留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2013年  第30卷  第8期

基本方法
基于Zernike矩的网壳结构的振型表征及损伤识别
刘福林, 闫维明, 何浩祥, 王卓
2013, 30(8): 1-9. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.01.0021
摘要:
在结构模态识别中常用的模态保证准则(MAC)仅能显示结构不同振型的相关性,并不能反映模态的细节,对于模态复杂的网壳结构则更是如此。因此,提出利用Zernike矩表征网壳结构的振型,即将振型数据视为图像函数,通过离散Zernike矩变换,得到表征各阶模态的Zernike矩值(包括幅值和相位角)。对一个单层球面网壳结构的有限元模型进行数值模拟,结果表明,此矩可有效地反映模态的振型特性并能识别结构的重频模态,较传统的MAC具有明显的优越性。在此基础上,初步提出将Zernike矩的幅值及相位角作为结构损伤识别的新指标。构造了网壳结构杆件物理参数改变的几种损伤工况,通过分析,发现了不同的损伤形式导致的Zernike矩的不同变化规律,验证了Zernike矩用于损伤识别的可行性。
端部性质对频率法测量竖直拉索索力影响分析
孙永明, 李惠
2013, 30(8): 10-17. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0187
摘要:
对频率法计算竖直拉索索力的原理和方法进行分析与评价,指出工程实际拉索与理想匀质拉索模型的区别,强调端部性质对频率法测量竖直拉索索力的影响。根据实际拉索两端一般具有锚杯和连接筒的构造特点,提出“三段式、两端刚接”振动模型;延用匀质拉索索力计算公式模型,考虑对匀质比例变量进行修正从而获得实际比例变量;采用有限单元法对端部性质进行参数影响分析,深入研究了比例变量修正系数随长度修正系数和刚度修正系数的变化规律。比例变量修正系数与长度修正系数成正比例函数关系,其函数方程斜率为刚度修正系数;根据刚度修正系数随刚度比PI增大而增大,随索力T增大而减小等变化规律,构造刚度修正系数函数方程;并最终建立可计入端部性质影响的修正索力计算公式。数值分析和工程实例计算结果均表明:当长度比PL≥0.08时,端部性质对计算索力的影响随索长的减小而迅速增大;当长度比PL≥0.14时,匀质索力计算公式已经不能正确计算索力,其计算偏差可达50%以上;而本文建立的修正索力计算公式始终能够对长度比PL≤0.5拉索做出正确的计算索力,其计算精度能够满足工程要求。
正交各向异性和各向同性方板自由振动的三维无网格解
项松, 陈英涛
2013, 30(8): 18-22. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0239
摘要:
推导了正交各向异性和各向同性弹性体自由振动的三维控制微分方程,利用基于逆复合二次径向基函数的无网格配点法对三维控制微分方程和边界条件进行离散,通过数值算例选取了逆复合二次径向基函数的形状参数,结果表明:形状参数(是x方向的节点数)时计算结果收敛最快。计算了不同边界条件的正交各向异性和各向同性板的固有频率,该文中的结果与文献中的结果具有较好的一致性。
基于Kriging代理模型的二维分数阶粘弹性问题的数值求解
徐永生, 杨海天, 赵潇, 张国庆
2013, 30(8): 23-28,34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0260
摘要:
为提高求解分数阶粘弹性正问题的计算效率,提出了一种基于Kriging代理模型的数值求解方法。利用拉丁超立方采样技术选取样本点,借助有限元和有限差分技术计算样本点的位移响应,从而建立Kriging代理模型。通过均质和区域非均质两个粘弹性算例,对所提方法的计算精度和计算效率进行了测试。测试分析表明:代理模型可提供合用的计算精度,当问题规模较大且正问题需要多次求解时,有望显著降低计算时间。
Cosserat连续体平均场理论中的Hill定理
刘其鹏, 刘晓宇, 高月华
2013, 30(8): 29-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0264
摘要:
基于平均场理论的多尺度均匀化模拟必须满足Hill-Mandel细宏观能量等价条件,这首先需要推导Hill定理。Cosserat连续体平均场理论中,宏观平均偶应力的定义存在2种不同的方案,给Hill定理的推导带来了困难。该文构造了一个不考虑宏观平均偶应力具体表达式的Hill定理中间形式,将2种宏观偶应力定义分别代入,推导和建立了2个版本的Hill定理,并对二者做了比较和分析,为后续非均质Cosserat连续体多尺度模拟研究工作提供了理论基础。
土木工程学科
方钢管再生混凝土短柱轴压承载性能试验研究
柯晓军, 陈宗平, 薛建阳, 苏益声
2013, 30(8): 35-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0759
摘要:
为了研究方钢管再生混凝土短柱的轴压承载性能,以再生粗骨料取代率为主要变化参数,设计了11个方钢管再生混凝土试件进行轴压试验。试验结果表明:方钢管再生混凝土的破坏形态与普通方钢管混凝土相似,呈斜压破坏,再生粗骨料取代率变化对方钢管再生混凝土的承载性能影响不明显。采用统一强度理论、叠加计算理论对方钢管再生混凝土短柱的极限承载力进行了计算和分析,结果表明两种理论的计算结果均小于试验值,偏于安全,综合经济性考虑,建议采用统一强度理论的计算公式对方钢管再生混凝土短柱进行设计。最后根据试验数据拟合了方钢管再生混凝土应力-应变关系的全过程表达式。
汶川地震中SDOF体系地震输入能量需求的研究
卢书楠, 翟长海, 谢礼立
2013, 30(8): 42-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0146
摘要:
基于汶川地震断层距150km内112条水平分量加速度记录,分析断层距、场地类型、地震动持时、上盘和下盘效应、方向性效应对SDOF(single degree of freedom)体系弹性地震输入能的影响。结果表明:近断层断层距30km范围应考虑加速度峰值增大对输入能显著提高的影响;场地越软输入能越大,输入能谱的特征周期并不随着场地越软而向右移动;地震动持时对输入能谱峰值相应周期的结构影响显著,持时越长,输入能谱峰值越大。近断层下盘效应和方向性效应对地震输入能有显著影响,断层距大于30km范围内,下盘效应使中、长周期结构的地震输入能显著提高。
扩展特征系统实现算法的模态参数识别特性研究
崔定宇, 辛克贵, 祁泉泉
2013, 30(8): 49-53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0234
摘要:
结构动力响应作为模态参数识别的输入数据,对识别结果存在一定的影响。扩展特征系统实现算法(EERA)是一种多输入输出的结构模态参数识别的时域方法,相比于特征系统实现算法(ERA)应用范围可以扩展到任何随机响应,具有识别精度高、稳定性好等特点。该文主要对EERA算法,在分别采用加速度、速度和位移动力响应作为输入时,对两个自由度弹簧阻尼质量系统和实验室环境下6层框架结构识别的结果进行了比较分析,得出EERA对任何动力响应均适用,并且建议采用加速度动力响应信号识别高阶模态。
桥梁高性能钢HPS485W断裂韧性试验研究
王春生, 段兰, 胡景雨, 郑丽
2013, 30(8): 54-59. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0164
摘要:
为了研究桥梁高性能钢的断裂韧性,对中国舞阳钢厂生产的高性能钢HPS 485W进行了一系列的断裂韧性试验研究。通过夏比V形缺口冲击试验得到HPS 485W在不同温度下的冲击韧性,并应用Boltzmann函数求解韧脆转变温度曲线,试验结果表明:与传统桥梁用钢相比,HPS 485W冲击韧性更高且韧-脆转变温度更低。由HPS 485W延性断裂韧度(JIC)试验,测得板厚18mm和28mm的HPS 485W试样的J积分值,试验结果表明HPS 485W具有优良的断裂韧性。对8mm和14mm的HPS 485W进行裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,试验结果表明HPS 485W有良好的塑性和韧性。基于HPS 485W拉伸试验获得的应力-应变曲线结果,运用失效评定曲线方法对CTOD试验值进行评定,HPS 485W的母材断裂韧性(CTOD)落在评定曲线的合格范围内。该文的研究为高性能钢桥的安全评定和防断裂设计提供了试验依据。
钢筋混凝土框架中节点受剪承载力计算的修正软化拉压杆模型
邢国华, 刘伯权, 牛荻涛
2013, 30(8): 60-66. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0184
摘要:
应用软化拉压杆模型对钢筋混凝土框架节点核心区进行受剪承载力计算时,常常基于经验取柱截面宽度作为节点的有效宽度参与抗剪强度计算。但是,对于实际工程中含有现浇楼板的框架中节点,节点的有效宽度在核心区上下验算截面并不相同且随着作用外力的增加而逐步增大,直至软化拉压杆模型中结点域(nodal zone)混凝土达到其抗压强度后压溃而失效。本文对软化拉压杆模型中节点有效宽度的计算方法进行了改进,应用修正软化拉压杆模型(Modified Softened Strut-and-Tie,简称MSST)对国内外63个框架中节点试件的抗剪强度进行理论计算,并将受剪分析得到的峰值剪应力计算结果与现行规范建议方法及软化拉压杆模型方法的计算结果进行对比。结果表明:修正软化拉压杆模型计算得到的框架节点受剪承载力与软化拉压杆模型计算结果相比和试验结果吻合更好,与现行规范建议设计方法计算结果相当,该建议模型可较为合理地反映含现浇楼板框架节点的受力机理。
偏心卸料下大直径浅圆仓侧压力计算
朱亚智, 孟少平, 孙巍巍
2013, 30(8): 67-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0251
摘要:
为了研究偏心卸料下浅圆仓侧压力的计算方法,该文基于Coulomb土压力理论,结合《钢筋混凝土筒仓设计规范》(GB50077-2003)中附录C关于满仓时浅圆仓的侧压力计算方法,给出并分析了可能出现的5种工况,针对各工况下的计算公式进行详细的推导。考虑偏心卸料下筒仓仓壁的侧压力沿环向分布的不均匀性,提出了侧压力环向分布的力学模型。最后结合两个计算实例,将公式计算结果与有限元结果进行了对比,分析了偏心卸料对筒仓内力的不利影响。理论解与有限元结果吻合较好,检验了该文所推公式的正确性;偏心卸料下筒仓仓壁的水平弯矩较满载下更为不利,而环向轴力也有可能出现比满载下更不利的结果,结果验证了筒仓设计考虑偏心卸料作用的必要性。所提计算方法可供相关实际工程参考。
考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型
仇敏玉, 张仪萍
2013, 30(8): 78-82. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0252
摘要:
基于硬化土模型(HS模型)只能描述土体应变硬化行为和刚度线性软化现象,提出了考虑刚度非线性软化的修正硬化土模型。修正模型采用与分段幂函数关系描述初始骨干曲线,并考虑了初始静偏应力和加载速率对应力-应变关系的影响。修正HS模型能较好地描述不同初始静偏应力和加载速率下土体的应变硬化、应变软化和刚度非线性软化等特征。最后,基于原状杭州软粘土的三轴试验,验证了修正模型的合理性。
完全隐式返回映射算法对岩土地基问题的求解
王军祥, 姜谙男
2013, 30(8): 83-89. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0253
摘要:
针对岩土工程中的复杂力学问题,在弹塑性力学理论框架和非线性有限元理论基础上,采用非关联等向硬化Drucker-Prager模型的完全隐式积分算法—返回映射算法(Return Mapping Algorithm)编制了有限元求解程序。该算法可以避免预测应力漂移屈服面的现象,对准静态变形条件下的本构方程可以获得准确解,在迭代中使用Newton-Raphson法获得近似平方的收敛速率,具有较高的精确性和稳定性。对岩土工程中的地基问题进行求解,计算得出位移、应力等结果,模拟了塑性区随载荷步增加的演化过程,对地基极限承载力进行了解析解和数值解的对比。结果表明了算法的优越性、程序的正确性和实用性。
剪切型多自由度结构的层间初始侧移刚度实测方法
黄靓, 包堂堂, 施楚贤
2013, 30(8): 90-95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0257
摘要:
用拟动力试验方法研究剪切型多自由度结构的抗震性能,碰到的首要问题是如何测准剪切型多自由度结构的层间初始侧移刚度。该文的研究表明,由于多个作动器之间存在耦合现象,使得采用常规的多作动器测试方法很难测准剪切型多自由度结构的侧移刚度。采用作者改进的单作动器测试方法能够有效地解决多个作动器的耦合问题,准确测出多自由度结构的刚度。通过实例分析表明:采用新方法测试的试验刚度多次测量结果稳定,且与经典的理论分析结果一致,证明了作者推荐的单作动器刚度测试方法的有效性和准确性。
基于LHS-MC方法的矮塔斜拉桥地震风险概率分析
谷音, 郑文婷, 卓卫东
2013, 30(8): 96-102,110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0256
摘要:
提出一种既能避免繁琐积分,又能综合考虑结构材料和地震波动随机性问题以及地震危险性的地震风险概率计算方法。基于结构材料参数的概率分布,采用拉丁超立方抽样(LHS)方法考虑结构构件材料参数的随机性,并结合选取的地震波,形成地震动-桥梁组合样本集。针对典型矮塔斜拉桥结构体系建立非线性有限元纤维模型,确定各主要构件的损伤指标,与增量动力分析方法相结合进行了地震易损性分析,选取合适的分布函数,拟合加速度峰值-结构损伤概率曲线。采用蒙特卡罗(MC)抽样方法离散地震危险性概率模型,避免了繁琐的积分,针对典型矮塔斜拉桥的地震风险概率进行了评估。
考虑温室效应的氯盐环境下RC桥梁锈胀开裂性能预测
彭建新, 胡守旺, 张建仁
2013, 30(8): 103-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0261
摘要:
使用大气气候变化数据,改进了氯离子作用下腐蚀开始时间模型和腐蚀电流密度模型,分析了全球变暖(CO2浓度和温度)对RC桥梁在氯离子腐蚀作用下的锈胀开裂性能影响。考虑腐蚀影响的性能预测参数如气候变化、氯离子浓度、氯离子扩散过程、温度、湿度、结构尺寸参数、钢筋位置和性能退化机制等具有随机性和时变性,发展了基于时变可靠度理论的预测方法来预测RC桥梁在将来全球变暖作用下以及氯盐环境下将来服役100年内的开始腐蚀风险和平均锈胀开裂概率。研究发现:1) 在预测氯离子腐蚀效应时,大气气候变化温室效应能够恶化混凝土腐蚀损伤效应,在预测时需要计入其效应;2) 在浪溅区环境下的开始腐蚀概率和锈胀开裂比例比海岸线大气区环境下分别高了127%和140%,当结构位于距离海岸线1km以上区域时锈胀开裂比例降低到1%;3) 对于保护层厚度为20mm和水灰比为0.55的混凝土,在将来100年内的开裂概率为0.893,这意味着大多数混凝土结构在服役期存在腐蚀损伤现象,将来需要大量的维修和维护工作。这些信息能够为决策人员应对温室效应和氯离子腐蚀对土木工程的影响做出应对措施提供支持。
汽车撞击作用下车桥系统的动力响应及高速列车运行安全分析
夏超逸, 张楠, 夏禾
2013, 30(8): 119-126. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0286
摘要:
建立了撞击荷载作用下的高速列车-桥梁系统动力分析模型,将汽车撞击力时程作为系统的撞击荷载,以一座5m×24m连续箱梁桥和ICE3高速列车为例,模拟汽车撞击力作用于桥墩和列车过桥的全过程,分析了车桥梁系统的动力响应,对桥上高速列车的运行安全指标进行了评价。结果表明:汽车撞击使桥梁的动力响应大幅度增加,并对高速列车运行安全有极大的影响。对撞击作用下的桥上高速列车走行安全控制方法进行了探讨,给出了列车速度-撞击力强度安全阈值曲线。
下限问题中基于四边形单元平衡方程的边界积分法
李春光, 朱宇飞, 刘丰, 邓琴, 郑宏
2013, 30(8): 127-132. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0279
摘要:
相对于三角形单元的下限分析,基于四边形单元的下限分析具有更高的精度和求解效率。该文利用格林公式把平衡方程的弱形式化为边界积分,从而得到简洁的线性方程,取代了以往的数值积分方案,克服了高斯积分中坐标变换等复杂的求解过程。此外还对应力连续性方程进行了简化。该积分方案不仅大大简化了计算,而且更易于编程实现。算例表明该文方法具有较高的精度。
基于控制图的GPS异常监测数据检验方法研究
伊廷华, 郭庆, 李宏男
2013, 30(8): 133-141. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0280
摘要:
为了有效地判别GPS异常监测数据,建立了GPS监测序列异常检验的数学模型,提出利用统计过程控制中的控制图对监测序列进行异常检验和预警的新方法;针对GPS监测数据不服从正态分布的问题,提出利用累积分布函数的核密度估计将其转换为Q统计量,并以此为基础构建基于Q统计量的控制图用于GPS异常波动数据的检验;该文文末利用仿真数据对比分析了休哈特控制图与累积和控制图对不同异常偏移值的检验效果,结果表明两种控制图各有利弊、相互补充,休哈特控制图对于3倍以上标准差的异常偏移能够给出有效的预警,但缺乏小偏移检测的能力,累积和控制图能够精确检测出最小达0.5倍标准差的连续小偏移,但是随着偏移值的增大其误警率会有所增加。
基于性能的高层混合结构地震易损性分析
何益斌, 李艳, 沈蒲生
2013, 30(8): 142-147,162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0302
摘要:
研究地震作用下高层钢框架-混凝土核心筒结构的易损性问题。通过基于性能的静力弹塑性分析,根据结构极限损伤状态定义了混合结构地震需求参数的四个性能水平限值。考虑地震动输入的不确定性,通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应,建立了两个地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,结合性能水平限值提出能有效评估结构地震响应的易损性分析方法。最后对两个不同节点连接方式的高层混合结构进行了基于性能水平限值的地震易损性分析,绘制结构的地震易损性曲线,对结构抗震性能进行评估和对比分析。
大型空间桁架结构多目标等效静力风荷载
章李刚, 楼文娟
2013, 30(8): 148-154. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0313
摘要:
空间桁架体系不仅具有典型大跨屋盖结构风致响应多模态参与性及特征响应多样性等特点,其在脉动风荷载激励下结构不同部位的风致响应还存在有大量的正负号交替现象。针对以上特性,在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上,提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。在该方法中,不仅采用本征正交分解 (POD)法基本原理有效解决了多目标脉动响应极值间的正负号组合问题,寻找出一种在一定程度上最为可能的目标响应分布形式;同时以保证结构关键位置的风致响应为目标,提出了多目标等效风荷载的精确求解方式。最后以杭州新火车东站站台屋盖结构为工程实例,证明了采用该方法得到的多目标等效风荷载不仅能够精确保证关键部位响应与实际结果高度一致,其他非关键部位结果也有一定的精确性。
大涡模拟在旋流沉砂池中的应用研究
王晓玲, 孙蕊蕊, 敖雪菲, 郎建, 周莎莎
2013, 30(8): 155-162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0296
摘要:
旋流沉砂池内高浓度砂石废水的大涡模拟研究,不仅可以揭示旋流沉砂池内复杂流态的瞬时演变,而且能够实现水电工程砂石系统生产废水的达标处理,具有重要的理论与环保意义。该文采用分子动理学方法,从颗粒间相互作用的微观特性角度出发,得到了合理描述高浓度下颗粒间碰撞项的耦合VOF(Volume of Fluid)法的LES-Lagrangian高浓度气-液-固多相流大涡数学模型,亚格子应力采用Smagorinsky亚格子模型封闭,并运用滑移网格技术实现旋流沉砂池内桨叶转动区域的模拟。对西南某水电工程砂石废水处理小试试验的二级旋流沉砂池内湍流场瞬时变化进行了精细模拟;实现了对旋流沉砂池的自由液面以及砂石颗粒运动轨迹的追踪;并讨论了搅拌桨转速对旋流沉砂池内水相、颗粒相的影响,得出旋流沉砂池的最佳桨叶转速为30r/min。同时,将大涡模拟与雷诺时均紊流模型进行了比较,表明大涡模拟可以揭示更为精细的湍流涡结构演变。
合肥新桥机场航站楼大型箱形钢柱的拟静力试验
李海锋, 罗永峰, 李德章, 丁大益
2013, 30(8): 163-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0274
摘要:
通过8根箱形钢柱在偏心常轴压、柱顶反复水平荷载作用下的拟静力试验,研究地震作用下合肥新桥机场航站楼大型箱形钢柱的壁板稳定性及其抗震性能。试验结果表明:在小震作用下,合肥新桥机场航站楼箱形钢柱处于弹性受力状态,且壁板稳定;在大震作用下,箱形钢柱壁板基本处于弹塑性受力状态,出现塑性变形,但壁板仍然满足稳定性要求。腹板宽厚比是影响构件抗震性能的重要因素,腹板宽厚比越大,滞回曲线越不饱满,试件的承载力及刚度退化越严重。最后,提出大跨度空间结构箱形钢构件的加工制作构造措施及抗震设计建议。
关于概率地震需求模型的讨论
于晓辉, 吕大刚, 王光远
2013, 30(8): 172-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0278
摘要:
概率地震需求分析作为地震易损性分析和地震风险分析的重要一环,已经成为新一代基于性能地震工程(PBEE)的主要研究内容。概率地震需求分析的核心内容是建立概率地震需求模型,它表征了地震动强度与地震需求之间的概率关系。在某一强度地震动作用下,通常假设地震需求服从对数正态分布,其中,地震需求的中位值和地震动强度之间假设服从对数线性关系,而地震需求的对数标准差则假设保持不变。该文以4个不同高度、不同设防水准的钢筋混凝土框架结构为例,挑选100条实际地震动为输入,针对上述概率地震需求模型基本假设的合理性进行了讨论。研究结果表明:综合考虑计算精度和效率,关于地震需求中位值和对数标准差的假设可以满足概率地震需求模型的要求,而传统的对数正态概率地震需求模型无法考虑倒塌的影响,应予以修正。
输电杆塔结构体系主要失效模式识别的计算程序研发
董黛, 侯建国, 肖龙, 安旭文, 李茂华
2013, 30(8): 180-185,198. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0328
摘要:
对大型复杂结构进行体系可靠性分析时,识别结构体系的失效模式是体系可靠性分析的首要核心工作。针对大型复杂结构体系失效模式识别的难点问题,利用ANSYS软件高效的可视化建模及结构有限元分析求解的功能和MATLAB软件强大的科学计算及易与其他程序接口的特点,基于搜寻结构体系主要失效模式的阶段临界强度分枝——约界法的基本原理,编制了适用于输电杆塔结构体系主要失效模式识别的计算程序,并将其成功应用于某实际工程输电杆塔结构体系主要失效模式的搜寻,结果表明,该程序可以准确高效地进行输电杆塔结构体系主要失效模式的识别,为进行输电杆塔结构体系的可靠度分析奠定了基础。
考虑支座及限位装置非线性的接触摩擦单元模型
王常峰, 陈兴冲, 朱春林, 夏修身
2013, 30(8): 186-192. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0301
摘要:
在连续梁桥活动墩上设置限位装置后,活动墩处将包含活动支座的摩擦及限位装置的接触碰撞两种非线性,综合摩擦单元及接触单元的特性,分别考虑接触单元的弹性及弹塑性情况,提出了接触摩擦单元的有限元模型,给出了接触摩擦单元的滞回曲线,针对卸载曲线的不同状态,分别推导出了其卸载刚度;利用接触摩擦单元对设置有分散抗震挡块及活动摩擦支座的连续梁桥进行了非线性地震反应分析,对挡块在降低连续梁桥固定墩地震反应上的分散抗震作用进行了研究,该接触摩擦单元可用于设置有防落梁装置及活动支座桥梁的较为细致的抗震分析模型。
基于节点连接特性的钢板剪力墙结构数值分析
郭宏超, 郝际平, 潘秀珍, 刘建毅
2013, 30(8): 193-198. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0290
摘要:
在半刚接框架-钢板剪力墙新型结构体系研究的基础上,采用ANSYS程序分析了不同墙体形式下结构的承载力、应力和变形发展历程,分析对比节点铰接、刚接、半刚接三种连接形式对钢板剪力墙结构承载力的影响。结果表明:设置加劲肋后,结构的屈服荷载提高约20%,极限承载力提高约10%。对于抗弯框架-钢板剪力墙结构,梁柱通过刚性连接与钢板墙组合,为双重抗侧力体系,节点刚接比铰接极限承载力提高约15%左右;节点半刚接和铰接极限承载力比较接近,相差仅在5%左右,为单重抗侧力体系。研究为该新型结构体系的工程应用和理论分析提供依据。
三层钢板剪力墙结构静力推覆试验研究
邵建华, 顾强, 申永康
2013, 30(8): 199-204,222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0309
摘要:
通过按照我国相关规范设计的三层钢框架-钢板剪力墙结构在水平单调荷载作用下的静力推覆试验研究,得到了结构的破坏模式、底部剪力与顶点位移及层间位移曲线、剪力墙板的平面外变形、承载力和延性。结果表明:试件在水平设计荷载时,墙板没有出现屈曲,结构保持完全弹性;二层剪力墙板右下角最先达到受拉屈服,但当荷载加载到后期,底层剪力墙板出现的平面外变形最大;试件在达到极限承载力之后,强度下降非常缓慢,结构具有良好的塑性变形能力,位移延性系数为5.24;试验终止时,二层的层间变形最大,层间位移角达到了0.0447rad,柱脚翼缘出现两个半波状的局部屈曲变形,腹板受压鼓曲。
薄壁箱梁剪力滞效应分析的初参数法
张元海, 林丽霞
2013, 30(8): 205-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0316
摘要:
选取剪力滞效应引起的附加挠度作为广义位移,在定义新的剪力滞广义力矩及广义翘曲位移函数基础上,将薄壁箱梁的剪力滞变形状态从初等梁挠曲变形状态中分离出来作为一种独立的基本变形状态进行分析。对广义翘曲位移函数引入两个修正系数以充分考虑剪力滞翘曲应力的自平衡条件。提出了剪力滞翘曲应力的简便计算公式,它与初等梁弯曲应力公式具有相同的形式。用能量变分法建立了剪力滞控制微分方程,以广义力矩、广义剪力、附加挠度及其变化率作为四个初参数,给出了微分方程的初参数解。对两跨连续箱梁模型的应力计算表明:本文计算值与实测值及其它文献给出的计算值均吻合良好,从而验证了该文分析方法的正确性。挠度计算表明:剪力滞效应使该箱梁在集中荷载和均布荷载作用下的跨中挠度分别增大17%和16%。
桥上孔隙式风屏障缩尺模型模拟方法的风洞试验
向活跃, 李永乐, 胡喆, 廖海黎
2013, 30(8): 212-216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0321
摘要:
为了明确孔隙式风屏障缩尺模型的模拟方法,针对铁路桥上设置透风率为30%、高度为2.05m风屏障情况,通过风洞试验测试了不同开孔形式风屏障作用下车辆的气动力系数,分析了风屏障的孔径和开孔形状对车辆气动特性的影响,讨论了圆孔形风屏障与纵条形风屏障的相似性。结果表明,在1∶20的缩尺模型中,风屏障的孔径可取8mm~12mm;透风率相同时,风屏障的开孔形式对迎风侧车辆有一定的影响;纵条形风屏障的间隙数不低于10个时,与设置8mm圆孔形风屏障时的车辆气动特性较为接近,结果可为风屏障的缩尺模型风洞试验和数值模拟提供参考。
大型基础下层状砂土静力变形性状测试
李纯, 张淼, 付诗梦, 朱浮声
2013, 30(8): 217-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0479
摘要:
结合工程实测,模拟分析了大型基础下层状砂土地基基底有效附加应力、基础内钢筋应力以及基底竖向变形的变化过程与分布规律。研究结果表明,受基坑降水影响,基底上覆土层有效应力增量对基底沉降的贡献不可忽略;基底压应力不能简单假设为均布荷载,基底最大应力作用点不一定就是最大沉降发生点;基底平面上沉降分布不均匀,基础中心点处的沉降也不一定最大;施工加载期间,基础内钢筋应力呈现交变状态,但钢筋强度发挥有限,仅为其屈服强度的25%;砂土沉降计算经验系数随土层变形模量的增大而减小,但减小幅度不显著。研究结论可为层状砂土地基及其上大型基础设计提供直接参考依据。
弹脆塑性围岩应力和位移的广义SMP准则解
吴创周, 杨林德, 李秋实
2013, 30(8): 223-228,265. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0712
摘要:
该文基于广义空间准滑动面SMP(Spatial Mobilized Plane)强度准则,对圆形隧洞围岩的应力和位移,得到了可考虑中间主应力和材料脆性软化影响旳弹塑性解和弹-脆-塑性解,给出了隧洞围岩的应力、位移、临界支护力与塑性区半径的表达式。通过将该文的弹塑性解与经典的圆形隧洞弹塑性解(卡斯特纳解)进行对比,验证了建立的公式的正确性,同时通过与基于Mohr-Coulomb强度准则的弹-脆-塑性解析解进行对比:论证了中间主应力和材料脆性软化对围岩稳定性的影响显著,考虑中间主应力的影响可以发挥围岩的强度潜能,能使围岩的强度和变形规律更接近工程实际,所得成果有重要参考价值。
机械工程学科
两种轮轨接触应力算法对比分析
陶功权, 李霞, 温泽峰, 金学松
2013, 30(8): 229-235. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0288
摘要:
选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明:CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。
超声Lamb波在缺陷处的二维散射特性研究
郑阳, 何存富, 周进节, 张也弛
2013, 30(8): 236-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0181
摘要:
利用散射系数周向分布图研究了超声Lamb波在缺陷处的二维散射特性。建立了超声Lamb波与缺陷交互作用的有限元仿真模型,采用双元激励法产生单一S0模态入射信号,利用吸收边界消除边界回波的影响,采集缺陷所有方向上的散射信号并产生散射系数周向分布图。此模型的计算结果与实验结果一致,证明了模型的正确性。研究了S0模态与通孔和通透裂纹两种缺陷的交互作用,并测量了S0模态以零度角入射缺陷时的周向散射系数分布图,利用其图形特征可以进行缺陷种类识别。分析了散射场中多模态信号的能量分布,指出检测中若激励单一模态,而接收多模态信号,可以防止漏检,更有效地检测缺陷。
加载历史和裂纹闭合对疲劳裂纹扩展行为影响的数值模拟
丁振宇, 王效贵, 高增梁
2013, 30(8): 244-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0272
摘要:
采用不同应力比条件下的16MnR钢紧凑拉伸试样,设计了三种有限元分析模型,即不考虑加载历史效应的静态裂纹扩展模型,同时考虑加载历史和裂纹闭合的动态裂纹扩展模型以及仅考虑加载历史的伪动态裂纹扩展模型,对疲劳裂纹闭合过程、裂纹尖端的应力-应变迟滞环、疲劳损伤和裂纹扩展速率进行了数值模拟与分析,进而着重探讨了加载历史和裂纹闭合影响疲劳裂纹扩展行为的交互作用机制。结果表明:对于同类分析模型,应力比越大越不容易产生裂纹闭合;而在应力比相同的情况下,加载历史引起的残余压应力对裂纹闭合有明显的促进作用。裂纹闭合效应阻碍了平均应力的松弛,减小了裂纹尖端附近的应力-应变场强度、疲劳损伤和裂纹扩展速率,而加载历史引起的残余压应力则加快了平均应力的松弛和抑制了棘轮效应。与实验结果比较发现,只有同时考虑了裂纹闭合效应和加载历史影响的动态裂纹扩展模型,才能对疲劳裂纹扩展行为进行准确、定量的模拟。
贯通滑面咬合凸体的解锁机理及强度分析
吴永, 裴向军, 何思明, 李新坡
2013, 30(8): 251-257. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0247
摘要:
块石凸体的咬合作用是保证滑面贯通型坡体稳定的核心屏障,但其强度机理和解锁模式还不清晰。为此,以岩石力学为基础,通过合理建模分析了咬合失稳模式。继而,借助古典摩擦定律和极限分析理论,分别从接触和能量角度阐明了凸体在滑跃和剪断两类不同模式下解锁的条件和机理,解析了不同荷载环境下凸体咬合强度的表达。最后,算例分析表明:1) 下滑力T与上覆荷载P的绝对值及相对值决定了咬合凸体的稳定状态和破坏模式。当T/P较大且大于临界值ξ后咬合凸体滑跃解锁,反之当T/P较小但T却够大时凸体剪断解锁,否则保持稳定;2) 滑跃解锁是凸体几何形状和荷载环境满足条件下咬合面滑动摩擦的结果,而剪断解锁则是外力功沿潜在破坏面耗散的过程;3) 滑面凸体咬合强度是不同荷载环境下凸体以不同模式失稳的临界力学条件的综合反映。
三体摩擦界面剪切膨胀过程典型阶段的力链形态及承载特性
王智勇, 王伟, 刘焜
2013, 30(8): 258-265. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0304
摘要:
为研究研磨过程中颗粒体系的力链特性,该文运用离散元构建了一个双平行板剪切模型模拟无限剪切运动,并观察颗粒受剪切时相关参数变化。模拟将剪切膨胀过程分为塑性爬行阶段、脆性破坏阶段、颗粒重组阶段三部分,并运用力链在x轴与y轴的分量比值来观察力链方向性变化,用承载率-分布率曲线描述力链的分布及承载变化,用力链的形态图形来观察力链形态变化。结果显示:在剪切膨胀三阶段内,力链的形态、方向、分布及承载特性各不相同。其中,塑性爬行阶段力链的形态近似倾斜网格,分布比较集中,力链承载特性良好;而脆性破坏与颗粒重组阶段,强弱力链值相差较大,承载性差。并由此得出,在塑性爬行阶段研磨条件最好。
其他工程学科
面向控制的变构型航天器柔性耦合动力学建模与仿真
曹丽, 周志成, 曲广吉
2013, 30(8): 266-271. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0200
摘要:
对于带有大型可展开天线的通信卫星,其天线展开期间全星属于典型的变结构、变构型、变参数和变质心系统。该文采用加载模态综合-混合坐标法建立了这类星载天线展开过程各类运动工况的天线和整星两级控制的柔性耦合动力学方程,以及任意构型工况的全星柔性模型,通过典型算例仿真及惯性完备性检验,表明该文研究工作具有工程实用性和有效性。
基于Sugeno型模糊神经网络的空间杆系结构的压电驱动器主动控制
朱熹育, 王社良, 朱军强
2013, 30(8): 272-277. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0208
摘要:
基于自主研发的压电主动杆件的振动控制特性,采用主动杆件两端节点的相对位移和相对速度作为输入以及控制电流作为输出,设计了空间杆系结构的Sugeno型模糊神经网络控制系统。首先通过LQR方法对结构进行控制产生训练数据样本,再利用神经网络的自适应学习功能进行模糊划分及产生模糊规则,最后利用模糊系统的推理能力对空间杆系结构模型进行基于地震响应的主动控制仿真,同时与基于经验的Mamdani型模糊推理规则进行仿真对比。仿真结果表明两种模糊推理模型对结构模型的控制都能达到良好效果,但是由于Sugeno型模糊推理的计算简单,其仿真速度比Mamdani型模糊推理快几十倍,而且省去了人为的经验总结过程,因而采用Sugeno型模糊神经网络控制器更能满足工程应用的要求。
基于微缺陷成核序列的岩石微裂纹生长和损伤演化模型
王利, 毛原春, 叶金生, 杨健辉, 芮大虎
2013, 30(8): 278-286. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0258
摘要:
岩石在承载之初,由于微缺陷无序成核和有限生长,在材料内部形成大量分布性微裂纹。在该文中,这种演化机制被归结为:微缺陷随机、孤立成核生成最小微裂纹和微缺陷无重叠聚集成核、排列生长形成大尺度微裂纹,裂纹尺度生长是微缺陷成核数的函数。利用微裂纹尺度-频数分布分形以及微裂纹粗糙表面分形,建立基于微缺陷累计成核数序列的裂纹尺度生长模型和损伤演化模型。通过对二维岩石试件破坏过程的微裂纹尺度统计和损伤测试表明,模型的预测结果与观测值符合较好。由于微缺陷成核与声发射源机制具有相似性以及微缺陷成核数序列与声发射数序列具有相似性,所以该模型可用于通过声发射参数序列跟踪微裂纹生长和损伤演化。裂纹尺度生长对于完整认识材料宏观力学性质演化和预测材料灾变具有重要意义。
船舶搁浅于台型礁石中的等效板厚法研究
刘毅, 王晋, 胡志强
2013, 30(8): 287-293,304. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0259
摘要:
给定油船双层底结构在具有较大接触面的台型障碍物上发生滑移的搁浅场景,利用等效板厚法对该过程的搁浅性能进行研究。Paik提出的等效板厚计算公式中,扶强材影响系数k是衡量扶强材的作用的重要参数。该文对扶强材影响系数k取值进行了全面深入的研究。通过有限元数值仿真技术进行研究,选取一个油轮舱段的双层底结构为研究对象,并建立了两个有限元模型:含有扶强材的模型与采用等效板厚法简化后的模型。利用数值仿真计算结果对比研究,确定了不同撞深和礁石角度条件下系数k的取值。研究成果为扶强材影响系数取值提供了计算依据,提高了等效板厚法分析船舶的搁浅性能的预报精度。
水工钢闸门滚轮的滚动摩擦力臂计算方法
高仕赵, 徐国宾
2013, 30(8): 294-297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0320
摘要:
为了解决水工钢闸门滚轮在受载荷作用时产生的滚动摩擦力臂的计算方法问题,将滚轮与钢轨的接触问题简化为圆柱与圆柱座之间的接触问题,并以接触线为底作半圆,假设接触线上各点的压力与此半圆在该点的高度成正比。同时根据无限半平面Boussinesq问题的解法推导出滚动摩擦力臂的解析解。最后采用ANSYS建立滚轮全模型与钢轨进行接触分析来验证滚动摩擦力臂解析解的正确性。结果表明该滚动摩擦力臂计算公式简化合理,计算精度能够满足实际要求。
力矩受限的柔性关节空间机器人的鲁棒模糊滑模控制
谢立敏, 陈力
2013, 30(8): 298-304. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0323
摘要:
讨论了力矩受限情况下具有柔性关节、外部扰动和参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模、运动控制和柔性振动抑制。利用拉格朗日方程和系统的动量、动量矩守恒关系建立系统动力学方程。并基于奇异摄动理论,将系统分解为独立时间尺度的慢变子系统和快变子系统。针对慢变子系统,设计了一种基于双曲正弦函数的鲁棒模糊滑模控制方法,该方法不需要知道系统的精确模型,能够补偿柔性关节带来的系统转角误差,实现空间机器人期望运动轨迹的渐进跟踪。双曲正弦函数的运用有效地降低了控制力矩的幅值,从而使得控制系统能够适应空间实际中力矩受限的情况。而针对快变子系统,设计了速度差值反馈控制方法以抑制柔性关节引起的系统振动,保证系统的稳定性。仿真结果证明了该文所提出的混合控制方法的有效性。