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2015年  第32卷  第10期

综述
震后功能可快速恢复联肢剪力墙研究
纪晓东, 钱稼茹
2015, 32(10): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.ST07
摘要:
震后功能可快速恢复成为地震工程领域的研究前沿。该文基于损伤控制的思想,提出一种震后功能可快速恢复的联肢剪力墙,由低损伤墙肢和可更换连梁组成。在强烈地震作用下,低损伤墙肢无损坏或轻微损坏,可更换连梁耗散地震能量,震后可通过更换连梁中的消能梁段(或阻尼器)而实现快速修复。试验研究表明,钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙的承载力高,压弯破坏时极限变形能力达1/33,远大于钢筋混凝土剪力墙的变形能力;在1/100位移角时,钢管-双层钢板-混凝土组合剪力墙轻微损坏,可作为低损伤墙肢。该文中可更换钢连梁由中部的消能梁段和两端的非消能梁段组成,大尺寸试件的拟静力试验表明,往复剪切作用下连梁的塑性变形和损伤集中在中部的消能梁段,可更换钢连梁的塑性转角可达0.06 rad,滞回曲线饱满、稳定,通过合理设计连接节点可实现强震后方便更换消能梁段。
考虑谱形影响的地震动强度指标研究进展
韩建平, 陈继强, 闫青, 罗熠
2015, 32(10): 9-9. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.ST06
摘要:
合理地选择与调整地震动记录是影响结构弹塑性时程分析结果可靠性的重要因素之一。该文首先选择15条地震动记录作为输入,以基本周期T1对应的谱加速度Sa(T1)作为地震动强度指标来调整原始地震动记录,对一榀六层三跨钢筋混凝土平面框架结构进行了增量动力分析,分析了结构线性和非线性地震响应指标如最大层间位移角与不同周期处谱加速度值的相关性。分析结果表明,不同周期处谱加速度值与结构地震响应的相关性不同,且相关程度与结构是否进入非线性和进入非线性的程度有关。这一结果表明,由于高阶振型的影响或进入非线性阶段的周期延长效应,仅按单一强度指标如Sa(T1)调整地震动记录对结构进行动力分析,所得结果的离散性必然较大。因此发展考虑地震动谱形特征的强度指标是进一步完善结构地震反应分析和抗震性能评估的基础。基于此,该文较为系统地对目前已提出的能够考虑谱形的地震动强度指标及其应用现状进行了综述总结,以期为我国开展合理的地震动记录选择与调整等研究提供一定的参考。
基本方法
修正的内部基扩充无网格法求解多裂纹应力强度因子
马文涛, 许艳, 马海龙
2015, 32(10): 18-24. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0188
摘要:
修正的内部基扩充无网格Galerkin法求解了多裂纹应力强度因子。采用特征距离对内部基扩充无网格法进行修正,应用变分原理推导了系统离散方程,给出相互作用能量积分计算混合型模式下的应力强度因子的公式。求解3个平面应力条件下的多裂纹问题,并与其他数值方法的计算结果进行比较。数值算例表明:修正的内部基扩充无网格Galerkin法可以方便、有效地求解多裂纹问题,在不增加附加节点和自由度的情况下便可以得到较高精度的计算结果。
各种平均应力下高周疲劳极限间的定量关系
蔡晓静, 许金泉
2015, 32(10): 25-30. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0128
摘要:
疲劳极限是材料工程应用中的一个重要特性参数,但它并不是材料常数。在不同循环载荷作用下,材料会有不同的疲劳极限值。疲劳极限值很大程度上依赖于循环载荷中的平均应力或最大应力幅值,两者之间的关系是材料自身固有的特性关系。因为在接近疲劳极限的低循环应力幅下,S-N曲线受疲劳极限控制,所以在工程应用中对其定量关系有迫切的需求,但现有的经典经验关系只能对其进行非常粗略的估算,不能满足工程应用中有关寿命设计的需要。现状是只能通过大量的实验,得出其实验关系。该文提出了一种函数形式的关系式,该关系式可以足够精确地描述各种材料的疲劳极限和平均应力之间的关系,且只包含三个材料常数。只要这三个材料疲劳特性常数被事先确定,则任意疲劳载荷下的疲劳极限值,都可由该关系式估计得到,因此可以作为材料本身固有的疲劳强度的状态关系式使用。
Mindlin板弯曲和振动分析的高阶杂交应力三角形单元
李坦, 齐朝晖, 马旭, 陈万吉
2015, 32(10): 31-37. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0153
摘要:
现有的Mindlin板单元只能通过零剪力分片检验,而不能通过非零常剪力分片检验。该文根据Reissner- Mindlin一阶剪切变形理论,基于余能原理,提出了一种高阶杂交应力六节点三角形Mindlin板单元。该单元特点是不仅能通过零剪力分片检验,而且能通过严格的非零常剪力增强型分片检验。构造单元时特别注意了单元边界位移以及域内应力的插值函数的选取。采用任意阶Timoshenko梁函数作为边界位移插值函数,应力插值函数选取为满足平衡方程的多项式。对不同厚度不同边界条件的方板进行弯曲和自由振动分析,质量矩阵采用集中质量阵。数值结果表明无论对薄板还是中厚板,该单元均是准确有效的。
基于单元应力级数展开的下限原理有限元法
李春光, 高如超, 郑宏, 葛修润
2015, 32(10): 38-43,59. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0104
摘要:
基于Taylor级数,将三角形单元内的应力场在三角形单元中心点处展开,从而可以借助于中心点应力及应力场梯度来表达整个单元应力场,再利用平衡方程中应力场梯度之间的线性关系,使单元中未知量的个数从9个减少到7个。由于已经满足了平衡方程,因此得到下限问题的数学规划模型不仅减少了变量的个数,而且也减少了等式约束的个数,从而降低了模型的规模。该方法丰富了下限原理有限元法的理论,为进一步提高求解效率打下了基础。计算结果表明与经典Sloan方法得到的结果完全一致。
土木工程学科
基于性能的钢框架结构失效模式识别及优化
徐龙河, 吴耀伟, 李忠献, 滕军
2015, 32(10): 44-51. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0291
摘要:
该文定义了损伤和滞回耗能两个性能指标,以增量动力分析(IDA)方法为基础,提出基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,并以性能指标为目标函数,以构件截面尺寸作为变量,建立钢框架结构失效模式多目标优化方法。在多条地震波作用下,对一个20层benchmark钢框架结构进行了失效模式识别与优化分析,结果表明,以损伤和滞回耗能作为评价指标的基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,能有效识别最不利地震作用下的结构失效模式,基于性能的失效模式多目标优化方法能够显著提高结构整体的抗震性能。
冻土冲击动态应力-应变曲线特征及汇聚现象分析
马悦, 朱志武, 马巍, 宁建国
2015, 32(10): 52-59. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0243
摘要:
研究通过系统的霍普金森压杆实验,分析了冻土冲击动态应力-应变曲线的特征,验证了冻土的应变汇聚现象,揭示了产生这一现象的原因。研究发现应变率、实验冻结温度和初始含水量等参数对应力-应变曲线均有影响,而应变汇聚现象产生的首要条件是具有相同的加载应变率,与温度和初始含水量等参数无关。同时,冻土的动态裂纹损伤类型和裂纹损伤演化方式能够直接影响汇聚现象中应力-应变曲线的形状,温度损伤现象是冻土特有的动态力学性能和应变汇聚现象产生的重要原因。此外,霍普金森压杆实验特殊的冲击动态加载方式和实验基本假设产生了特定的加载历程,实验加载条件决定了应变汇聚现象的汇聚点位置。因此,应变汇聚现象反映了冲击动态加载条件下冻土特有的力学性能,是冻土固有性质和实验手段共同作用的结果。
基于Rayleigh阻尼模型的竖向混合结构设计阻尼比研究
黄维, 钱江, 周知
2015, 32(10): 60-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0155
摘要:
由两种或两种以上不同材料串联组成的竖向混合结构,结构阻尼特征空间分布存在明显差异,这使得整体结构地震作用下的动力响应难以估计。对于结构初步抗震设计,特别是采用常规商用软件进行分析时,往往需要确定结构的阻尼比系数,这就需要引入等效阻尼比的概念。该文基于Rayleigh阻尼模型,推导了竖向混合结构在谐振荷载下的近似解耦位移响应误差函数,由随机地震动激励下位移响应误差最小,得到最佳等效阻尼比计算公式。将竖向混合结构等效成两自由度结构模型,每一自由度的动力特性由对应子结构的主频确定,对该两自由度模型进行不同子结构特性下最佳等效阻尼比分布和位移响应误差分析。结果表明:采用该文给出的最佳等效阻尼比,能更合理地预测结构在地震作用下的位移响应;而简单地采用单一材料结构阻尼比进行分析,可能会过高或过低估计结构耗能能力。
三维波流耦合水槽模拟模型
丁阳, 马瑞, 李宁
2015, 32(10): 68-74,88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0190
摘要:
水中结构物通常会受到波浪和水流的联合作用,为了得到作用在结构上的波流荷载,该文基于Flow-3D软件建立了三维波流水槽的模拟模型。为了准确模拟波浪和水流的相互作用,避免将造波边界和水流边界同时叠加在入口边界处,采用质量源造波法来实现内造波。利用Flow-3D的二次开发功能在水槽两端设置海绵层消波区,并结合Sommerfeld辐射边界条件来实现水槽的通流消波。对波浪的传播、波流相互作用试验的流场以及波流和柱体结构相互作用试验的流场进行数值模拟,结果表明:所建立的三维波流水槽模型可以准确地模拟波浪和水流的相互作用以及波流对结构的联合作用,并有效地进行消波,避免了二次反射,可用于波浪和水流联合作用下水中结构物波流荷载的研究。
梁轨纵向位移阻力系数双弹簧模型研究
吴定俊, 石龙, 李奇
2015, 32(10): 75-81. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0297
摘要:
对考虑加载历程的城市轨道交通桥梁梁轨非线性相互作用问题进行了研究。基于DT-2扣件位移阻力试验结果和分析,提出适用于加载历程的扣件“双弹簧模型”。采用该模型进行梁轨相互作用计算,并与传统线性叠加方法进行对比分析。结果表明:传统“线性叠加”法在钢轨拉压力计算上偏于保守,而在梁轨相对位移与墩顶纵向水平位移计算上偏于不安全。
多围压下三轴压缩试验与不可破裂颗粒离散元法分析
井国庆, 王子杰, 施晓毅
2015, 32(10): 82-88. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0205
摘要:
采用大型三轴试验仪器对道砟散体材料进行试验,重点研究不同围压条件下三轴试验力学特性与影响规律。同时基于离散单元法(DEM),采用非破裂不规则颗粒簇,在伺服条件下建立道砟三轴试验散粒体模型,对道砟颗粒在不同围压下进行相关数值三轴模拟,探讨偏应力、体应变、围压、体积应变与轴应变之间的关系,反映道砟基本力学特性。研究结果表明:采用离散单元方法进行数值模拟与室内三轴试验得到的一系列应力-应变规律基本一致,验证了离散单元法在道砟研究中的可行性与可靠性。同时,围压对道砟散体变形、最大偏应力、偏应力比值具有影响,其中随着围压提高道砟变形降低,因此在有砟道床设计和养护维修中,增大道床围压可降低道床沉降与变形。
全轻页岩陶粒混凝土三轴受压试验及其破坏准则
杨健辉, 张鹏, 王涛, 蔺新艳, 王钦亭
2015, 32(10): 89-98,105. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0215
摘要:
利用大连理工大学的大型静、动真三轴试验机,对强度等级为LC30的全轻页岩陶粒混凝土进行了等比例三轴受压试验。试验中,观察了试件的破坏形态,测得了试件的三轴受压极限强度、塑性应变、峰值应变、总应变以及应力-应变曲线。结果表明,全轻页岩陶粒混凝土在三轴受压状态下,强度和变形较单轴受压有显著增大,并伴随有明显的平台流塑现象,也呈现四种破坏形态。因此,在工程设计中将应力平台流塑段强度及其对应的塑性应变作为轻骨料混凝土的设计强度和设计应变。此外,分析了中间主应力对三轴压的强度和变形影响,并通过三轴强度模型对极限应力进行了预测,其相对误差的绝对值均小于6%,说明试验结果是准确、可靠的。最后,基于八面体应力-应变空间分别建立了其相应的破坏准则,但前者试验点一致性较好,且拉、压子午线与静水压力轴在高压应力区有交叉点,其破坏曲面是闭口的;而后者离散性虽然较大,拟合度较差,但却同样可以很好地反映出破坏面向外扩展的趋势和子午线光滑、外凸的曲线特征。
高强钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究与分析
戎贤, 张健新, 李艳艳
2015, 32(10): 99-105. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0221
摘要:
通过拟静力试验研究配置高强钢筋混凝土桥墩的抗震性能。分析桥墩试件的破坏形态,对往复荷载作用下桥墩试件的滞回特性、承载能力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标进行比较研究。分析轴压比、剪跨比、箍筋间距及钢筋强度等对抗震性能的影响规律。研究表明:配置高强钢筋混凝土桥墩试件的破坏形态与配置普通钢筋的混凝土桥墩的一致,剪跨比较小的桥墩变形能力有限,呈弯剪破坏形态;剪跨比较大的桥墩变形能力较大,呈弯曲破坏形态。提高轴压比虽能提高试件的承载能力,但使其抗震性能指标降低,不利于桥墩抗震。提高钢筋强度和加密箍筋能提高其各方面的抗震性能指标,有利于结构抗震。
钢筋混凝土柱稳定问题的图算法
陈旭, 周东华, 韩春秀, 李红波, 章胜平
2015, 32(10): 106-113,137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0224
摘要:
基于柱子曲率分布的二次抛物线假设,采用虚功原理来计算二阶偏心距,得到简化的平衡方程。对于截面抗力,考虑完整的钢筋和混凝土本构关系,采用由应变计算内力的逆解方法来计算。对于极限曲率,将精确方法与我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的简化方法比较和分析,提出考虑配筋率的更为合理的简化公式。通过对坐标系的设计和构思,将平衡方程所有可能的解绘制成图形,计算3个基本变量和在图形中做4条辅助线,便可进行配筋设计,为设计人员提供了一种简单高效的手算工具。
钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系研究
杨海峰, 邓志恒, 覃英宏
2015, 32(10): 114-122. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0242
摘要:
为研究钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系,主要考虑了不同钢筋锈蚀率、不同再生粗骨料取代率、不同再生混凝土强度等因素的影响,采用加速通电锈蚀以及钢筋开槽内贴片方法,完成23组钢筋再生混凝土试件粘结-滑移性能拉拔试验,获得了再生混凝土与不同锈蚀程度螺纹钢筋间的荷载-滑移曲线以及不同锚固位置处钢筋应变。通过实测结果及理论分析,计算得到不同锈蚀率下钢筋再生混凝土间粘结应力及滑移值沿锚固长度分布规律,分析了钢筋锈蚀前后与再生混凝土间粘结应力传递及粘结锚固位置函数差异的受力机理,提出了不同锈蚀率下反映实际粘结分布规律的粘结锚固位置函数模型,最后建立钢筋锈蚀后与再生混凝土间考虑粘结-滑移位置函数的粘结-滑移本构关系,为锈蚀后钢筋再生混凝土有限元分析提供参考依据。
基于精确爆破载荷分析的安全距离判据
李庆文, 乔兰, 陈璐
2015, 32(10): 123-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0248
摘要:
爆破振动灾害严重威胁着爆破振动场内既有构筑物的安全及稳定。然而,由于毫秒延时爆破的振动载荷表征复杂,若采用简化的三角形或者梯形动力载荷进行分析,与实际的工程情况差异显著。基于对爆破孔内爆破压力变化、炮孔体积扩张、围岩裂隙发展、爆破气体运动等的分析,建立起爆破动力载荷随时间变化的精确数学模型;在远场爆破振动分析时,统一理论下各个爆破孔的动力载荷,其规律满足圣维南定理,因此,可将每分段内各孔的爆破载荷等效为其作用区域上的均布载荷,毫秒延时爆破问题就转化为一个等效边界问题;最后通过有限元数值模拟软件FLAC3D建立三维隧道模型,代入物理力学参数、传播及衰减规律参数以及动力载荷模型,预测峰值速度曲线,与现场实际监测数据进行对比分析,确定数值模拟的准确性,并结合预测的有效应力曲线计算得出爆破安全判据公式。
驶入式钢货架立柱计算长度系数分析
武振宇, 成博
2015, 32(10): 130-137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0264
摘要:
驶入式货架立柱在垂直货物通道方向上的计算长度系数受多种因素影响。首先,对于上端受水平位移约束而下端受扭转约束的单柱模型,推导了弹性屈曲荷载计算公式。计算结果表明,当模型中约束刚度较小时,约束刚度的变化对立柱计算长度系数产生明显影响。此后,采用有限元分析方法分析了单列立柱模型的弹性屈曲荷载,得到立柱的计算长度系数。柱列模型中的牛腿梁和荷载分布不均现象均可以提高模型的弹性屈曲荷载。基于数值计算结果,得到了立柱计算长度系数的简化计算公式。若已知立柱柱脚转动刚度和支撑体系侧向刚度,可由此公式计算立柱的计算长度系数。
考虑剪切变形时薄壁箱梁的挠曲分析
周茂定, 李丽园, 张元海
2015, 32(10): 138-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0266
摘要:
为分析剪切效应对薄壁箱梁受力特性的影响,利用微板的面内剪切及平衡微分方程,分别推导出不考虑和考虑薄壁箱梁各板面内剪切效应的弯曲位移函数。选取剪切效应引起的附加挠度作为广义位移,通过定义的剪切广义力矩及剪切翘曲位移函数,将剪切变形状态从全梁挠曲变形状态中分离出来,作为独立的变形状态进行分析。为满足全截面翘曲应力的自平衡条件,引入两个截面特性参数对广义剪切翘曲位移函数进行了修正。数值算例表明,按该文推导的薄壁箱梁剪切弯曲位移函数计算的两跨连续梁跨中截面应力与实测值及有限元值吻合良好。挠度计算表明:剪切效应使得该箱梁在集中和均布荷载作用下跨中挠度分别增大27%和24%。
基于Boer多孔介质理论的饱和半空间上刚性圆板基础竖向振动特性研究
张石平, 崔春义, 杨刚, 李晓飞
2015, 32(10): 145-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0267
摘要:
针对饱和黏弹性半空间地基上刚性圆板基础竖向振动问题,基于Boer多孔介质动力控制方程组,应用Hankel积分变换技术并结合基础与地基土接触面混合边值条件,推导求解相关方程得到了饱和黏弹性半空间地基上刚性圆板基础的竖向动力阻抗以及振幅放大系数公式。在此基础上进一步通过数值算例对比分析探讨了液固耦合系数、基础质量比、地基土黏滞阻尼系数对所得基础竖向动力阻抗及振幅放大系数的影响规律。解析推导得出的对应竖向动力阻抗三维精确解不但丰富了基础振动理论,还可为相关工程实践提供参考和理论支持。
基于可靠度理论的桥梁涡激振动概率性评价
李玲瑶, 余志武, 何旭辉, 徐汉勇
2015, 32(10): 154-160,168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0280
摘要:
涡激共振是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,涉及的不确定因素众多,利用可靠度理论对这类风致振动进行安全估算是大跨度桥梁风振研究的趋势。探讨了桥梁涡振的三种失效模式,包括基于涡振风速的失效模式、基于涡振振幅的失效模式和基于前两种失效模式交集的涡振刚度失效模式,基于此,以某座大跨度桥梁为例,应用二次四阶矩法计算了基于涡振振幅的失效概率,并与二次二阶矩法的计算结果进行了比较,用Monte Carlo模拟法(MC)进行了验证,发现基于二次四阶矩法的可靠度分析相对于二次二阶矩法具有较高的精度。然后,基于二次四阶矩法的计算结果得到了桥梁涡振刚度失效的概率,研究表明:单独考虑桥梁涡振发生风速或涡振振幅的失效概率偏于保守,应结合起来考虑。
弹射冲击载荷作用下沥青混凝土路面面层的损伤
张震东, 马大为, 胡建国, 何强
2015, 32(10): 161-168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0111
摘要:
沥青混凝土作为一种粘弹性材料一般只研究其疲劳损伤特性,冲击损伤研究较少。针对路面在弹射载荷作用下产生中低应变率响应的特点,采用Cauchy应变表达的三维简化ZWT(朱-王-唐)非线性粘弹本构模型以及应变率相关的损伤演化模型,建立了增量形式并将Kirchhoff应力转化为Cauchy应力,编写用户材料子程序嵌入有限元软件中。推导了恒应变率条件下含损伤的简化ZWT本构表达式,使用最小二乘法拟合出本构参数。分析了沥青混凝土场坪面层的冲击损伤,阐明了损伤变化规律、分布规律,为发射场坪的选择提供了一定参考。
基于超越阈值概率的城市综合体行人高度风环境试验研究
陈伏彬, 李秋胜, 吴立
2015, 32(10): 169-176. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0751
摘要:
该文以某城市综合体为研究对象,在风洞中开展了大尺度建筑和密集建筑群对行人高度风环境影响的试验研究。基于阵风等效平均风速与项目区域的气候条件,给出了采用基于超越阈值概率的4种评价标准的评估结果。结果表明:对于坐,Force Technology-DMI标准最为严格;对于站,Isyumov and Davenport标准最为严格;对于行走,Michael J Soligo标准最为严格;针对不同的人类活动,UWO标准最为宽松。
寒旱区路基冻融风蚀复合侵蚀机理试验研究
李驰, 葛晓东, 高利平, 马云峰, 黄保生
2015, 32(10): 177-182,238. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0815
摘要:
寒旱区路基常年受到风沙侵蚀,同时由于强烈温差变化造成路基填料因积雪融水入渗而引起冻融循环侵蚀破坏。路基会因风蚀和冻融侵蚀的复合作用引起结构损伤下抗剪强度的持续衰减。以内蒙古那-苏省际大通道锡林郭勒盟桑根达来段的风沙土填方路段为例,考虑不设边坡防护的裸边坡为最不利情况,通过冻融风蚀风洞试验研究路基在冻融循环和风蚀循环前后填料土体抗剪强度的变化规律,将路基填料土体抗剪强度的变化作为其抗复合侵蚀能力的表征,分析冻融循环侵蚀和风蚀作用对填料土体侵蚀机理的不同,以及两种不同侵蚀作用受填料含水率的影响,揭示寒旱区路基冻融风蚀复合侵蚀机理。
机械工程学科
AZ31B镁合金挤压矩形管的轴向压溃试验与吸能特性分析
吴章斌, 桂良进, 范子杰
2015, 32(10): 183-190. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0217
摘要:
对AZ31B镁合金挤压矩形截面管进行准静态轴向压溃试验,研究其破坏模式和吸能特性,并探索管件长度、截面尺寸、倒角诱导因素等对吸能特性的影响。结果发现镁合金矩形管轴向压溃时存在两种破坏模式:整体破坏模式和渐进破坏模式,无倒角时管件发生整体破坏,而管端有倒角时主要从倒角端开始发生渐进破坏。渐进破坏模式有利于管件吸收能量。镁合金管件具有良好的吸能特性,其比吸能优于钢管、铝合金管和复合材料管。
硅通孔转接板封装结构多尺度问题的有限元模型
秦飞, 沈莹, 陈思
2015, 32(10): 191-197. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0285
摘要:
三维硅通孔转接板封装结构中,存在大量的微凸点与微焊球,尺寸相差3个数量级,这种结构多尺度给有限元分析模型的建立带来困难。以板级封装焊锡接点热疲劳寿命的有限元计算为目标,采用均匀化方法将芯片与转接板间的微凸点/下填料层以及转接板与基板间的微焊点/下填料层等效为均匀介质,以解决结构多尺度带来的网格划分困难。在对比分析了几种均匀化方案的基础上,建议在计算三维硅通孔转接板板级封装焊锡接点的热疲劳寿命时,芯片与转接板间的微凸点/下填料层以及转接板与基板间的微焊点/下填料层可采用各自的下填料层替代建模。
其他工程学科
基体裂纹-异型夹杂相互作用焦散线实验研究
岳中文, 韩瑞杰, 郝文峰, 刘伟, 姚学锋
2015, 32(10): 198-202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0143
摘要:
该文通过透射式静态焦散线方法利用三点弯曲梁断裂实验对异型夹杂与基体裂纹的相互作用进行研究。首先得到不同夹杂情况下I型裂纹尖端的焦散斑图,引入焦散斑纵横轴长之比β反映焦散斑在夹杂作用下的畸变特性;其次,提取相应的焦散斑特征尺寸,并得到I型裂纹的应力强度因子KI;最后,基于不同夹杂情况下裂尖焦散斑、裂尖应力强度因子与裂尖和夹杂之间距离的关系,揭示不同夹杂对裂纹尖端应力场奇异性影响规律。实验研究结果为含异型夹杂结构的强度设计和断裂性能评估提供实验依据。
高能炸药驱动下弹体膨胀破碎过程试验研究
陈醇, 李伟兵, 王晓鸣, 李文彬, 吴银海
2015, 32(10): 203-208. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0197
摘要:
为了获得高能炸药驱动下战斗部壳体破碎机理,选取新型弹体材料30CrMnSiNi2A钢、40CrMnSiB钢以及典型弹体材料50SiMnVB钢,采用超高速摄影技术拍摄壳体静爆,获得了不同弹体材料壳体膨胀破碎过程,引入弹体径向膨胀系数,建立了考虑弹体材料性能影响的壳体径向膨胀距离随时间变化的函数关系式,并试验测定了三种材料弹体形成破片的最大初速。分析试验结果发现,新型弹体材料壳体膨胀速度和破片初速更大,相比50SiMnVB钢壳体,30CrMnSiNi2A钢和40CrMnSiB钢壳体形成破片的最大初速分别提高了19.0%和31.9%。不同合金钢材料壳体形成破片初速沿壳体轴向分布规律相同,最大初速出现在距起爆点约70%圆筒长度处。该研究结果将为杀爆战斗部壳体材料选取及设计提供参考依据。
螺栓连接对基础非均匀沉降输电塔的影响研究
王朋, 陈海波, 张会武, 周星, 叶敏
2015, 32(10): 209-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0212
摘要:
对传统结构分析软件分析输电塔在基础非均匀沉降工况下已经破坏,而现实中仍在正常运行的情况。首先,通过试验研究了输电塔中有代表性的螺栓连接接头特性,把试验得到的螺栓连接接头的位移-载荷关系曲线引入到输电塔的有限元模拟中,并且考虑了连接偏心的影响。其次,通过对输电塔的位移、应变和倾角的测量,给出了输电塔在基础非均匀沉降时的受力-变形特性。最后,基于ANSYS开发了滑移梁模型和偏心滑移杆模型,改进了现有的螺栓滑移引入方法,并将数值分析结果与试验结果进行了对比。研究结果表明:螺栓滑移在塔腿中产生附加内力,引起结构内力的重新分布,并且在相同载荷作用下增加了输电塔的变形量;考虑螺栓连接影响的有限元模型分析结果更加接近真实测量值;滑移梁单元模型不仅能够更好地反映输电塔的受力变形特性,而且能够降低现有的螺栓滑移引入方法的工作量。
变温条件下热结构的声疲劳寿命评估
周亚东, 吴邵庆, 李彦斌, 费庆国
2015, 32(10): 220-225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0213
摘要:
为提高C/SiC热结构在热-声载荷下的疲劳寿命评估精度,分析了热结构声疲劳寿命的温度依赖性。基于频域疲劳评估方法,从温度变化改变结构动应力响应和温度与材料S-N曲线的对应关系两个方面,分析了变温条件下的结构声疲劳寿命评估。对C/SiC热防护壁板进行的数值仿真研究发现,随着温度的升高,加筋板结构的刚度降低,动应力响应峰值在整体上呈现左移且上移的趋势;在3个典型温度水平1100℃、1300℃和1500℃下,热防护材料C/SiC的疲劳性能随着温度的升高而降低。热-声两方面因素的共同作用,使得C/SiC加筋壁板在 1300℃时危险点的寿命降为1100℃时的7.1%,而1500℃时声疲劳寿命降低到1300℃时的3.9%。计及和不计及温度变化的过程,在4000 s内的疲劳损伤的计算结果相差约102倍。
受初应力作用的轴向运动功能梯度梁的动力学分析
李成, 随岁寒, 杨昌锦
2015, 32(10): 226-232. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0223
摘要:
基于Euler梁模型研究了初始应力作用下轴向运动功能梯度材料梁的横向振动问题。假设材料性质沿梁的厚度方向按幂指数形式连续变化,利用Hamilton原理建立了系统的控制方程,应用复模态法求得了其固有频率和模态函数,接着分析了轴向运动速度、梯度指数、初应力大小等因素对梁的动力响应的影响。结果表明:梯度指数和轴向速度的增大都会导致固有频率降低,轴向初应力的增大则使得固有频率升高。
基于镜像激励的结构动力学系统的设计点激励
任丽梅, 刘建民, 肖玉柱
2015, 32(10): 233-238. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0232
摘要:
在随机振动及结构可靠性研究中,动力学系统的设计点激励有着不可替代的作用,但非线性动力学系统设计点激励的计算方法仍是当今研究者的焦点之一。该文利用振子自由振动响应的镜像激励,给出了高斯白噪声激励下非线性系统的设计点激励,并将其应用到首穿失效概率估计问题中,与原始的蒙特卡罗模拟相比较,两者体现了高度的一致性。为进一步说明该文方法的正确性,针对线性系统,利用解析方法获得设计点激励的准确值,利用镜像方法所得近似值,将其均应用到首穿失效概率的计算中,数值例子显示,两种方法所得设计点激励稍有不同,但在计算首穿失效概率时,展现出同样的有效性。
柔性飞机大变形曲面气动力计算及配平分析
刘燚, 谢长川, 王立波, 胡锐, 杨超
2015, 32(10): 239-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0284
摘要:
柔性飞机在载荷作用下产生较大的弹性变形并呈现出几何非线性特性,机翼升力面呈现出大变形空间曲面的特征,传统平面气动力的工程分析方法无法给出空间变形下的真实载荷状态进而影响柔性飞机气动弹性分析的准确性。该文基于柔性飞机几何非线性气动弹性分析的需求,建立了曲面三维升力线和曲面涡格两种不同的曲面定常气动力方法,并结合曲面样条插值完成了大变形下结构运动信息与气动载荷信息之间的相互作用和交换,实现气动面随结构变形的自适应更新。进行了柔性飞机的全机非线性配平分析,并对两种不同的气动力方法的分析结果进行对比,归纳出柔性飞机几何非线性气动弹性配平分析的特点。升力线方法分析快速简单,涡格法可以考虑机翼弯度影响,便于复杂模型的多轮次反复计算。两种方法的分析结果具有较好的一致性,当飞机变形较小时都与传统的线性分析方法吻合较好;当结构变形较大时,非线性配平结果随风速和结构质量呈非线性变化,与传统线性分析结果产生明显差别需在设计初期引起重视。
被动电磁装甲对铜射流破坏作用仿真与实验研究
齐文达, 雷彬, 向红军, 苑希超
2015, 32(10): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0975
摘要:
为了实现被动电磁装甲对射流的防护作用,分别对轴向脉冲电流对射流的颈缩、扭曲作用及装甲板对射流产生的横向电磁力作用机理进行了理论分析,考虑脉冲电流趋肤效应和射流为率相关弹塑性模型的前提下,利用ANSYS对这三种作用机理进行了电磁结构耦合仿真,分别得到了电流密度、磁感应强度、电磁力在射流上的分布规律以及射流的最终变形。最后针对三种作用机理分别进行了实验,实验结果证实了被动电磁装甲能够对射流产生破坏作用,在静破甲试验中,当充电电压为5 kV左右,峰值电流为150 kA时,直径为39.2 mm的破甲弹产生的射流侵彻深度降低了8.6%。