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2013年  第30卷  第2期

基本方法
考虑重叠过滤及稳定性约束的桁架拓扑优化方法
冷国俊, 张 卓, 保 宏, 杨东武
2013, 30(2): 8-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0466
摘要:
从工程实际的角度来说,一般不允许结构形式中包含重叠单元。目前桁架拓扑优化的基结构法在选定基节点的情况下一般不建重叠单元,这导致可行域缩小,使优化不能找到更优解,人为增删杆件缺乏科学依据。针对该问题,该文对重叠给出准确的数学描述,建立包含重叠杆的基结构,利用Heaviside函数将拓扑变量连续化处理,使之在优化过程中可以获取目标函数、约束函数的敏度信息,同时考虑在拓扑优化中加入基频约束以避免出现机构,并加入稳定性约束防止出现压杆失稳,通过优化模型实现重叠过滤。最后通过两个案例计算证明可以找到更优解,验证了该方法的有效性。
钢悬链式立管与海床相互作用模拟方法研究
黄维平, 孟庆飞, 白兴兰
2013, 30(2): 14-18. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0495
摘要:
基于大挠度曲线梁模型和弹性地基梁理论,研究了钢悬链式立管与海底相互作用的模拟方法。采用大挠度曲线梁模拟钢悬链式立管的悬垂段,采用弹性地基梁模拟海底流线段。钢悬链式立管与海底相互作用模型不仅考虑了弹性支撑反力和摩擦力,还考虑了动态效应的阻尼力和液化土的吸力。分析表明,采用大挠度曲线梁和弹性地基梁模型分析钢悬链式立管,其单元尺寸的影响较小,可采用较大的计算单元,从而缩短计算时间、减少内存。基于该方法的开发程序与商用程序OrcaFlex吻合较好,但对单元长度的敏感性远远小于OrcaFlex。
黏弹性复合材料结构的多目标优化设计
杨加明, 盛 佳, 张义长
2013, 30(2): 19-23,37. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0603
摘要:
黏弹性复合材料具有良好的阻尼性能,但黏弹性层的存在对黏弹性复合材料结构的强度性能会有所影响,黏弹性复合材料结构只有同时兼备良好的阻尼和强度才能满足工程要求。该文在经典层合板及小挠度弯曲理论基础上,运用Ritz法建立黏弹性复合材料结构应变能损耗因子和横向均布荷载作用下初始破坏强度计算模型。提出新的遗传算法适应度函数构造办法,克服了多目标优化问题中优化结果的偏移现象,对黏弹性复合材料结构进行单目标和双目标优化设计。优化结果表明:改进的遗传算法适用于黏弹性复合材料结构阻尼和强度性能的优化设计,而且多目标优化设计可以权衡复合结构的阻尼性能和强度性能,有利于发挥黏弹性复合材料结构良好的整体性能。
周期性扩大框架的渐进结构优化方法研究
胡兴国, 程赫明
2013, 30(2): 24-29. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0533
摘要:
传统渐进结构优化法(ESO)删除的低效材料,仅是阶段性的低效材料,其中部分材料若不被删除,有可能成为后续优化中的非低效材料。误删材料可能使接下来的优化成为“将错就错”的优化。该文在ESO法基础上提出的“周期性扩大框架的渐进结构优化方法(PEFESO)”,周期性地恢复并检查保留材料周围被删除材料的效率,重新判定该部分材料是否应被恢复到结构中,有效地削弱了ESO法可能误删材料的不良影响。PEFESO法具备一定的全程寻优能力,计算结果优于传统的ESO法,易于在工程中推广使用。
具有曲面接触斑弹性体滚动接触理论及其数值方法
张书瑞, 李 霞, 温泽峰, 金学松
2013, 30(2): 30-37. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.06.0363
摘要:
该文基于了Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论模型,考虑滚动接触物体具有曲面接触斑,利用有限元法,推导出物体柔度系数,即力与位移之间的关系,将理论模型转化为数学上的非线性规划问题。结合拉格朗日乘子法,求解非线性方程组,从而得到接触斑力学行为。该模型是考虑曲面接触斑三维弹性体滚动接触理论模型,考虑了滚动接触物体的真实几何尺寸和接触区外边界因素对滚动接触行为的影响。为解决任何几何形状弹性体滚动接触问题提供了方法。该文主要对二维问题的数值模拟,所得数据结果较为合理。并结合商业有限元软件计算结果对静态问题进行对比验证,两种模型的分析结果吻合的较好。该文的模型和数值方法进一步完善后将适用于任意曲面接触斑滚动接触问题的求解。
一维正方准晶椭圆孔口反平面问题的半逆解法
刘官厅, 冯中华
2013, 30(2): 38-43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0455
摘要:
选取新的位移势函数,利用半逆解法及待定系数法,研究一维正方准晶平行于准周期方向的椭圆孔口问题,给出了应力场的显式解析解。在极限状态下,椭圆孔口问题可退化为Griffith裂纹问题,得到了相应裂纹问题的应力场和应力强度因子的显式解析解。
基于广义极值理论的非高斯风压极值计算方法
王 飞, 全 涌, 顾 明
2013, 30(2): 44-49. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0483
摘要:
该文从广义极值理论出发,根据观察极值的相互独立性,推导了风压时程样本的极值分布参数与样本长度之间的关系式。以对风压时程样本的合理分段为手段,给出了一种由众多子样本极值的概率分布参数推算母样本的极值期望值的估算方法。最后,基于风洞试验数据,将该文所用方法与常用极值估算方法(Davenport法、Kown-Kareem法、Sadek-Simiu法和Quan等法)的计算结果进行了比较,表明该方法能更准确地估计非高斯风压的极值。
波群诱发的非线性港湾振荡中低频波浪的数值研究
高俊亮, 马小舟, 王 岗, 董国海
2013, 30(2): 50-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0610
摘要:
该文采用色散性保留到二阶的完全非线性Boussinesq方程,模拟了波群引起的狭长矩形港湾内的非线性共振现象,并使用最小二乘法分析了港湾处于第一共振模态下锁相长波和自由长波的波幅以及它们相对成分随着短波波长的变化。为了进行对比,也模拟了波群未能诱发港湾发生非线性共振的情况,并使用相同的方法对港内低频成分进行分离。研究表明:无论港湾共振与否,锁相长波和自由长波的波幅以及它们的相对成分都与短波波长有着密切的联系。对于该文中所研究的特定港湾以及特定的波群频率范围,港湾处于最低的共振模态时,锁相长波的波幅要小于自由长波波幅,但是在短波的波长大于0.66倍的港湾长度的情况下,锁相长波波幅往往要大于自由长波的1/2;当港湾未处于共振状态且短波波长大于0.56倍的港湾长度时,锁相长波的成分往往要超过自由长波。
土木工程学科
正弯矩区组合梁腹板局部稳定性研究
聂建国, 丁 然
2013, 30(2): 58-64. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.03.0125
摘要:
对正弯矩区组合梁腹板局部稳定性进行研究,首先要建立板件在拉、弯、剪共同作用下的相关屈曲方程。该文在前人研究的基础上,根据能量方法研究了四边简支板件在拉、弯、剪共同作用下的弹性相关屈曲方程,并利用通用有限元软件ANSYS建模进行计算,验证了理论推导结果,最终提出简化公式。随后在相关方程的基础上,推导出相应的弹性高厚比限值。并将该限值与未考虑弯拉作用的限值进行对比,结果有明显提高,多数情况下可放宽26%以上。该文成果为进一步研究正弯矩区组合梁腹板考虑残余应力和初始缺陷的弹塑性屈曲提供基 础。
非等高双重弯剪型抗侧力体系的稳定性
翁 赟, 童根树
2013, 30(2): 65-71. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.06.0339
摘要:
研究了非等高的双重弯剪型抗侧力体系的稳定性。首先,建立了非等高双重弯剪型抗侧力体系的连续化分析模型,提出了该结构体系的屈曲方程及稳定临界荷载解析解。其次,通过分析结构体系的上下两部分存在相互支援作用,给出了求解该结构体系稳定临界荷载的近似公式,通过算例对比,发现与解析解相比,近似解具有很好的精度;同时,近似法便于实际应用。最后,分析了随着内部两子结构相对高度的变化,相应的非等高双重抗侧力体系总的临界荷载发生变化的规律。研究发现,并非当两子结构高度相等时,总的临界荷载取到最大值,而是存在最优相对高度的概念,即当内部两子结构的相对高度为最优相对高度时,结构总的临界荷载最大。
薄壁方钢管新型梁柱节点抗震性能试验研究
李正良, 张春涛, 范文亮, 王汝恒
2013, 30(2): 72-81. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0462
摘要:
为减少薄壁方钢管梁柱连接施焊次数,避免焊接区域脆性恶化,满足“强柱弱梁”的抗震设计要求,提出了一种分散焊接的新型节点。利用往复加载试验对不同轴压比下两类节点的8个足尺试件进行研究。通过对比分析得到新型节点试件的破坏模式、滞回曲线及评价节点抗震性能的主要参数(承载力、延性、刚度退化和能量耗散系数等)。同时,利用非线性有限元模型对两类节点进行了模拟计算,并将计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:试验与有限元计算结果吻合良好;新型节点延性好,屈服平台长,弹塑性得到充分发挥,累计耗能能力强,能较好地吸收和耗散能量;轴压比对耗能能力及位移发展影响小;新型节点采用分散焊接的方式,提高了节点变形能力,降低了节点板件的脆性,破坏时以C钢腹板屈曲作为破坏准则,节点发生延性破坏,适合在高烈度抗震设防区使用。
非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟
杜修力, 金 浏
2013, 30(2): 82-88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0445
摘要:
在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明:1) 与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2) 骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3) 与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。
一种基于静力位移测量值的车辐式屋盖结构索力识别方法
郭彦林, 田广宇, 王 昆, 张博浩
2013, 30(2): 96-103. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0527
摘要:
该文从车辐式张拉屋盖结构的组成特点出发,提出了一种基于静力位移测量值的索力识别方法。首先通过测量屋盖结构的几何位形,建立有限元模型。然后给真实结构施加特定荷载并测量加载点位移。给有限元模型施加同样的荷载并计算其位移。通过比较计算和实测的位移值,修正并迭代有限元模型中拉索的预应力;当计算位移与实测位移一致时就获得了拉索的真实内力。该方法只需要测量加载的自由度所对应的位移,能够在通用有限元软件ANSYS上进行索力识别,计算结果准确。
考虑剪切变形影响的斜梁桥自振频率的解析方法
杨美良, 钟放平, 张建仁
2013, 30(2): 104-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0623
摘要:
斜梁桥振动频率没有显式解,给使用《公路桥涵设计通用规范》方法计算冲击系数带来不便。考虑斜梁桥振动时的弯扭耦合效应,分别采用修正的Timoshenko梁理论建立其弯曲振动的动态刚度矩阵,采用Saint-Venant扭转理论建立其自由扭转振动的动态刚度矩阵,结合斜支承边界条件,导出斜支承坐标系下的动态刚度矩阵,提取弯矩-转角的刚度方程,根据其奇异条件建立关于斜梁桥自振频率的超越方程,采用二分法对超越方程进行求解以得到自振频率。该文分析了一座标准A型单跨斜箱梁桥考虑与不考虑剪切变形影响时的前5阶振动频率随斜交角的变化,比较了正交简支初等梁和正交简支深梁、斜支初等梁和斜支深梁的前5阶频率。结果显示:斜梁桥基频随斜交角的增大而增大、第2阶频率随斜交角的增大而减小;斜梁桥振动频率的计算应采用考虑剪切变形影响的深梁理论。
自密实混凝土与钢筋的粘结性能试验研究
郑建岚, 庄金平
2013, 30(2): 112-117. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0530
摘要:
采用电液伺服加载装置进行自密实混凝土与钢筋的粘结性能试验,以自密实混凝土强度、新拌混凝土工作性能为变量,制作了28个自密实混凝土试件,研究各变量因素影响下,自密实混凝土与钢筋的粘结锚固性能。通过试验得到峰值粘结应力、峰值滑移、各阶段粘结刚度K1、K2、K3和粘结刚度退化率λ等与混凝土强度、新拌混凝土工作性能的变化规律。在此基础上根据各因素的影响程度及公式的适用性,采用最小二乘法得到钢筋与自密实混凝土粘结-滑移本构关系式,与试验数据对比表明具有良好精度。研究结果可为有关工程设计和研究提供 参考。
强结构性对湛江黏土地区CPTU原位测定结果的影响
张先伟, 孔令伟, 郭爱国, 拓勇飞
2013, 30(2): 118-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0447
摘要:
为了评价土的结构性对黏性土地区CPTU测试结果的影响。对湛江地区黏土(层)进行室内固结试验和CPTU原位试验,获得孔压静力触探响应特征,对比分析室内试验与CPTU测试结果求取固结系数的差异性。结果表明:湛江黏土的触探指标较高,qc=(2.5~3.0)MPa,Rf平均值约为1%;在强结构性黏土地区利用CPTU测定结果划分土层具有较高的准确性;受强结构性影响,土的埋深越大,CPTU的孔压消散时间越短,土的固结系数越大;浅层土试验孔压消散初期土体出现剪胀现象;利用室内试验得到湛江黏土在结构破坏前的固结系数Cv是重塑土的固结系数Cv的10倍左右;贯入过程中由于结构的破损会使探头周围土体的渗透性迅速降低出现指标失真,导致基于CPTU测试得到原状土的固结系数远小于室内试验结果;最后,考虑结构性,根据CPTU资料提出一个可用于估算结构性黏土固结系数的方法,该研究为准确获得结构性黏土地基处理设计参数提供了合理的科学依据。
考虑车轮滚动轨迹的桥头跳车动力荷载计算方法及影响因素分析
丁 勇, 谢 旭, 黄剑源
2013, 30(2): 135-142,149. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0450
摘要:
为分析车辆桥头跳车时的动力荷载,提出了更符合实际形状的圆盘车轮模型,以考虑车轮经过桥头错台时的滚动轨迹,结合基于有限元的车辆整体模型和相应的动力学方法,实现了车辆上、下桥头错台时的竖向、顺桥向动力荷载的定量分析。算例表明,考虑车轮滚动轨迹后,动力荷载计算值比以往平缓得多;跳车动力荷载的大小与车辆的行驶速度、车轮的悬挂方式、桥头错台的高度等因素有关,其表现为:1) 车辆的最大动力荷载与桥头错台高度成正比;2) 对于独立悬挂的车轮,车速越大,最大动力荷载越大;对于非独立悬挂的车轮,最大动力荷载随着车速的增大呈现波动的形态;3) 上桥时的最大荷载位于错台上,下桥时前、中轮的最大荷载离桥头错台较远,后轮则较近;4) 桥头错台跳车造成的轮载冲击系数可能超过我国桥梁规范设计值,需要引起重视。
静载和动载下不同龄期混凝土力学特性的试验研究
王世鸣, 李夕兵, 宫凤强, 朱晶晶
2013, 30(2): 143-149. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0457
摘要:
利用杆径为75mm的SHPB试验装置对5种不同龄期下的混凝土分别进行了冲击压缩试验,系统了解了冲击载荷对不同龄期支护混凝土力学特性的影响。为了进行对比,利用INSTRON系统也进行了相应龄期下的静载压缩试验。试验研究表明:静载下混凝土强度、割线弹性模量随龄期增长而增长,其中强度增长主要集中在龄期7d以前,割线弹性模量增长则集中在龄期14d以后,而峰值应变随龄期增长整体上呈减小的趋势;动载下混凝土强度、峰值应变以及单位体积吸收能随着龄期增长而增长,在各个龄期都表现出对应变率具有一定的敏感性,其中不同龄期混凝土的动态强度随应变率增加呈现指数函数增长趋势。不同龄期的混凝土在动载下以拉伸破坏为主,静载下基本呈现剪切破坏形式。
基于断裂力学的裂隙岩体强度分析初探
任 利, 谢和平, 谢凌志, 艾 婷
2013, 30(2): 156-162,168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0464
摘要:
基于断裂力学讨论裂隙岩体的强度一直是断裂力学与岩石力学等学科的重要课题。通过分析单个线性裂纹在压缩载荷作用下的剪切断裂条件,明确了压缩状态下张破裂剪切断裂韧性的物理意义及求解办法。使用复变函数和边界配置法求解了裂尖应力强度因子无量纲系数,进而对张破裂压剪准则进行了改进,使之更加便捷地进行有限裂纹体断裂的预测。基于修正的压剪判据推导了裂隙岩体试件的抗压强度求解公式,算例表明该文方法所建立的强度公式是准确、可靠的。最后,详细讨论了摩擦系数、裂隙倾角、裂隙长度、黏聚力以及围压对裂隙岩体试件抗压强度的影响机理。
多振源激励下站房结构振动响应分析方法
丁 阳, 米 仓
2013, 30(2): 163-168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0467
摘要:
立体式、现代化铁路站房结构处于列车行驶、人行及设备运行等多振源共同激励的复杂振动条件下,目前国内外尚无合理的多振源激励下站房结构振动响应分析方法。通过分析列车行驶、人行及设备运行单独激励下站房结构振动响应的时频域特性和频带交叠情况,提出了基于均方根加速度、考虑加权功率相干叠加的多振源激励下站房结构振动响应分析方法,并对方法的合理性和适用性进行了论证。以天津西站站房结构为例,分别采用非相干叠加方法和加权功率相干叠加方法对站房结构进行三振源激励下振动响应分析。结果表明,考虑加权功率相干叠加的振动响应均方根加速度区间可以包络三振源激励下非相干叠加的站房结构振动响应均方根加速度值。
地震作用下海冰与桥墩的间距对桥墩动力响应的影响研究
宋 波, 齐福强
2013, 30(2): 174-181. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0474
摘要:
位于冰水海域的桥墩,在波浪力作用下,桥墩结构与周围海冰往往出现间隙,地震作用下海冰与结构的动力相互作用呈现复杂多样化。本文在弹性力学中的弹性波传播理论及结构动力学的基础上,考虑不同的海冰与桥墩间距,建立了地震作用下桥墩、冰与水体的流固耦合动力方程。并以一矩形桥墩为研究对象,研究了地震作用下,海冰与桥墩的间距对矩形桥墩结构的动力响应及动水压力的影响。研究表明:地震作用下,海冰与桥墩间距对桥墩顶部的最大位移和最大加速度响应的影响不显著,但是对桥墩侧面动水压力和墩底内力影响较大;当海冰与桥墩存在间距且小于1倍结构尺寸时,墩底的弯矩和剪力达到最大值。
悬索承重梁索耦合结构的垂向运动动力学模型及主共振分析
黄 坤, 温建明, 冯 奇
2013, 30(2): 182-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0478
摘要:
该文建立了描述结构大变形和主缆初始曲率产生的几何非线性对系统动力学影响的悬索承重梁索耦合结构垂向运动动力学偏微分方程组。通过Galerkin方法一次截断把偏微分方程组化为时域上的两自由度常微分方程组。使用多尺度法得到简谐激励下常微分方程组主共振时的一次近似解。结果显示,当外激励仅激发低频或高频主共振时,系统的振幅随激励的幅值或激励频率的变化出现突然的跳跃。当激励同时激发低频和高频主共振时则有两种情况:1) 若固定高频激励幅值和频率,则系统的低频和高频振动成分的振幅随低频激励参数变化同时增加或减小;2) 若固定低频激励的幅值和频率,则系统的低频和高频振动成分的振幅随高频激励参数变化以相反的趋势变化。即高频振动幅值增大时,低频振幅减小,反之亦然。
城市轨道交通槽型梁结构噪声计算与分析
韩江龙, 吴定俊, 李 奇
2013, 30(2): 190-195,202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0484
摘要:
该文用模态叠加法对城市轨道交通槽型梁进行车-轨-桥耦合动力计算,借助SYSNOISE求出模态声传递向量MATVs,进而用MATVs和梁的模态坐标响应计算桥梁的结构噪声。噪声计算值与实测值在频率分布和幅值上有较高的一致性,证明振动与噪声数值模型的可靠性。槽型梁结构噪声的线性声压级峰值频率为40Hz~80Hz,数值计算表明:动力分析只需考虑轮轨竖向接触即可满足结构噪声计算要求;考虑200Hz以下的声源激励和100Hz以下的结构模态作为边界条件可达到较好的噪声计算精度;调节轨下胶垫的刚度能有效减小结构振动,降低结构噪声2dB~3dB;声压级和车速有强线性关系。
重型设备-桩箱基础-砂卵石地基体系动力稳定性振动台试验
王志华, 陈国兴, 周恩全
2013, 30(2): 196-202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0486
摘要:
设计并完成了重型设备-桩箱基础-砂卵石地基体系地震反应的大型振动台模型试验,分析了设备结构位移和转角反应特征以及桩箱基础和砂卵石地基的动力稳定性。试验结果表明:设备结构位移反应峰值呈上大、下小的三角形分布,位移和转角反应受结构振动方向第一振型控制;振动过程中基底两侧土反力增量不均,由上部重型结构水平惯性力引起的基础转动效应明显,这也是基础发生倾斜的主要原因;箱形基础振动对周围地基土产生挤密作用,基础转动显著影响侧墙土压力分布形态;强震作用下,砂卵石地基持力层振动孔压比能达到0.3~0.5,振动孔压的累积和消散可引起基础附加沉降。试验结果可为砂卵石地基箱形基础抗震设计提供参考和借鉴。
预应力钢板箍约束RC柱轴压性能数值模拟及试验验证
曾建宇, 郭子雄
2013, 30(2): 203-210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0488
摘要:
为研究预应力钢板箍(Prestressed Steel Jacket, PSJ)约束下RC柱的轴压性能,分析施加横向预应力构件的轴压作用机理,建立了PSJ约束RC柱有限元模型,开展弹塑性数值模拟,并进行试验验证。结果表明,增大箍板预应力能减小约束RC柱竖向裂缝宽度,提高其轴压承载力,但可能减小约束柱的轴向峰值变形。箍板配箍特征值的增加能够显著提高约束RC柱的承载力和变形能力,并改善其破坏模式。由于箍板与RC柱外表面间空隙的存在,预应力钢板箍的拉应变增量要滞后于箍筋的拉应变。
地铁车站内爆炸引起的地面震动分析
曲树盛, 李忠献
2013, 30(2): 226-231,239. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0507
摘要:
地铁车站内部爆炸及产生的爆炸冲击波将在结构周围的土体中产生巨大的应力波,并向外传播,进而引起地铁车站周边地面的强烈震动,对地面建筑结构造成危害。该文以天津某典型地铁车站为例,对车站内发生意外爆炸后,应力波在周围土体内的传播过程,引起的周边地面震动的特性及其衰减规律进行了数值分析;同时针对国内典型地铁车站,研究了车站埋深、炸药量等参数对地铁车站周边地面震动的影响规律,进而提出了考虑车站埋深和比例距离变化的地铁车站周边地面典型位置的地面震动主要参数的计算公式。该文的研究成果可用于评估恐怖爆炸情况下地铁车站周边建筑的抗震安全性,也可为地铁车站抗爆设计中车站埋深的选取提供理论依据。
高强混凝土剪力墙非线性分析及抗震性能参数研究
寇佳亮, 梁兴文, 钱 磊, 邓明科
2013, 30(2): 232-239. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.06.0381
摘要:
基于4个高强混凝土剪力墙试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能试验结果,利用有限元软件ABAQUS,选用合适的拉、压损伤本构关系以及单元模型,建立高强混凝土剪力墙的有限元模型,模拟其加载全过程和受力性能,模拟滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好。在此基础上,采用相同的有限元模型和材料损伤本构关系,分析影响高强混凝土剪力墙抗震性能的主要因素,包括轴压比、约束边缘构件的配箍特征值、混凝土强度和边柱纵筋配筋率,研究影响剪力墙抗震性能参数的限值并给出其范围。
基于风振性能的高层建筑抗风设计优化
黄铭枫
2013, 30(2): 240-246,253. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0519
摘要:
提出了一个基于风振性能的结构优化设计方法来解决高层建筑在各种风灾条件下的风致性能设计问题。借签抗震性能设计方法,划分了高层建筑的三水准抗风设防标准。各水准下的风灾烈度及其概率要素可以通过对气象部门的极端风速记录开展统计极值分析来进行。基于高层建筑风致动力响应的频域内风振模态分析,给出了各种风致加速度指标的实用表达式。通过数学建模对风致性能的结构优化设计问题作出了精确描述,用结构构件尺寸等设计变量显式的表达出各种风振性能设计指标。发展了基于优化准则法的数值算法来求解高层建筑在多种风致性能设计约束条件下的结构最优设计。最后,通过一个40层住宅楼的工程实例验证了文中提出的多级抗风性能自动化结构设计方法的有效性和实用性。
双稳态薄壳结构的边界效应研究
吴耀鹏
2013, 30(2): 266-271. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0538
摘要:
改进壳结构力学模型,理论推导考虑边界效应时结构应变能的解析表达式。基于能量原理研究薄壳结构的双稳态特性,并导出其在稳定状态下的曲率和卷曲半径。对于有初始应力薄壳结构,其在卷曲状态下的应变能有极小值,存在第2个稳定状态,为双稳态结构。数值计算结果表明:同不考虑边界效应相比,考虑边界效应时薄壳结构第2个稳定状态的卷曲半径将变大,且对应的应变能较不考虑边界效应时小。另外,薄壳结构边界效应随着结构初始圆心角的增大而减小,且边界效应引起的位移相对于卷曲半径而言为高阶小量。该文结果与已有理论结果和有限元结果吻合较好,验证了模型的有效性。
偏最小二乘回归在响应面法可靠度分析中的应用
赵 威, 王 伟
2013, 30(2): 272-277. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0549
摘要:
针对目前多维变量可靠度问题中广泛应用的均匀设计响应面法,分析了采用最小二乘法拟合样本数据回归模型时存在的局限性,并在已有方法的基础上提出了一种改进的方法。该方法将均匀设计与偏最小二乘回归技术相结合来回归响应面模型,从而计算结构的失效概率,有效的解决了变量间多重相关性及小样本条件下建立回归模型的问题。通过算例验证了该方法的适用性,尤其对于高维变量的可靠度问题,与最小二乘拟合响应面相比,计算结果更加精确。
结构地震碰撞分析的线性粘弹性碰撞模型
许 祥, 刘伟庆, 徐秀丽
2013, 30(2): 278-284. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0551
摘要:
针对结构地震碰撞模拟问题,该文中结合Kelvin模型和Hertz-damp模型构造了新的碰撞阻尼函数,提出了线性粘弹性碰撞模型,并基于现有的碰撞试验数据检验了其正确性和碰撞模拟精度。研究结果表明:线性粘弹性碰撞模型可以消除Kelvin模型中出现的撞击力跳跃和拉力的缺陷;相比其他常用的结构地震碰撞分析模型而言,线性粘弹性碰撞模型和Hertz-damp模型都具有较高的碰撞模拟精确度,且线性粘弹性碰撞模型的表达形式比Hertz-damp模型的更为简单易用。分析对比中还发现,如在碰撞模型中忽略碰撞过程中的耗能,数值模拟结果将会高估碰撞对结构的破坏效应。
组合梁挠度计算的改进折减刚度法
徐荣桥, 陈德权
2013, 30(2): 285-291. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0557
摘要:
该文总结了部分抗剪连接组合梁挠度计算的不同方法,并通过对均布荷载作用下两端简支组合梁跨中挠度的对比分析,讨论了各种方法的特点。针对现行规范中采用的折减刚度法所存在的问题,进行了分析研究,提出了组合梁挠度计算的改进折减刚度法。理论分析和数值结果表明,改进的折减刚度法克服了规范中的折减刚度法所存在的抗剪连接程度增大,组合梁抗弯刚度反而减小导致挠度增大的矛盾,同时考虑了边界条件对折减刚度的影响,且与精确解相比,两者吻合较好。
拉索-双弹簧系统的自由振动特性分析
周海俊, 杨 夏
2013, 30(2): 292-297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0572
摘要:
辅助索减振措施是常见的拉索减振方法之一,但拉索-辅助索的减振机理尚不清楚,优化设计方法尚未建立。该文将辅助索对拉索的刚度贡献简化为弹簧对拉索的支撑作用,进行了附加两根弹簧的拉索自由振动特性分析。由位移的连续条件和力的平衡条件建立了拉索-双弹簧系统的频率方程;由一阶泰勒展开得到了当弹簧安装位置靠近拉索锚固端时频率方程的近似解。以弹簧刚度为零时对应的拉索自由振动频率和弹簧刚度趋向于极限时拉索振动频率极限值为基础,讨论分析了不同安装位置和不同弹簧刚度下拉索低阶振动模态的特点,得到了其振动模态分布随弹簧安装位置和刚度变化的内在规律;研究结果可供辅助索减振优化设计参考。
超高层结构施工竖向变形规律及预变形控制研究
王化杰, 范 峰, 支旭东, 黄 刚, 祝恩淳, 王 宏
2013, 30(2): 298-305,312. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0517
摘要:
为了掌握超高层结构施工竖向变形累积规律,提出合适的施工预变形分析方法。该文对国内3个400m以上典型超高层结构进行施工全过程仿真研究,开发标准化施工仿真建模方法,综合时变结构离散分析法、龄期调整有效模量法、单元生死、位型控制、分步加荷等关键技术对材料时变,几何时变、边界条件时变进行模拟,形成完整的超高层结构施工全过程仿真技术,得到了不同工况下超高层结构施工竖向变形规律。在此基础上,采用阶段位移补偿法,以竖向位移、框筒内外相对变形为控制目标,建立超高层预变形分析方法,得到了结构施工过程中各层标高预调值,为该类结构的施工变形控制提供了理论依据。
非一致地震动激励下结构拟静力/动力分量的分离及其应用示例
周国良, 李小军
2013, 30(2): 306-312. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0558
摘要:
基于改进的大质量法和位移法,分别求解非一致地震动激励下结构总反应和拟静力分量,用总反应减去拟静力分量得到动力分量,实现拟静力/动力分量的分离。结果表明,该方法简便实用,计算精度高,与理论结果符合好。以一座连续刚构桥为例,分析了非一致地震动激励下,结构地震反应拟静力/动力分量的基本特征和影响因素。结果表明,各支撑间的地震动位移差动对拟静力分量影响巨大,不容忽视;拟静力分量/动力分量相互叠加或消减,致使结构反应在多点激励作用下表现复杂。
基于比例边界有限元法动态刚度矩阵的坝库耦合分析方法
李上明
2013, 30(2): 313-317. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0566
摘要:
针对坝体在水平向激励下的瞬态耦合问题和基于比例边界有限元法,推导了等横截面半无限水库的动态刚度矩阵,其值用贝赛尔函数计算。基于该动态刚度矩阵,建立了有限元法与比例边界有限元法的耦合方程,分析了水平向激励下任意几何形状的半无限水库的瞬态响应。其中,半无限水库分解成用有限元离散的任意几何形状的近场域和用比例边界有限元法模拟的远场域即等横截面半无限水库。通过比较动态刚度矩阵和动态质量矩阵模拟等横截面半无限水库的计算效率,发现它们计算精度相同,但动态刚度矩阵效率更高。数值算例表明了所发展的动态刚度矩阵与其耦合方程的正确性。
横风作用下考虑车辆运动的车桥系统气动特性的数值模拟研究
韩 艳, 胡揭玄, 蔡春声, 李仁发
2013, 30(2): 318-325. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0475
摘要:
车辆和桥梁气动力参数的准确识别是风-车-桥系统耦合振动研究的前提,目前大多数研究中通常忽略了车辆和桥梁间的相对运动。由于采用风洞试验测量手段研究此类问题存在一定困难,因此该文基于CFD数值仿真平台采用动网格技术模拟计算了横风作用下考虑车辆运动的车辆和桥梁气动特性,分析研究了风场的紊流特性、车辆的运动速度以及车桥的相互气动干扰对车辆和桥梁气动特性的影响。计算结果表明:车辆和桥梁的气动力特性受车辆的运动速度和车桥间的相互作用影响较大,风场的紊流特性对车辆和桥梁的气动力也有一定影响。最后通过对比分析单车、桥和车-桥耦合的流场压力和速度云图,探讨了车辆和桥梁气动力的相互作用机理。
机械工程学科
基于非线性模型的沥青路面动力响应研究
史春娟, 吕彭民
2013, 30(2): 326-331,347. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0454
摘要:
根据路基变形的非线性及沥青路面具有明显粘弹性的特点,将沥青路面简化为非线性粘弹性地基上的粘弹性无限长梁,建立了移动载荷作用下非线性粘弹性梁系统动力响应数学模型。利用Adomian分解法和小波变换法得到求解稳态响应解析解的新方法。通过实际道路参数对沥青路面动力响应进行了数值仿真,研究了车速、车辆轴载、路面材料及温度对沥青路面动力响应的影响规律。结果表明该文提出的计算方法简便、快捷,是求解该类非线性动力响应问题的一种有效方法;非线性模型更能准确地反映重载及超载时沥青路面实际结构受力状态。
基于代理模型的通风盘式制动器制动盘结构优化设计
曲 杰, 苏海赋
2013, 30(2): 332-339. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0459
摘要:
该文提出一种基于代理模型的复杂结构优化设计方法,并用于通风盘式制动器制动盘结构优化设计。提出的优化设计方法集成了CAE分析、实验设计、代理模型构造及非线性优化几部分,实验设计采用拉丁超立方抽样策略,代理模型选用改进的响应面模型,非线性优化算法采用序列二次规划算法。为了解决传统的响应面模型部分预测值与实验值误差较大问题,改进方法认为只有能够确保在每一个抽样点处的预测值与试验值的相对误差均在一定范围内的响应面模型才是一个可行的模型。在保证制动盘质量不变情况下,以寿命最大化为目标,应用设计的集成优化方法对制动盘进行优化设计,优化设计结果较好,其中制动盘疲劳寿命根据Coffin-Manson方法预测,制动过程中制动盘表面最大热应力及最高温度通过热机耦合的有限元模拟紧急制动过程获得。优化结果表明该文提出的方法是一种有效的复杂结构的优化设计方法。
壳板凸肩叶片的非线性振动特性
李红影, 谢里阳, 郭星辉
2013, 30(2): 340-347. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0461
摘要:
以凸肩叶片为研究对象,应用Donnell’s简化壳理论建立模型的非线性振动方程,考虑了几何非线性、阻尼、凸肩接触面正压力、摩擦力等因素。采用Galerkin法将振动微分方程离散到模态坐标上,分别应用数值法和近似解析法对方程组求解,得到系统的频率响应曲线,并讨论了系统周期解的稳定性。结果表明,由于凸肩接触面之间摩擦力方向周期性改变,导致系统的振动特性产生不连续性,以摩擦力为正、负方向分别绘制一条频率响应曲线。则随着摩擦力方向T/4周期变换一次,系统的振动也以T/4为周期在两条频率响应曲线上来回跳跃,从而有效抑制叶片的振动响应,提高叶片使用的安全性。
电磁力与射流流场中压力脉动作用下伺服阀力矩马达谐响应分析
彭敬辉, 李松晶, JACOB M. Mchenya
2013, 30(2): 348-353. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0463
摘要:
为揭示伺服阀自激噪声的产生机理,该文对伺服阀力矩马达的振动特性进行研究。通过分析喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理,给出了衔铁组件的受力数学模型。建立了单自由度系统的谐响应分析数学模型,分析了谐振频率与系统固有频率的关系。采用ANSYS软件对电磁场和伺服阀内部流场作用下力矩马达的谐响应特性进行了分析,得出了力矩马达关键点处不同方向上的谐响应曲线,分析了其在0~4500Hz内的谐振规律。仿真结果表明,电磁场和流场的作用会激发力矩马达的高频振动,从而可能诱发高频自激噪声。
车轮与高速道岔长短心轨的接触分析
王大奎, 张 军, 王春艳, 郭 璇
2013, 30(2): 354-359. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0471
摘要:
针对动车组、机车车轮与高速道岔的磨耗问题,测量运行线路上磨耗后的车轮与道岔的实际几何尺寸,应用有限元方法求解车轮与道岔长短心轨的接触问题。计算了车轮与高速道岔的长短心轨部分在不同位置的接触状态,分析得出了不同工况下车轮与心轨接触斑、等效应力以及接触法向力的分布和变化规律,为道岔结构的合理设计和型面尺寸的优化提供了一定的理论依据。结果表明:JM3型机车车轮与18号高速道岔的心轨型面匹配不合理;动车组和机车车轮与心轨间的最大应力值都超过了轮轨材料的屈服极限,发生塑性变形;车轮在钢轨上的横移量影响轮岔之间的磨耗,向心轨外侧的横移量越大,磨耗越严重。
泡沫铝硅合金动态压缩力学性能及吸能特性研究
谭柱华, 陈 晨, 韩 旭, 王甫瑞
2013, 30(2): 360-364. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0468
摘要:
利用分离式霍普金森压杆研究了泡沫铝硅合金的动态压缩力学性能,得到了应变率为1400s-1~2500s-1的动态应力-应变曲线,且与准静态压缩实验结果进行了对比,分析了应变率对泡沫铝硅材料压缩强度和吸能特性的影响。动态压缩实验过程中,针对泡沫铝硅合金的低阻抗特点,采用LC4铝压杆和半导体应变片改进了测试装置和方法,保证了实验结果的可靠性。结果表明:应变率对泡沫铝硅合金的流动应力有着明显的影响,其流动应力随着应变率的增大而增大;由于惯性效应和胞孔的坍塌,在弹性极限处应力出现波动,且波动应力随应变率的增大而增大。该文还讨论了泡沫铝硅合金在不同应变率下的吸能效率。
基于接触分析的转定子系统整周碰摩故障模拟
马 辉, 汪 博, 太兴宇, 闻邦椿
2013, 30(2): 365-371. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0498
摘要:
以一个单跨双盘柔性转子系统为研究对象,建立转子系统的有限元模型,基于接触动力学理论,将转子和定子简化为一个点-点接触单元,通过转定子间的圆形间隙变化来模拟转定子的分离及整周接触,并通过碰摩力耦合转定子模型,采用增广的拉格朗日方法处理接触约束条件,用库仑摩擦模型模拟转定子之间摩擦,考虑不同转速、转定子间隙、转定子法向接触刚度、阻尼和摩擦系数对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:转速和转定子法向接触刚度对系统响应影响最大,转定子法向接触阻尼和摩擦系数次之,转定子间隙影响最小。
冷弯非薄壁方管材料特性试验及分析模型
侯 刚, 童乐为, 陈以一, 李自刚
2013, 30(2): 372-378,426. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0559
摘要:
为了能够更好掌握冷弯非薄壁方管(壁厚大于6mm)的受力性能,考虑不同的壁厚、宽度、加工工艺和钢号,对冷弯非薄壁方管的平板部位、弯角部位以及平板与弯角交界部位进行了材性试验。结合国内外以往的研究成果,对比发现:所测试的方管角部的屈服强度及抗拉强度都要大于平板部位,角部的屈服强度的提高幅度要大于其抗拉强度;平板与弯角交界部位的材料强度与平板部位相比,并没有表现出明显的提高;虽然方管所有部位的屈服强度及抗拉强度均有不同程度的提高,但它们的强屈比及拉断后的伸长率却有不同程度的降低;材料的应力-应变全过程曲线呈现“无明显屈服平台”的特性,弯角部位的材料强化模量要明显大于平板部位,先圆后方工艺的方管材料的强化模量要大于直接成方的方管。最后,在试验结果的基础上,提出了冷弯非薄壁方管材料力学性能的分析模型。
半月板移植的固定法对胫股关节屈曲中韧带及骨骼的力学特性影响
郭云飞, 黄荣瑛, 张高龙
2013, 30(2): 379-387. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0535
摘要:
基于正常膝关节4个屈曲角度(0°/25°/60°/80°)下的MRI图像数据,构建了正常以及内侧半月板移植术中双隧道固定和三隧道固定的胫股关节有限元模型,对屈曲角系列下的4种模型分别施加10N?m的内外旋扭矩进行有限元仿真,得到各模型在两种载荷作用下的应力及位移分布,通过从仿真结果中提取各韧带表面的最大拉应力、韧带内的张力及韧带的最大变形量以及股骨、胫骨最大等效应力进行对比分析,获得了内侧半月板移植的双隧道/三隧道固定方法对胫股关节屈曲中韧带及骨骼力学特性的影响。结果表明:同类异体半月板移植的两种固定方法均在一定程度上改善了半月板切除引起的韧带力学行为的异常情况,尤其以采用三隧道固定后的改善更为明显。与双隧道固定相比,三隧道固定使各屈曲角度下韧带表面最大拉应力的变化更为小些,且对各韧带内张力的大小的改变也更微小;虽然三隧道固定使两种载荷作用下韧带的平均变形量的变化更大一些,但4个屈曲角度下的平均变化百分比不超过10%。同类异体半月板移植的两种固定方法均在一定程度上影响股骨和胫骨应力分布,但采用三隧道固定后的影响相对于双隧道固定的小。综合而言,三隧道固定比双隧道固定更利于移植膝韧带力学性能的恢复和胫骨/股骨接近正常的骨骼应力分布。该文的研究结果能为同类异体半月板移植手术的临床实施和术后分析提供参考数据。
液力透平蜗壳内非定常压力脉动的研究
杨孙圣, 孔繁余, 成 军, 黄志攀, 张新鹏
2013, 30(2): 388-393. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0543
摘要:
液力透平内部流场的非定常压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素之一,为了研究液力透平蜗壳内部的压力脉动,采用流场分析软件对一单级液力透平内部流场进行了三维定常和非定常数值模拟,对蜗壳流道内不同周向位置、径向位置和不同流量时的压力脉动进行了时域和频域分析。结果表明:在一个叶轮旋转周期内蜗壳内压力的脉动数量等于叶片数;蜗壳入口位置和割舍位置处压力脉动较小,蜗壳环形部分中部和割舍前端位置处压力脉动较大;蜗壳内压力脉动的主频和次主频分别为叶频和2倍叶频;液力透平蜗壳内部的压力脉动程度在小流量下较小,随着流量的增加,压力脉动程度逐渐增加,大流量时最为剧烈。为了验证数值计算的准确性,建设了开式液力透平试验台,制造了模型样机对液力透平进行了外特性试验和非定常压力脉动测量,验证了数值计算的准确性。
反应堆压力容器压力-温度限值曲线参数敏感性分析
吕 峰, 陈明亚
2013, 30(2): 394-399. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0555
摘要:
该文介绍了2007版RCCM规范和2010版ASME规范对反应堆压力容器压力温度(P-T)限值曲线计算的改进,并基于2007版RCCM规范提出了新的P-T计算流程。通过3D有限元分析,研究了裂纹尺寸、降温速率、应力强度因子塑性修正、堆焊层结构等因素对P-T曲线的影响。数值分析表明裂纹尺寸和堆焊层结构对P-T曲线有较大影响;应力强度因子塑性修正过程对P-T曲线影响有限;若参考RCCM规范计算P-T曲线,则降温速率对计算结果影响较大;若参考ASME规范计算,则降温速率对计算结果影响不大。
巨型射电望远镜索网结构的优化分析与设计
姜 鹏, 王启明, 赵 清
2013, 30(2): 400-405. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0578
摘要:
500m口径射电望远镜(FAST)主要以短程线索网作为反射面支承结构。该文通过对三种短程线分型的索网进行对比分析,建议五轴对称分型方法作为优先选择索网分型方案。同时,该文的优化设计工作进一步减少了主索网与圈梁连接节点的种类及数量,并使索网能满足馈源仓检修升级功能。在此基础上,针对现有两种反射面单元自重情况,优化了索网截面和内力水平,讨论了下拉索节点位置精度对索网变位精度的影响,量化了索网变位过程中主索节点的侧偏量。
叶片局部损伤对大型水平轴风力机静动态特性影响的仿真分析
张 旭, 邢静忠
2013, 30(2): 406-412. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0049
摘要:
基于参数化整机模型研究风力机的静态和动态特性,以及叶片局部损伤对单叶片和整机的静动态特性影响规律,揭示叶片局部损伤与这些特性的关系。使用ANSYS的APDL语言,实现MW级水平轴风力机复合材料叶片的参数化建模;采用公共几何元素、连接单元和自由度耦合等方法,组建包含叶片、轮毂、塔架等部件的整机有限元模型。计算分析了重力、离心力和风压力共同作用下正常整机和包含叶片局部损伤的整机在迎风位置时的静态响应。比较了正常和损伤状态下根部固定单叶片和装入整机中叶片的动态应变响应。研究表明:对根部固定的单叶片,风轮面内的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而减小;对整机中的叶片,垂直风轮面的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而增大。研究方法和结论对大型水平轴风力机叶片损伤的在线监测具有重要 意义。
其他工程学科
J型加筋壁板结构轴压试验及承载能力数值预测
石冶金, 白瑞祥, 王晓平, 陈保兴
2013, 30(2): 413-418. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0469
摘要:
设计了复合材料J型加筋板轴压试验件形式和加载方式,试验研究了其承载能力和破坏形式,讨论了轴压下复合材料加筋板件承载能力预测的有限元建模和分析方法,数值分析了加筋板屈曲和后屈曲模式,结果表明如果不考虑损伤累积对结构承载能力的影响,预测值将明显偏高;而通过引入逐步破坏准则,考虑了基体破坏、纤维基体剪切失效以及纤维断裂等损伤累积对结构承载能力的影响,可以提高数值预测精度。
展向柔性对扑翼推力影响原因的数值分析
张云飞, 叶正寅, 谢 飞
2013, 30(2): 419-426. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0503
摘要:
为研究展向柔性对扑翼推力的影响及产生影响的原因,该文使用一种折叠翼模型作为研究对象,改变展向折叠的弹性系数,联立求解N-S方程和刚体运动方程,并进行了展向柔性对推力影响原因的分析。结果表明:适当的展向柔性可以减小阻力系数,但过大的展向柔性却会增加阻力系数;展向柔性之所以能够改变阻力系数,是因为展向柔性的引入改变了有效攻角沿展向的分布。若展向柔性的引入能够增加有效攻角绝对值沿展向的分布,那么就可以减小瞬时阻力系数。
某跨音速高压涡轮非定常流动数值模拟研究
王大磊, 朴 英
2013, 30(2): 427-433. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0437
摘要:
通过求解三维非定常雷诺平均N-S方程模拟某跨音速高压涡轮非定常流场,研究涡轮内非定常流动特征。通过对静子尾迹及静子尾缘激波和转子叶排之间的相互干涉过程进行详细分析,发现定常/非定常模拟方法获得的涡轮总体性能参数基本一致但流场存在较大差异。静子尾迹是导致涡轮流场非定常性的重要因素之一:在转子叶栅通道中部和下部,静子尾迹和转子叶片附面层及下通道涡发生明显干涉,并导致通道中下部损失周期性波动幅度较大,此外尾迹和下通道涡间的干涉作用在转子尾缘处诱导出高频脱落涡。静子尾缘激波也是导致涡轮流场非定常性的原因之一,激波和转子叶片作用形成复杂的波系结构,对涡轮流场影响显著:一方面激波/附面层干涉导致转子和静子的吸力面产生周期性变化的高温区域;另一方面激波撞击叶片导致叶片表面的气流在激波后出现分离,对转子静压分布产生影响,使得转子叶片表面载荷出现明显的非定常性,进而导致涡轮输出功的周期性波动十分剧烈。
双向梯度复合材料板瞬态热应力分析
陈 康, 许希武
2013, 30(2): 434-442. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0509
摘要:
该文通过编写一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型,采用细观力学方法结合混合律准则描述了双向梯度单元变化的热物理属性。分别采用有限单元-有限差分法和有限单元法分析了在循环热载荷作用下双向梯度板Al 1100/Ti-6Al-4V/ZrO2的瞬态热传导和热弹性问题,给出了温度场和瞬态热应力场的时间响应历程和空间分布形式。最后讨论了相关参数的影响规律,得到了一些重要的结论:冷却阶段更加容易萌生表面裂纹;沿x方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的大小,但对其时间响应和分布形式影响很小;沿y方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的时间响应和分布形式,但对其大小影响很小。
保吸引子的扰动抑制及其在舵减摇中的应用
涂建军, 何汉林
2013, 30(2): 443-450. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0612
摘要:
针对一类受到持续扰动的系统,提出了保吸引子扰动抑制的概念。结合反步设计、Barbalat引理和Lyapunov分析方法,给出一个二次矩阵不等式条件,为这类系统设计了标量自适应鲁棒控制律,将受控系统的状态抑制在一个有界的吸引子内。这个二次矩阵不等式被转化为易于求解的线性矩阵不等式。并进一步利用线性矩阵不等式给出使吸引子最小化的判据,从而使扰动抑制进一步优化。作为应用,该文首先分析某型渔政船在随机斜浪中的横摇运动,然后将设计的扰动抑制控制律作为操舵力矩,运用于渔政船的横摇控制,并通过数值仿真验证了保吸引子舵减摇的效果。
聚能装药垂直侵彻橡胶复合装甲的变形研究
贾 鑫, 黄正祥, 祖旭东, 顾晓辉
2013, 30(2): 451-457. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0556
摘要:
基于Bernoulli方程推导了橡胶穿孔半径以及运动速度的变化规律,对聚能装药垂直侵彻橡胶复合装甲的作用过程进行了分析。在此基础上结合流变学理论,对橡胶复合装甲的面板和背板的变形进行了研究,建立了一种计算复合装甲变形的工程计算模型。通过数值仿真和试验的方法对理论模型进行了验证。结果表明:橡胶复合装甲的变形与橡胶的体积流率、初始压力以及材料本身特性有关。在距离射流轴线半径20mm~80mm范围内,理论、仿真与试验三者所得到的面板的变形结果吻合较好。运用所建立的模型,可以较为精确的反映面板变形规律。
陶瓷材料热冲击开裂机理与裂纹间距预报
武小峰, 王 鹏, 蒋持平
2013, 30(2): 458-463. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0508
摘要:
该文研究陶瓷材料热冲击开裂机理和热冲击裂纹的分布规律。1mm厚的99Al2O3陶瓷薄片的水淬实验显示:裂纹间距随热冲击温差增大而减小,在同一热冲击温差下,5个试件中的各个裂纹间距与平均间距的偏差不超过7%。理论上,结合传热学和力学方法,计算了热冲击过程中试件的瞬态温度场和应力场,阐述了陶瓷材料热冲击条件下的开裂机理。以裂纹间距和深度作为变量,利用最小能量原理,发展了热冲击裂纹间距预报的有限元方法。由于从文献获得的毕渥数数据分散度很大,并且难以直接测量,因此发展了“间接测量法”,逆向估计了实验过程中的毕渥数,并在其他温度点获得了与实验吻合很好的裂纹间距数值预报结果。该文的研究对深入理解陶瓷材料的热冲击失效机制,对陶瓷材料的改性和研制有重要的意义。
狭窄血管处管壁的变形与应力分析
刘 纯, 白象忠, 李小宝
2013, 30(2): 464-469. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0521
摘要:
该文根据血液流动连续性方程、运动方程及血管壁弹性力学方程,通过边界条件的耦合,在给定了血压波形函数的基础上,假设堵塞斑块与血管壁弹性性质相同时,求解了狭窄血管管壁的径向位移及环向应力;分析了不同狭窄程度对血管壁变形及应力的影响;给出了不同狭窄状态下,血管植入支架所需的支撑力,从而计算出植入支架后血管壁的径向位移及应力状态。该文的研究结果可为临床上对狭窄血管植入支架的变形与受力分析提供参考。
基于神经网络的超声导波钢杆缺陷识别
吴 斌, 齐文博, 何存富, 周进节
2013, 30(2): 470-476. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0554
摘要:
利用基于BP神经网络的缺陷识别算法,从不同实验条件下获得的信号样本中抽取特征量,对钢杆中不同深度和位置的径向裂纹进行了识别。首先,采用频率为235kHz激励轴对称纵向模态导波对钢杆中的径向裂纹进行了检测。实验表明,在235kHz时获得的超声导波信号含较单一的L(0,2)模态,避免了用L(0,1)模态检测小尺寸缺陷时检测能力较弱的问题,又减少了用轴对称纵向高阶模态检测缺陷时模态较多不易分辨缺陷回波的现象。其次,利用算法对钢杆中的径向裂纹进行识别。结果表明,在已有实验样本数下,缺陷识别算法从整体上很好地识别不同深度和位置的裂纹,识别正确率稳定在87%。
水平轴风力机叶片最优体型设计
蔡 新, 朱 杰, 潘 盼
2013, 30(2): 477-480. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0579
摘要:
从降低风力机成本及提高风力机运行可靠性的角度,建立以最小的叶片质量获得最大的年发电量两个目标函数,以叶片体型参数及运行参数等关键参数为设计变量,以叶片的强度为主要约束条件的多目标优化设计数学模型,采用Pareto遗传算法对某1.5MW风力机叶片进行最优体型设计研究。与原设计叶片相比,最优体型设计方案提高了风力机的年发电量、减轻了叶片质量,说明优化设计模型合理有效。