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

2014年  第31卷  第11期

基本方法
基于梁理论的复杂梁式结构低阶频率快速求解方法
李取浩, 王文胜, 程耿东
2014, 31(11): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0174
摘要:
工程计算中常遇到纵向尺度显著大于横向的复杂梁式结构,基于此类大型复杂结构的精细有限元模型建立一个能够预测结构动力性能、实现复杂结构的快速动力分析和优化的近似降阶模型,成为这类结构设计工作者一直关心的问题。该文提出一种基于梁平截面假设和梁位移插值函数的动力模型降阶方法,建立了具有明确物理意义的降阶模型。利用降阶模型计算得到的模态向量是原结构特征向量的高精度近似,基于一次瑞利-里茨逆迭代获得了原结构高精度的低阶频率,并且与Krylov子空间法进行了对比。具体算例表明了降阶方法的有效性。
有限变形下材料的弹塑性损伤行为及结构响应分析
陈岑, 梁乃刚, 刘芳, 付强, 洪友士
2014, 31(11): 9-16. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0410
摘要:
该文基于一种弹塑性损伤本构模型,分析了材料在有限变形下的力学行为及结构力学响应。将模型建立的本构方程进行线性化处理,嵌入到有限元计算软件ABAQUS的子程序中,实现模型在结构计算中的应用。针对铝合金材料(6061-T6),建立了两种不同的结构模型进行数值模拟。模拟结果与实验结果对比表明,模型能较好地描述材料的变形过程及结构的力学行为。最后基于模型的理论基础,分析了材料在超出弹性范围时的复杂变形行为。
混合夹杂问题的边界元法
黄拳章, 强洪夫, 郑小平, 姚振汉
2014, 31(11): 17-24. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0479
摘要:
该文提出了一种求解含固体、流体和孔隙等多类型夹杂的混合夹杂问题的边界元法。混合夹杂问题实质也是多连通域问题,但内边界的位移和面力都是未知量,导致该问题因定解条件不足而无法直接求解。根据不同类型夹杂的本构关系建立了各夹杂与基体界面面力与位移之间的关联矩阵,从而形成除给定边界条件以外的补充定解条件,使问题得以解决。以平面问题为例,分别对只含固体夹杂、流体夹杂以及同时含有孔隙、固体和流体夹杂的情况进行了计算,模拟了含100个随机分布夹杂的板材的弹性模量,验证了该方法的有效性、程序的正确性和可靠性。
多跨弹性支承连续矩形薄板屈曲分析
詹豪, 邵旭东, 蒋志刚
2014, 31(11): 25-30,38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0403
摘要:
针对钢箱梁和混凝土薄壁箱梁受压翼缘的稳定问题,基于状态-空间向量法,提出了一种用于弹性支承连续矩形薄板弹性屈曲分析的计算方法。与有限条法结果对比,验证了该方法的可靠性。分析了跨间弹性支承刚度和布置以及荷载参数对屈曲的影响,结果表明:跨间弹性支承对连续矩形薄板屈曲影响明显,屈曲系数随着弹性支承刚度的增大呈非线性增长;等间距、等刚度布置弹性支承有利于板的稳定性,弹性支承的刚度或间距差别越大,对板的稳定性越不利;不同荷载工况下,弹性支承刚度-屈曲系数关系曲线的变化规律基本相同,弹性支承刚度较小时,荷载参数对屈曲系数影响显著,单向受压的屈曲系数可达双向等值受压的两倍。
金属裂纹板复合材料修补结构的超奇异积分方程方法
苏维国, 穆志韬, 郝建滨, 陈定海
2014, 31(11): 31-38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0438
摘要:
根据应力强度因子在线弹性范围内具有可叠加性,将金属裂纹板复合材料修补结构进行简化,在表面裂纹线弹簧模型的基础上,建立了基于超奇异积分方程的Line-Spring模型。利用第二类Chebyshev多项式展开的方法,将超奇异积分方程转化为线性方程组,推导出以裂纹面位移表示的应力强度因子表达式,得到了裂纹尖端应力强度因子的数值解,并利用虚拟裂纹闭合法加以验证。参数分析确定了影响对称修补裂纹板应力强度因子的两个主要参数:胶层界面刚度和补片与金属板刚度比,为胶接修补结构的承载能力分析以及改进设计提供理论依据。
一种基于冯卡门尺度的湍流模式在模拟稳态和非稳态流动问题中的应用
白俊强, 王晨, 张扬
2014, 31(11): 39-45,52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0416
摘要:
采用尺度自适应模型(SAS)对稳态和非稳态流动进行了数值仿真。SAS模型有效解决了传统脱体涡数值模拟(DES)方法在网格加密过程中引发的“附面层速度型偏离对数率”的问题;同时,SAS模型的尺度自解效应也赋予了该方法类LES特征,可以在不出现非物理解的前提下有效地释放当地脉动。通过高雷诺数平板边界层模拟,SAS方法在附面层内模拟的速度型分布与理论值贴合得很好,说明该方法对于稳态流动的求解并未偏离RANS模型;同时,在串联双圆柱算例中,SAS方法对于圆柱表面压力分布的预测精度高于其他稳态和非稳态模型,Q云图也显示出该方法的类LES特征。算例结果证明了SAS方法有着一定的工程使用价值。
土木工程学科
新型抗拔不抗剪连接件的滑移性能及其滞回模型
聂建国, 李一昕, 陶慕轩
2014, 31(11): 46-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0422
摘要:
新型抗拔不抗剪T型连接件能有效改善组合梁负弯矩区受力性能,该连接件可以保证钢构件与混凝土板不发生分离,允许两部分产生滑移从而降低传递至混凝土板的剪力,避免混凝土开裂。为研究该新型连接件的滑移性能,对6个试件进行了拟静力推出试验。试验结果表明该连接件在较低荷载作用下可以产生较好的滑移效果,连接件外包泡沫塑料的尺寸对滑移特征影响显著。试验的荷载-位移曲线反映出试件的刚度随加载历史发生了明显变化,滑移作用引起了曲线的捏拢现象。该文基于Richard-Abbott曲线提出了针对该新型连接件的滑移滞回模型,模型参数物理意义明确,并通过试验结果验证了该滞回模型的合理性。
腐蚀环境中Q345等边角钢构件拟静力试验研究
张春涛, 范文亮, 李正良
2014, 31(11): 53-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0505
摘要:
腐蚀将改变钢材的化学和物理特性,使得构件性能退化,严重影响结构的抗震性能。为此,该文首先通过重庆地区年降雨时间建立了混合概率模型,将该混合模型与酸雨对金属的腐蚀特点相结合给出了三种不同方式的腐蚀模型。然后,利用腐蚀模型对14个足尺Q345等边角钢试件和25个材性试件展开了不同方式和不同时间的腐蚀,并由材性试验结果对Q345钢力学性能参数的变化规律进行分析和建模。最后,通过拟静力试验,研究了腐蚀环境对Q345等边角钢构件破坏模式、滞回曲线以及主要抗震性能评价参数的影响规律,建立了与之对应的退化模型。结果发现:1) 材性性能随腐蚀损伤增加而退化,甚至出现屈服点消失;2) 承载力的试验值和理论值均因腐蚀损伤而降低,但规范计算公式并不能有效考虑腐蚀损伤;3) 腐蚀损伤使得往复加载次数和滞回环面积减少,刚度退化幅值显著减小,延性和耗能能力降低。
不同桩头约束下水平受荷单桩简化计算方法
姜丽红, 孔令刚, 蔺港, 陈云敏
2014, 31(11): 63-69. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0337
摘要:
桩头转动约束对水平加载单桩的响应有显著影响。转动刚度K和桩头约束度λ是常用的桩头转动约束表征量。该文采用p-y曲线法分析了砂土中水平受荷竖直弹性长桩响应随Kλ的变化规律,提出了桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ变化的经验公式。基于上述经验公式和特征荷载的归一化表达式,提出了给定Kλ情况下计算桩头位、桩头弯矩、土面下桩身最大弯矩及其埋深位置的整套简化计算方法。该简化方法实现了考虑桩头转动约束单桩非线性响应的手工计算。该方法与p-y曲线法对比验证了该方法的准确性。
节理面附近锚杆力学模型及其数值流形方法应用
位伟, 姜清辉, 周创兵
2014, 31(11): 70-78. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0016
摘要:
建立了节理面附近锚杆的梁单元模型。该锚杆模型不仅能够准确模拟结构面附近锚杆与结构面的相互作用,而且可以综合反映锚杆的拉压、剪切、弯曲变形以及锚杆进入塑性屈服后的硬化特性。基于该锚杆模型以及数值流形方法的基本原理,发展了锚固节理岩体的流形元模拟方法。由于在数值流形方法中锚杆构件可作为物理网格输入,因此锚杆单元的布设与流形单元网格无关,从而简化了锚杆单元的前处理工作,可以实现大规模锚杆的精细化模拟。通过与加锚节理面直剪试验结果的对比分析,两者较为吻合,验证了该锚杆模型有效性。最后,将该锚杆模型运用于水布垭地下厂房围岩的支护研究,算例表明,该模型较好地反映了锚固岩体的变形行为以及锚杆的加固效果。
解不可压流动的高时间精度投影法研究
李启, 杨庆山, 张建
2014, 31(11): 79-85. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0342
摘要:
利用连续投影思路,为NS方程的求解构造了一类压力和速度能同时达到高阶时间精度的投影格式,并给出统一的数学描述式。设置时间精度分别为二阶和三阶的两种投影算法,采用二维方腔驱动流算例验证了算法稳定性,采用Taylor涡列问题验证了算法的时间精度。分别用两种算法对低湍流度大气边界层进行了模拟,通过模拟结果的比较证明了提高算法时间精度对不可压流动的频谱特性计算有改善作用。
斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动影响
孙测世, 彭剑, 赵珧冰, 王志搴, 王连华
2014, 31(11): 86-91,131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0413
摘要:
为研究斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动的影响,利用Galerkin方法得到了两端激励拉索的离散运动方程,再用Matlab和DSolver分别求解,两者结果完全吻合。绘制了激励-响应关系图,分别研究两种纵向漂移频率(主共振和亚谐波共振)时固结体系、小幅纵向漂移和大幅纵向漂移三种情况下斜拉索非线性振动。结果表明:合理的主梁纵向漂移可有效减小斜拉索振动;斜拉索本质上只存在参数激励和强迫振动两种激励模式,在亚谐波共振时这两种激励模式互不影响。不论斜拉索角度,端部激励大小及方向如何变化,只要各激励在斜拉索轴向分量之和(参数激励)及横向分量之和(强迫振动)不变,则斜拉索响应不变。
钢筋混凝土剪力墙变形能力计算方法研究
剡理祯, 梁兴文, 徐洁, 王海
2014, 31(11): 92-98. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0414
摘要:
为了确定钢筋混凝土剪力墙的变形指标,在考虑剪力墙构件高宽比、配箍特征值、轴压比和非线性剪切变形等影响剪力墙构件变形的因素之后,该文提出了一种剪力墙变形能力计算模型。该模型由受拉区、受压区及刚性域组成,称之为拉-压刚域模型。将该计算模型用于两组共12片剪力墙构件的变形指标计算,并将计算值与试验值进行了对比分析。结果表明,剪力墙构件顶点极限位移、极限转角、极限曲率以及顶点开裂位移、屈服位移和位移延性系数的理论值均与试验值吻合较好。对比结果验证了该文计算模型的有效性。
基于切比雪夫多项式模型的多自由度结构非线性恢复力时域识别
许斌, 辛璐璐, 贺佳
2014, 31(11): 99-109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0428
摘要:
结构非线性恢复力可直接描述其在动力荷载作用下损伤发生发展过程,传统的基于特征值抽取的结构识别方法严格来讲不适应于振动过程中出现损伤的情况。该文利用结构动力响应时程的切比雪夫多项式表示非线性恢复力,在结构质量等物理参数和恢复力模型未知时,提出利用最小二乘优化算法的多自由度结构在完整及非完整激励下非线性恢复力识别方法。对一个含磁流变阻尼器的多自由度数值模型和一个带磁流变阻尼器的四层框架结构的非线性恢复力进行了识别,在数值模拟中探讨了测量噪声对识别结果的影响,并与基于幂多项式模型的方法的结果进行了对比。结果表明,所提出的非线性恢复力识别方法能对结构的非线性恢复力进行有效识别,识别精度高,可用于工程结构在强动力荷载作用下的损伤发生发展过程的监测与识别,并对结构耗能进行定量评估。
基于荷载传递法的嵌岩桩负摩阻力计算研究
贺成斌, 赵明华, 雷勇
2014, 31(11): 110-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0441
摘要:
结合有效应力法及荷载传递法建立了嵌岩桩负摩阻力计算的分段模型。通过位移控制方程计算得到了桩身不同段位移及轴力的解析解及幂级数解,进一步得到了计算桩身轴力及负摩阻力中性点位置的迭代计算方法。在一工程实例分析时,采用线性拟合的方法准确拟合桩周土体沉降,所得的桩身轴力沿桩长范围内的变化曲线与实测曲线较为吻合,该法能较准确地描述桩身负摩阻力的传递过程及其沿桩身的分布。
钢管混凝土组合结构全螺栓隔板贯通节点的抗震性能试验研究
李自林, 张聪, 薛江, 周晓洁
2014, 31(11): 116-123. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0442
摘要:
该文以方形钢管混凝土柱—H型钢梁全螺栓隔板贯通连接节点为研究对象,以梁偏心为参数,进行了2个足尺的节点试件SJ1和SJ2的低周往复荷载试验,研究了该类型节点的破坏机理与抗震性能。通过试验数据处理与分析得出了该节点类型的破坏机理、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力及刚度变化规律;通过隔板应变分析验证了试件的破坏机理。试验结果表明:该类型节点具有很好的抗震性能,节点承载力高,滞回曲线饱满,延性系数较大,耗能能力强等特点;主要变形发生在梁端塑性铰区域,隔板与柱连接处容易出现应力集中现象。两组节点在设计时均考虑了抗震设计要求,破坏形式基本相同,以隔板端部梁翼缘及腹板屈曲破坏为主,但由于SJ2梁存在偏心,在荷载作用下节点下隔板与柱连接处被撕裂。
砂岩渗透性演化特性的孔隙率分布细观模拟分析
俞缙, 穆康, 李宏, 蔡燕燕, 张亚洲
2014, 31(11): 124-131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0443
摘要:
通过不同围压下的三轴渗透试验,获得砂岩全应力-应变过程中渗透率变化数据。基于试验结果,建立砂岩试件离散元颗粒流数值模型,模拟得到砂岩压缩变形过程中体应变、孔隙率分布和黏结断裂特征。考虑围压效应,从细观机制上解释了动态孔隙率分布对渗透性演化特性的影响。研究结果表明,低围压下砂岩出现贯通的剪切带,裂隙易张开,对渗流具有显著的促进作用。围压越高,砂岩试样的黏结断裂数量和范围越大,裂隙数量增多,但裂隙和孔洞也容易被压密,从而对渗流起抑制作用。贯通的张开裂隙会大幅增加渗透性,而曲折间断的张开裂隙只会小幅增加渗透性,周围被闭合裂隙和压密的孔洞包裹的完全孤立的张开裂隙则对渗透性贡献很小。
基于环索内力相等的椭球形弦支穹顶结构的预应力分析
陈志华, 严仁章, 王小盾, 刘红波
2014, 31(11): 132-145,153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0461
摘要:
当椭球形弦支穹顶结构的同圈环索内力相等时,张拉环索是一种高效的预应力施加方式。该文利用平衡矩阵理论分析了3种常见椭球形弦支穹顶索撑体系的可行预应力模态,发现了当索撑体系的超静定次数不小于环索单元数时同圈环索内力可相等的规律。然而相比联方型和凯威特型椭球索撑体系,肋环型索撑体系的超静定次数低,同圈环索内力不能相等,导致不能直接采用张拉环索方式施加预应力。为使肋环型椭球弦支穹顶的同圈环索内力相等,采用扩展力密度法对其索撑体系重新找形分析,得到了同圈环索内力相等的改进肋环型椭球索撑体系。最后对一肋环型椭球弦支穹顶算例进行了找形分析验证,并利用ANSYS有限元软件对传统型和改进型肋环椭球弦支穹顶进行了力学性能的对比分析,提出了张拉环索施工时将张拉点布置在长轴方向下方的建议,这为以后类似工程的施工设计提供了参考依据。
基于谱随机有限元法的龙卷风作用下核电常规岛可靠度分析
宋拓, 汤卓, 王兆勇, 吕令毅
2014, 31(11): 146-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0465
摘要:
在核电厂厂址处龙卷风观测记录的基础上,推导了极值III型龙卷风强度概率分布函数。建立了核电常规岛主厂房的计算模型,采用谱随机有限元法,考虑三种荷载工况下龙卷风荷载和结构抗力参数的不确定性,对结构进行龙卷风作用下的随机响应和可靠度分析。分析结果表明:厂房位于龙卷风中心时,龙卷风荷载对厂房的产生明显的扭转效应,结构顶点随机位移对规范限值的超越概率较大;当厂房位于龙卷风最大半径处,龙卷风对结构主要产生侧向推动作用,顶点随机位移对规范限值的超越概率很小。龙卷风位于厂房中心处为三种工况下的荷载最不利位置。
基于应力释放原理的桥梁混凝土结构单轴原位应力识别方法
张煜, 阮欣, 石雪飞, 唐寿高
2014, 31(11): 154-160. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0472
摘要:
原位应力对桥梁的状态与可靠度评估具有重要意义。针对桥梁混凝土结构服役年限较长、实际受力状态复杂、构件尺寸较大以及单轴受力控制的特点,通过单轴应力释放影响函数建立了未知原位应力状态与表面释放应变之间的对应关系。以薄壁环作为释放区域,借助有限元标定了不同测量区域的影响函数。通过分步钻入试验,尝试识别处于单轴均匀应力场下的混凝土试块的原位应力。结果表明:影响函数能够有效反映原位应力与表层释放应变的对应关系,与试验结果吻合,识别方法具有可行性与适用性;多应变计综合识别能有效降低混凝土不均匀性与随机性引起的识别误差,对多步识别结果的优化求解可以进一步提高精度;识别结果的稳定性与应变计敏感栅尺寸有关。
大跨屋盖表面旋涡的PIV试验研究
董欣, 叶继红
2014, 31(11): 161-169. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0486
摘要:
该文通过风洞流场显示试验,观察了大跨平屋盖和马鞍屋盖表面的分离泡和锥形涡现象,给出了不同风向、不同屋盖表面的旋涡流线和涡量场分布;分析了风向角、屋盖曲率对于旋涡形态的影响。试验结果表明,当风向垂直于平屋盖迎风前缘时,屋盖表面将形成典型的分离泡现象,且分离泡的涡核位置恰好对应了涡量场的负向峰值。在斜向风作用下,平屋盖和以高点作为迎风点的马鞍屋盖表面将出现锥形涡。观察旋涡的平均流线和涡量场分布图,发现当来流沿两种屋盖对角线时,锥形涡截面形状接近圆形;当来流偏离屋盖对角线时,在靠近来流的一侧,锥形涡截面形状接近椭圆形;流场内负向涡量分布于壁面上,峰值集中在迎风前缘附近和旋涡周围。在相同的风向角下,曲率较大的马鞍表面锥形涡涡轴与屋盖迎风前缘所成角度较大,曲率较小的马鞍表面锥形涡涡轴与迎风前缘所成角度较小。此外,旋涡的瞬时流线图表明,锥形涡是一种瞬时变化的流体现象,其形态和位置在每个瞬时都不相同。
基于分片响应面的钢筋混凝土梁变形随机模拟
徐腾飞, 向天宇, 白雪濛, 赵人达
2014, 31(11): 170-174. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0497
摘要:
将响应面与蒙特卡洛方法结合,可降低随机模拟的计算代价。但当钢筋混凝土梁所受荷载接近开裂荷载时,梁体的变形响应面形状将出现不光滑的现象。采用传统的单一响应面方法来描述结构响应将与实际产生明显的偏差。采用改进的分片响应面技术结合蒙特卡洛方法,建立了钢筋混凝土梁变形随机分析模型。以钢筋混凝土试验梁作为算例,讨论了分片参数的合理取值,并验证了方法的正确性。
压弯截面的弹塑性弯矩-曲率相关关系的解析法
陈旭, 周东华, 章胜平, 王鹏, 李龙起
2014, 31(11): 175-182,197. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.06.0509
摘要:
在平截面和钢材理想弹塑性模型假设下,设置纯弯曲受压区和塑性区高度系数等参数,对矩形和工字形钢截面进行了应变和内力的相关分析,得到相应应变变化区域。仅以受拉和受压两个边缘应变为自变量,建立了各参变量的解析表达式,及其在弹性、单侧塑性和双侧塑性极限状态的解析表达式。采用逆解法建立轴力不变和曲率不变两种情况下的截面轴力弯矩曲率曲线,以及截面弯矩轴力相关曲线。这些曲线反映了轴力-弯矩-曲率三变量相互间的依存和变化的全貌。
正常使用状态下RUHTCC梁的弯曲变形预测
侯利军, 陈达, 徐世烺, 张秀芳
2014, 31(11): 183-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0712
摘要:
该文以有效截面惯性矩为参数,提出了正常使用状态下钢筋增强超高韧性水泥基复合材料(RUHTCC)梁的挠度简化计算方法。与钢筋混凝土梁不同,RUHTCC梁需要考虑受拉区UHTCC在弯曲开裂后的承载能力,理论分析表明基于拉压区面积矩平衡与基于内力平衡且假定压应力线性分布所得的中和轴高度计算公式不同,而后者符合中和轴的物理意义。采用UHTCC的非线性拉、压本构模型以及受压区边缘压应变对应的割线模量,得到基于内力平衡的RUHTCC梁完全开裂截面的中和轴高度以及惯性矩公式。其次,有效惯性矩公式中的常系数m修正为随配筋率变化的函数,得到适用于RUHTCC梁的有效惯性矩公式。采用该文提出的挠度简化计算方法,对比预测与实测的屈服前荷载-挠度曲线,两者基本一致。
机械工程学科
执行器受限空间机器人的模糊神经网络控制
梁捷, 陈力
2014, 31(11): 190-197. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0840
摘要:
空间机器人关节执行器输出力矩幅值及幅值变化率受限的情况,是其在太空应用中不可避免要面临的实际问题。为此该文讨论了关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限情况下参数未知空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基空间机器人系统的动力学方程。以此为基础,针对关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限的情况,设计了一种自适应模糊神经网络控制器,以使空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。该控制方案由自适应模糊神经网络控制器及抗饱和参数自适应律构成。首先利用有限差分法将幅值率受限条件转化为幅值受限条件,并与该文预设的力矩受限条件比较以确定每个采样时刻的力矩动态受限范围;然后再通过设计一个抗饱和参数自适应律来确保执行器的输出力矩在动态受限范围内。基于Lyapunov稳定性理论证明了该控制器可确保控制系统是渐近稳定的。仿真对比实验证明了该控制方案的有效性。
基于面元法的风力机翼型反设计
邹汝红, 张俊彦, 孙勤, 于维学
2014, 31(11): 198-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0883
摘要:
在风力机初步设计阶段,获得准确的气动特性数据可以大幅度缩减生产和测试的周期,因此开发速度快、精度高的设计方法具有重要的工程实用价值。该文运用余弦分隔法表征翼型,建立了常值偶极子面元法翼型绕流气动分析模型。通过与实验数据和Xfoil计算值的对比,总结出在攻角[-8o,8o]范围内,上述模型是可行的。然后,利用改进的Hicks-Henne型函数对翼型的几何外形进行参数化建模,并采用二次序列规划法作为寻优算法,建立了以最小压强系数标准差为目标函数的反设计模型。根据40个~280个面元的运算结果,得出当面元数取60个~ 100个时,模拟分析效率高。最后,选择具有不同厚度分布或对称性的基准翼型分别模拟分析,计算表明收敛精度都非常高。从而验证了该反设计方法的合理性、有效性及强鲁棒性。
水中测速涡轮高速旋转下的空化特性研究
陈勇, 张合, 马少杰, 沈德璋
2014, 31(11): 204-210,217. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0437
摘要:
水下常规弹药引信可利用外置涡轮获得其自身运动速度,研究高速旋转涡轮的空化特性对引信测速、测距误差的分析具有重要意义。该文从空化的发生和发展机理出发,针对水流速度为10m/s和8m/s下的不同空化数,分别利用数值仿真和空化水洞实验对涡轮空化形态和动力学特性进行了研究,并分析了空化条件下的涡轮转动。根据仿真和实验的结果,对涡轮空化发展的各阶段特征进行了分析比较。结果表明,数值方法能较好的预测涡轮空化的发展规律和空化下的涡轮动力特性;在一定的水流速度下,涡轮的转动速度随空化数的降低先略有升高然后降低;在一些水流速度和空化数下,涡轮转速信号具有明显的低频周期性变化。
双参变量下齿轮-转子系统扭转振动特性分析
苟向锋, 陈代林
2014, 31(11): 211-217. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0445
摘要:
建立考虑齿侧间隙、啮合刚度和传递误差波动的直齿圆柱齿轮-转子系统模型,分析齿轮副的扭转振动。根据齿轮的基本参数,计算了齿轮副的时变啮合刚度、啮合阻尼等动力学参数。通过计算系统的分岔图、频谱瀑布图、最大Lyapunov指数谱和扭转位移-时间映像,得到了系统在不同参数条件下的周期性与非周期性、频谱特性和时域特性的变化规律,分析概周期运动下齿轮副出现的连续频谱特性和渐变失稳的时域特征。通过计算双参数平面上动力学分布图,得到了系统在双参数变化时的周期和非周期运动的分布规律和分岔特点。
基于SAFE的层状结构导波传播特性研究
胡剑虹, 唐志峰, 吕福在, 姜晓勇
2014, 31(11): 218-224. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0457
摘要:
针对传统SAFE算法在计算层状结构导波频散特性的缺点,提出了一种融合了Lamb波和SH波的力学特性的SAFE方法。该方法在SAFE基本原理基础上,结合Lamb波和SH波的力学表达式的特殊性,分别建立了Lamb波和SH波的SAFE模型。和先前的SAFE模型相比,实现了Lamb波和SH波的区分,降低了矩阵的阶次,提高了计算效率。利用建立的SAFE模型,计算了45#钢板各模态Lamb波和SH波的截止频率并和解析方法的结果进行对比,检验了SAFE模型的计算精度。分析了铝钛钢复合板和粘接铝复合板中Lamb波和SH波传播的算例,算例的计算结果对于研究层状结构中Lamb波和SH波的传播有借鉴意义。
其他工程学科
柔性太阳帆航天器大角度机动控制研究
张瑾, 王天舒, 翟坤
2014, 31(11): 225-230,236. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0409
摘要:
太阳帆航天器是一种新型航天器,被广泛设计应用于深空探测任务,它依靠太阳光压力产生推进力。通过改变太阳帆的姿态可以控制太阳帆航天器的轨道,因此姿态控制对太阳帆航天器的任务具有重要意义。为了获得足够大的推进力,太阳帆具有大尺度的柔性结构,因此太阳帆航天器具有大转动惯量和大柔性的动力学特性,这对其姿态控制带来了困难。而利用太阳帆的特殊结构可以设计出一些特殊的姿态控制机构,如中心控制杆和控制小帆等,降低控制成本,改善控制效果。该文在柔性太阳帆耦合动力学降阶模型的基础上,将太阳帆的控制机构简化为中心力矩控制和端点力控制,针对太阳帆单轴大角度机动过程,研究了两种控制方法下太阳帆柔性结构对其姿态控制的影响。研究表明,通过端点力控制可以有效减小太阳帆在姿态机动过程中姿态及结构的振动幅度,可以更好的完成太阳帆的姿态机动任务。
飞翼飞行器气动伺服弹性耦合动力学特性研究
张子健, 安国锋, 刘斌
2014, 31(11): 231-236. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0426
摘要:
针对飞翼飞行器不同于常规布局的特点,该文以飞翼飞行器为对象讨论了其气动伺服弹性耦合问题。利用分支模态法建立了考虑刚体动力学的综合动力学模型,并结合控制结构及传感器布放位置获得全机的气动伺服弹性模型,详细讨论了不同高度、马赫数情况飞翼飞行器飞行-控制-结构动力学之间的相互影响关系,并对其耦合的动力学特性进行了描述与分析。该文所得的结论对此类飞机的气动伺服弹性分析和设计具有一定的参考价值。
热耗散变形下螺旋槽干气密封微尺度气膜流动特性研究
丁雪兴, 刘勇, 陈宗杰, 吴昊, 闫飞
2014, 31(11): 237-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0434
摘要:
螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响。首先在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力和气膜速度,然后推导出气膜的无热耗散能量方程及有热耗散能量方程,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过 Maple 和 Matlab 软件求解槽内气膜的温度分布。然后由热弹变形理论,求解出密封环的变形量,获得螺旋槽内气膜厚度的解析式。最后利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较。研究结果表明:随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反;干气密封中的泄漏量随变形量增大而增大,考虑热耗散有变形的泄漏量更接近于实验值。
界面初始扰动形态影响RM不稳定过程的数值研究
蒋华, 董刚, 朱跃进, 陈霄
2014, 31(11): 244-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0439
摘要:
采用Navier-Stokes (NS)方程对激波诱导扰动界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定增长过程进行了二维数值模拟,分析了初始扰动条件对反射波前后界面扰动增长的影响,并与已有的模型预测结果进行了对比和分析。研究结果发现:单模初始的扰动振幅和扰动波长都直接影响反射波前后的界面增长速率;多模随机初始的扰动振幅和扰动波长对于反射波前后界面增长的影响没有单模扰动明显,其扰动增长行为均和单模大波长扰动的增长行为相似。
钻杆扭矩法预测冲击地压的研究
徐连满, 李祁, 潘一山, 李忠华, 李国臻, 马箫
2014, 31(11): 251-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0456
摘要:
钻杆扭矩法是通过测试钻孔过程中钻机对钻杆输出扭矩的大小来判断煤矿冲击地压危险性的方法,具备许多传统方法不可替代的优点,是一种很有发展的预测预报方法。该文建立了钻屑过程中钻杆的力学模型,得出钻杆扭矩与煤体应力、煤体性质及钻进速度的关系,分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻屑推进力减小;钻屑推进速度增加时,钻杆扭矩增加,钻屑推进力增大;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻屑推进力增大。利用钻杆扭矩测试装置,测试了不同煤体应力条件下钻屑扭矩的变化规律。理论和实验结果均表明:使用相同的钻机及钻具,按照指定速度对同一性质的煤层打钻时,钻杆扭矩随着煤体应力的增大而增大,钻杆扭矩变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性,通过测试钻杆扭矩的变化规律,得出钻孔处煤体应力场的分布化规律,进而预测煤层冲击危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。