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2015年  第32卷  第4期

基本方法
基于Hooke-Jeeves算法的挠性粘接件的高效内聚反演分析
周清春, 鞠玉涛, 周长省
2015, 32(4): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0942
摘要:
该文发展了一种标准试验与直接搜索算法相结合的反演分析方法,用于挠性粘接件的界面内聚力模型的参数获取。实验部分中通过单轴拉伸实验和双悬臂夹层梁实验来获取粘接强度和断裂能,内聚能采用了有效裂纹长度的概念来修正裂纹尖端塑性变形的影响。反演分析是以实验值为初始值,采用Hooke-Jeeves优化算法来实施的。整个反演分析过程是通过自动执行的程序来完成,程序包含Hooke-Jeeves优化算法、结果数据库、有限元软件的调用和目标函数的构建四大模块构成。通过推进剂/绝热层粘接试样来验证了反演分析方法的准确与高效性,结果表明该方法相比基于全局优化算法的反演分析方法具有更高的计算效率。
热弹性正交双曲壳广义H-R变分原理和齐次向量方程
李家宇, 徐红波, 刘艳红
2015, 32(4): 8-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0996
摘要:
基于热弹性体基本方程,根据弹性体修正后的H-R变分原理,建立正交双曲坐标系下热弹性体在温度梯度下的广义H-R变分原理,并推导了相应的非齐次广义Hamilton正则方程。再根据对偶变量理论,通过增加方程的维数,导出了可独立求解的齐次向量方程。齐次向量方程的导出,大大简化了热弹性层合正交双曲壳的求解过程,提高了计算精度。实例分析验证了该文方法的正确性。
热机载荷作用下拐折裂纹问题的通用权函数法分析
张翼, 吴化平, 石曼, 李龙, 柴国钟
2015, 32(4): 15-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0927
摘要:
根据Betti互易原理,推导出二维拐折裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并利用虚拟裂纹扩展技术以及刚度阵导数法,将通用权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维拐折裂纹问题通用权函数法的有限元格式。通过实例计算比较,验证了此方法的可靠性和准确性。分析结果表明:通用权函数法可以极大地简化计算过程,具有极高的计算效率。在此基础上应用此方法讨论了拐折裂纹长度、拐折角度对应力强度因子过渡过程的影响。
土木工程学科
双矩管装配式防屈曲支撑约束刚度取值研究
郭彦林, 姜子钦, 王小安, 黄彬
2015, 32(4): 22-32. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0322
摘要:
装配式防屈曲支撑的外围约束构件之间通过高强螺栓连接,其连系螺栓的离散性布置对各外围约束构件形成的整体约束刚度有不利的影响,需要在外围构件约束刚度计算中考虑。该文对一种双矩管装配式防屈曲支撑的外围约束刚度取值进行了研究,在理论推导中首先假定外围约束构件为“空腹桁架模型”来考虑离散螺栓连接,而后运用“连续连杆法”将螺栓的离散作用连续化以便于考虑这种不利作用。通过研究“空腹桁架模型”的变形特性考虑外围约束构件约束刚度的折减,最后结合对外围构件受力机理的分析及数值手段,推导并拟合出约束构件分肢间连系刚度,进而完善了外围约束刚度取值的相关理论。提出的方法也得到了数值分析的验证。
基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析
金浏, 杜修力
2015, 32(4): 33-40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0219
摘要:
混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。
基于断裂力学的高强度钢材梁柱节点受力性能分析
胡方鑫, 施刚, 石永久
2015, 32(4): 41-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0902
摘要:
为了研究国产Q460C高强度结构钢材梁柱节点的断裂行为,该文基于断裂力学理论,计算了Q460C高强度钢材焊缝及热影响区材料的断裂韧性,并且采用三维有限元断裂模型,以I型裂纹尖端应力强度因子KIJ积分为定量的评价指标,分析了焊缝及热影响区不同长度的裂纹对梁柱节点断裂韧性的需求。弹性分析表明,KI沿梁翼缘宽度方向呈W形分布,最大值出现在翼缘中心,且与名义弯曲应力呈线性关系,而焊根裂纹的断裂韧性需求比热影响区裂纹更高。弹塑性分析表明,JI最大值出现在翼缘的边缘,热影响区裂纹的断裂韧性需求比焊根裂纹更高。研究结果表明,Q460C高强度钢材梁柱节点的断裂由焊根裂纹控制,断裂承载力与梁全截面塑性承载力相近,临界转角小于0.02rad,因此建议通过改善焊接工艺或局部构造来保证节点拥有足够的转动能力。
有限一维弹性波动问题的公理化求解及其在自由场中的应用
赵福垚, 宋二祥
2015, 32(4): 47-53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0957
摘要:
在保证级数的一致收敛的前提下,可以利用Laplace变换对有限一维空间弹性动力学边值问题给出公理化的严格求解过程,此过程能够作为Lavrentieff与Hilbert等著名学者的工作的补充。这一解答能够应用于岩土工程中的自由场计算问题,并且能够从原则上避免截断误差。在针对特定问题的计算中,该方法的效率明显高于有限元,并且在一定程度上弥补了现有的自由场专用计算软件不能计算纯弹性体的缺点。同时,作为解析解算法,该方法对于数值算法的精度分析有一定意义。
基于抗剪承载能力设计的多层钢板剪力墙抗震性能试验研究
邵建华, 顾强, 唐柏鉴, 王治均
2015, 32(4): 54-61. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0963
摘要:
通过基于剪力墙板“屈服前屈曲”抗剪承载力设计准则设计的钢框架-薄钢板剪力墙原型结构,按1/4缩尺设计的三层试件进行水平低周反复荷载试验,得到了多层薄钢板剪力墙结构在水平荷载作用下的抗侧刚度、结构耗能、水平剪力和倾覆力矩在钢框架与剪力墙板之间的百分比分配、剪力墙板平面外位移及主拉应力的倾角,结果表明:结构的水平抗侧刚度随着荷载加载等级的增加而逐渐减小,但减小的幅度却越来越小;试件的耗能能力很强,结构在最后一级加载循环时消耗了6.7倍的屈服能;各层的耗能量随着加载位移的增加而逐渐变大,二层的耗能量最大,顶层次之,底层最小;在结构处于第1级加载的弹性状态时,剪力墙板承担的水平荷载比例约为60%~65%,钢框架承担的倾覆力矩比例约为80%;剪力墙板的主拉应力倾角变化范围为30°~51°。
二次受力下自密实混凝土加固RC梁受弯性能研究
罗素蓉, 吴文达, 陈彪
2015, 32(4): 62-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.1002
摘要:
为模拟实际工程中加固构件的真实承载能力,实验在原混凝土构件持续受荷状态下,采用自密实混凝土对构件进行加固、养护。共进行了7根二次受力下自密实混凝土加固钢筋混凝土梁和2根对比梁的受弯性能试验,研究了不同初始受力水平、不同加固厚度及不同界面处理方式对加固钢筋混凝土梁抗弯承载力和截面刚度的影响。试验量测了构件裂缝分布形态、荷载-挠度曲线、钢筋应变发展规律等。结果表明:采用自密实混凝土加固钢筋混凝土梁,能有效地提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力、截面刚度等性能;二次受力下自密实混凝土加固梁抗弯承载力随着初始受力水平的增大而降低。在试验结果的基础上,基于平截面假定,提出了二次受力下自密实混凝土加固梁钢筋滞后应变及抗弯承载力计算式,计算结果与试验结果吻合良好。
跨高比L/h≤1.5复合配筋连梁箍筋受力性能的拉杆-压杆模型分析
皮天祥, 罗俊, 张爱环, 罗然
2015, 32(4): 69-76. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0946
摘要:
试验表明:对称设置斜向钢筋的小跨高比复合配筋连梁具有良好的抗震性能,在建立并求解水平地震作用下该连梁中由混凝土主斜压杆、次斜压杆、对角斜筋拉、压杆和菱形筋拉杆等组成的超静定拉杆-压杆联合工作受力分析模型基础上,通过对连梁箍筋参与的传力机构分析,提出了由箍筋和混凝土次生斜压杆组成的箍筋桁架宏模型,建立了该模型中各箍筋拉杆和混凝土压杆的几何及变形协调方程、物理方程和平衡方程等共26个计算式和分析程序,2个试验试件的算例对比分析结果显示,该模型能反映连梁屈服后各受力阶段箍筋的受力状态,且计算结果具有较好的准确性。
基于灵敏度的平板结构多类型传感器优化布置
孙晓丹, 侯钢领, 王月敏, 陈强
2015, 32(4): 77-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0948
摘要:
多类型传感器信息融合的损伤诊断是结构健康监测领域的一个热点方向,并且基于多种类型传感器信息融合的损伤识别技术必然依赖于考虑多传感器信息互补的传感器优化布置技术。因此,该文以灵敏度分析为理论基础,以结构损伤识别为目标,对于监测平板结构的加速度传感器、光纤光栅(FBG)应变传感器以及压电陶瓷(PZT)传感器三种类型传感器的位置与数目进行优化。分别考虑环境噪声、边界效应等因素,用灵敏度计算比较不同类型传感器(包括加速度传感器、FBG应变传感器和PZT传感器)达到相同损伤识别效果所需数目,分析各类型传感器对结构损伤敏感的布置位置,并研究能达到识别结构任意位置一定程度损伤所需多类型传感器总和最小的数目。最后,进行平板结构模型仿真分析,验证该方法有效性和可靠性。
端部约束箍筋对受弯破坏RC剪力墙变形能力的影响
鲁懿虬, 黄靓
2015, 32(4): 85-92. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0961
摘要:
该文从机理分析、试验验证以及有限元模拟三个角度分析了端部约束箍筋对钢筋混凝土剪力墙变形能力的影响规律。混凝土应力-应变模型以及平截面假定的理论分析结论表明当原钢筋混凝土剪力墙破坏为混凝土压溃或钢筋屈曲的受弯受压破坏时,端部约束箍筋对其变形能力有积极作用;反之,如果原剪力墙破坏表现为钢筋拉坏的受弯受拉破坏,增加约束箍筋没有明显的影响。以端部箍筋为参数的剪力墙试验和有限元Vector2的分析结果均支持以上结论。提出了增加端部约束箍筋是否能影响无约束剪力墙变形能力的判定公式,公式能准确判断剪力墙破坏类型,从而判定箍筋是否对其变形能力产生影响,判断公式与试验对比结果非常符合。
隔板贯通式箱型柱-H型钢梁节点循环加载试验和破坏机理分析
王万祯, 王伟焘, 谢光杰
2015, 32(4): 93-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0967
摘要:
对4个双折线隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点和1个常规节点进行了低周往复循环加载试验,基于考虑焊接缺陷和焊接残余应力的结构钢椭球面断裂模型及偶联的椭球面屈服模型的断裂机理分析,对比研究了双折线扩大头构造对隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点破坏模式、延性、承载力、刚度退化和耗能性能的影响,揭示了隔板贯通式箱型中柱-H型钢梁节点在强震时断裂和屈服的演化规律。结果显示,常规节点在几何不连续的梁翼缘对接焊缝侧边脆断,节点塑性转角约为0.02rad,达不到FEMA 要求的0.03rad。双折线扩大头型节点在隔板折线段内形成塑性铰,节点塑性转角达到0.03rad,承载力和耗能性能较常规节点分别提高10.1%~27.7%和65.5%~123.6%。双折线扩大头构造和梁翼缘对接焊缝移至远离节点区的措施,减缓了节点区的几何突变和应力集中,规避了节点区焊缝过于密集和焊接热影响区的交叉影响,防止了节点过早脆断。该文给出了双折线扩大头节点的构造设计建议。
弹性支座对桥梁车致振动的隔振效果研究
张志俊, 李小珍, 张迅, 刘全民
2015, 32(4): 103-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.09.0857
摘要:
为探讨列车高速通过桥梁时传递到桥墩的振动受弹性支座的影响,建立了12个自由度的弹簧-阻尼单元模拟支座,嵌入到车-线-桥耦合振动分析模型中。以高速铁路上典型的32 m混凝土双线简支梁桥为研究对象,采用包含支座单元的车-线-桥耦合振动分析程序进行仿真计算。结果表明:车辆的轮重减载率和竖向振动加速度受支座竖向刚度的影响很小;支座竖向刚度降低,桥梁响应中的静力成分逐渐增大,动力成分则先逐渐减小,再逐渐增大;采用弹性支座,墩顶全频域内的减振效果主要取决于优势频段20Hz~80Hz频率范围的振动衰减量;弹性支座隔振系统的自振频率为10Hz~20Hz,能够吸收中高频振动,放大自身频率范围振动,反映出弹性支座在中、高频段具有很好的隔振性能。
对弹体侵彻混凝土靶体阻力函数计算公式的探讨
彭永, 方秦, 吴昊, 龚自明, 孔祥振
2015, 32(4): 112-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0933
摘要:
基于动态球形空腔膨胀理论,探讨了混凝土材料的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、压力硬化系数对阻力函数的影响,并指出,混凝土靶体的弹性模量和单轴抗压强度对阻力函数影响较明显,而泊松比和压力硬化系数的影响可以忽略不计。在此基础上,该文忽略泊松比和压力硬化系数的影响,通过引入弹性模量与单轴抗压强度的关系式,分别建立了基于弹性-断裂-塑性和弹性-塑性两种靶体响应模型下,同时考虑单轴抗压强度和弹性模量影响的阻力函数理论公式,并建立了弹体侵彻靶体的加速度时程计算模型。通过与不同尺寸弹体侵彻实验数据对比,验证了该文提出阻力函数表达式的适用性及其在加速度时程以及较大尺寸弹体侵彻深度计算中的优 越性。
ECC面层加固受损砖砌体墙抗震性能试验研究
邓明科, 樊鑫淼, 高晓军, 梁兴文
2015, 32(4): 120-129. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0938
摘要:
高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)具有高强度、高延性和受拉应变硬化等特性,在加固工程中具有广泛的应用前景。该文对4片采用ECC面层加固的受损砖墙进行了低周反复荷载试验,并与相关文献中4个试件进行比较,研究了ECC面层加固砖砌体墙的破坏机理、破坏形态、滞回特性和变形能力。结果表明:1) 采用ECC面层加固受损砖砌体墙,可显著提高砖墙的变形能力,改善加固后墙体的抗震性能;2) ECC面层对内部砖墙形成良好的约束作用,可显著改善砖墙的脆性破坏模式,是一种有效的砌体结构加固方法;3) 改善ECC面层与构造柱之间的粘结性能,保证ECC面层有效传递剪力,对提高加固后墙体的整体性能具有重要作用。该文的研究结果为砌体结构抗震加固提出了一种新方法,具有良好的推广和应用前景。
多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究
丁幼亮, 耿方方, 葛文浩, 宋建永, 李万恒, 王玉倩
2015, 32(4): 130-137. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0968
摘要:
以六塔斜拉桥型的嘉绍大桥为工程背景,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,在此基础上研究了采用粘滞阻尼器的多塔斜拉桥结构减振控制效果。研究结果表明:1) 多塔斜拉桥主梁和桥塔风振控制存在最大减振率,阻尼指数α愈小,最大减振率对应的阻尼系数c也愈小;2) 嘉绍大桥主梁跨中处设置刚性铰使主梁横桥向抖振响应显著增大,设置粘滞阻尼器后主梁中跨横向位移的最大减振率达到近50%;3) 嘉绍大桥采用次边塔与主梁固结的部分约束体系,使得次边塔的塔底内力明显大于其余塔的塔底内力,设置粘滞阻尼器后次边塔塔底内力的最大减振率达到近55%;4) 设置粘滞阻尼器使得多塔斜拉桥各塔和各梁跨的风振响应幅值趋于一致。因此,对于抖振响应相对较小的塔和梁跨其减振效果相对较小。
基于相对可靠度思想的DDBD抗震设计方法
简斌, 谢县, 廖平平
2015, 32(4): 138-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0975
摘要:
以我国现行规范设计结构隐含的性态目标的平均可靠度水准为基础,在DDBD方法中建立了相对可靠度理论体系,并提出了具体方法。在该文所提具体方法中,对于任一性态目标,均转化为以多遇地震作为预期地震风险水平进行可靠度计算,且DDBD法可靠度是通过与现有基于力抗震设计方法可靠度的比值形式体现的,既保持了与现行规范可靠度的传承,又避免了一般情况下可靠度的复杂计算。同时,论证了在多遇地震下DDBD方法所得基底剪力计算值与现行规范基于力方法基底剪力计算值理论上相等,并对其实际存在的计算误差进行修正,确定了DDBD方法截面承载力计算公式。最后,通过算例对比分析初步验证了此理论思路的有效性、优越性。
圆角多边孔蜂窝梁孔间腹板屈曲承载力研究
王培军, 王旭东, 马宁
2015, 32(4): 145-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0978
摘要:
提出一种圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板受剪屈曲承载力的分析方法。该孔型蜂窝梁具有与圆孔蜂窝梁相同的良好受力性能,但制作工艺简易且不损失扩展比。采用有限元方法研究了跨中集中力作用下蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲承载力。有限元分析考虑的参数包括孔间距与孔高之比和孔高与腹板厚之比等。并提出了改进的斜压柱理论模型以用于圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板的屈曲承载力计算。
装配式混凝土剪力墙结构空间模型抗震性能试验
朱张峰, 郭正兴
2015, 32(4): 153-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0988
摘要:
对装配式混凝土剪力墙结构底部四层1/2比例空间模型进行了低周反复荷载试验。根据试验结果及试件原型静力弹塑性分析结果对比分析认为:装配式混凝土剪力墙结构抗震性能满足我国抗震设防要求,同时,由于填充墙效应及局部现浇带的有效约束,结构承载力及刚度得到提高,且有较大安全余度,可应用于实际工程;装配式混凝土剪力墙结构由于采用与剪力墙板整体预制的钢筋混凝土填充墙,设计时应充分考虑填充墙对主体结构强度和刚度的影响;装配式混凝土剪力墙结构弹性强度及刚度较现浇剪力墙结构有明显提高,但同时造成其在弹塑性阶段表现复杂,有必要建立其精细化弹塑性模型进行地震作用下的详细分析。
基于分形理论的CFRP布增强混凝土梁抗弯性能研究
栾海洋, 范颖芳, 王大为, 任超
2015, 32(4): 160-168. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1009
摘要:
在实验室模拟酸雨腐蚀环境,完成了普通混凝土梁与CFRP布增强混凝土梁的抗弯试验,得到了各级荷载作用下构件表面裂缝的分布与演化过程,验证了受腐蚀CFRP布增强混凝土梁表面裂缝分布的分形特征。基于分形理论分析了受腐蚀混凝土梁在弯曲荷载作用下的开裂及破坏过程,详细讨论了梁表面裂缝的分形维数与其抗弯性能参数(损伤深度、混凝土强度、一阶频率、极限承载力、跨中挠度、位移延性系数)之间的关系。研究表明裂缝分形维数随着损伤深度的增加而减小,CFRP布增强混凝土梁的分形维数大于普通混凝土梁,其分形维数变化率与构件承载力变化率之间存在线性关系;因此梁表面裂缝分布的分形特征可作为CFRP布增强混凝土受弯构件损伤程度的衡量指标的观点,可为今后对“在役混凝土结构承载力和寿命预测的研究”提供参考。
基于共轭先验分布的深受弯构件受剪承载力概率模型分析
刘伯权, 刘喜, 吴涛
2015, 32(4): 169-177. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0163
摘要:
钢筋混凝土深受弯构件由于影响因素多、受力复杂,其计算模型和设计方法未形成统一定论。贝叶斯理论已被应用于钢筋混凝土部分构件承载力的预测和设计中,且合理性、准确性及优越性已得到证明,然其先验分布的选取不同,对计算结果的精度影响不同。采用共轭分布法推导了贝叶斯参数先验分布,利用贝叶斯多元统计理论,建立了基于共轭分布的钢筋混凝土深受弯构件受剪承载力贝叶斯概率模型,通过贝叶斯后验参数剔除法简化概率模型,并结合国内外学者已完成115组钢筋混凝土深受弯构件受剪性能试验结果验证模型。研究表明:基于贝叶斯简化模型得到的深受弯构件受剪承载力与试验结果吻合良好,较各国规范建议设计方法的计算结果更接近试验值。简化模型能较为合理地进行深受弯构件受剪承载力预测及设计。
机械工程学科
改进的混合界面子结构模态综合法在失谐叶盘结构模态分析中的应用
白斌, 白广忱, 费成巍, 赵合阳, 童晓晨
2015, 32(4): 178-184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0964
摘要:
在保证精度的条件下,为了提高航空发动机模态分析的计算效率,针对传统混合界面子结构模态综合法由于综合后还可能存在计算量大的问题,提出一种改进的混合界面子结构模态综合法。该方法将综合后的模型进一步减缩,同时在减缩过程中引入位移和力的双协调条件,保证了计算的准确性。采用该方法建立了叶片-轮盘的组合结构的参数化模型,对各个子结构建立有限元模型并综合求其模态,与整体结构有限元法相比,计算时间缩短了23.86%~35.74%,模态偏差不大于0.57%,而传统法,其计算时间缩短了14.63%~29.20%,模态偏差不超过0.49%,可见,在相同的工作环境且保证精度的条件下,该方法计算效率比传统混合界面子结构模态综合法有显著提高,尤其是在高阶模态求解时,计算效率提高的更加明显,为下一步的振动响应及组合结构的动态特性研究奠定了基础。
输流管道含有内共振的横向受迫振动研究
梁峰, 包日东
2015, 32(4): 185-190. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0983
摘要:
利用多元L-P法研究外部周期激励下两端铰支输流管道含有内共振的非线性受迫振动问题。对于外激励作用下的流固耦合系统,当第二阶固有频率约为第一阶值的3倍,并且激励频率接近系统固有频率时,系统会发生含有强烈内部共振的主共振。利用多元L-P法求解这种振动响应,并详细分析振动中前两个模态的运动及外激励幅值对内共振的影响。数值算例揭示了系统由于内共振而发生的更加丰富而复杂的动力学行为,并且表明,随着激励幅值的增大,部分内共振的发生趋势将降低并最终消失。研究结果同时证明了多元L-P法在研究非线性动力学方面是便捷而高效的。
分层屈服强度梯度蜂窝材料的动力学性能研究
何强, 马大为, 张震东
2015, 32(4): 191-196. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0986
摘要:
基于功能梯度材料的概念,建立了具有固定相对密度的分层屈服强度梯度圆形蜂窝材料模型。在此基础上具体讨论了屈服强度梯度和冲击速度对圆形蜂窝材料变形模式及能量吸收性能的影响。研究结果表明,屈服强度梯度的变化使得蜂窝材料的局部变形模式发生了变化。中低速冲击下,分层梯度蜂窝材料冲击端的动力响应表现出分段平台特性。合理地调节屈服强度梯度的变化可以减小初始峰值应力,并能够有效地控制进入被保护结构的应力值,同时实现蜂窝材料单位质量能量吸收率的控制。研究结果可为功能梯度蜂窝材料的研究和设计提供 参考。
不同超弹性本构模型和多维应力下开裂能密度的计算方法
王小莉, 上官文斌, 李明敏, 段小成, 阎礁
2015, 32(4): 197-205. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0990
摘要:
橡胶隔振器的疲劳失效多属于大变形(有限变形)下的多轴疲劳问题。在多轴疲劳载荷下,有效用来驱动裂纹扩展的那部分应变能密度称为开裂能密度。基于开裂能密度和橡胶材料的裂纹扩展特性预测橡胶部件的疲劳寿命时,须计算在外载荷下橡胶部件的开裂能密度。为了由有限元软件ABAQUS默认输出的应变计算在有限变形下的开裂能密度,该文推导了不同超弹性本构模型下开裂能密度在主坐标系下的计算式和所需的积分方法。基于该文开裂能密度的计算方法,采用3次Ogden本构来描述大变形下橡胶材料的本构行为,计算分析了不同应变状态下开裂能密度的分布特点。通过分析计算得到的开裂能密度与应变能密度的关系,说明该文开裂能密度计算方法的准确性。最后将上述计算方法应用到橡胶隔振器的多轴疲劳寿命预测中。
零质量射流及其在进气道流动控制中的应用研究
邵纯, 曹燕飞, 邹龙, 陈伟芳
2015, 32(4): 206-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0911
摘要:
该文采用数值方法,模拟了零质量射流激励器工作流场,并对其在超声速进气道流动中的控制效果进行了仿真研究。运用有限体积法求解N-S方程,空间离散采用Roe格式,时间离散采用基于LU-SGS的双时间步长方法。针对激励器压电振子的运动过程,使用了基于广义无限插值方法的并行化动网格生成技术,并考虑几何守恒律。研究了零质量射流的非定常特性,获得了不同驱动频率下激励器出口附近的流动参数并与实验值进行对比,进一步分析了激励器驱动频率对进气道流动控制效果的影响。结果表明:数值方法能较为准确的描述零质量射流,将零质量射流激励器运用于进气道流动控制能有效改善进气道性能。
受移动质量作用的一类变截面梁横向振动分析
刘雷, 杨国来
2015, 32(4): 212-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0918
摘要:
采用半解析法计算了横截面积、横截面的惯性矩沿轴线方向以幂函数规律变化的一类变截面梁的固有频率和振型,通过与有限元法的计算结果比较说明了半解析解的精确性。在此基础上,考虑牵连惯性力、相对惯性力、科氏力和离心惯性力的影响,推导了变截面梁受移动质量作用的横向弯曲振动方程,并采用Newmark法进行数值求解。以某梁式结构受移动质量作用为例,将其简化为横截面积和惯性矩沿轴线按任意次幂函数变化的变截面梁,结果表明:该方法能够正确、有效地处理此类问题。
基于薄层单元的螺栓连接结构接触面不确定性参数识别
姜东, 吴邵庆, 史勤丰, 费庆国
2015, 32(4): 220-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0920
摘要:
提出了一种螺栓连接接触面不确定性参数识别方法,首先采用薄层单元对接触面进行参数化,然后根据不确定性识别方法识别薄层单元参数。以四螺栓搭接结构试验模型为研究对象,开展接触面不确定性参数识别方法仿真研究。采用Monte-Carlo方法构造待识别参数真实值样本,代入基准有限元模型中计算获得具有统计意义的仿真试验数据;采用不确定性参数识别方法预测薄层单元参数均值与标准差,仿真结果表明:该方法能够较为准确的模拟接触面法向和切向接触刚度,并显著提高连接结构的建模效率,建立反映真实结构动态性能统计特征的有限元模型。
其他工程学科
陶瓷/金属复合靶抗侵彻性能的数值模拟方法研究
马天宝, 岳恒超, 任会兰, 宁建国
2015, 32(4): 228-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.1008
摘要:
采用自主开发的欧拉型二维爆炸与冲击问题仿真软件EXPLOSION-2D对钨杆侵彻陶瓷/金属复合靶板进行了数值模拟研究。为了描述陶瓷材料的损伤特性,在软件中嵌入JH-2本构模型及通过平板撞击实验结果拟合得到的高压状态方程。在质点网格法的基础上,给出了在欧拉算法下脆性材料累积损伤、破坏的数值算法。采用上述模型及算法研究了不同陶瓷片厚度条件下陶瓷/金属复合靶板的抗侵彻性能,分析了陶瓷靶损伤演化规律和侵彻过程。数值模拟结果与DOP(侵彻深度实验)结果吻合得较好,验证了该文模型和算法的有效性。
平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化
仇翯辰, 邱志平
2015, 32(4): 234-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1010
摘要:
根据随体坐标描述法,以变形后的构型作为参考基准,研究构建准确的充气膜结构应变/位移几何关系。利用虚功原理建立平衡方程,同时使用更新的拉格朗日格式(UL格式)保证膜结构分析求解的精度和稳定性。在充气柔性膜结构的分析和优化中引入不确定性参数,通过区间数学理论对其进行刻画。基于区间不确定性优化的模型和算法,对充气膜结构进行区间可靠性优化,为提高膜结构在复杂工况下的可靠性,降低失效概率提供借鉴和参考。
带中心孔的钛合金扩散连接层合板裂纹扩展特性
贺小帆, 刘文珽, 孙彦鹏, 王向明
2015, 32(4): 244-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.08.0516
摘要:
为了研究含孔TC4钛合金扩散连接层合板的裂纹扩展行为,进行了含ϕ6中心孔的8mm厚单层板材、三层(3+2+3)扩散连接层合板和三层(3+2+3)含ϕ12止焊区扩散连接层合板的疲劳对比试验,试验中施加标识载荷,通过断口判读裂纹形态和尺寸,得到裂纹扩展(a,N)数据,建立了裂纹扩展da/dN-a曲线,对单层板、层合板和止焊层合板的裂纹扩展行为和规律进行了对比。结果表明:单层板出现规则的半椭圆形孔壁裂纹;层合板由于存在层合界面的影响,出现不规则的半椭圆孔壁裂纹;而止焊层合板以角裂纹为主,裂纹扩展过程分为三阶段;三类试件的da/dN-a曲线可用双对数线性关系描述;三层板的裂纹扩展特性不弱于单层板;止焊层合板的裂纹扩展性能有明显改善,提高了含孔层板的损伤容限特性。
单相水流阶段煤层气井裂隙水运移的临界裂隙尺寸数学模型
倪小明, 张崇崇, 王延斌, 王向浩
2015, 32(4): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0936
摘要:
查明煤层气井排采的单相水流阶段裂隙水运移的裂隙临界尺寸大小,能为煤层气井的压力传播研究提供理论依据。根据煤储层孔裂隙结构特征,构建了煤储层地质概念模型;基于弹塑性力学理论,构建了单相水流阶段煤储层裂隙中水运移的力学平衡方程;结合有效应力原理和损伤理论分析了裂隙周围的应力分配与损伤演化,建立了一种适用于不同储层条件的单相流阶段水运移的煤储层裂隙临界尺寸的数学模型。晋城寺河矿煤储层条件下的计算结果表明:原始状态下煤储层水运移的临界尺寸为0.1μm,所得结果与其他学者实验室测试结果基本相符。同时还得出:随着排采过程中水的产出,水运移的煤储层裂隙的临界尺寸有增大的趋势,但变化幅度较小,仍在0.1μm左右。所建模型能较准确预测不同条件下煤储层单相水流阶段水运移的煤储层裂隙临界尺寸及排采过程中临界尺寸的变化规律。