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2013年  第30卷  第5期

基本方法
修正偶应力理论层合薄板稳定性模型及尺度效应
李莉, 陈万吉, 郑楠
2013, 30(5): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0750
摘要:
该文将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,提出各向异性的细观尺度的复合材料层合板的本构方程,基于虚功原理建立了各向异性修正偶应力理论并用于建立复合材料层合薄板偶应力理论稳定性模型。该理论的偶应力部分的转角不是独立变量(称为C1理论),对于各单层引入纤维和基体材料的不同的两个材料细观参数,建立了适用于层合板/夹层板的偶应力理论模型。该理论的应变不对称,但是,用于各向同性材料与修正偶应力理论等价。为了便于工程应用,忽略基体材料的细观长度参数,建立了各单层只含一个材料细观参数的偶应力层合薄板理论稳定性模型。算例表明建立的偶应力层合板模型能用于分析层合板稳定性的尺度效应。
结构动力微分方程的一种高精度摄动解
李秀梅, 吴锋, 张克实
2013, 30(5): 8-12. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0770
摘要:
将结构的位移及速度响应作为状态变量,把结构动力方程转化为状态方程,采用摄动方法求解状态方程,推出一种级数形式的摄动解,同时给出了该文算法的迭代格式和计算步骤。该算法无需对转换矩阵求逆,也无须作指数矩阵运算,仅做矩阵向量相乘及向量求和运算,计算稳定而且效率高,收敛速度快,解的级项数及精度可由允许误差参数直接控制,很容易达到任意精度要求,该方法兼具线性加速法的高效率和精细积分法的高精度,可应用于结构大型稀疏线性动力方程组的求解。最后通过典型算例进一步验证了该文算法的精度和效率。
柔性扑翼气动性能的数值研究
周超英, 朱建阳, 汪超, 谢鹏
2013, 30(5): 13-18. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0028
摘要:
国内外对扑翼飞行的气动特性进行了大量研究,这些研究大多基于简谐扑动的刚性翼,然而大量观察发现鸟或昆虫飞行时,翅膀存在明显的柔性变形,这种变形对其气动性能具有显著的影响。该文针对一简化的二维柔性扑翼模型,采用数值求解N-S方程并耦合扑翼柔性变形方程的计算方法,研究了扑翼柔性变形对其气动性能的影响。结果显示扑翼的柔性变形改变了扑翼周围的涡结构,从而影响扑翼的气动性能;适当的柔性变形能延迟前缘涡的脱落,从而有效地改善扑翼的推进效率,但同时减弱了扑翼在低雷诺数环境中产生高升力的尾迹捕捉机制。
基于无网格LocalPetrov-Galerkin法的变厚度薄板的弯曲分析
谢根全, 刘行
2013, 30(5): 19-23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0040
摘要:
对于厚度变化比较平缓,而且平分厚度的中面仍然是平面的薄板弯曲分析。首先在板上布置节点,选定支持域半径和适当的权函数,然后利用移动最小二乘法(MLS)得到支持域内节点的形函数,将形函数代入控制微分方程,得到支持域内节点的刚度和作用在节点上的力,将节点刚度和力装配成系统的刚度矩阵和力的列向量,求解方程得到各节点的位移以及内力,并用有限元分析软件(ANSYS)对同一问题进行研究,对两种方法所得结果进行了比较,数值结果表明应用无网格Local Petrov-Galerkin法计算变厚度薄板弯曲具有足够的精度和效率。
非正态变量情况下基于杂交SAPSO-SFLA的多目标稳健协同优化
张干清, 龚宪生
2013, 30(5): 24-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0017
摘要:
为解决非正态变量空间中复杂多变的隐式非线性功能函数的可靠性及灵敏度的问题,融合鞍点估计与线抽样法的优点,结合二分法的特点与黄金分割法的求解效率,提出基于黄金分割二分法的鞍点线抽样法,即可沿重要线抽样方向利用黄金分割点的二分法快速找到各样本点对应于功能函数的零点,将结构失效概率转化为一系列线性功能函数失效概率的平均值,求出相关变量的可靠性灵敏度,从而导出失效概率对变量均值与方差的可靠性灵敏度及结构轻量化的多目标优化问题,并阐明了多目标协同优化的思想。同时,针对可靠性灵敏度作为目标函数因误差导致多目标协同优化难以收敛的问题,提出了利用误差的思想与方法;为提高算法的收敛性,对粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法与混合蛙跳算法(Shuffled Frog-Leaping Algorithm,SFLA)进行改进以后,再将两者进行杂交,提出杂交自适应粒子群优化-混合蛙跳算法(Self-Adaptive PSO-SFLA,SAPSO-SFLA),并用来求解上述多目标优化问题。算例表明:1) 基于黄金分割二分法的鞍点线抽样法在求解复杂非线性功能函数的可靠性及灵敏度时精度高,速度快;2) 与粒子群优化和混合蛙跳算法相比,所提杂交SAPSO-SFLA不仅具有更快的收敛速度,其鲁棒性还能使盾构行星减速器箱体体积减小8.42%。
土木工程学科
活性粉末混凝土拱极限承载力试验研究
杜任远, 陈宝春
2013, 30(5): 42-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0783
摘要:
进行了两根活性粉末混凝土(RPC)模型拱的L/4处单点加载的面内受力全过程试验,建立了考虑材料与几何双重非线性的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。通过与普通混凝土(RC)模型拱的受力性能的比较,对RPC模型拱荷载-竖直位移曲线、裂缝开展情况、截面应变和结构破坏模式等方面进行了分析。试验与有限元计算结果表明,RPC拱受力过程和破坏模式与RC拱相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现4个塑性铰形成机构而呈塑性破坏,其极限承载力也可用极限分析法进行简化计算。RPC拱由于其材料性能优越,使其受力性能优于RC拱,在同级荷载下RPC拱裂缝的宽度约为RC拱的25%~50%;而RPC拱的开裂荷载、钢筋屈服荷载和极限承载力均较RC拱有明显的提高。在极限承载力相同的条件下,RPC拱的截面积与自重可以减小到RC拱的67%左右,表明RPC可有效减轻结构自重,提高拱桥跨越能力。
应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现
方秦, 还毅, 陈力, 柳锦春
2013, 30(5): 49-55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0545
摘要:
为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。
无粘结与有粘结预应力混凝土梁抗震性能的试验对比研究
苏健, 孙宗光, 易南概, 张爱国, 白杨
2013, 30(5): 69-74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.11.0818
摘要:
基于四对无粘结预应力混凝土梁与有粘结预应力混凝土梁的低周反复加载试验,较为系统地研究了上述两种预应力混凝土梁的延性、耗能性、变形恢复能力及破坏特征等抗震性能。研究表明:无粘结预应力混凝土梁的延性和变形恢复能力优于有粘结预应力混凝土梁,其延性系数平均高出20%;有粘结预应力混凝土梁的耗能能力优于无粘结预应力混凝土梁,其等效粘滞系数平均高出29.2%;有粘结预应力混凝土梁的承载力略高于无粘结预应力混凝土梁,其承载力平均高出7.42%;研究成果为不同工程情况下预应力梁的设计与选用提供参考。
巨型悬挂结构的稳定性研究
童根树, 苏健
2013, 30(5): 75-82. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0748
摘要:
该文首先研究了单个吊挂荷载的悬挂结构的弹性屈曲,求得了解析解。对多层吊挂荷载的巨型悬挂结构,运用连续化模型,推导了稳定平衡微分方程。结果表明:悬挂结构的弹性稳定,等同于将竖向荷载直接作用于悬挂巨型柱相同高度处的变轴力巨型框架柱的稳定。运用能量法,求出了竖向均布荷载作用下两端转动约束柱的屈曲荷载表达式,采用有限元方法验证其具有良好的精度。对两个巨型层的悬挂结构,用初等代数方法阐述了考虑层与层相互作用的屈曲荷载求解方法,与有限元方法比较表明,初等代数方法也具有良好的精度。
空间刚架结构钢-混结合段疲劳性能试验研究
肖林, 李小珍, 卫星, 苏小波
2013, 30(5): 83-89. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0764
摘要:
为了解空间刚架结构钢-混结合段的疲劳性能,按照几何、物理及边界相似准则设计了1∶2的大比例试验模型,进行了设计寿命期内疲劳加载,测试了疲劳加载过程中钢-混结合段结构主要构件以及焊缝、剪力键的应力及变形情况。试验结果显示:空间刚架结构钢-混结合段在疲劳荷载作用过程中的应力水平较低,应力分布基本无变化,钢与混凝土相对滑移量很小;疲劳荷载作用后钢结构、混凝土结构无表观裂纹,超声波探伤结果表明疲劳荷载作用后钢结构焊缝无超标缺陷;结合段顶部钢与混凝土之间的界面粘结被破坏,但由于剪力键的作用,钢与混凝土的最大相对滑移量为0.036mm;该空间刚架结构钢-混结合段具有良好的疲劳性能。最后从疲劳性能的角度对钢-混结合段的合理构造设计进行了讨论。
准饱和粘弹性土-隧道衬砌系统的动力特性
高华喜, 闻敏杰
2013, 30(5): 90-96. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0768
摘要:
将衬砌和土骨架分别视为多孔弹性材料和具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,在频率域内研究了饱和度对分数导数型准饱和粘弹性土-半封闭圆形隧洞弹性衬砌系统动力特性的影响。将水-气混合物视为一种均匀流体,基于Biot两相动力固结理论和弹性理论,分别得到了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数型准饱和粘弹性土的位移、应力和孔压以及衬砌的位移和应力解析表达式。利用衬砌内边界上的边界条件及土体和衬砌界面处的连续性条件,得到了待定系数的具体表达式。通过算例分析,发现:衬砌和土体相对渗透系数对孔压幅值的影响与饱和度有关;流体压力作用下,随着饱和度的减小,位移幅值逐渐增大。另外,分数导数模型参数对系统动力响应有较大影响。
混凝土断裂面多重分形谱的二次拟合研究
郑山锁, 任梦宁, 谢明, 李磊
2013, 30(5): 97-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0822
摘要:
基于混凝土断裂面的分形特性,采用Weierstrass-Mandelbrot (W-M)分形曲面法构造了具有不同分形特征参数的混凝土分形断裂面;对比研究了混凝土分形断裂曲面的多重分形特性,得到了混凝土分形断裂面的多重分形谱曲线。针对混凝土多重分形谱曲线的几何特性,利用最小二乘法对混凝土分形断裂面的多重分形谱进行了二次拟合;对拟合结果进行了定量分析,并对拟合函数进行改进,从而实现了对混凝土断裂面多重分形谱曲线的简化计算。试验结果与拟合结果的对比研究显示,该文所提出的多重分形谱拟合方法能够较好地实现对混凝土断裂面的多重分形谱曲线的模拟,并对多重分形谱的变化规律和趋势进行较为精确的表达。研究成果对研究混凝土断裂面的形成规律乃至混凝土结构或构件的优化设计提供了一种新的思路和方法。
水库护坡静冰压力及断裂韧度测试研究
刘晓洲, 檀永刚, 李洪升, 白会人
2013, 30(5): 112-117. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0855
摘要:
该文结合典型水库的实际工程问题,将断裂力学引入进来,从断裂力学的角度分析了该水库护坡产生冰冻破坏的主要原因,针对冰体材料对应变速率反应敏感的特性,在满足条件下,对其进行了符合脆性破坏的断裂力学试验,并分别得到相应的断裂韧度值KICGC。同时,将其同采用半解析有限元法计算所得到的数值解相比较,两者结果相近、规律相同,进而说明该理论模型及其研究方法是合理有效的。为季节性冻土地区水库护坡抗冰冻破坏问题的研究进行了有意义的尝试,并为其设计提供了参考和依据。
考虑子结构间相互作用的结构地震反应并行计算方法研究
张钰, 潘鹏
2013, 30(5): 118-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0056
摘要:
提出一种用于结构地震反应分析的并行计算方法,此方法将被分析的整体结构划分为多个子结构进行并行计算,计算中考虑子结构间的相互作用。此系统中的核心是协调器,用于保证各子结构边界处的变形协调与力平衡。协调器基于柯西-牛顿迭代算法,通过修正边界处的不平衡力与刚度矩阵得到精确的位移数值解。此方法的特点是各子结构完全独立,相互之间只通过标准数据输入与输出接口传递力与位移。以一个包括四个塔楼的复杂结构为例验证了此方法的有效性。该复杂结构被划分为4个子结构进行并行计算,分析结果表明该并行计算方法对于动力弹性时程分析问题可以得到与整体分析一致的解,对于动力弹塑性时程分析问题,当步长足够小的时候,可得到具有足够精度的解。
装配式短肢剪力墙低周反复荷载试验
朱张峰, 郭正兴
2013, 30(5): 125-130. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0871
摘要:
对2个预制装配式和1个现浇短肢剪力墙试件进行了低周反复荷载试验。与现浇试件对比,掌握预制装配式剪力墙的强度、位移延性及耗能能力等。试验结果表明:装配式试件破坏形态与现浇试件明显不同,水平拼缝为薄弱部位,变形集中。上部预制墙体基本保持完好,破坏主要集中在下部墙体,并表现为剪切破坏,与理论分析一致。有限元分析表明增加装配式短肢剪力墙中部连接钢筋,可增加水平拼缝混凝土接触面面积,减小其剪应力,从而有效改善墙体受力性能,提高墙体的承载能力和变形能力。
高强箍筋约束高强混凝土轴心受压本构关系研究
史庆轩, 王南, 王秋维, 门进杰
2013, 30(5): 131-137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0894
摘要:
约束混凝土是克服高强混凝土脆性的重要措施,采用高强箍筋约束能够有效的改善受压构件的力学性能。同时,约束混凝土的本构关系是结构非线性分析的基础,本构关系的选取对计算结果的合理性有显著影响。该文基于多组高强箍筋约束高强混凝土轴压试验数据,提出了改进的约束混凝土本构模型,分析了高强箍筋应力的发挥水平,给出了约束混凝土峰值应力、峰值应变和极限应变的计算公式。计算结果表明建议的本构模型与试验曲线符合较好。该模型可用于高强箍筋约束混凝土构件的非线性分析。
带加劲肋腹板开洞组合梁极限承载力理论研究
王鹏, 周东华, 王永慧, 韩春秀
2013, 30(5): 138-146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0006
摘要:
基于空腹桁架破坏机理,根据腹板开洞组合梁在极限状态下的洞口区域塑性应力分布建立洞口4个次弯矩函数。提出了一种带加劲肋腹板开洞组合梁极限承载力的计算方法,该方法考虑了洞口上方混凝土板对组合梁的竖向抗剪承载力的贡献。计算结果表明:洞口设置加劲板能有效的提高腹板开洞组合梁的抗弯和竖向抗剪承载力,而且竖向抗剪承载力随着加劲板面积的增大而增大,混凝土板对组合梁的抗剪承载力有较大的贡献。并与试验和有限元结果进行了比较,结果吻合较好,算例验证了该计算方法的准确性和可靠性。
基于多维性能极限状态的结构易损性分析
孙鸿宾, 吴子燕, 刘骁骁
2013, 30(5): 147-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0897
摘要:
由于基于性能的单指标易损性方法在结构易损性分析中忽略了非承重构件及设备仪器破坏的影响,该文提出了基于多维性能极限状态的易损性分析方法,采用承重构件敏感的最大层间位移参数与非承重构件及设备仪器敏感的最大加速度参数作为性能量化指标,建立了基于多维性能极限状态的广义方程描述结构整体的极限破坏状态。根据超越概率的定义,并考虑量化指标间相关性及其阀值的随机性,推导得到了二维性能极限状态下超越概率的解析解;并利用matlab拟合得到了结构在正常使用、可以使用、生命安全、防止倒塌四个性能水平下的易损性曲线。
后张预应力预制混凝土框架节点抗震性能数值模拟与理论分析
种迅, 孟少平, 张林振
2013, 30(5): 153-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0012
摘要:
为了研究由后张预应力筋将预制梁柱拼装在一起形成的框架结构的抗震性能,在四榀梁柱中节点低周反复加载试验的基础上,采用弹塑性分析程序DRAIN-2DX进行了数值模拟分析,并根据截面的受力平衡条件,给出了试件力-位移关系曲线上的几个关键点——开裂点、线性极限点、屈服点和承载力极限点对应的梁端弯矩值的简化计算公式。研究结果表明:通过合理建模和选择模型参数,采用DRAIN-2DX程序可以较为准确地模拟出试件整个试验过程中的楼层剪力-层间位移角关系滞回曲线和骨架曲线,曲线上的几个关键点也与试验结果吻合较好,但计算曲线的初始刚度偏大;简化计算公式具有一定的精度,便于工程设计应用。
冲击荷载作用下岩土材料能量耗散的有限元分析
闫澍旺
2013, 30(5): 160-164. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0018
摘要:
当海上平台落物或商船抛锚会对海底管线造成一定的损害。通常的防护措施是管线的上部覆盖一层岩土材料,耗散部分落物冲击。运用非线性有限元程序Ls-DYNA/ANSYS对岩土材料耗散冲击物产生的能量的能力进行了数值模拟。对于碎石层的计算结果与挪威海洋工程规范中依据实验得到的结果一致,验证了该程序用于研究材料层能量消散能力方面的适用性。由于缺乏与粘土相关的研究,该文采用Ls-DYNA/ANSYS程序对粘土材料层消散能量能力进行了分析计算,成果可供海底管线保护设计的参考。
基于概率性地震需求模型的桥梁易损性分析
郑凯锋, 陈力波, 庄卫林, 马洪生, 张建经
2013, 30(5): 165-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0027
摘要:
采用概率性地震需求分析方法,建立了汶川地区典型简支梁桥的分析型地震易损性模型。基于汶川地震桥梁震后调查资料,评估了桥梁结构参数的不确定性,抽样并生成一系列桥梁的有限元模型样本。利用汶川地震实测地震波对所建立的桥梁有限元模型进行非线性动力时程分析,并记录每一组分析中桥梁构件的地震峰值响应,通过回归分析建立地震动强度和桥梁构件地震需求之间的关系。在确定桥梁不同损伤状态对应的构件极限状态后,基于对数正态分布假设生成不同损伤状态对应的地震易损性曲线,最后基于可靠度理论计算得到桥梁系统易损性的上下确界。生成的地震易损性曲线可以进一步用于地震风险评估和震后加固优先级决策。
基于能量的弹塑性损伤实用本构模型
齐虎, 李云贵, 吕西林
2013, 30(5): 172-180. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0034
摘要:
建立一个实用的弹塑性损伤本构模型。在有效应力空间采用经验公式计算塑性变形,能将模型塑性部分与损伤部分解耦,降低模型的数值处理复杂性,同时大大简化模型塑性应变的计算。结合不可逆热力学理论,基于损伤能量释放率建立损伤准则,损伤能量释放率由修正后的弹性Helmholtz自由能导出,模型中将弹性Helmholtz自由能分解为应力球量部分和应力偏量部分,将其应力球量部分产生的损伤取为零,同时根据应力状态引入折减系数对其应力偏量部分进行修正,使得模型能较为准确的模拟混凝土材料在双轴加载下的本构行为。将应力张量谱分解为正、负两部分以分别定义材料受拉、受压损伤演化,并采用受拉损伤变量、受压损伤变量分别模拟混凝土材料在拉、压加载下的本构特性。引入一个加权损伤变量使得模型能较准确的反映混凝土材料的“拉-压软化效应”。最后该文给出初步试验验证,证明了该文模型的有效性。
含显著沉积弱面砂岩加卸荷破坏试验研究
王乐华, 陈星, 党莉
2013, 30(5): 181-187. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0037
摘要:
层状岩体加卸荷条件下的各向异性规律对于指导工程设计、施工具有重要意义。对含显著沉积弱面的水平、垂直层理的宜昌砂岩加载、卸载破坏的试验研究表明:1) 水平、垂直层理砂岩回弹值、纵波波速与强度存在一定的相关性,其基本规律是回弹值或者纵波波速越大,岩体强度越大;2) 无论采用加载还是卸载破坏方式,相同围压下,垂直层理岩体的强度一般大于水平层理岩体;3) 无论是水平还是垂直层理岩体,卸荷破坏峰值强度在低围压下高于加载破坏强度,而高围压下低于加载破坏强度;4) 该文试验条件下,加卸载破坏形式主要是剪切破坏,根据Mohr-Coulomb准则预测的破坏角和实测值非常接近,水平和垂直层理岩体加卸载破坏的破裂面并未受到沉积弱面的影响。
挤扩支盘桩中支盘破坏形态的试验研究
巨玉文, 梁仁旺, 白晓红, 张善元
2013, 30(5): 188-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0041
摘要:
用YAW-5000型微机控制电液伺服压力试验机对挤扩支盘桩中的支盘模型试件进行了荷载试验,测定了支盘的荷载-位移全程曲线,揭示了试验条件下的支盘破坏形态为斜压破坏;根据试验结果,建立了考虑混凝土强度、支盘的高宽比和盘径比等因素的支盘承载力计算公式,完善了支盘的强度设计及计算理论。
基于贝叶斯理论的钢筋混凝土柱受剪承载力计算
吴涛, 刘喜, 邢国华
2013, 30(5): 195-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0048
摘要:
现行混凝土结构设计规范中钢筋混凝土柱的受剪承载力公式为半经验半理论计算公式,由于试验数据的有限性和钢筋混凝土材料离散性较大的本质特性,规范建议公式缺乏明确的理论模型。该文以贝叶斯动态信息更新思路,根据主观经验信息选定现行规范中钢筋混凝土柱受剪承载力计算公式作为贝叶斯先验模型,通过已完成试验研究的柱受剪承载力数据,应用贝叶斯方法综合这两类信息进行推断,建立钢筋混凝土柱在反复荷载作用下受剪承载力的概率模型,对未知参数进行估计,修正先验模型并建立后验模型,以达到对先验模型的更新。通过先验模型计算值、后验模型计算值及试验值相互间的对比分析可知:贝叶斯方法继承了先验信息的完备性和大量试验数据的准确性,能够更准确地预测钢筋混凝土柱的受剪承载力。
型钢再生混凝土柱保护层厚度力学分析
薛建阳, 马辉, 陈宗平, 崔卫光
2013, 30(5): 202-206. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0728
摘要:
结合型钢再生混凝土受压柱的破坏特征以及再生混凝土的材料特性,根据板的弹塑性稳定理论,对型钢再生混凝土柱受压区再生混凝土保护层不发生失稳时的最小保护层厚度进行了理论推导;同时从再生混凝土保护层开裂的角度,依据力扩散原理和拉断破坏模型,分析了型钢再生混凝土临界开裂保护层厚度的计算方法。研究表明:型钢再生混凝土柱保护层厚度主要与再生混凝土强度等级、型钢再生混凝土柱高、型钢翼缘宽度、再生粗骨料取代率有关。
褶皱发展对平面张拉薄膜屈曲后动力特性的影响
马瑞, 杨庆山, 王晓峰
2013, 30(5): 207-214. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0202
摘要:
剪切位移荷载作用下,平面张拉薄膜经历缺陷、临界褶皱和宏观褶皱3种状态。该文依次分别对处于3种状态的薄膜进行自振特性分析,并明确了3种状态的划分原则。计入平面张拉薄膜的微小抗弯刚度,采用ANSYS/LS-DYNA中显式-隐式连续求解的方法对屈曲后薄膜的动力特性进行分析。依据忽略面外变形的理想模型自振特性分析结果,把平面张拉薄膜的振型划分为贯通振型和间断振型,贯通振型又划分为纵向贯通振型和横向贯通振型。研究结果表明:薄膜处于缺陷状态时,面外变形对薄膜自振特性的影响可以完全忽略,受主应力分布的影响,低阶振型中纵向贯通振型更易于出现,纵向贯通振型的波峰或波谷数量随着频率阶数的递增而规律递增。临界褶皱状态,薄膜的各阶频率均随剪切位移的增加而出现大幅波动,面外变形对薄膜振型的影响逐渐增大,横向贯通振型消失,纵向贯通振型的递增规律逐渐破坏;宏观褶皱状态,薄膜的各阶频率趋于稳定,其主应力分布及振型受面外变形的影响显著。
基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究
茹忠亮, 申崴, 赵洪波
2013, 30(5): 215-220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0205
摘要:
针对钢筋混凝土梁裂纹扩展问题,基于扩展有限元法,建立了预置裂纹的简支混凝土梁三维模型,用粘聚裂纹模型描述裂纹面间的力学行为,采用线性的软化曲线表示裂纹尖端断裂过程区的应变软化行为,分别对素混凝土梁和钢筋混凝土梁的复合断裂过程进行模拟,分析了纵向钢筋对裂纹扩展路径、荷载-挠度和荷载 -CMOD (裂缝开口处张开位移)曲线的影响,并与文献中的试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合良好,展示了扩展有限元法在结构断裂破坏分析方面的独特优势。
不同截面参数H型吊杆的气动性能
刘慕广, 陈政清
2013, 30(5): 221-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0339
摘要:
该文通过节段模型风洞试验,以7个不同截面参数的H型吊杆为对象,系统研究了翼板开孔和截面高宽比两参数分别对H型吊杆的颤振、驰振和涡振性能的影响。试验结果表明:高宽比H/B =0.417时,增大翼板开孔可明显提高H型吊杆弱轴向驰振临界风速,同时也会改善吊杆的涡振稳定性,但对扭转颤振和强轴向驰振性能无明显作用;增大高宽比可同时提高H型吊杆弱轴向和强轴向的驰振临界风速,也可显著的影响颤振和涡振特性。总的看来,增大高宽比较翼板开孔能更好的提升H型吊杆风振稳定性。
内置并联U形埋管能量桩的换热性能研究
陈忠购, 赵石娆, 张正威
2013, 30(5): 238-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0538
摘要:
建立了内置并联U形埋管能量桩热交换的理论模型,该模型考虑了管内循环液体竖向对流换热和支管之间的热干扰。通过与数值模拟结果的对比,验证了所提模型的可靠性。基于该模型分析了桩内埋管布置形式对能量桩换热效率的影响,结果表明:整体上能量桩换热效率随埋管数量增加而提高,尤其是桩内埋管数较少时,而当埋管达到一定数量后,再增加对能量桩的换热效率影响很小;若埋管数量一定,桩内所有U形管的支管等间距布置时能量桩的换热效率最高;U形管进出水支管的布置顺序对能量桩的换热效率影响很小;若循环液流动速度保持不变,增加埋管直径能增大能量桩的换热效率。
基于统一强度理论的大型浅圆筒仓侧压力计算
孙珊珊, 赵均海, 张常光, 崔莹
2013, 30(5): 244-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0575
摘要:
为合理计算大型浅仓贮料的侧压力,该文基于统一强度理论,采用静力平衡分析法,综合考虑了中间主应力、仓壁与贮料间的摩擦力以及由于锥堆产生的超压等影响,推导出大型浅仓侧压力计算公式,并与试验实测、Rankine公式和Coulomb公式进行了对比验证,探讨了统一强度理论参数、内摩擦角和贮料与仓壁间摩擦系数等影响特性。结果表明:该文计算值与试验实测值吻合较好,且计算简练;锥堆时Coulomb公式结果偏大,Rankine公式结果偏小,平堆时Coulomb公式和Rankine公式的结果均偏保守;统一强度理论参数、内摩擦角对侧压力的影响显著,贮料与仓壁间摩擦系数的影响较小。
框架预应力锚杆边坡支护结构动力计算方法研究
董建华, 朱彦鹏, 马巍
2013, 30(5): 250-258. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0810
摘要:
考虑了土体与结构的性质及相互作用,建立了框架预应力锚杆边坡支护结构动力计算模型。该模型根据框架预应力锚杆的实际工作机理,自由段和锚固段分别简化为两段均匀弹性圆杆,将土体对锚固段的作用处理成一个线性弹簧和一个与速度有关的阻尼器,把框架对锚杆的惯性作用简化为集中于锚杆外端头上的等效质量加以考虑,基于前述简化,推导出框架预应力锚杆边坡支护结构协同工作的水平地震动力运动方程,并进行了地震响应分析。最后将提出的方法应用于实际工程,并与数值模拟、振动台试验进行了对比,结果表明吻合较好,说明提出的方法是实用、可靠的。通过该模型可以得到框架预应力锚杆边坡支护结构在水平地震作用下的动位移、锚杆轴力地震响应、地震作用下的轴力峰值沿边坡高度及锚杆轴向的分布规律,为框架预应力锚杆边坡支护结构的动力分析与抗震设计提供了理论基础。
机械工程学科
随机参数梁在考虑热弹耦合下的动力响应分析
阎彬, 陈建军, 张建国, 云永琥, 马洪波
2013, 30(5): 265-270. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0809
摘要:
以随机参数梁为研究对象,分析其在温度载荷和力载荷共同作用并考虑热弹耦合关系时的动力响应。建立了热弹耦合动力学有限元模型,给出了在时间域内差分离散、相互交替迭代的耦合计算方法。利用随机因子法推导了结构温度场和动力响应的数字特征表达式,其中温度场的求解利用θ 时间积分法,动力响应则利用Newmark-β 积分法。在求出结构各时间步温度场和动力响应数字特征的基础上,应用耦合算法获得了整个时间域内的结构响应数字特征。通过悬臂梁算例分析了热弹耦合项对动力响应的影响,并考察了诸随机参数分散性对结构动力响应分散性的影响。
基于影响函数法的多辊轧机辊系变形矩阵迭代法
秦剑, 缪谦
2013, 30(5): 271-276. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0038
摘要:
该文提出了基于影响函数方法的新多辊轧机辊系弹性变形快速计算方法。该文分析了传统影响函数法在多辊轧机计算中的不足,构造了多辊轧机辊系变形计算的矩阵迭代方法,该方法计算量小且精度高,适用于任意类型的多辊轧机。该文针对森吉米尔轧机给出了该方法中整体刚度矩阵的构成方法,分析了整体刚度矩阵的特点,并列出了详细的迭代计算流程。通过与不同工况的有限元结果对比,验证了该方法的可靠性。
其他工程学科
等离子抑制翼尖涡实验研究
何伟, 牛中国, 潘波, 林麒
2013, 30(5): 277-281. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.10.0718
摘要:
该文对利用DBD等离子体注入能量抑制翼尖涡进行了风洞试验研究。通过采用PIV粒子成像测速技术测量了三种不同结构的等离子体激励器影响下的后掠翼下游的尾涡流场,并结合矩形机翼在等离子作用前后的气动力变化,来判断等离子体抑制翼尖涡的效果。试验结果表明:在机翼翼梢的上下表面处布置等离子体激励器,通过等离子体产生的定向诱导气流形成诱导涡对流场注入能量,可以有效地延缓翼梢上翼面流动分离,抑制翼尖涡,增加升力,提高升阻比。在翼尖处流动分离较小时,等离子体抑制翼尖涡强度的效果明显;在大攻角下仍具有一定的作用;其效果与等离子体发生器的结构有关。因此,通过优化等离子体激励器结构,选择合适的等离子体激励器在翼梢表面的安放位置,可以更好地提高抑制翼尖涡的效果。
深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析
唐友刚, 邵卫东, 张杰, 王丽元, 桂龙
2013, 30(5): 282-286. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0895
摘要:
该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。
一种提高飞机着陆性能的新方法探索研究
叶坤, 叶正寅, 屈展
2013, 30(5): 287-292. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0845
摘要:
提出了一种新型气动方法,主要原理是通过将机翼上表面的一部分翼面设计为活动翼面,当飞机进入降落阶段、迎角较大时,适当抬高该活动翼面,在该翼面抬起后,形成一个台阶,通过台阶中产生的稳定驻涡来控制机翼上表面的流动,与此同时,打开安装在机翼上的Gurney襟翼,从而达到同时提高机翼升力和失速迎角的目的,该方法比较适合提高小型飞机或无人机的着陆性能。通过将该方法在某小型飞机上运用,数值模拟的结果表明:机翼的最大允许使用升力系数提高了33%,最大的允许使用迎角提高了30%。为提高小型飞机的着落性能探索出一种具有发展潜力的方法。
基于Bulk-flow模型的偏心叶轮前侧盖板泄漏流稳态特性分析
袁振伟, 王海娟, 张妍, 张军
2013, 30(5): 298-304. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0590
摘要:
通过数值计算分析了叶轮偏心情况下前侧盖板泄漏流流体的稳态特性。基于一种bulk-flow模型建立了由3个非线性偏微分方程组成的流体控制方程。运用有限差分方法和交错网格得到离散化的控制方程,利用SIMPLE算法来完成对离散化控制方程的求解。根据计算结果给出了给定条件下叶轮前侧盖板泄漏流流体的稳态压力分布和速度分布,并分析了叶轮前侧盖板与蜗壳间间隙和叶轮偏心率对叶轮前侧盖板泄漏流流体的稳态压力分布和速度分布的影响。分析结果表明:二者对叶轮前侧盖板泄漏流流体的稳态特性具有明显影响。
覆冰四分裂导线舞动近似解析解分析
蔡君艳, 刘习军, 张素侠
2013, 30(5): 305-310. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0031
摘要:
建立了带有刚性间隔棒的覆冰四分裂导线垂直、水平和扭转三自由度的耦合模型,并对由强非线性系统转化为弱非线性系统的方法进行了研究,运用平均法分析了非内共振、3∶1内共振和1∶1内共振时系统的振动情况,得到了风速、横向阻尼比、来流密度、线路档距等相关参数对导线舞动的影响及在不同参数影响情况下导线舞动的响应曲线,其近似解析解与数值解基本吻合。
基于矩方法的特高压输电塔抗风可靠度分析
俞登科, 李正良, 李茂华, 范文亮
2013, 30(5): 311-316. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0803
摘要:
该文研究特高压输电塔抗风可靠度。基于等效随机静风荷载模型,引入矩方法分析特高压输电塔的抗风体系可靠度。该方法基于等价极值事件,利用统计矩点估计法求解得到等价极值变量前四阶统计矩信息后,即可方便地获得特高压输电塔体系可靠度指标及相应失效概率。1000kV级特高压SZT2钢管塔的数值算例分析表明:1) 矩方法简单、高效,将其运用于特高压输电塔抗风可靠度分析切实可行,具有重要的理论意义和工程实用价值;2) 在采用点估计法进行等价极值变量统计矩估计时,所取估计点数目应依据失效概率收敛情况而定,并非任意选取或取得越多越好。
齐次化广义屈服函数与角钢输电塔架极限承载力分析
杨绿峰, 李琦, 张伟, 林银河
2013, 30(5): 317-323. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0008
摘要:
建立了等边角钢截面广义屈服函数的齐次化表达式,由此定义了角钢构件的单元承载比,依据承载比均匀度建立了弹性模量调整的动态阈值,并根据变形能守恒准则建立了弹性模量调整策略,提出了输电塔架极限承载力分析的弹性模量缩减法,可通过系统缩减结构中高承载比单元的弹性模量,模拟输电塔架塑性失效过程,确定结构极限承载力。该法克服了传统弹性模量缩减法及其他弹性模量调整方法因不满足比例加载条件所导致的计算精度和稳定性不良问题,并继承了该类方法原理简单、计算高效的优点。
多铁性非均匀空心层合柱圆弧界面的反平面断裂分析
时朋朋, 李星, 孙莎
2013, 30(5): 324-328. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0001
摘要:
讨论反平面载荷作用下多铁性非均匀空心层合柱的圆弧界面裂纹问题,层合柱由梯度铁电层和梯度铁磁层粘接而成,界面处存在圆弧型裂纹。采用分离变量和Cauchy核奇异积分方程方法求解该断裂问题。通过讨论断裂参数的数值解,分析了梯度非均匀参数、几何与材料参数变动等对应力强度因子的影响。
基于能量准则的板翅式换热器封头塑性载荷研究
王伟, 邹先平
2013, 30(5): 329-334. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0035
摘要:
针对基于能量准则的板翅式换热器封头强度设计问题,给出了比率塑性功曲率(Ratio Plastic Work Curvature,RPWC)准则塑性载荷和塑性功曲率(Plastic Work Curvature,PWC)准则塑性载荷确定方法。两种准则的封头塑性压力结果一致表明大变形效应对封头结构有强化效果。5种接管开孔率的塑性压力比较结果表明,PWC塑性压力最大,RPWC塑性压力其次,PWC工程塑性压力最小,RPWC塑性压力对应的比率塑性功小于PWC零曲率塑性载荷对应的比率塑性功。RPWC准则相对PWC零曲率准则临界塑性指标更严格,具有偏安全、简便直观的特点,适合板翅式换热器封头这类复杂结构的塑性压力计算,而PWC工程塑性载荷可用于工程设计载荷的保守估计。
导向孔对两爆破孔间成缝过程影响的数值模拟
魏炯
2013, 30(5): 335-339. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0432
摘要:
在爆破中,控制裂纹扩展的方法之一是在装药孔之间开挖导向孔,促使裂纹的扩展贯通。炸药在爆炸时,产生的载荷包括爆炸应力波和爆生气体压力。基于这一认识,研发了爆破损伤的数值模拟系统,并对有机玻璃试样中两炮孔同时起爆时孔周裂纹的萌生、扩展过程进行模拟,探讨了无导向孔、有一个圆形导向孔和有一个带切割槽的导向孔3种情况下裂纹的扩展规律。数值模拟结果与室内试验结果相吻合,这一方面证实了在装药孔之间开挖带切割槽导向孔对控制裂纹扩展的有效性,同时也验证了该文提出的爆破损伤模型的可行性。
水平井眼中旋转钻柱运动特性的实验研究
管志川, 邵冬冬, 温欣, 史玉才
2013, 30(5): 340-345. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0467
摘要:
根据相似原理,设计建造了水平井底部钻柱运动状态的模拟实验装置。利用该装置进行了水平井钻柱在不同钻压、转速条件下钻柱运动状态的模拟实验。实验结果表明:水平井底部钻柱在不同转速下表现出近似圆形摆动,“8”字形摆动和扁“8”字形摆动3种运动状态。随着转速的增加,钻柱的摆动由近似圆形摆动向“8”字形和扁“8”字形摆动转化;钻压和转速是影响水平井底部钻柱运动状态的2个重要因素。转速越高,越容易形成“8”字形摆动,增加钻压有利于底部钻柱“8”字形摆动的形成;水平井底部钻柱的运动范围始终处于井眼的中下偏右部。