同填料时面板的温度应力。在此基础之上,从挤压墙与面板接触面的角度,提出了减小面板温度应力的措施,并进行了计算论证。结果表明:挤压式边墙对于面板温度应力会产生不利的影响;面板与挤压墙之间的不同填料对面板温度应力有一定的影响;面板与挤压墙之间设置沥青油毡等填料有利于减小面板的温度应力。
部分柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构
吴 波, 吕文龙, 熊 伟
2011, 28(4): 82-088,.
摘要:
从抗倒塌角度出发,提出了部分柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构的设想,并建议了具体的设计方法及步骤。通过弹塑性分析,初步比较了该类新型结构与常规框剪结构的经济性及弹塑性地震响应。研究结果表明: 1) 通过柱顶滑移释放部分框架柱的柱顶内力,可在造价略有增加的情况下,使结构具有更好的抗倒塌能力;2) 与滑移柱顶相联的摩擦支座的摩擦系数在一定范围内时,该新型结构既具有与常规结构相近的抗侧刚度以确保小震不坏,又能在大震下确保结构的竖向承载能力以实现大震不倒。
矩形截面二次预应力组合梁结合面徐变应力分析
胡云耀, 邵旭东, 罗建辉
2011, 28(4): 89-095.
摘要:
高速铁路桥梁对于徐变上拱度有着严格的限制。二次预应力组合梁结构既可以满足受力要求又可以减少徐变上拱,是一种值得推广应用的新型预应力结构。二次预应力组合梁由于施工工艺的原因,两期混凝土的恒载应力和龄期不同,徐变变形相互约束导致结合面上存在徐变引起的应力。用随龄期调整的弹性模量代替混凝土弹性模量,采用三角级数描述结合面应力,通过最小余能原理考虑结合面上的变形协调求得结合面徐变应力。由一个具体算例得到矩形截面二次预应力组合梁结合面徐变应力的分布形式,可为结合面抗剪设计提供参考。
基于本征模态补偿的大跨屋盖脉动风等效静力风荷载
孙五一, 周晅毅, 顾 明
2011, 28(4): 96-101.
摘要:
在刚性建筑模型风洞测压试验的基础上,该文首先根据脉动风荷载引起的多个等效目标响应而对由结构上脉动风荷载的协方差本征变换得到的本征模态进行补偿,然后提出了一种新的计算线性复杂大跨屋盖脉动风荷载的等效静力风荷载的方法,最后并应用于一实际工程中。计算结果表明该文方法具有物理含义明确、计算方法简单和计算精度较高的优点,能比较有效地避免以前传统方法计算等效静力风荷载的缺陷,可以满足工程设计的需求。
钢筋混凝土纤维梁柱单元实用模拟平台
禚 一, 李忠献
2011, 28(4): 102-108,. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2009.09.0624
摘要:
为精细化模拟钢筋混凝土结构的非线性滞回性能,建立了钢筋混凝土纤维梁柱单元的一种实用模拟平台FENAP,开发了相应的具有钢和混凝土多种单轴本构模型的材料库。FENAP平台可考虑构件刚度和强度退化等损伤效应、轴力和弯矩的多维耦合效应以及箍筋对混凝土的约束效应。分别运用FENAP平台和OpenSees软件模拟了圆形钢墩柱和矩形钢筋混凝土悬臂梁在反复加载下的滞回性能,并对两者的模拟结果进行了比较分析。结果表明,利用该文所建立的FENAP平台可精细模拟桥梁构件的复杂非线性行为,且计算效率和求解精度高,从而为长大桥梁地震灾变过程模拟提供了实用的分析手段。
外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱连接节点试验研究
石启印, 丁 芳, 轩 元, 李爱群
2011, 28(4): 109-115.
摘要:
在外包钢-混凝土组合梁研究基础上,介绍了2个外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱的连接节点,并对其进行了低周反复荷载作用下的试验研究。对节点的破坏形态、滞回曲线、强度、延性及钢管等的应变等性能进行了分析。试验结果表明:通过合理的构造措施,外包钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱的连接节点具有较强的受剪承载力、较好的延性和耗能能力,能够满足工程要求。在此基础上对节点的受力机理进行了探讨,提出了节点核心区受剪承载力的计算公式,并对试验主要结果进行有限元模拟。
火灾下钢节点牢固性的研究与展望
余红霞
2011, 28(4): 116-121.
摘要:
阐述了钢结构中节点在常温下和在高温下的行为和设计方面存在的差异,指出采用在常温下的设计方法应用于火灾设计时不合理的地方,并提出在高温下的设计中应该综合考虑节点的牢固性。接着,该文介绍了一组旨在研究常用的节点在高温下的牢固性的试验,并对试验的主要观察现象和结论做了报告。最后,针对性能化设计体系,总结了节点设计中的3个要素,即节点的抗弯能力、抗轴拉/压能力和塑性转动能力之间的关系,并提出了在高温下对节点进行性能化分析和设计的方法。
基于能量动量方法的空间薄膜结构的展开分析
肖 潇, 关富玲, 程 亮
2011, 28(4): 122-127.
摘要:
基于能量、动量以及动量矩(角动量)守恒定律,该文对传统的拉格朗日方程进行了修正,将能量动量法应用于空间薄膜结构的展开分析中,该方法不仅保证了计算的精度和数值积分的稳定,而且在薄膜的非线性变形分析中,将小刚度模型引入薄膜的褶皱松弛分析,同时考虑了气体的热力学性能、气体与薄膜的耦合作用以及薄膜的自接触等问题。通过对充气管的展开分析,将模拟结果与文献实验结果进行了比较,发现充气管各个时刻的展开形态与实验结果吻合良好,且气压和体积随时间的变化与基本理论相符,从而验证了这种方法在模拟空间薄膜结构的展开分析中的可行性。最后运用能量动量法对一些典型的空间薄膜结构进行了数值分析。与传统的有限元分析方法相比,能量动量法能保证时间积分和迭代的稳定性,能有效地分析空间薄膜结构的展开,是一种比较精确的模拟方法。
大跨钢结构安全性模糊综合评估方法的应用研究
熊仲明, 冯成帅
2011, 28(4): 128-133.
摘要:
由于工程应用中空间钢结构跨度增大导致结构整体失稳问题越来越突出,加之钢结构本身存在着连接、材性、疲劳、应力集中、焊接等自身缺陷,将产生了较多的不确定性因素,直接影响着大跨度钢结构的安全。对此,该文将层次分析法、模糊理论等方法应用于大跨钢结构安全性的综合评估中,结合大跨钢结构的受力特点,采用二级模糊综合评估方法建立了大跨钢结构模糊综合评估模型,利用层次分析法的原理,结合专家经验和研究成果确定了大跨钢结构构件和各子项的权重值,提出了大跨钢结构各项目权向量判断矩阵和大跨钢结构构件鉴定各子项权向量判断矩阵,为大跨钢结构评估结果的准确性提供保障。最后,将大跨钢结构的安全评估结果与试验进行对比,验证了安全评估方法的可行性,为类似工程的安全评估提供参考。
复合材料层合梁和夹层梁屈曲问题数值分析
邹爱丽, 任晓辉, 秦政琪
2011, 28(4): 134-137.
摘要:
该文基于锯齿理论构造了两节点梁单元,并用此单元分析了软核夹层梁屈曲问题。该文使用的锯齿理论能够预先满足层间应力连续条件,并且未知变量的个数独立于层合梁的层数。为了说明锯齿理论的准确性,Reddy理论和一阶理论也被选择作为比较。数值结果表明:基于锯齿理论构造的梁单元能够准确的预测软核夹层梁的临界载荷,然而Reddy理论和一阶理论明显高估了此结构临界载荷。
纤维高强混凝土的动态力学性能试验研究
杜修力, 窦国钦, 李 亮, 田予东
2011, 28(4): 138-144,.
摘要:
为研究纤维高强混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,采用大尺寸75mm Hopkinson压杆,对三种纤维含量的钢纤维高强混凝土、PVA纤维高强混凝土试件进行了三种应变率范围的冲击压缩试验,得到了它们在较高应变率范围内的动态应力-应变关系。试验表明纤维高强混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内纤维高强混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的。纤维高强混凝土材料的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大。钢纤维和PVA纤维对混凝土耗能能力的改善和提高表现在材料达到峰值应力后开始破坏的过程中。同时也对两种纤维高强混凝土材料的纤维增韧特性及耗能机理也进行了分析和探讨。
地震荷载下双腹板-顶底角钢连接半刚接钢框架的动力特性研究
完海鹰, 王建国, 王秀喜
2011, 28(4): 145-150.
摘要:
利用大型有限元分析软件ANSYS对双腹板、顶底角钢半刚性连接的钢框架进行了三维弹塑性动力有限元分析。该分析采用了有限元实体建模,考虑了钢框架连接节点的非线性、几何非线性以及材料非线性等因素。通过有限元数值模拟分析得出了在地震荷载作用下,半刚性节点刚度的变化对钢框架的基本自振周期、楼层剪力、楼层位移、楼层加速度和节点的弯矩-转角关系的影响规律,并将部分数值模拟分析结果与拟动力试验结果进行对比,发现这两种研究方法所得结果基本一致。通过该文的分析,得出了节点刚度的变化对结构动力特性影响的一般规律,为今后高层钢结构设计和钢结构规范的修改提供了一定的理论依据。
基于并行混沌和复合形法的桁架结构形状优化
郭丽华, 汤文成, 袁 满
2011, 28(4): 151-157.
摘要:
针对多工况下受应力、位移和局部稳定性约束的桁架形状优化问题,提出了基于并行混沌优化算法和复合形法的混合优化算法。该算法综合利用了并行混沌的全局搜索能力,复合形法的快速局部搜索能力和混沌细搜索。首先,利用并行混沌优化算法快速搜索到全局最优解附近,然后应用改进复合形法以并行混沌的优化解为初始复形进行搜索,提高了最优解的搜索速度,最后应用混沌细搜索策略提高最优解的精度。两个典型数值算例验证了该混合优化方法对桁架形状优化问题的有效性和稳定性。
基于试验的混凝土高温短期徐变计算模型
邢万里, 时旭东, 倪健刚
2011, 28(4): 158-163.
摘要:
通过试验考察了应力水平、持荷时间、作用温度和混凝土强度等级等因素对混凝土高温短期徐变的影响。结果表明,混凝土高温短期徐变与应力水平和持荷时间分别呈正比和幂函数关系,而随作用温度增加抛物线状地增大。但混凝土强度等级不同时这些因素的影响程度也有所不同,并且混凝土强度等级和作用温度具有明显的耦合影响特性。基于这些试验结果分析,该文给出了有助于更好地进行混凝土结构高温受力性能计算分析的混凝土高温短期徐变计算模型。
带肋钢筋与混凝土间粘结滑移本构模型
赵卫平, 肖建庄
2011, 28(4): 164-171.
摘要:
研究了带肋钢筋和混凝土之间的粘结滑移性能,推导了楔形体在尖部受集中力作用的位移解答,然后基于锥楔作用的受力机制建立了滑移量与位移边界条件的关系。根据拔出试验的破坏特征,将粘结滑移曲线的上升段按混凝土开裂与否分为两个阶段,分别采用不同的理论模型进行计算。理论模型中把滑移量作为位移边界条件引入,通过对滑移量的改变实现边界条件的变化,从而得出峰值粘结强度前各级滑移量下的粘结应力。分析了影响下降段的主要因素并拟合了呈负指数衰减规律的下降段。最后,将该文的理论本构模型与试验进行了对比、 分析。
机械工程学科
随机参数齿轮-转子系统扭转振动固有频率分析
魏永祥, 陈建军, 王敏娟
2011, 28(4): 172-177.
摘要:
应用拓广的随机因子法分析了物理参数和几何参数均为随机变量的齿轮-转子系统的时变固有频率。将系统的刚度矩阵和质量矩阵分解为具有相同随机因子的矩阵之和的形式,再由求解系统固有频率的瑞利商公式出发,将系统频率展成部分频率分量之和的形式,利用求解随机函数数字特征的代数综合法求解系统固有频率的数字特征。通过算例分析了随机参数对系统固有频率的影响,并验证了方法的可行、有效和正确性。
铁路钢轨打磨目标型面研究
崔大宾, 李 立, 金学松, 周亮节
2011, 28(4): 178-184.
摘要:
提出一种基于轮轨接触界面法向间隙的钢轨踏面设计方法,寻找了重载线路上较小轮轨接触应力水平的钢轨打磨目标型面,为新铺设钢轨预打磨及预防性打磨方案的设计提供理论依据。根据三维非赫兹滚动接触理论寻找了轨头的优化范围,在此范围内能保证轮对动态横移过程中,轮轨接触点附近最小法向间隙的钢轨轨头外形。针对重载线路轮轨伤损严重的问题,利用目前的方法对现有的60kg/m钢轨进行了优化设计。利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后钢轨踏面与原车轮接触时静态接触性能及动态接触性能进行了分析。结果表明,优化后轮轨界面之间具有较好的“共形”接触特性,在不降低车轮其他动力学性能的情况下,钢轨踏面优化后的轮轨接触应力显著地降低,并且使左右轮轨磨耗程度趋于均衡,可以有效降低轮轨磨耗与滚动接触疲劳。
基于索力优化的FAST柔索牵引并联机构的静力学分析
李 辉, 朱文白, 潘高峰
2011, 28(4): 185-193,.
摘要:
FAST望远镜的馈源支撑是一个跨度巨大的柔索牵引并联机构,其中可承载用于收集射电波信号的馈源接收机的馈源舱由六根并联的支撑钢索悬挂于空中,并随着6索的协调收/放可在空中大范围缓慢运动。由于支撑钢索的截面尺寸较大,在机构平衡状态下其自重不能忽略。其中一部分钢索还需要悬挂入舱的动力电缆和通讯光缆,因此馈源舱运动范围、馈源舱姿态、各索的张力和索的几何构形均存在着复杂的耦合关系。该文建立了支撑钢索和馈源舱的静力平衡方程,通过引入各索张力均衡分配的优化原则,对舱静力平衡方程进行了优化求解,并获得了各索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化计算结果。从各索张力的优化计算结果可推导出各索张力的最大值、最小值和变化趋势。基于馈源舱姿态角的优化计算结果,并结合馈源接收机在焦点位置所必须达到的姿态角控制要求,估算了舱内的AB转轴机构所需要的最小姿态角补偿范围。该文最后分析了支撑塔高度和馈源舱的重心位置对于索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化分布计算结果的影响。分析结果表明最大索张力对于支撑塔高度较为敏感且成反比,而舱姿态角对馈源舱的重心位置较为敏感。这两项重要参数均应在未来FAST的设计中进行优化。
不锈钢热连轧机粗轧支持辊剥落影响因素的有限元分析
曹建国, 王燕萍, 孔 宁, 杨连宏, 侯安全, 王泽斌
2011, 28(4): 194-199.
摘要:
该文分析某2250不锈钢热连轧粗轧机频繁发生支持辊严重边部剥落难题的影响因素。通过理论及实际剥落断口形貌分析,指出世界上不锈钢产量最大的该生产线复杂轧制工艺条件和服役期内辊系力学行为引起的不均匀辊间接触压应力分布是该轧机轧制过程中轧辊剥落的主要原因。根据现场跟踪实测数据,采用大型通用有限元软件建立了四辊轧机辊系三维有限元模型,仿真分析了带钢宽度、轧制力、轧辊磨损对辊间接触压应力峰值和位置的影响。结果表明:随着带钢宽度和轧制力的增大,辊间接触压力峰值增幅明显,辊间接触压力分布不均匀度系数基本不变;在不同磨损阶段,当工作辊和支持辊都处于服役后期时,压力峰值、不均匀度系数显著增大,均在距轧辊辊身边部附近存在接触压应力尖峰,且此位置与实际剥落位置一致。研究结果为成功研制的新支持辊形技术投入长期稳定工业应用累计轧制600万t以上未再发生剥落提供了理论依据。
其他工程学科
考虑补偿的多自由度实时耦联动力试验时滞稳定性分析
迟福东;王进廷;汪 强;金 峰&#;
2011, 28(4): 200-207.
摘要:
该文首先建立考虑振动台响应时滞和时滞补偿策略的多自由度实时耦联动力试验的数学模型。然后以二层和三层框架结构为例,采用基于Padé展开逼近时滞项的根轨迹方法研究其稳定性。最后利用试验验证了理论分析得出的稳定条件。结果表明:时滞要求物理子结构和数值子结构的质量比小于一定的临界值才能保证试验的稳定;该临界值随时滞和结构自振频率的增大而降低,随结构阻尼比的增大而增大;在中低频段,三阶多项式补偿有利于提高这一临界值。
深水钢悬链线立管非线性有限元静力分析
白兴兰, 黄维平
2011, 28(4): 208-213.
摘要:
基于大挠度柔性索理论,采用可曲线梁模型模拟钢悬链线立管,考虑触地点挠度的影响,对CABLE3D程序进行了二次开发。同时考虑浮式结构运动和钢悬链线立管与海底相互作用问题,分析了Spar平台静态偏移引起的钢悬链线立管静态位形、顶张力、触地点弯矩以及挠度影响下节点有效张力的变化趋势。分析表明:浮体运动将引起立管顶张力和触地点弯矩的峰值,而且触地点挠度对轴力的影响也不容忽视。研究可为钢悬链线立管的设计分析提供一定的参考。
高阶纵向超声导波在钢绞线缺陷检测中的应用研究
刘增华, 赵继辰, 吴 斌, 何存富
2011, 28(4): 214-220.
摘要:
为了实现对钢绞线的主动健康监测,采用安装在结构外表面上的磁致伸缩传感器激励和接收高阶纵向超声导波,优化各种参数以用于缺陷的识别和评估。实验选取经Hanning窗调制的正弦脉冲信号在7芯钢绞线中激励中心频率0.86MHz的高阶纵向超声导波L(0,2)模态,用于在两根钢绞线外围钢丝和中心钢丝中人工缺陷的检测。实验分析了L(0,2)模态对不同钢丝中的缺陷敏感程度,并进一步研究了缺陷深度和激励信号周期数对接收到的导波信号幅度的影响。实验结果表明,利用磁致伸缩传感器激励频率0.86MHz的L(0,2)模态可以用于钢绞线中的缺陷检测,对钢绞线外围钢丝的检测能力优于中心钢丝,并且缺陷回波的幅度可实现对缺陷大小的表征。同时,激励信号周期数的优化对高阶纵向超声导波用于钢绞线的缺陷检测显得十分重要。
不同激振条件下减振器对钻柱纵向振动的影响
王文龙, 李子丰
2011, 28(4): 221-225.
摘要:
利用钻柱纵向振动数学模型,在钻头处分别施加激励位移(即激励位移法)和激励力(即激励力法),对比分析了减振器刚度和安装位置对常用塔式钻柱钻杆中最大轴向应力振幅和井口钻柱轴向位移振幅的影响。分析发现:二者随转速的变化曲线呈连续的凹坑形,钻井时应优选转速使二者尽可能小;减振器的安装位置和刚度对二者有重要影响,当钻头处采用不同的激振条件(激励位移法和激励力法)时,减振器对二者的影响规律不同,甚至相反。应该采用激励位移法研究钻柱纵向振动问题。今后应考虑减振器阻尼的影响,通过井下实测评价减振器的作用和开发新型减振器。
先进格栅增强复合材料结构在软模共固化成型过程中工艺参数研究
黄其忠, 任明法, 陈浩然
2011, 28(4): 226-231,.
摘要:
先进格栅增强复合材料结构(AGS)软模共固化工艺成型过程是一个包括固化度、温度和应力场等相互耦合作用的复杂历程,工艺参数的选择将直接影响AGS产品的性能。该文以一简单正交AGS板为例,采用有限元分析方法对其软模共固化成型工艺过程进行数值仿真,讨论了工艺间隙、工艺环境和固化制度等对成型工艺过程中预浸料内部固化度,温度和应力场分布规律的影响,并提出了确定相应的工艺参数的意见。论文工作对AGS软模共固化工艺设计具有一定的参考价值。
压电材料的K正则方程及其层合板的显式辛算法
卿光辉, 王亚辉, 李顶河
2011, 28(4): 232-237.
摘要:
显式辛数值算法有一个重要的特性,即在长时间内保存Hamilton函数的指数幂,用这种方法求解可分的微分方程所得到的解逼近精确解。该文基于压电材料修正后的H-R混合变分原理,首先推导了Hamiltonian四节点有限元列式,然后通过对该列式进行行列变换,得到了K正则方程。最后将显式辛数值算法用于求解压电材料层合板的静力学问题,数值算例说明显式辛数值算法完全可以应用到高维的微分方程中。
准脆性材料损伤斑图生长的数值模拟
王 利, 李示波
2011, 28(4): 238-244,.
摘要:
准脆性材料损伤斑图的生长过程研究,对于认识重大工程动力学灾变孕育、发生的机制具有特别重要的基础性意义。尤其是岩石类动力学灾害如地震、岩爆、煤矿开采中的三突,其形成机制都可归结为岩石损伤演化诱致结构灾变的模式。损伤斑图的生长过程可以再现灾变的孕育、发生过程,具有非常深刻的物理力学背景。该文根据微损伤不可逆演化原理,利用格形有限元模型,模拟二维平板在自适应位移加载条件下,从点状微损伤斑图到宏观贯通断裂的不可逆的分形生长过程。其中的微损伤机制全部采用拉应变准则,数值程序是在ANSYS平台上开发。结论表明,形态复杂的斑图可由细观单元简单的动力学规则和单元间的相互耦合演绎形成,斑图边界呈分形向外移动。最后,对斑图生长过程对工程灾变预测的启示作了初步讨论。
导弹适配器与发射筒过盈配合研究
李士军, 乐贵高, 林国问, 马大为
2011, 28(4): 245-250.
摘要:
针对导弹适配器与发射筒过盈配合问题,根据力学平衡原理,分别推导了可压缩橡胶泡沫圆筒和不可压橡胶圆筒的变形模式,给出了位移、应力表达式,建立了求解适配器与发射筒过盈配合问题的非线性代数方程组。采用有限元法和解析解法对某导弹适配器与发射筒过盈配合问题进行了计算和对比,结果表明:有限元法计算的位移和应力与理论解吻合很好,但是当材料交界面和过盈配合面上环向应力不连续时,有限元解误差较大。该文揭示了适配器和发射筒的应力和位移在不同过盈量下的变化规律,为适配器的设计提供了理论依据。
管道内旋转细长梁的固液耦合方法研究
刘巨保, 罗 敏, 王 琳, 栾一秀
2011, 28(4): 251-256.
摘要:
管道内旋转细长梁是石油钻采工程中的特有结构,旋转细长梁不仅与管道内壁产生随机多向碰撞,还与细长梁内外管道和环空流体耦合,是一个复杂的非线性固液耦合系统,迄今还未见该方面的研究文献。该文考虑管道内旋转细长梁的结构和工作状态,将结构动力学方程、流体连续方程和动量方程耦合,推导了界面力和界面位移的计算公式、迭代格式及收敛准则,建立了管道内旋转细长梁固液耦合动力学分析的三维数值模型和计算方法。算例表明:该方法能够描述管道内旋转细长梁的动力学行为,揭示了管道和环空流体与旋转细长梁的耦合效果,具有较高的计算精度和效率,数值计算与实验结果吻合较好。为进一步研究石油钻采管柱的固液耦合动力学提供了可行的计算模型和研究方法。