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2012年  第29卷  第8期

基本方法
土结构动力相互作用的实时耦联动力试验的时滞稳定性
迟福东, 王进廷, 金峰, 徐艳杰
2012, 29(8): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0798
摘要:
针对土-结构动力相互作用的实时耦联动力试验(SSI-RTDHT),以单自由度上部结构体系为例,建立了考虑振动台时滞及其补偿的数学模型;然后采用基于Padé 展开逼近时滞项的根轨迹方法研究其稳定性;最后利用数值仿真验证了理论分析得出的稳定条件.研究结果表明:时滞明显地改变了系统固有模态的动力特性,并使得SSI-RTDHT 成为一个条件稳定系统;稳定性随时滞和上部结构频率的增大而降低,随地基特征频率的增大而提高;上部结构阻尼比对稳定性影响不大.三阶多项式补偿会明显降低试验体系的稳定性,但可以改善固有模态的性能.
无网格法求解轴对称弹性力学问题
杨建军, 郑健龙
2012, 29(8): 8-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0775
摘要:
为了解决实际应用中复杂轴对称弹性力学问题的求解困难,对无网格局部彼得洛夫-伽辽金法(MLPG)应用于此类问题进行了研究,并发展了相应的计算方法.通过一些数值算例,对所提方法进行了检验.结果表明:建议的方法对轴对称弹性力学问题表现为较好的适应性,而且能达到较为满意的计算精度.
三自由度偏心索风致振动稳定性分析
王跃方, 赵光曦
2012, 29(8): 14-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0803
摘要:
索结构在表面覆冰后在横截面上引起偏心,在风荷载作用下面内、面外两个横向振动与扭转振动会耦合在一起,动力学状态较为复杂.该文建立了悬索风致振动的三维耦合振动模型,将风荷载表示为攻角的非线性函数,通过Hamilton 原理导出动力学方程.采用Galerkin 法将控制方程离散化,根据Routh-Hurwitz 判据得到索平衡构形在参数空间内的稳定域,确定了发生Hopf 分岔的临界风速,并且用数值解验证了稳定性条件.在给定的Hopf 分岔设计点附近,采用近似解析方法确定了稳定域的边界形状,节省了一定的计算工作量.
拉压不同模量材料的参变量变分原理和有限元方法
张洪武, 张亮, 高强
2012, 29(8): 22-27,38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0833
摘要:
对具有拉伸和压缩不同模量的材料,建立了平面静力问题的参变量变分原理.基于参变量变分原理,并结合有限元方法,将拉压不同模量平面问题转化为互补问题求解.经典的Lemke算法被用于求解此互补问题.该方法避免了应力状态的假设和刚度矩阵的更新,算法稳定,且收敛速度快.
一种模态振型的直接扩阶方法
刘福顺, 郭鹏, 王超, 董莎莎
2012, 29(8): 28-32. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0834
摘要:
传统的模型缩阶及模态扩阶方法是以计算传递矩阵为手段.该文提出一种实测模态振型空间不完备问题的直接处理方法,即未测试自由度振型值的直接估计方法.通过引入一复合向量,该向量由对应于主自由度的实测振型值与对应于从自由度的待估算值组成.依靠实测模态及有限元模型信息对复合向量中未测试自由度的振型值进行重新估算,进而获得空间完备的模态振型.该文采用5 自由度的弹簧-质量体系验证方法的正确性;借助平面框架结构探讨新方法较传统方法在低阶模态振型估算精度上的优势.数值结果表明:所提出方法不需质量归一化条件以及实测模态与有限元振型的比例条件;同时,该方法较传统方法在低阶模态振型扩阶上具有更好的精度,并允许有限元模型具有一定的模型误差.
一种新型固有应变法的焊接变形仿真
赵利华, 张开林
2012, 29(8): 33-38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0861
摘要:
以T形焊接接头为算例,结合热弹塑性有限元法和映射应变分量法研究角焊缝角变形的产生机制,认为固有剪切应变才是产生角变形的主要根源,而不是传统思维认为的横向固有正应变.随后,以此观点为基础,对比分析了两种不同的加载方位对横向约束度、横向固有应变及残余角变形的影响.沿焊缝表面斜向加载更接近于实际测量值和热弹塑性模拟值,表明了此种加载方位的合理性,为更合理的利用固有应变法预测焊接残余变形提供了有益的参考.
组合线圈磁场下的液桥热表面张力流
李亮, 曾忠, 姚丽萍, 陈朝波, 陈景秋
2012, 29(8): 39-44. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0868
摘要:
为了优化外加磁场对对流控制作用,该文主要研究了轴向载流线圈磁场,横向四载流线圈磁场及其组合磁场对液桥热表面张力对流的控制.研究结果表明:轴向载流线圈磁场可有效抑制熔体的径向流动,并改善熔体对流的轴对称性;而横向载流线圈磁场可有效地抑制熔体轴向的对流,但是会破坏熔体对流的轴对称性.合理布置的轴向载流和横向四载流线圈的组合磁场同时保留了轴向载流线圈磁场的轴对称影响和横向四载流的轴向抑制作用,可以达到更好的控制熔体对流的效果,有利于从浮区法晶体生长中获得高质量晶体.
基于分数阶导数的磁流变弹性体参数模型
朱俊涛, 徐赵东
2012, 29(8): 45-49,79. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0779
摘要:
磁流变弹性体宏观力学行为是基体粘弹性和磁致模量变化的综合反映,建立能够准确模拟其力学特性的参数模型是设计磁流变弹性体装置所必需的。因此,该文利用建立粘弹性材料参数模型的VFD(粘弹性分数阶导数)元件及弹簧元件与表述磁致效应的非线性弹簧元件,建立了磁流变弹性体的磁致粘弹性参数模型,分析了频率、磁场强度和分数阶数对该模型动态性能的影响,结果表明该模型能够反映磁流变弹性体磁致效应对其力学性能的影响,且该模型仅需少量参数就能在较宽频率范围内更好地模拟真实的试验性能。
双臂空间机器人协调运动的模糊基函数网络控制
黄登峰, 陈力
2012, 29(8): 50-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0839
摘要:
该文研究了在本体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统惯性空间协调运动的轨迹跟踪问题。针对存在外部扰动和未知系统惯性参数的情况,设计了一种基于模糊基函数网络的自适应调节控制方案。用模糊基函数网络对双臂空间机器人系统建模,利用鲁棒技术处理建模误差和外部扰动在内的不确定性。所提控制方案的特点是:不需要动力学方程中的惯性参数符合线性规律,也无需预知系统的惯性参数;同时可以利用学习规则在线自适应调节模糊基函数网络的所有权值和参数,因此控制方案是灵活的。该文稳定性分析证明了控制方案的全局稳定性和良好的轨迹跟踪性能。仿真算例表明了该方案能有效地控制双臂空间机器人的本体姿态和末端爪手协调地跟踪期望的运动轨迹。
Winkler地基上有限长梁非线性自由振动
马建军, 刘齐建, 王连华, 赵跃宇
2012, 29(8): 58-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0854
摘要:
基于经典Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,考虑梁的几何非线性效应,运用Newton 第二定律建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.采用Galerkin 方法对运动方程进行一阶模态截断,进而利用多尺度法求得了该系统自由振动的一阶近似解.揭示了两端简支梁的非线性自由振动特性,分析了弹性模量、长细比及地基刚度系数等参数对系统固有频率的影响.并通过该系统的位移时程曲线,分析了阻尼对弹性地基上梁运动特性的影响.
柱间有相对运动坐底圆柱群的绕射辐射分析
曾晓辉, 梁荣娣
2012, 29(8): 63-70. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0827
摘要:
圆柱群是深海海工建筑物的主要承力结构.目前对圆柱群进行的水动力分析大多考虑将圆柱群作为一个整体的情况,即柱群中各柱无相对运动;对于柱间有相对运动圆柱群的研究较少.为此,采用精确代数法研究柱间有相对运动坐底直立圆柱群的绕射-辐射问题.首先开展了柱群中各圆柱做给定单独运动的辐射分析;之后在有入射波浪的情况下,分析了各柱有相对运动圆柱群的绕射-辐射问题;进而求得各圆柱上的水动力、振动幅值等量.作为验证,先将退化情况的结果与已有文献进行了对比.进一步的计算结果表明,在某些波数下,分析中是否考虑柱间相对运动对结果影响较大.
土木工程学科
波形钢腹板梁变形计算的有效刚度法
聂建国, 李法雄, 樊健生
2012, 29(8): 71-79. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0618
摘要:
为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板梁受力行为的影响,引入腹板剪切变形转角函数,将波形钢腹板梁的弯曲行为分解为桁架作用和弯曲作用,建立一个能够考虑波形钢腹板剪切变形的波形钢腹板梁理论模型,推导了简支和悬臂波形钢腹板梁在不同类型荷载作用下的变形解析解,采用有限元方法验证了理论模型和解析解的正确性和适用性。根据变形等效原理,引入重要影响参数对波形钢腹板梁的变形解析解进行简化,提出了考虑腹板剪切行为的波形钢腹板梁变形简化计算方法——有效刚度法。用该文提出的有效刚度法计算波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的变形值和试验结果吻合良好,为波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的挠度计算提供一种准确性较高的简化计算方法。
面板堆石坝震动响应及变形规律的试验研究
程 嵩, 张建民
2012, 29(8): 80-86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0733
摘要:
采用Parkfield波作为地震动输入,在清华大学50g-t土工离心机振动台上中进行了一组面板堆石坝动力离心模型试验。试验在50倍重力加速度条件下完成,采用加速度传感器测量了模型不同位置动力响应的加速度时程并且采用应变片测量了面板的应力-应变,通过改变地震波输入的幅值和是否蓄水分析研究了面板堆石坝的震动响应及变形规律。结果表明面板坝自下而上存在地震响应放大现象,靠近上下游坝坡位置的加速度响应要大于同高程处坝轴线附近的加速度响应;地震作用下面板产生较明显的压应力,最值发生在面板中上部;面板中部出现较明显的弯矩;改变输入地震波的幅值大小对坝体加速度响应的分布规律、坝体位移变化的分布规律以及面板应力变形的分布规律没有影响,但地震波输入幅值的增加会减弱地震波的加速度放大效应;竣工期的地震加速度响应比蓄水期的要大,说明蓄水可以削弱地震波对坝体的加速度响应,但蓄水会导致坝体和面板的变形增加。
无加劲方钢管柱-H形钢梁节点弹性刚度的级数解答
张梁, 陈以一
2012, 29(8): 87-93. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0862
摘要:
按照欧洲规范EU3(EN1993-1-8)的计算方法,平面无加劲方钢管柱与H 形钢梁直接焊接节点一般情况下是半刚性的,其半刚性主要是由于柱壁平面外变形引起的.为准确计算包含这种节点的结构的位移、构件内力,需要确定节点弹性刚度.日本规范《钢构造接合部设计指针》根据试验和数值分析结果拟合出了该刚度的计算公式,但在力学概念上存在缺陷,且当梁与柱材料屈服强度取不同值时的计算结果与实际情况差异较大.该文从经典弹性板壳理论出发,依据数值分析建立的梁翼缘截面应力分布模型,推导出与柱壁变形相关的刚度的级数解答,其结果与试验数据、有限元数值结果能较好吻合.
磁流变阻尼器优化设计及结构地震损伤控制
吕杨, 徐龙河, 李忠献, 丁阳
2012, 29(8): 94-100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0738
摘要:
该文通过LS-DYNA 程序二次开发了磁流变(MR)阻尼器的Bouc-Wen动力滞回模型、半主动控制律和钢材的弹塑性损伤本构模型,进而实现应用通用有限元程序精细化模拟受控结构损伤发展过程的目的.基于损伤本构模型,提出结构构件和结构层的抗震性能指标,并应用该指标对结构各层阻尼器的最大出力进行优化设计.对一9 层Benchmark 钢框架结构进行损伤控制研究,采用IDA 方法对控制前后结构的抗震性能进行分析,结果表明:MR 阻尼器优化设计后受控结构的损伤累积效应较无控结构明显减小,损伤分布范围更广,塑性耗能能力和抗震能力都得到显著提高.
考虑孔隙及微裂纹影响的混凝土宏观力学特性研究
杜修力, 金浏
2012, 29(8): 101-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0742
摘要:
混凝土是一种典型的多孔介质材料,孔隙分布错综复杂,孔径尺寸跨越微观尺度和宏观尺度,对混凝土弹性模量及强度等力学参数产生巨大影响.认为混凝土是由骨料、孔隙及砂浆基质组成的三相复合材料,采用Monte Carlo 法将孔隙、微裂纹及微缺陷与骨料颗粒随机投放在砂浆基质中.根据三相球模型及中空圆柱形杆件模型得到含孔材料的有效力学性质,并推导得到含孔材料的等效本构模型.建立含孔隙混凝土试件的细观单元等效化力学模型,对二级配含孔隙混凝土试件在单轴拉伸及压缩条件下的反应进行了非线性分析.结果表明:孔隙、微裂纹的存在对混凝土宏观弹性模量、强度及残余强度等力学性质都有很大影响,在对混凝土宏观力学特性分析及研究混凝土损伤断裂时不应忽略其影响.
薄壁钢板组合截面PEC柱抗震性能的足尺试验研究
杨文侠, 方有珍, 顾强, 孙国华, 马吉
2012, 29(8): 108-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0804
摘要:
为了研究薄壁钢板组合截面PEC柱(强轴)在恒定竖向荷载下的抗震性能,通过了解国内外在PEC组合柱研究领域的现状,对3 个变化混凝土强度的薄壁钢板组合PEC柱足尺试件进行了恒定轴压下水平循环荷载试验.观测记录了各个试件受力阶段的外在混凝土裂缝与压溃和薄壁钢板组合截面翼缘钢板局部屈曲现象,得到了试件的荷载-位移滞回曲线.根据试验结果分析了试件的抗侧刚度、裂缝开展与破坏模式、试件的抗震延性与耗能等力学性能.结果表明:试验试件具有较高的承载能力和较好的延性与耗能性能;构件的破坏模式为薄壁钢板组合截面翼缘发生局部屈曲、柱脚混凝土压溃和拉结筋屈服甚至拉断.
基于矩阵位移法的桩锚结构分析方法
丁敏, 张永兴
2012, 29(8): 116-122. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0858
摘要:
采用将桩锚结构视为荷载作用-侧向弹簧支承的连续梁模型,支护桩为直立的弹性地基梁,主动土体转换为土压力,锚杆简化成为可逐步施加的弹簧支承,而被动土体则用侧向支承的土体弹簧替代.土体弹簧的刚度K是通过半无限大弹性空间内部水平荷载作用下的Mindlin 解来确定,这种方法降低了因深度加深而带来弹簧刚度的增长率,更加符合实际情况.针对这种弹性地基梁模型,提出了以矩阵分析为手段的计算方法,该法优点在于将桩锚视为桩-锚-土三者协同作用的支护结构,同时在计算过程中充分考虑了基坑分步开挖的施工过程对支护桩、锚杆以及被动土体的变形影响.通过实例分析表明:矩阵位移法为桩锚结构设计提供了一种合理、有效的计算方法.
渡桥电厂冷却塔倒塌的塔型因素分析
沈国辉, 王宁博, 楼文娟, 孙炳楠
2012, 29(8): 123-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0852
摘要:
针对渡桥电厂冷却塔倒塌原因中的塔型因素,建立与之同壁厚、同高度、同筒底直径和相同人字柱的双曲线型冷却塔,分析两者动力特性的差别,比较自重、规范平均风荷载和风洞试验脉动风荷载作用下响应的差异。研究表明:渡桥冷却塔比双曲线型冷却塔的基频低30%;风荷载作用下渡桥冷却塔的径向位移比双曲线型冷却塔大很多,壳体扭曲程度较大;渡桥冷却塔迎风面的子午向薄膜力随塔高减小而迅速增大,最大拉力比双曲线型冷却塔大40%以上。渡桥冷却塔的塔型不如双曲线型合理,塔型不合理是构成渡桥电厂冷却塔倒塌的一个因素。
轴心受压等边角钢构件局部稳定受力性能随钢材强度变化规律的研究
施刚, 刘钊, 张勇, 王元清, 石永久
2012, 29(8): 129-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0724
摘要:
随着钢结构的发展,高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用越来越广泛,如输电铁塔和大跨度桁架等.而高强度钢材在材料性能方面与普通强度钢材有明显的区别,使得钢材强度不同时轴心受压等边角钢构件的局部稳定受力性能存在较大差异.目前国内外关于这方面的研究成果较少.笔者利用通用有限元分析软件ANSYS 建立有限元模型,考虑了构件的残余应力和几何初始缺陷,对轴心受压等边角钢构件的局部稳定受力性能进行了有限元分析,研究其随钢材强度和宽厚比变化的影响规律,并与美国规范(AISC 360-05)和欧洲规范(Eurocode 3)的设计方法进行了比较,提出了设计建议,为相关设计提供了参考.
屈曲约束支撑核心单元的多波屈曲过程研究
吴京, 梁仁杰, 王春林, 石建华
2012, 29(8): 136-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0668
摘要:
屈曲约束支撑核心单元的受力形态是影响其低周疲劳特性和滞回特性的重要因素。基于屈曲约束支撑核心单元的受力特点,建立了基本假定,并依据承受轴向荷载和侧向荷载杆件的平衡方程,推导了核心单元与约束单元点接触和线接触状态下的挠曲线方程,揭示了其在持续增大的轴向力作用下点接触、线接触和新波生成交替出现的多波屈曲过程。算例分析表明:该文提出的计算公式与数值分析计算结果相一致,可用以描述核心单元在约束单元内的受力特性。
部分柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构的深化研究
吴波, 吕文龙
2012, 29(8): 143-149. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0669
摘要:
从抗倒塌角度出发,采用理论分析和算例计算相结合的方法,对部分柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构的框架梁设计、摩擦系数下限值估算、摩擦支座中震耗能等进行了探讨.研究结果表明:1) 考虑框架梁塑性铰区受拉纵筋强化并调整设计步骤后,框架梁的经济性更好;2) 基于D 值法的摩擦系数下限值估算方法与现行规范联系紧密,便于工程人员应用;3) 中震作用下摩擦支座可提供较大附加阻尼比,耗能效应较为明显.
两边连接钢板混凝土组合剪力墙端部构造措施试验研究
郭兰慧, 马欣伯, 张素梅
2012, 29(8): 150-158. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0790
摘要:
该文对4 个两边连接钢板组合剪力墙在滞回荷载作用下的性能进行了试验研究.研究了混凝土板与角钢端部的间距以及端部设置加劲肋对两边连接钢板组合剪力墙力学性能的影响.试验结果表明:在钢板角部设置短加劲肋能有效提高构件的延性和耗能能力,相比不设置加劲肋试件,最大层间侧移角由1/35提高到1/25,能量耗散系数提高了35%.混凝土板和角钢的间距也影响构件的受力性能,设置的过大或过小都会使试件节点过早出现破坏.
基于热流耦合精细算法的大体积混凝土水管冷却数值模拟
刘杏红, 马刚, 常晓林, 周伟
2012, 29(8): 159-164. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0793
摘要:
基于有限元热流耦合精细算法进行大体积混凝土施工期温度场仿真分析,真实反映水管附近的温度梯度和水管水温沿程的变化,采用基于粒子迁徙的粒群算法对Dittus-Boelter方程进行参数识别,使之适用于描述冷却水流的强制对流特性.在通用有限元软件ABAQUS 平台上,开发热流耦合用户子单元,以官地碾压混凝土重力坝某一浇筑块为例验证热流耦合算法和用户子单元的可靠性和合理性.计算结果表明:精细算法能真实反映混凝土浇筑块的温度场,同时基于精细算法得到的施工期应力略大于等效算法.
Drucker-Prager弹塑性本构关系积分:考虑非关联流动与各向同性硬化
杨强, 冷旷代, 张小寒, 刘耀儒
2012, 29(8): 165-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0801
摘要:
考虑非关联流动法则以及各向同性硬化条件,采用广义中点法(Generalized Midpoint Method,GMM)进行Drucker-Prager(DP)弹塑性本构关系数值积分,给出调整后最终应力的解析解.GMM 属于隐式算法,具有良好的计算精度与数值稳定性;最近点投影法(Closest Point Project Method,CPPM)是其特例,具有一阶精度并且无条件稳定.DP 塑性势函数的特殊性质导致上述GMM 解由初始应力状态与应变增量显式确定,无需迭代求解,因此计算效率大幅提高,同时避免了迭代过程的收敛性问题.数值算例证明:当加载偏离角度较大时,GMM(ξ=1/2)的计算精度高于CPPM,可适应更大的加载步长;而对于比例加载,任意GMM 等同于精确解,采用CPPM 可获得最高的计算效率.推导了满足DP 屈服准则厚壁圆筒的弹塑性理论解,对比验证算法精度.采用非关联流动各向同性线性硬化DP 材料模拟厚壁圆筒变形局部化效应.
CFRP筋夹板式锚具锚固性能试验研究
叶勇, 郭子雄
2012, 29(8): 172-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0806
摘要:
设计了一种CFRP 筋夹板式锚具,通过对40 个CFRP 筋-锚具组装件的拉拔试验,研究了锚固长度、螺栓预紧力、螺栓数量和CFRP 筋表面处理等对锚具锚固性能的影响.试验结果表明:试件的破坏形态包括CFRP筋的滑移、断裂和拉脱三种,试件达到极限荷载时的滑移量较小.增加锚固长度、螺栓总预紧力、螺栓数量以及对CFRP 筋表面打磨处理均可在一定范围内提高锚具试件的极限荷载.通过合理控制上述参数,可以使锚具发挥良好的锚固性能,满足实际使用要求.该文给出了CFRP 筋夹板式锚具合理的构造和螺栓预紧力值.在试验研究基础上,分析了CFRP 筋夹板式锚具的锚固作用机理,建立考虑锚固长度、螺栓预紧力和螺栓数量的CFRP 筋-锚具界面平均摩擦系数模型,并提出夹板式锚具的极限荷载计算公式,与试验结果吻合良好,具有较好的适用性.
基于扩展有限元方法的Carsington坝失稳过程分析
喻葭临, 于玉贞, 张丙印, 吕禾
2012, 29(8): 180-183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0812
摘要:
Carsington 坝失稳是坝工界的经典案例,已有研究并未分析坝体下伏黄粘土夹层的主动牵引机制对其失稳的作用,且有关模拟研究基于常规有限元法,对于剪切带等不连续位移场的描述不够直观,更无法探讨剪切带形成过程及土体力学行为的演化.该文应用自主开发的基于扩展有限元方法的土中剪切带扩展过程模拟系统进行了Carsington坝的失稳分析,结果表明:该模拟系统较好地追踪了Carsington坝心墙中的剪切带路径和形成过程,揭示了Carsington 坝的失稳机理;验证了所构造的模拟系统在复杂结构和复杂受力条件下的适用性.
古建筑木结构屋盖梁架体系动力性能分析
张风亮, 赵鸿铁, 薛建阳, 马辉, 张锡成
2012, 29(8): 184-188,201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0817
摘要:
针对目前古建筑木结构研究领域中对屋盖梁架的动力性能研究甚少的现状,该文以殿堂型木结构为研究对象,按照《营造法式注释》的构造要求建立屋盖梁架层模型,通过对其进行动力性能分析,得出了屋盖梁架层的结构动力特性以及在各种工况作用下的位移最大响应值和加速度最大响应值,求解出了各梁架层的动力放大系数.研究表明:屋盖梁架模型的第一频率为1.486Hz;屋盖梁架模型的自振频率远远高于振动台试验整体结构模型的自振频率;梁架层最大位移值随地震作用和高度的增加而增大;大震(400gal)时半刚性榫卯连接的减震效果比中震(220gal)、小震(110gal)时的减震效果要好;层间动力放大系数值在1 左右;屋盖层与铺作层的动力放大系数在0.9 左右.
均布人群对简支欧拉梁动力特性的影响
刘隆, 谢伟平, 徐薇
2012, 29(8): 189-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0832
摘要:
研究了作用在梁上的均匀分布人群对梁的动力特性的影响.将人群简化为均匀分布的弹性质量模型,考察了无阻尼的弹性质量和有阻尼的弹性质量两种模型对简支欧拉梁的动力特性的影响,得到了人群和梁耦合系统的频率和阻尼的解析表达式.并以此研究了分布质量与梁的质量之比对梁的频率和阻尼比的影响,得到了人群对结构动力特性影响的定性规律.结果表明:耦合系统在人体振动基频处分支出一系列的振动频率,并且当分布人群质量与结构质量之比达到一定程度时,均布的人群会对梁的振动特性产生显著的影响,明显改变梁的自振频率,显著提高梁振动的阻尼比.最后研究了梁的振动频率对人群-梁耦合系统阻尼比的影响.
不同应力路径下石灰岩碎石力学特性的大型三轴试验研究
陈金锋, 徐明, 宋二祥, 曹光栩
2012, 29(8): 195-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0828
摘要:
为了解不同应力路径下,昆明新机场石灰岩碎石填料的力学特性及该填料力学特性受水影响的程度,采用大型三轴试验机,对该填料进行不同应力路径下的三轴试验及等σ′3压缩应力路径下的干湿对比试验。结果表明:Δσ′1≥0 时,围压和应力比k (即小主应力增量与大主应力增量的比值)增大,试件峰值应力及初始模量亦增大,但剪胀逐渐受到抑制;石灰岩碎石的剪胀及剪缩特性与应力路径有很强的相关性;石灰岩碎石的强度非线性特征显著,围压减小的应力路径下,试件剪切强度比等σ′3应力路径下略低;水对石灰岩碎石的剪切强度、初始模量及剪胀性有较大影响。该文的试验成果可为构建考虑应力路径影响的高填方粗颗粒填料本构模型提供试验基础。
软粘土流变微结构突变模型与试验研究
谢新宇, 马伯宁, 刘开富
2012, 29(8): 202-207, 275. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0841
摘要:
软粘土的力学特性是粘土颗粒在荷载下的微观力学行为的宏观表现,对于软粘土微观方面的研究是了解其宏观性质的基础.该文通过唯象理论的方法建立的软粘土微结构突变模型与本构关系,能够描述软粘土流变固结的力学特性.通过一维流变固结试验对理论进行了验证,试验曲线可以用软粘土的微观特性加以解释.利用最小二乘法对模型中的参数进行了拟合,拟合曲线与试验值的符合程度较好,拟合参数的变化特点同样能体现出软粘土微观结构的力学特性.
考虑混凝土材料变异性的超大型冷却塔随机屈曲承载力分析
徐亚洲, 白国良
2012, 29(8): 208-212. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0853
摘要:
基于屈曲本征方程的形式解推导出随机屈曲本征值满足的概率密度演化方程.取混凝土弹性模量服从正态分布及对数正态分布,分析了超大型冷却塔随机屈曲承载力的概率密度函数、均值、标准差及可靠度.结果表明:正态分布假定时随机屈曲承载力的均值与不考虑随机性的屈曲承载力十分接近,其变异性与混凝土弹性模量的变异性相似.而对数正态分布假定时,一阶屈曲本征值偏离了正态分布,均值及变异性增大,但可靠度降低.规范关于冷却塔整体稳定安全系数的规定偏于保守.
一种结构鲁棒性量化方法
黄靓, 李龙
2012, 29(8): 213-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0588
摘要:
结构鲁棒性要求结构具有抵御不成比例倒塌的能力.如何对结构鲁棒性进行定量评价是目前结构工程界最具有挑战性的前沿问题之一.该文从结构承载力的角度出发,改进了一种结构鲁棒性评价中的构件重要性系数,形成了一种新的构件重要性系数.再基于这种构件重要性系数,提出了一种新的结构鲁棒性指标及其评价结构鲁棒性优劣的方法,从而实现了结构鲁棒性的量化.以平面桁架结构和平面框架结构为例,说明了该结构鲁棒性量化方法的计算过程.计算结果表明:总宽度、高度相同的4 种框架结构的鲁棒性指标值的大小顺序与定性分析的结果一致,说明了该鲁棒性指标值的合理性.再对4 种框架结构的鲁棒性指标值进行了比较及分析,得出了一些影响结构鲁棒性的因素,如荷载形式、跨度的均匀性、跨数、支撑等.
初始缺陷对三向张弦梁结构整体稳定性影响研究
蔡建国, 涂展麒, 冯健, 张晋
2012, 29(8): 220-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0848
摘要:
三向张弦梁结构是新广州站工程采用的一种新型张弦梁结构,因此有必要对三向张弦梁结构的整体稳定性能进行深入的研究。该文首先对随机缺陷模态法进行了改进,使其更适用于网壳与张弦梁混合结构的缺陷稳定性分析。然后分别采用改进的随机缺陷模态法和一致缺陷模态法对三向张弦梁结构的缺陷稳定性进行了研究。分析结果表明:改进后的随机缺陷模态法更适用于网壳和拱梁混合结构形式的缺陷稳定性分析;缺陷越大,该三向张弦梁结构对缺陷越敏感,整体稳定性能受缺陷的影响越大;与理想结构破坏模式最接近的特征值屈曲模态为最不利的特征值屈曲模态,按此模态施加初始缺陷后的结构承载力最低;按非线性屈曲模态对结构施加缺陷得到的结构极限承载力小于按特征值屈曲模态施加缺陷的情况,与随机缺陷模态法的结果最为接近。
RC圆柱受弯承载力极限值计算方法研究
顾冬生, 吴刚, 吴智深
2012, 29(8): 227-235. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0857
摘要:
运用数值计算方法对钢筋混凝土(RC)圆柱破坏时截面受弯承载力极限值进行计算,计算时考虑了箍筋对混凝土的约束效应和纵筋应力强化效应。计算结果显示截面受弯承载力极限值比规范规定的理论值有较大增加,特别是在轴压较高、箍筋约束效果明显时。截面受压区高度计算是RC圆柱截面受弯承载力计算的关键。圆柱破坏时截面受压区高度主要受轴压比、配箍特征值和纵筋配筋特征值三个参数影响。根据数值计算的结果进行回归,提出了受压区对应圆心角απ计算方法。在此基础上通过理论分析并结合95个大比例试件试验结果,提出截面受弯承载力极限值计算方法,计算结果与试验结果吻合很好。参数分析的结果表明在轴压比为0.6时截面受弯承载力极限值比规范公式计算值能提高60%左右,这一显著的弯矩强化效应值得在设计中引起重视。
向量式有限元在索穹顶静力分析中的应用
朱明亮, 董石麟
2012, 29(8): 236-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0874
摘要:
索穹顶结构是一种由预应力拉索与竖杆组成的高效柔性空间结构,易发生较大位移,拉索可能出现松弛现象。该文采用向量式有限元进行了索穹顶的静力分析。向量式有限元是一种向量力学与数值计算相结合的分析方法,不同于传统分析力学方法和其他数值计算方法。向量式有限元基于运动方程求解,不需求解非线性方程组及刚度矩阵,尤其适合于发生刚体位移和几何大变形的结构或机构求解。该文首先介绍了向量式有限元的基本原理,推导了预应力索单元的求解公式,最后采用自编向量式有限元程序,分析了一个单摆模型和一个索穹顶结构模型。结果表明:向量式有限元应用于索穹顶静力分析是可行而且可靠的,在传统有限元计算难以收敛的情况下仍然可以对结构进行精确的非线性分析,为索穹顶的非线性分析提供了一种新的方法和手段。
RPC200塑性与各向异性损伤耦合本构建模研究
张多新, 屈文俊, 王清云
2012, 29(8): 243-248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0876
摘要:
针对活性粉末混凝土 (RPC200:Reactive Powder Concrete 200MPa)的非线性行为,将连续损伤力学和塑性力学结合起来,建立了RPC200的弹塑性各向异性损伤耦合本构。在有效应力空间内,采用非关联流动法则和非均匀等向强化法则建立了RPC200的塑性本构。基于损伤能释放率建立了损伤准则,并由正交法则给出损伤演化法则,同时采用两个不同的损伤硬化法则来描述拉、压性能不同的损伤硬化。证明了该文所建模型与热动力学基本原理的相容性。最后,给出了RPC弹塑性各向异性损伤耦合本构模型数值计算流程,并以简单例证证明了所建模型的预测能力。
基于复合材料力学模型的生态复合墙体研究
张程华, 黄炜, 赵冬, 张荫, 侯莉娜
2012, 29(8): 249-254. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0884
摘要:
生态复合墙体作为生态复合墙结构的主要受力构件,它是由生态复合墙板与隐形外框组成的墙肢或墙段.复合墙体构造上的特殊性及多种材料的使用,使其弹性常数不易确定,进而影响墙体抗侧刚度的计算.基于前期试验研究,针对墙体独特构造,结合复合材料力学理论,建立适用于生态复合墙体的弹性阶段模型——双向纤维单层复合材料模型,推导出墙体弹性模量及剪切模量实用计算公式,为生态复合墙体的实用抗侧刚度计算公式提供必要的参数;利用弹性力学对各向异性等效弹性板的抗侧刚度进行推导,理论计算与试验结果的对比分析表明:在生态复合墙体抗侧刚度计算中,复合材料力学简化模型具有实用性和有效性.
梁翼缘削弱型节点钢框架柱弹性稳定分析
韩明岚, 王燕
2012, 29(8): 255-261. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0909
摘要:
采用变截面梁的转角位移方程,通过分析柱子的近端影响,推导出翼缘削弱型节点(RBS)无侧移和有侧移框架柱分别对应的计算长度系数?值的计算公式。通过引入梁柱修正线刚度比,RBS节点框架柱计算长度系数的计算公式可写成现行《钢结构设计规范》附录D的公式形式。研究结果表明:RBS节点无侧移框架柱的计算长度系数基本等同于普通刚接钢框架柱的计算长度系数,建议在简化计算中可直接按普通无侧移钢框架来计算;但对RBS节点有侧移钢框架,由于梁翼缘削弱,柱计算长度系数比普通刚接有侧移钢框架柱的计算长度系数有较大增加,已超过工程设计的允许误差,设计中应考虑其不利影响。
U肋加劲板焊接残余应力数值模拟分析
赵秋, 吴冲
2012, 29(8): 262-268. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0935
摘要:
通过数值模拟和实验方法对U 肋加劲板焊接残余应力进行了估算和分析,建立了三维热弹塑性有限元模型,采用生死单元法模拟焊缝填充和焊接热输入过程,实现了整个焊接过程中的动态应力和变形变化,得到了U肋加劲板的焊接温度场和应力场,分析了U 肋加劲板的焊接残余应力分布,并与残余应力测试试验结果比较.结果显示:U 肋加劲板近焊缝区残余拉应力达到材料屈服强度,母板远离焊缝区残余压应力平均值约为材料屈服强度的0.2 倍,其分布趋势与实验测试得到的残余应力分布比较接近,证明了所采用的焊接数值模拟方法的正确性.
楔形工字梁抗剪极限承载力试验研究
郑悦, 童根树, 金阳
2012, 29(8): 269-275. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.01.0055
摘要:
该文介绍了楔形变截面工字钢短梁的抗剪承载力试验,与有限元结果进行了对比,提出了将楔形变截面梁的承载力按等截面梁的承载力乘以楔率折减系数的计算方法,与试验和扩充的有限元计算结果对比表明:公式有很好的精度.
考虑加载速度影响的沥青混合料疲劳方程
吕松涛
2012, 29(8): 276-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.05.0273
摘要:
为了建立沥青混合料强度与疲劳行为之间的联系,通过不同加载速率下的沥青混合料直接拉伸强度试验,揭示了强度随加载速率的幂函数变化规律;基于不同加载速率下的强度值,得到了与疲劳加载速率对应的沥青混合料疲劳真实应力比;通过疲劳试验,创建了基于名义应力比和真实应力比的沥青混合料疲劳方程,基于名义应力比的疲劳方程后延后与横坐标的交点远比1 大,不具有后延性,而基于真实应力比的疲劳方程可以后延到疲劳寿命为1 的强度破坏点,统一了强度破坏与疲劳破坏行为;据此推导了沥青路面抗拉强度结构系数计算新方法;研究结果可为我国公路沥青路面设计规范的修订提供理论依据.
考虑开孔钢板厚度的PBL剪力键力学性能研究
肖林, 强士中, 李小珍, 卫星
2012, 29(8): 282-288, 296. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.06.0343
摘要:
钢-混凝土组合结构中PBL剪力键的力学性能受到多种参数的影响.为了解开孔钢板厚度对PBL剪力键力学性能的影响,进行了6 组24 个PBL 键试件的推出试验,研究PBL 键的静力性能及影响因素;从荷载-滑移曲线出发对PBL 键的传力机理进行分析;研究PBL 键的破坏机理和开孔钢板厚度对破坏模式的影响.试验研究结果表明:开孔钢板的厚度对PBL 键的设计承载力、抗剪刚度和极限承载力都有显著影响;荷载较小时PBL 键的承载能力由混凝土榫抗剪提供,混凝土榫抗剪失效后转由贯穿钢筋抗剪承载;受开孔钢板厚度的影响,PBL 键的破坏形式有贯穿钢筋的弯剪破坏、剪切破坏或开孔钢板的剪切破坏.结合国内典型推出试验的结果,推导了考虑开孔钢板厚度的PBL键承载力计算公式,公式与试验结果吻合良好.
考虑中间主应力和剪胀特性的深埋圆巷弹塑性应力位移解
刘志钦, 余东明
2012, 29(8): 289-296. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0511
摘要:
平面应变条件下的深埋圆形巷道问题一般忽略中间主应力的影响,但这会与塑性区围岩的实际情况产生较大差异。为了充分考虑中间主应力对深埋圆形巷道的影响,基于平面应变假设与非关联流动法则将Mohr-Coulomb准则精确匹配为Drucker-Prager准则,在此基础上推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,中间主应力与剪胀角密切相关;根据所得的中间主应力表达式结合非关联流动法则,不引入任何假设,得出深埋圆巷塑性区由于剪胀角而发生体变的关系式;进一步推导了考虑中间主应力和剪胀特性的深埋圆形巷道塑性区应力位移解析式,其中径向应力、切向应力及塑性区半径的表达式与卡斯特奈(Kastner)解完全一致,但卡斯特奈(Kastner)解无法得出中间主应力,而新的位移解析式则与以往的文献完全不同;经与以往文献的位移理论解比较分析知,新的位移解答更加合理。因此考虑中间主应力和剪胀特性的解答为深埋圆形巷道的计算与设计提供一定的理论基础。
机械工程学科
板壳结构振动功率流的子结构线导纳法研究
赵芝梅, 王敏庆
2012, 29(8): 297-301, 307. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0787
摘要:
采用子结构点导纳方法分析铺壳耦合结构振动特性时,需要将衔接线划分为一系列的点进行求解,较为烦琐.针对这一问题,该文提出了改进的子结构线导纳方法.首先建立了铺板和圆柱壳的耦合振动模型;然后采用模态展开法分别求解铺板和圆柱壳的机械线导纳,得到振动传递方程中的线导纳矩阵;最后求解耦合振动方程分析铺板与圆柱壳的振动功率流特性.将结果分别与ANSYS 和AutoSEA 的计算结果进行对比分析表明:该文提出的改进方法能够在宽频带内有效地计算板壳耦合结构的振动功率流特性,且求解过程简单,适于线衔接复杂结构的振动特性分析.
基于多变量小波有限元的一维结构分析
张兴武, 陈雪峰, 杨志勃, 何正嘉
2012, 29(8): 302-307. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0792
摘要:
基于区间B样条小波(B-Spline Wavelet on the Interval, BSWI)和多变量广义势能函数,该文构造了二类变量小波有限单元,并用于一维结构的弯曲与振动分析。基于广义变分原理,从多变量广义势能函数出发,推导得到多变量有限元列式,并以区间B样条小波尺度函数作为插值函数对两类广义场变量进行离散。此单元的优势在于可以提高广义力的求解精度,因为在传统有限元中,只有一类广义位移场函数,所以广义力通常是通过对位移的求导得到,而多变量单元中,广义位移和广义力都是作为独立变量处理的,避免了求导运算。此外,区间B样条小波是现有小波中数值逼近性能非常好的小波函数,以它作为插值函数可进一步保证求解精度。转换矩阵的应用,可以将无任何明确物理意义的小波系数转换到相应的物理空间,方便了问题的处理。最后,通过数值算例对Euler梁和平面刚架的分析,验证了此单元的正确性和有效性。
基于物质点描述的双向渐进式拓扑优化方法
龙凯, 陈广华
2012, 29(8): 308-312, 318. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0842
摘要:
:为了克服连续体结构拓扑优化中的数值不稳定现象,定义了表征物质点及其领域有无的物质点拓扑变量,提出基于物质点描述的双向渐进式拓扑优化方法.基于过滤法构造拓扑变量场的插值函数,从而在拓扑优化模型中自然消除了棋盘格现象.为适用于不同单元类型和网格离散形式等,重新定义了灵敏度密度.通过二维数值算例对理论方法进行验证.结果表明:方法在连续体结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性.
粗糙度模式对硬盘气膜承载特性的影响
史宝军, 季家东, 杨廷毅
2012, 29(8): 313-318. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0867
摘要:
当前硬盘中磁头磁盘之间气膜的厚度已经接近或低于分子平均自由程,在这种情况下表面粗糙度及气体稀薄效应的影响不容忽视.应用最小二乘有限差分法,求解考虑气体稀薄效应并引入压力流因子和剪切流因子的量纲一雷诺方程,研究了不同粗糙度模式下硬盘超低飞高(1nm~2nm)气膜的承载特性.数值结果表明:粗糙度模式对超低飞高气膜压力分布及承载力的影响较大,而对压力中心的影响较小;在各种粗糙度模式情形下,磁头取横向粗糙度模式时,可使气膜压力分布升高,并提高气膜的承载力.
钢花管中低频纵向超声导波传播特性的试验研究
吴 斌, 颉小东, 李昱昊, 刘增华, 何存富, 谢伟达
2012, 29(8): 319-324,332. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0821
摘要:
钢花管是管棚支护结构中的核心承力构件。将超声导波技术应用于钢花管的无损检测显得十分重要。首先优化选取了适用于钢花管检测的压电陶瓷片尺寸以及激励频率为30kHz的L(0,2)模态。为研究钢花管管体上的孔对低频纵向超声导波检测能力的影响,试验研究了钢花管孔数与检测信号特征之间的变化关系。结果表明:钢花管孔数的增加对频率为30kHz的L(0,2)模态回波信号幅值几乎没有影响,表明低频纵向超声导波具有对长距离钢花管无损检测的潜力;而频率为30kHz的L(0,2)模态的群速度随钢花管管体中孔的增加呈线性下降的趋势。该研究结果为基于低频超声导波技术的钢花管无损检测奠定了一定的基础。
其他工程学科
基于结点6自由度的分裂导线有限元模型
晏致涛, 黄静文, 李正良
2012, 29(8): 325-332. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.08.0626
摘要:
大跨越输电线路分裂导线较单导线更容易发生舞动现象,基于空间曲梁理论,建立了结点6自由度的导线有限元模型。假定间隔棒为刚性体,根据位移协调条件,建立了4分裂导线的有限元模型。通过虚功原理建立静力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法进行静力非线性求解。算例表明:采用曲梁模型研究输电线的平动位移是准确的。由于考虑了平动与扭转的耦合作用,扭转角的计算更加精确。输电线抗弯刚度对扭转角也有较大影响。分裂导线的参数分析表明,弧垂、分裂间距、边界条件等对抗扭刚度均有较大的影响,间隔棒的数量不能显著提高导线的抗扭刚度。
基于向量式有限元的Spar扶正预测及强度分析
胡狄, 何勇, 金伟良
2012, 29(8): 333-339, 345. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0840
摘要:
Spar 平台以它优越的运动及稳定特性在深水开发中受到越来越多的青睐.Spar 扶正过程的运动形式和承受荷载与服役期间完全不同,需要进行特别的设计验证.该文基于向量式有限元基本原理,考虑Spar 扶正运动特性,建立了扶正过程计算分析方法.该方法考虑了重力、阻尼力、静水压力和附加水质量等对扶正的影响,建立了荷载和位移以及结构质量的耦合关系,能够准确地模拟扶正过程,并获得Spar 在整个扶正过程中的运动响应特征.建立了运动信息导入方法,将预测所得的运动响应结果导入通用有限元分析软件进行扶正过程结构强度分析.算例分析结果表明:该方法能够对扶正过程各时间点的结构运动响应和整体强度进行详细分析.这为今后的海洋工程中的Spar 扶正分析提供了一种新的方法.
PVC涂层膜材料不同应力下非线性蠕变特性的预测
张伍连, 丁辛, 杨旭东
2012, 29(8): 340-345. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0802
摘要:
对方平组织为基布的PVC (polyvinylchloride)涂层膜材料进行了经、纬两方向五种应力条件下的拉伸蠕变试验.利用七参数(四个蠕变柔量与三个推迟时间)广义Kelvin-Voigt线性粘弹性蠕变模型对试验数据进行了分析,从中发现:对于单个应力,线性粘弹性蠕变模型具有很好的拟合效果,而对于多个应力,三个推迟时间参数保持不变,并以此为基础,将七参数广义Kelvin-Voigt线性粘弹性蠕变模型修改为适合膜材料的七参数(四个蠕变柔量与三个推迟时间)非线性粘弹性和十四参数(八个蠕变柔量与六个推迟时间)非线性粘弹塑蠕变模型,并把十四参数非线性粘弹塑蠕变模型合并为四个蠕变柔量与三个推迟时间的七参数非线性模型,再将这两种非线性模型中的三个推迟时间设定为与线性粘弹性蠕变模型相同,同时还设定非线性部分均来自于四个蠕变柔量,最后借助四阶多项式对不同应力与对应的蠕变柔量进行了拟合,结果发现:该方法可以很好预测其他应力的蠕变特性.
绕三维水翼非定常空化流动结构的数值与实验研究
时素果, 王国玉, 袁海涛, 王复峰
2012, 29(8): 346-353. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0810
摘要:
为了说明非定常空化的流动机理,该文采用数值与实验相结合的方法对绕三维水翼片状和云状空化流动结构进行了研究.实验在高速水洞中进行,采用高速录像技术观测了片状和云状空化阶段的空穴形态.数值计算基于均相流模型,汽液混合区域密度由质量传输方程调节.利用商业软件二次开发技术引入准确描述空化流场非定常特性的FBM 湍流模型,进行绕三维水翼的数值模拟,获得了随时间变化的空穴形态、压力和速度分布等流场结构.与实验结果对比发现,数值计算结果与实验基本一致.在片状空化阶段,空穴稳定地附着在水翼表面,只有空穴尾部不断的有小空泡团沿着翼弦方向脱落.在云状空化阶段,清楚得描述了空穴的产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化,并准确地捕捉到空泡脱落时,附着在翼型前端的U 型空穴和翼展方向不同强度的反向射流,脱落的空泡由翼型中前部旋涡状脱落.
蜂窝纸板面内平台应力表征
王军, 卢立新
2012, 29(8): 354-359,365. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0816
摘要:
面内平台应力是评估蜂窝纸板面内承载性能的重要指标,且蜂窝纸板性能极易受环境湿度的影响.该文试验分析蜂窝纸板厚度、芯层和面层对其面内平台应力的影响;基于不同相对湿度条件下蜂窝原纸的纵向屈服强度,建立了相对湿度影响的蜂窝纸板面内平台应力模型,并与试验实测数据进行比较验证.结果表明:纸板厚度和面纸性能对蜂窝纸板面内平台应力有较大影响,芯层性能对其影响较小;所建立模型能较准确地反映环境相对湿度对纸蜂窝结构材料面内平台应力的影响.借助该模型,无需大量的试验,即可估算其考虑相对湿度的面内平台应力,为蜂窝纸板的配纸和合理选用提供理论依据.
基于涡流发生器控制民机后体流动分离与减阻机理的实验研究
杜希奇, 蒋增, 佟胜喜, 何宏伟
2012, 29(8): 360-365. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0859
摘要:
该文通过风洞测力、油流和PIV流动显示测量实验,研究了涡流发生器对民机后体流动分离控制及减阻机理。实验结果表明:涡流发生器的高度、安装角度和安装位置是影响后体流动分离控制的主要参数,前缘后掠角度和长度等参数的影响相对较小;负迎角时在靠近机身尾部位置布置涡流发生器的减阻效率较高;较佳的涡流发生器控制方案中,后体分离的油流聚集线明显后移,同时空间PIV测得的分离涡量明显变小,从机理上印证了测力结果。
通气空泡重力效应三维数值仿真研究
张广, 于开平, 周景军
2012, 29(8): 366-371,384. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0844
摘要:
超空泡形态对水下航行体的受力及操纵性有很大影响,大量通气超空泡水洞实验表明重力是影响空泡几何形状的主要原因之一.该文基于有限体积法,采用分相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,考虑了水-气两相间的相互作用及重力效应,对圆盘空化器以不同俯仰角运动时产生的通气超空泡进行了三维数值模拟.得到了重力对通气超空泡形态以及尾流结构影响的规律性结果.
密度梯度蜂窝材料动力学性能研究
张新春, 刘颖
2012, 29(8): 372-377. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0872
摘要:
利用显式动力有限元方法数值研究了具有密度梯度六边形蜂窝材料的面内冲击动力学性能.根据功能梯度材料的概念,首先建立了具有密度梯度的蜂窝材料模型.基于此模型,具体讨论了密度梯度和冲击速度对六边形蜂窝材料变形模式和能量吸收性能的影响.研究结果表明,通过恰当地选择蜂窝材料的密度梯度,初始应力峰值明显减小,材料的能量吸收能力能够有效地得到控制.此结论为实现多胞材料动力学性能的多目标优化设计提供了新的设计思路.
空化模型中的相变系数影响研究
王柏秋, 王聪, 黄海龙, 何春涛, 张嘉钟
2012, 29(8): 378-384. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0592
摘要:
利用数值计算的方法,对空化模型中的相变系数进行研究.将数值计算和实验数据进行分析和整理,分别获得蒸发系数和冷凝系数与空化数之间的依赖关系.通过比较半球头圆柱体的二维轴对称模型数值计算结果表明:不同空化数对应着不同相变系数.其中,蒸发系数和冷凝系数分别对主空泡、次生空泡、尾空泡等类型的空泡在形态、溃灭位置、溃灭强度等方面有较大影响.