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2012年  第29卷  第5期

基本方法
结构矩阵分析中的“平衡几何”互伴定理
龙驭球
2012, 29(5): 1-7.
摘要:
在结构矩阵分析中,“外力-内力”之间的平衡分析及其平衡矩阵[H],“位移-变形”之间的几何分析及其几何矩阵[G],是两大主题和两个主要矩阵。该文提出并论证平衡矩阵[H]与几何矩阵[G]之间的互伴定理。分四点论述:1) 建立杆件单元e 的平衡矩阵[H]e和几何矩阵[G]e,指出[H]e和[G]e的表示形式不是唯一的,有多种方案可供选择(该文给出方案I 和方案II 两种不同形式);2) 指出[H]e和[G]e可形成多种组合,其中有的是互伴组合(即[H]e与[G]e互为转置矩阵),有的不是互伴组合;3) 建立“平衡-几何”互伴定理:如果所选取的单元内力向量{FE}e和单元变形向量{Λ}e 互为共轭向量,则其平衡矩阵[H]e 和几何矩阵[G]e 必为互伴矩阵;4) 应用虚功原理可导出“平衡-几何”互伴定理。虽然两者的表述形式不同,但两者是互通的。
张量积形式的三维延拓 Kantorovich 法
林永静, 袁驷
2012, 29(5): 8-12.
摘要:
该文采用张量积的试函数逼近形式,即u(x,y,z)={X(x)}T[Z(z)]{Y(y)},成功地建立了三维延拓Kantorovich 法的算法方程式,克服了简单试函数逼近形式的迭代不收敛的数值困难。三维Poisson 方程的数值算例显示了该算法的迭代收敛性以及高精度和高效率。
考虑损伤累积及杆件失稳效应的网壳结构极限承载力分析
丁阳, 葛金刚, 李忠献
2012, 29(5): 13-18,30.
摘要:
为准确分析地震作用下网壳结构的极限承载力,推导了适用于网壳结构常用杆件圆钢管的考虑损伤累积的混合强化本构模型;引入了杆件失稳判别条件和杆件失稳后的力学模型;编写了考虑损伤累积和杆件失稳效应的基于有限元软件ABAQUS 空间梁单元的材料子程序VUMAT-DMB。通过与理论计算结果和已有试验结果进行比较,验证了所编程序的正确性和准确性。算例分析表明:考虑损伤累积对网壳结构极限承载力影响不大,杆件失稳效应将明显降低网壳结构极限承载力。
柔度法梁柱单元考虑损伤分布的高斯积分方法
郝效强, 李杰
2012, 29(5): 19-25.
摘要:
分析了积分方案对基于柔度法梁-柱单元模型的影响,将高斯积分和钢筋混凝土梁、柱构件损伤特点结合起来,提出了考虑损伤分布的积分方法。将单元非线性区域划分为塑性铰区、开裂区、过渡区,一方面赋予高斯积分区域物理含义,另一方面使得塑性铰区域可以向相邻的开裂区、过渡区扩展,实现塑性铰长度动态变化。对钢筋混凝土框架结构进行静力非线性分析,结果表明:该积分方案更能反映梁、柱构件的实际损伤,具有较好的数值稳定性和收敛性。
含半圆形衬砌凸起弹性半空间问题的Green函数解
南景富, 齐辉
2012, 29(5): 31-36.
摘要:
采用复变函数法研究了含半圆形衬砌凸起的弹性半空间中水平界面承受出平面线源荷载时的Green 函数解。该问题采用“契合”的思想求解,首先,将整个求解区域分割成两部分来处理,其一为含半圆形凹陷的弹性半空间,其二为圆形衬砌区域;其次,构造满足含半圆形凹陷半空间水平界面应力自由的散射波,构造满足圆形衬砌半圆形凸起应力自由的驻波;最后,在两个区域的“公共边界”上实施“契合”,满足公共边界处位移和应力的连续性条件,同时满足圆形衬砌内边界应力自由边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组,并给出了水平表面位移幅值的具体算例和数值结果,并对其进行了讨论。
内侧交错布索索拱结构面内弹性稳定的研究
黄利锋, 冯健, 陈翠
2012, 29(5): 37-46,52.
摘要:
基于小挠度理论,推导了两类内侧交错布索-索拱结构(等长均布式和两端辐射式)在径向均布荷载作用下面内弹性挠曲的总势能方程。基于能量变分原理,采用Ritz法求解两类索拱面内弹性屈曲临界荷载及屈曲形态,讨论了结构参数对弹性屈曲临界荷载的影响。结果表明:该文方法具有较高的精度和效率。拱的轴向伸缩和剪切变形对临界荷载的影响很小,可忽略不计。第一类索拱面内的屈曲形式为反对称,而第二类索拱,多数情况为反对称,少数为正对称。内侧交错布索对提高拱结构的整体稳定性效果显著。两类索拱的临界荷载随索截面积的增加而增加,随拱长细比的增加而减小,随拱矢跨比的增加而先增加后减小。初始张拉力对临界荷载的影响较小。
可变体系运动与变形混合问题的拟动力解法
王忠全, 张其林, 常治国
2012, 29(5): 47-52.
摘要:
土木工程中常遇到在施工安装过程中经历较大机构位移和弹性变形的可变体系。该文基于可变体系的动力运动方程,采用考虑大位移的几何非线性单元对可变体系进行离散,将直接积分法与动力松弛法相结合,在直接积分法的逐步求解过程中引入动力阻尼,提出了可变体系混合问题的拟动力分析方法,编制仿真程序进行了算例分析。计算结果表明:采用该文方法可有效跟踪求解可变体系机构运动与弹性变形混合问题的全过程路径。
低温流体空化特性的数值计算研究
时素果, 王国玉, 马瑞远
2012, 29(5): 61-67.
摘要:
采用数值计算的方法研究了液氮和液氢的空化流动特性。为了考虑温度影响,控制方程采用了连续方程、动量方程及能量方程,并应用二次开发方法在商业软件中引入Merkle 空化模型及物质属性,物性参数随流场温度变化而不断更新。分别对液氮和液氢几个工况进行了计算,并与实验结果进行了对比。结果发现,在液氮和液氢中,当流体温度接近临界点时,热力学效应表现显著。热力学效应显著主要表现在空穴变短、水蒸汽含量减少和汽液界面变的模糊。由于密度比、饱和蒸汽压随温度变化梯度等物质属性的不同,相对液氮,液氢的热力学效应更加明显。
土木工程学科
基于风洞试验的双曲冷却塔静风整体稳定研究
张军锋, 葛耀君, 赵林
2012, 29(5): 68-77.
摘要:
针对双曲壳体冷却塔的静风整体稳定进行研究,介绍了现行规范条款的试验背景,探讨了其试验方法和结果,并对试验结果和计算结果进行比较分析。以现阶段代表性大型双曲壳体冷却塔为例,在动力特性分析的基础上,研究了其分支点和极值点整体失稳特征和内压取值及加劲环设置对整体稳定性的影响。研究发现:冷却塔塔筒的振型可以看作是上下弹性支撑水平圆环结构和左右弹性支撑子午向悬臂结构振型的耦合;其风压作用下的几何非线性特征并不明显,结构的失稳是突然发生的,极值点失稳形态既表现出静力计算的变形特征,又带有分支点屈曲模态的倾斜谐波;冷却塔整体稳定性随内压取值的增加而显著下降,而增设加劲环能够增加和协调塔筒刚度分布从而提高结构的稳定性,并且加劲环设置在失稳形态变形最大的位置效果最为显著。
电除尘器壳体墙板立柱结构体系缺陷敏感性研究
王登峰, 王元清, 石永久, 戴海金
2012, 29(5): 78-85,106.
摘要:
电除尘器是用于消除大气烟尘的重要环保设备,壳体是其中最重要的工艺部分。壳体墙板为加劲钢板,与立柱连续焊接连接,组成共同承载的结构体系。壳体承受的横向荷载为负压与风荷载,作用在墙板上,壳体承受的竖向荷载主要作用在立柱上。墙板的初始缺陷会影响立柱的承载能力。该文通过非线性有限元方法,研究不同缺陷幅值时,完善结构极值点变形缺陷模态、完善结构非线性分岔点变形缺陷模态、特征值屈曲缺陷模态、墙板正弦波形缺陷模态以及墙板安装过程中的焊接收缩残余变形与残余应力对立柱承载力的影响。当缺陷幅值一定时,各种初始几何缺陷形式中,以完善结构的极值点变形缺陷模态为最不利。墙板安装过程中的焊接收缩引起的残余应力对于立柱承载是有利的,但是提高承载力很小。随着焊接收缩量的增大,残余应力值增大,同时考虑残余应力和残余变形影响得到的立柱承载力比仅考虑残余变形得到的承载力的增加量变大。
圆、矩形钢管混凝土短斜柱力学性能试验研究
任庆新, 郭俊峰, 贾连光, 刘泓
2012, 29(5): 86-92.
摘要:
该文对6 个圆钢管混凝土短斜柱、10 个矩形钢管混凝土短斜柱进行了竖向荷载作用下的试验研究,探讨了倾斜角度对圆、矩形钢管混凝土短斜柱抗压力学性能的影响,建议了圆、矩形钢管混凝土短斜柱强度承载力计算式。结果表明:1) 随着倾斜角度的增加,圆、矩形钢管混凝土短斜柱极限承载力和刚度均有下降的趋势;2) 建议的极限承载力计算式计算结果与试验结果总体上较为吻合,可用来预测圆、矩形钢管混凝土短斜柱的截面强度。
重复荷载下钢筋与混凝土粘结本构关系
蒋德稳, 邱洪兴
2012, 29(5): 93-100.
摘要:
重复荷载下粘结滑移本构关系是结构疲劳计算和有限元分析的基本关系之一。该文通过23 个试件静载和重复荷载下的拉拔试验对钢筋滑移量、粘结滑移基本关系、粘结应力形状函数、粘结疲劳破坏准则进行了全面深入的研究。首先根据加载端峰值滑移量和残余滑移量发展规律得出了计算公式;接着利用粘结滑移变化规律提出了考虑残余滑移、应力水平和循环荷载次数的幂函数形式粘结本构关系;运用沿钢筋埋长范围内应变变化得出了疲劳破坏三阶段粘结应力形状函数;最后基于重复荷载下发生粘结疲劳破坏的条件是滑移量增加到静载下的最大滑移量的基本准则,理论推导了粘结疲劳寿命方程。研究表明:当粘结疲劳没有发生时,重复荷载下极限粘结强度及最大滑移量并不受重复次数的影响。研究结果为理论分析重复荷载下受弯构件裂缝宽度、锚固长度、刚度、塑性铰转动问题等提供了依据和方便。
预应力组合箱梁抗弯能力计算分析
胡少伟, 胡汉林
2012, 29(5): 101-106.
摘要:
预应力钢-混凝土组合梁作为一种新型的横向承重构件,在工程中得到了广泛的使用,准确计算其抗弯承载能力是工程上最为基本也是最重要的要求。该文以弹性分析理论为基础,推导了考虑交界面相对滑移和预应力增量的预应力组合梁弹性承载能力和挠度计算公式;以完全协同作用和平截面假定为前提,采用简化的塑性理论,推导了考虑预应力增量的极限抗弯承载能力计算公式。公式能够反映预应力组合梁的受力特点,计算结果与试验值吻合良好,满足工程精度。
钢筋混凝土桥梁疲劳累积损伤失效过程简化分析方法
朱劲松, 朱先存
2012, 29(5): 107-114,121.
摘要:
为了有效预测疲劳损伤累积程度与桥梁剩余寿命,提出了钢筋混凝土桥梁结构在运营荷载下疲劳失效全过程数值模拟的简化方法。首先,根据混凝土及钢筋疲劳刚度退化、疲劳强度退化与疲劳残余变形演变规律,建立了混凝土及钢筋经历任意次数疲劳加载后的剩余强度包络线方程,基于混凝土单轴本构模型和钢筋理想弹塑性模型,建立了混凝土及钢筋疲劳本构模型;然后,在此基础上对文献提出的疲劳全过程分析法进行了改进,提出了疲劳损伤累积失效全过程数值分析法;最后,基于ABAQUS 软件平台和该文方法,对某钢筋混凝土简支梁算例进行疲劳全过程数值分析。结果表明:利用该文方法得到的模拟值与试验值的相对误差处于合理范围之内,验证了该文方法的可靠性和实用性。
隔震高层结构的悬臂梁模型的地震反应研究
潘东辉, 于国友, 张德强
2012, 29(5): 115-121.
摘要:
对底部隔震悬臂梁的地震等效作用和效应进行了研究。水平力作用下具有弯曲型侧移曲线的悬臂梁在动力特征上与高层结构接近,隔震悬臂梁可作为隔震高层结构的一种等效的简化模型。采用伯努利-欧拉梁理论推导出底部隔震悬臂梁的周期和振型,利用振型反应分解谱法分析隔震悬臂梁的地震效应,研究隔震前后各振型的等效地震作用的变化。研究发现隔震高层减振的主要原因在于调整了各振型对内力的贡献比例,延长了高阶振型的周期,从而降低高阶振型的影响,实现减振的目的;隔震对结构上部和底部作用也不同,且对剪力影响大于弯矩;隔震层刚度越弱,对高阶振型的抑制作用越明显,隔震后与隔震前1 阶振型的周期比大于1.4 可取得较好的隔震效果,规则的隔震高层结构可只采用2 个振型计算。
预留土对非饱和基坑支护结构的影响
李顺群, 郑刚, 王英红
2012, 29(5): 122-127.
摘要:
基于《建筑基坑支护技术规程》的相关规定和非饱和土强度理论,建立了考虑预留土的嵌固和水平支撑双重作用和非饱和特性时支护结构嵌固深度、位移和内力的计算方法。研究表明,预留土的作用可以概括为两个方面:① 虽然能提供的水平抗力不是很大,但由于其合力力臂较大,因此对支护结构有明显的嵌固作用,从而可以缩短支护结构的嵌固深度;② 能在支护结构上部形成弹性支承,从而减小支护结构的水平位移和内力。算例分析表明,采用预留土并降水的施工方法能大幅度缩小支护结构的嵌固深度、位移和内力。因此,在条件适当的条件下,用基坑内侧预留土并降水的施工方法不仅可以省去水平支撑、降低支护结构嵌固深度,同时还可以节约投资和缩短工期,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。
CFRP 主缆在鞍座及索夹处的抗弯折性能研究
侯苏伟, 叶华文, 强士中, 李翠娟
2012, 29(5): 128-133.
摘要:
为研究CFRP 主缆在鞍座及索夹处的抗弯折性能,首先理论分析CFRP 主缆的抗弯折性能取决于所用材料即CFRP 丝,然后分析CFRP 丝在鞍座及索夹处两种不同的弯折变形状态及内力分布,推导抗弯折效率的计算公式,并对各影响因素进行参数分析,最后针对不同工况,对CFRP 丝在鞍座和索夹处的抗弯折性能分别进行试验研究。理论与试验分析结果表明:CFRP 丝半径与弯折半径的比值与抗弯折效率呈线性关系,比值越小,抗弯折效率越高;抗弯折效率还受弯折包角、CFRP 丝的极限应变的影响,尤其当CFRP 丝半径与弯折半径的比值较大时抗弯折效率对这些因素的敏感度较高;鞍座与索夹处CFRP 主缆均能达到90%以上的抗弯折效率;理论分析与试验结果能够较好吻合。
基于峰频带通信号HHT变换的框架结构试验模态分析
谢献忠, 黄志刚, 陈文新, 易伟建
2012, 29(5): 134-140.
摘要:
该文提出了基于峰频带通信号希尔伯特-黄变换(HHT)的结构模态参数识别方法。该方法将小波包带通滤波技术与HHT 模态参数识别技术结合,有效的抑制了信号分解过程中的模态混叠现象。采用去端点法较好地解决了带通滤波和经验模式分解(EMD)所引起的端点效应问题,提高了算法的稳定性和可靠性。在此基础上,利用实验室条件下测得的脉冲加速度响应信号有效地识别出钢筋混凝土框架结构模型的模态参数,并和理论计算值进行了比较。结果表明:弯剪层模型比纯剪切层模型更能反映框架结构整体横向振动的动力特性。
基于费用最小原则的矮塔斜拉桥索力优化研究
陈从春
2012, 29(5): 141-146.
摘要:
针对矮塔斜拉桥的特点,提出了基于拉索和预应力钢筋费用最小的索力优化方法。该方法的思路是以设计强度减去活载及其他荷载效应的应力区间,作为主梁上下缘恒载应力可行区域,引入索力和预应力的影响矩阵,利用调值原理,以拉索和预应力筋的综合费用最小为目标,来解决拉索和预应力筋的优化配置问题。用大型有限元软件ANSYS APDL 语言实现了这一功能并进行了实桥验算。研究表明:采用该方法确定的索力和预应力,与原设计相比,其费用约为原设计费用的47.9%。
Pasternak 地基中土工格室加筋体的受力变形分析
边学成, 宋广, 陈云敏
2012, 29(5): 147-155.
摘要:
为了研究路面荷载作用下土工格室加筋体的受力与变形机理,正确反映土工格室加筋体与地基之间的荷载传递模式,建立了考虑路基填料和地基土体剪切作用的土工格室加筋体简化分析模型。路基填料和地基土层采用双参数的Pasternak模型,克服了传统Winkler 地基模型无法考虑路基填料和地基中应力扩散的缺点。土工格室加筋体简化为埋置于地基中的有限长梁,以考虑其抗弯刚度的影响。基于特征值分解法求解土工格室加筋体变形微分控制方程,得到了准解析的解,并可直接得到路面荷载作用下土工格室加筋体的弯矩和剪力分布。该文模型在土层剪切刚度趋于足够小时,可退化到采用Winkler 地基时的土工加筋体分析模型。计算发现考虑土体的剪切特性对准确分析土工格室加筋体的受力和变形十分重要;同时发现当下卧地基较软弱时,土工格室加筋体的加固作用更加明显。
钢筋混凝土框架结构基于可靠度的最可能倒塌失效模式分析
吕大刚, 宋鹏彦, 陈志恒
2012, 29(5): 156-160,173.
摘要:
在建筑结构的抗震设计中,常常希望通过合理的设计,使结构能按预期的强柱弱梁失效模式破坏,通常通过提高柱端弯矩增大系数(COF)使结构满足“强柱弱梁”的要求。该文考虑上层、下层、中间层这3 类层间失效模式,采用结构可靠度理论,对钢筋混凝土框架结构最可能倒塌失效模式及完全梁铰式失效模式的相对发生概率进行研究。算例结果表明:当COF 较小时,结构最可能失效模式为中层失效模式;当COF 较大时,则结构倒塌由上层失效模式控制。研究结果可为罕遇或特大地震作用下结构的抗倒塌设计提供参考。
基于可靠度分析的湿态混凝土强度模型
李鑫鑫, 郑丹
2012, 29(5): 161-165.
摘要:
湿度会改变混凝土的力学参数,当外界水渗入到结构后,混凝土的力学性能会发生较大改变。该文在现有试验结果和理论模型的基础上,认为湿态和干燥混凝土强度的差异主要与表面能和弹性模量的变化有关。利用ANSYS 有限元软件模拟了不同浸没时间下混凝土试件内部的湿度分布,采用概率分布和可靠度数学模型定量计算了不同湿度下混凝土的抗压强度。该文的计算结果与试验结果吻合较好,可为真实水环境中混凝土的设计参数取值提供参考。
外包钢加固火灾后钢筋混凝土柱的试验研究
李俊华, 唐跃锋, 刘明哲, 于长海, 萧寒
2012, 29(5): 166-173.
摘要:
通过3根外包角钢加固的ISO834标准火灾作用后钢筋混凝土柱的受力性能试验以及3根未加固的ISO834标准火灾作用后钢筋混凝土柱和3 根常温下钢筋混凝土柱的对比试验,研究了火灾后钢筋混凝土柱的性能以及外包钢加固火灾后钢筋混凝土柱的有效性。试验结果表明:火灾后试件的刚度退化显著,在该文的试验参数和升温条件下,从开始加载到80%极限荷载的不同加载阶段,轴压柱的轴向刚度只有常温下轴向刚度的0.22~0.37,偏压柱的弯曲刚度只有常温下弯曲刚度的0.13~0.18;外包角钢加固对火灾后试件的刚度修复有一定的效果,不同荷载水平下,加固后轴压试件的轴向刚度与常温下试件刚度的比值在0.41~0.89 之间,偏压试件的弯曲刚度与常温下试件刚度的比值在0.33~0.91 之间。火灾后试件承载能力退化严重,在该文的试验参数和升温条件下,火灾后试件的承载力水平只有常温下的0.25~0.37;利用外包角钢对火灾后的试件进行加固,能将试件的承载力提高至试件未受火时大致相当的水平,加固后试件的承载力与未受火试件承载力的比值在0.97~1.06 之间,外包钢加固对火灾后试件承载能力的修复效果十分显著。
无砟轨道端刺结构纵向位移的解析算法及应用
蔡小培, 高亮, 曲村
2012, 29(5): 174-179,188.
摘要:
考虑高速铁路纵连板式无砟轨道底座板、摩擦板、端刺结构及路基土体的相互作用关系,深入分析了端刺顶部水平力的传递机理,借鉴水平荷载及弯矩共同作用下单桩承载力及变形的计算公式,推导出适用于计算端刺结构纵向受力与变形的解析算法。该方法中,底座板与摩擦板间“两布”滑动层的摩擦力假定为均匀分布,摩擦板和端刺间传递纵向力和弯矩且满足变形协调条件,路基土体对端刺侧面均匀支撑。解析算法的计算结果和基于有限元软件ANSYS 所建立的空间耦合模型具有较好的一致性,说明该文提出的解析算法正确可靠,可实现纵连板式无砟轨道端刺结构纵向位移的快速准确计算。端刺结构计算结果表明:随着大端刺深度、宽度及小端刺数量的不断增加,端刺纵向位移会不断减小,有利于减小底座板的纵向位移及土体的压缩变形。
其他工程学科
单层FRP编织网结构的基本力学模型与分析
齐玉军, 冯鹏, 叶列平
2012, 29(5): 180-188.
摘要:
FRP 大跨编织网结构是一种新型大跨空间结构体系,它由FRP 板条按一定规律编织并通过平面外整体张拉构成,具有很好的建筑效果。此结构体系为柔性构件构成的空间整体张拉结构,有4 个关键受力状态。该文研究圆形环梁、板条中心对称分布的典型的单层FRP 编织网结构,提出了编织网结构力学分析的基本假设和通用力学分析模型,对单层网面进行了平面外整体张拉、全跨荷载工况和半跨荷载工况的理论分析,推导了相应的计算公式,并进行了编织网结构的计算。通过研究建立的FRP 编织网结构的基本力学方程,可分析计算单层编织网的各个受力状态,为FRP 编织网结构的设计计算提供了理论工具。还进行了参数分析,得到了各参数对结构在使用过程中刚度的影响规律,为FRP 编织网结构的初步设计提供了参考。
基于磁链和电压为广义坐标机电耦合系统动力学方程
杨志安
2012, 29(5): 189-192.
摘要:
以磁链和电压为离散机电耦合系统广义坐标,得到系统的动能、势能、电能、磁能及耗散函数。引入机电耦合系统有质动力概念,通过系统的电路方程和功率平衡方程,得到有质动力解析式。引入拉格朗日能量函数,建立以磁链、电压为广义坐标的机电耦合系统动力学方程,此方程适合机电耦合系统电路非线性情况。
含摩擦柱铰链平面多体系统动力学的建模和数值方法
庄方方, 王琪
2012, 29(5): 193-199.
摘要:
以含摩擦柱铰链平面多体系统为研究对象,建立其动力学方程并给出相应的数值计算方法。首先,建立了含摩擦转动柱铰链的力学模型。在此基础上,应用第一类Lagrange 方程给出了该类系统的动力学方程,将Lagrange乘子与柱铰链的法向约束力建立了对应关系,并给出了柱铰链摩擦力的广义力。由于摩擦力的存在,使得该方程是关于Lagrange 乘子的分段连续的非线性代数方程组,该文对此采用混合算法:对于连续段(物体相对转动的角速度不为零时),采用拟牛顿算法和龙格-库塔法求解方程;在不连续点(物体相对转动的角速度为零时),通过粒子群算法(PSO)、试算法和龙格-库塔法求解方程,克服了方程在不连续处Lagrange 乘子(法向约束力)的初值不易选取的困难。最后,通过算例说明了该算法的有效性和可行性。
不同压力差下微通道尺寸和表面粗糙度对摩擦系数的影响
刘赵淼, 逄燕
2012, 29(5): 200-205.
摘要:
该文数值模拟液体在圆形和梯形截面微通道内的流动,分析了层流和湍流下液体在微圆管内的流动状态。着重研究不同压力差、微通道尺寸和表面粗糙度下,液体在微通道内的流动摩擦系数,并通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线推断微通道流动转捩的雷诺数范围。研究表明:微通道中流动的摩擦系数随雷诺数的增大逐渐减小;通道截面的当量直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数,相同雷诺数下,粗糙度越大,摩擦系数越大。
风汽车桥梁系统耦合振动及行车安全性分析
李永乐, 赵凯, 陈宁, 廖海黎
2012, 29(5): 206-212.
摘要:
强风不仅是长大桥梁设计的控制性因素,而且直接影响到桥上车辆的运行安全。将自然风、公路车辆、桥梁作为一个统一的相互作用系统,在风-汽车-桥梁系统耦合振动分析的基础上,针对车辆侧倾事故和侧滑事故的评判准则,采用概率统计方法提高了风致车辆事故分析的可靠性。结合工程实例对强风作用下桥梁的动力响应和车辆的运行安全性进行了分析。计算得到了给定的车速条件下厢式货车的侧倾临界风速及干、湿、雪、冰四种路况情况下的侧滑临界风速,提出了适用于交通安全策略管理的强风天气条件下桥上车辆限速标准。
基于非局部弹性理论的充液双壁碳纳米管振动特性分析
杨智春, 邓庆田
2012, 29(5): 213-218,229.
摘要:
基于非局部弹性理论和Flügge壳理论,建立了充液双壁碳纳米管振动方程,计算了简支边界条件下碳纳米管的振动固有频率。用数值计算方法,分析了波数、几何参数和材料参数对振动频率的影响,并对比了局部和非局部弹性理论对结果的影响。结果表明,随着碳纳米管长度和半径的增大,振动频率逐渐减小;且随着小尺度参数的增大,频率也呈下降趋势。
微通道人工空穴汽泡核化跃离的lattice Boltzmann模拟
董志强, 徐进良
2012, 29(5): 219-223.
摘要:
研究微纳尺度的汽泡动力学行为是微纳流动与传热的基础前沿。基于作者提出的能描述相变之热质传递的lattice Boltzmann 大密度比多相流复合模型,该文数值研究了单微通道中汽泡在人工空穴上核化跃离的物理过程,量化分析了汽泡核化、跃离和运动对微通道内液相流动和传热的影响,可为理论探索人工空穴强化微通道传热提供有意义的参考。
大功率风力发电机地震动力学建模及载荷计算
金鑫, 王磊, 刘桦
2012, 29(5): 224-229.
摘要:
该文以大功率风力发电机组为研究对象研究整机系统在地震动力响应的动力学问题。基于Eurocode8 随机地震动物理模型生成地震动加速度时程,采用动态入流理论进行气动载荷计算。基于多体系统动力学理论建立风力发电机风轮-塔架结构动力学分析模型,基于此模型对风力发电整机系统进行了地震作用动力学分析。研究表明:地震作用引起的载荷远大于风载作用下的载荷。分析数据同风力发电权威计算软件GH Bladed数据比较表明,该分析模型可以较好的模拟地震作用下风力机的受力情况。
漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制
黄登峰, 陈力
2012, 29(5): 230-236,250.
摘要:
讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。
不同轮胎花纹非均布荷载下沥青路面三维有限元分析
王鹏
2012, 29(5): 237-241.
摘要:
近年来对出现在路表面轮迹带边缘且向下扩展的纵向裂缝的研究,已成为国际沥青路面工程界对道路损坏研究的新热点。采用传统的均匀分布的垂直表面荷载模式不能解释路面的这种损坏。为了探求从上到下表面裂缝形成的原因,该文考虑不同的轮胎花纹形式,选用非均布车轮荷载模式建立了半刚性路面结构的三维有限元模型,采用大型有限元软件ABAQUS 进行了数值分析。计算结果表明:路面结构最大剪应力发生在路面表层,其值较大超过了面层材料的抗剪强度,可能是导致表面裂缝的直接原因,且裂缝出现在轮迹带边缘,表现为纵向裂缝的形式。无论是纵向花纹轮胎还是横向花纹轮胎,重载车辆对路面都极具破坏性。在重载作用下,纵向花纹轮胎比横向花纹轮胎对路面的破坏更大。轮胎花纹形式的不同,对路面的影响是不同的,横向花纹轮胎更易形成斜向裂缝。
脉冲爆轰发动机中等离子体点火的数值计算
彭振, 翁春生
2012, 29(5): 242-250.
摘要:
该文采用CE/SE方法对脉冲爆轰发动机(简称PDE)中等离子体射流点火和带化学反应的汽油/空气两相爆轰过程进行数值模拟。研究了不同的等离子体射流能量和射流时间对爆轰过程的影响。结果表明增加等离子体射流能量可以缩短燃烧转爆轰的时间和距离;在已经充分点燃射流处汽油/空气混合物的条件下继续增加射流时间对燃烧转爆轰过程几乎没有影响。计算结果与试验结果符合良好。研究工作可为PDE 点火结构的优化设计提供理论指导。
预腐蚀铝合金典型螺栓单搭接件疲劳寿命研究
陈跃良, 卞贵学, 郁大照
2012, 29(5): 251-256.
摘要:
模拟飞机服役环境,对航空LY12 铝合金板材典型螺栓单搭接试验件做了预腐蚀试验,然后通过疲劳试验得到了未腐蚀试验件和预腐蚀后试验件的疲劳寿命。通过对试验件分解检查,分析了腐蚀对航空LY12 铝合金典型螺栓单搭接件的影响。建立了考虑腐蚀影响的基于断裂力学的沉孔螺栓搭接件疲劳寿命计算模型,对预腐蚀搭接件的疲劳寿命进行了计算和分析。结果表明:螺栓孔附近和搭接面腐蚀较表面其他部位严重,腐蚀产物的膨胀作用下产生了“枕垫效应”;计算模型得到的疲劳寿命与试验寿命吻合较好,其中模型1 最大相对误差为36.7%,模型2 的最大相对误差为25.7%。搭接件不同的腐蚀程度要选择不同的计算模型才能得出精确的结果。在分析较严重的腐蚀对搭接件疲劳寿命影响时,应考虑搭接面的多腐蚀损伤。