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2015年  第32卷  第8期

综述
结构健康监测数据科学与工程
李惠, 鲍跃全, 李顺龙, 张东昱
2015, 32(8): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.08.ST11
摘要:
结构健康监测作为保障重大工程结构安全的重要技术,近些年来在世界范围内得到了快速的发展和应用,国内外许多大型工程结构安装了监测系统并且积累了海量的监测数据。结构健康监测数据分析与挖掘越来越受到国内外学者的关注,成为当前国际上土木工程领域的热点研究方向,该文结合国际上应用数学和信息领域的最新成果,总结课题组在结构健康监测数据分析与挖掘方面的最新研究进展,主要包括:基于压缩感知理论结构健康监测数据处理、车辆荷载空间分布识别、斜拉索实时索力识别、复杂因素耦合作用下斜拉索安全评定、结构健康监测的Benchmark模型、结构健康监测的数据分析与挖掘软件系统以及桥梁结构安全监测技术规程等方面的内容。
基本方法
真实梁板壳局部应力分析的高性能边界元法
姚振汉
2015, 32(8): 8-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.ST02
摘要:
经过数十年的发展边界元法在学术界已被看成有限元法的重要补充,但是要使这种补充成为工程界的实际需要还必须用它解决一些有限元法和其他方法难以解决的问题,这就是要充分发挥其高精度的优势,对一些复杂问题得到可靠的结果。为此作者近年通过误差分析提出了一种高精度边界元法计算方案,它在没有解析解和其他数值解做比较的情况下也能求得边界元法的收敛解。这种新方法的一个重要应用领域就是真实梁板壳结构的局部应力分析,即考虑梁板壳结构边缘实际几何、和基座或周围构件联合进行三维高精度边界元分析。该文给出了两个二维高精度边界元分析的算例,一个是真实悬臂薄板梁的横向弯曲,另一个是承受内压的无限长加肋圆柱壳,其中前一个算例揭示了真实悬臂薄板梁端部的局部应力远高于由梁弯曲理论所得到的应力。该文同时建立了悬臂薄板梁三维分析的边界元模型,其边界自由度数已经超出了在微机上用常规边界元法能够求解的规模。因此必须将高精度边界元法结合快速算法才能胜任此类分析,这就是作者提出的高性能边界元法的含义。最后作者展望了这两个相关新领域将要开展的研究内容,希望起到抛砖引玉的作用。
基于交叉节点对无网格Galerkin法的改进算法研究
龚曙光, 卢海山, 张建平, 唐芳
2015, 32(8): 16-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0017
摘要:
针对无网格Galerkin法刚度矩阵的稀疏存储实现难、节点与积分点的全局搜索效率低等问题,该文基于交叉节点对及其循环组装整体刚度矩阵的思想,利用CSR格式存储刚度矩阵,通过局部搜索方法来搜寻节点与积分点,提出了一种采用三角形网格进行积分计算的无网格Galerkin法。通过数值算例对比了不同节点规模的刚度矩阵存储消耗,以及节点与积分点的搜索效率。结果表明所提出算法在满足计算精度的前提下,能有效地节省存储空间和提高节点与积分点的搜索效率,并对复杂形状的几何模型具有良好的适应性。
多集中质量离散固支弹性板基波频率解析
齐红元, 张增杰, 陈科山, 杜凤山
2015, 32(8): 22-28. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0042
摘要:
针对含集中质量的离散固支弹性板基波频率的求解问题,采用小挠度弹性板变形理论与Rayleigh-Ritz能量法,建立含多集中质量弹性板的振动能量方程及其模态方程。结合弹性板的离散点固支边界条件,完成离散固支弹性板的基波振型函数的解析描述,并利用能量极值法,完成随着集中质量大小与位置变化的离散固支弹性板基波振型函数插值系数及其基波频率的解析。以不含集中质量离散固支弹性板为特例求解,与有限元分析计算结果相比对,验证求解离散固支弹性板基波频率方法的可行性。此外,以含两个集中质量的矩形弹性板为计算实例,完成了集中质量大小以及位置变化的基波振型函数插值系数k及其振型函数、基波频率f的曲面描述与分析。上述解析分析方法可为工程电路板PCB的动态设计提供了可行的理论分析方法。
模糊变分原理在求解结构屈曲临界载荷中的应用
张旭东, 邱志平, 李琦
2015, 32(8): 29-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0048
摘要:
首先在结构屈曲临界载荷的瑞利商变分中引入模糊参数,得到了结构屈曲临界载荷问题的模糊变分原理。进而基于模糊变分原理推导了模糊里兹法和模糊有限元法。这两种方法都可以直接得到问题的模糊解,避免了传统区间方法要先将模糊参数转化为区间参数求解,之后再由区间解构造模糊解的计算过程。因此,所提方法可以很大程度上减少计算量。最后通过数值算例表明了所提方法的可行性。
土木工程学科
基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析
柯世堂, 王同光, 胡丰, 赵林, 葛耀君
2015, 32(8): 36-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0102
摘要:
以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。
加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析
金浏, 杜修力
2015, 32(8): 42-49. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0791
摘要:
探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。
地下水封洞库围岩气体渗透特性及滑脱效应研究
贾朝军, 王环玲, 徐卫亚, 左婧
2015, 32(8): 50-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0006
摘要:
地下水封洞库的围岩是一种低渗透岩石,其气体渗透特性,以及气体渗透率随压力的变化是地下水封洞库工程非常关注的问题。该文对某石油储备地下水封洞库的风化花岗片麻岩进行了室内的气体渗透特性试验,滑脱效应试验以及扫描电镜试验。试验结果表明:该风化花岗片麻岩气体渗透在不同围压阶段,渗透率和孔隙度变化规律不同;存在一个围压拐点,小于拐点值时,渗透率随围压满足指数函数,大于拐点值时,满足二次函数关系;SEM试验表明,岩石内部不整合接触形成的微裂隙和微孔洞导致了围压加载过程中渗透率和孔隙度不同变化规律;气体在低渗透岩样渗流过程中存在滑脱效应,应对测试所得到的渗透率进行滑脱效应的修正;对于地下水封洞库,设计和运行时要考虑气体渗透的滑脱效应的影响;气体滑脱效应的影响与围压有关,当围压为8 MPa~9 MPa时,气体滑脱效应对气测渗透率影响最大。
往复荷载作用下异形柱节点抗震性能改善措施
戎贤, 张健新, 李艳艳
2015, 32(8): 58-65. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0029
摘要:
在节点核心区加入T形钢骨、槽形钢骨或X形配筋以改善异形柱节点这一薄弱部位,研究往复荷载作用下异形柱框架节点的抗震性能,对比不同改善措施对节点的破坏特征及承载性能、滞回性能、耗能能力及累积损伤等抗震性能指标的影响。结果表明:在异形柱节点核心区加入T形钢骨、槽形钢骨或X形配筋均能改善异形柱节点的滞回特性,提高节点的承载能力和变形能力,减缓节点的累积损伤程度,从而提高异形柱节点的抗震性能。与T形钢骨、槽形钢骨增强的异形柱框架节点试件相比,X形配筋对改善节点的抗震性能指标效果更显著。
格构腹板增强型泡沫复合材料夹层结构腹板平面内屈曲分析
洪俊青, 刘伟庆, 方海
2015, 32(8): 66-73. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0037
摘要:
利用有限元数值模拟研究了在平面内荷载作用下,腹板间距、腹板高度、泡沫芯材弹性模量等因素对格构腹板增强型泡沫夹层结构腹板屈曲性能的影响。结合有限元分析结果提出半波数基床系数,采用文克尔地基模型模拟泡沫芯材对格构腹板增强型泡沫复合材料夹层结构腹板的弹性支撑作用,基于Ritz法提出腹板平面内荷载作用下屈曲荷载理论分析方法和计算公式。分析表明:泡沫芯材的存在使得腹板的屈曲特性不同于无芯材时屈曲特性,随腹板高度增加屈曲荷载表现出平稳增加的趋势,屈曲形态呈现出多峰特征的褶皱;腹板间距和高度较大时,泡沫芯材的支撑对腹板的稳定起到主导作用;理论方法分析结果、有限元结果以及试验数据总体上一致。
钢骨混凝土短柱在长期轴向荷载作用下的试验研究
陈周熠, 代堂珍, 雷鹰, 吴建清, 王洋
2015, 32(8): 74-79. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0040
摘要:
钢骨混凝土柱结构在过去几十年间已得到广泛的运用。但是目前关于这种柱结构在长期荷载作用下由于徐变和收缩引起的与时间相关的力学性能研究还开展得很少。该文开展了钢骨混凝土短柱的长期轴向荷载试验研究,还进行了这些柱的极限承载力破坏试验。试验监测了由徐变和收缩引起的柱的轴向长期变形。基于该实测曲线的分析表明,采用ACI 209R-92的收缩模型和CEB-FIP90的徐变模型,利用龄期调整有效模量法可以较好地模拟钢骨混凝土柱在长期轴向荷载作用下的变形发展。经历了长期加载后的试验柱的极限承载力破坏试验还表明,长期轴向荷载对柱的轴压承载力没有显著影响。
对有限覆盖无网格法中悬挂节点的研究
刘丰, 李春光, 郑宏, 王志芬
2015, 32(8): 80-86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0046
摘要:
当前基于Galerkin法的无网格法都只在域内和边界上布置节点。基于无网格方法背景网格独立于节点布置这一性质,该文探讨了无网格域外布置悬挂节点的可行性,提出了一种统一的、均匀的无网格节点布置方案,并设计了相应的背景网格方案,称为有限覆盖无网格法。通过数值算例讨论了悬挂节点对精度的影响,在此基础上讨论了悬挂节点的数目、节点影响域的形状、尺寸以及背景积分方案等对求解精度的影响,并给出了推荐的做法。算例结果表明,悬挂节点能够显著提高求解精度,尤其是边界附近的应力精度。
Reddy高阶组合梁的非线性有限元分析
何光辉, 杨骁
2015, 32(8): 87-95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0047
摘要:
该文基于Reddy高阶梁理论,提出了小变形双层组合梁的隐式运动学假定;应用拉格朗日乘子法,将该隐式关系引入到组合梁的最小势能原理,得到了考虑各子梁和粘结滑移层非线性材料特性的高阶组合梁非线性位移法有限单元,且该单元可以容易地转化为非线性Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元。随后,该研究分别应用提出的Reddy、Timoshenko和Euler-Bernoulli组合梁有限单元对双跨连续钢-混凝土组合梁进行了准静力分析,考察剪切效应对组合梁构件的挠度、粘结层滑移和截面应力的影响,且参数分析了组合梁的跨高比对剪切效应的影响。参数分析表明:短粗组合梁结构往往表现出显著的剪切效应,Newmark假定不再适用。
脏污对道床剪切性能影响及评估指标的离散元分析
徐旸, 高亮, 井国庆, 蔡小培, 罗奇
2015, 32(8): 96-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0051
摘要:
对国内外典型的道床脏污评估指标进行了综合分析。基于已有研究成果,提出了新的道床评估指标PFI。采用离散元法建立了基于精细道砟仿真单元的直剪数值模型,对不同脏污程度道床的剪切性能及PFI的合理性进行了研究,研究结果表明:脏污会显著降低道床的抗剪性能,其下降幅度与道床的脏污程度有关;脏污材料的粒径对道床剪切性能影响明显,且在材质相同的情况下,小粒径的脏污会引起道床剪切性能的进一步降低;相比于已有评估指标VCI,PFI能够考虑脏污材料粒径的影响,从而更准确的评估道床脏污情况。
方钢管混凝土轴压短柱承载力与全曲线综述研究
唐广青, 肖岩, 张倚天
2015, 32(8): 103-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0061
摘要:
该文根据收集到的266个方钢管混凝土轴压短柱的试验数据,对美国规范(AISC)、欧洲规范(EC4)、日本规范(AIJ)及中国规范(DL5085、GJB、CECS)进行了承载力比较,比较结果表明AISC、CECS及AIJ偏于保守,EC4稍偏保守的接近于试验结果,而DL5085、GJB稍高于试验结果。同时该文还将现有的五个纤维模型与试验曲线选取特征点进行统计分析,发现纤维模型在弹性阶段跟试验吻合较好,但对下降段及强化段的描述,各已有模型差异较大,有不同的适用范围。
桥梁风屏障的气动效应及其对高速列车运行安全的影响分析
郭薇薇, 夏禾, 张田
2015, 32(8): 112-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0062
摘要:
基于风-车-桥系统动力分析模型,分析了风屏障对车桥系统气动效应及桥上高速行驶车辆运行安全性的影响。以新建兰新铁路百里风区跨度16 m简支槽形梁为工程背景,通过风洞试验测试了有、无风屏障时车辆、桥梁的三分力系数,然后对强侧风作用下车辆通过桥梁时的动力响应进行了数值模拟,综合分析得到了保证列车在桥上运行安全的风速-车速阈值曲线。结果表明,对未设置风屏障的桥梁,当风速超过15 m/s即应限速行驶;而设置风屏障后,桥上车辆的运行安全性指标得到了极大地改善,即使风速达到40 m/s,列车仍可以260 km/h的速度安全运行。
考虑流体效应的船-桥碰撞数值模拟法研究
田力, 黄飞
2015, 32(8): 120-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0056
摘要:
有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、应力、截面内力以及计算效率等方面的结果进行了比较分析。结果表明:流体对船艏碰撞力影响较小,但能降低船舶的损毁程度;流构耦合计算模型中的墩顶水平位移响应要略小于附加质量模型和不考虑流体影响时的计算结果;不同计算模型所得桥墩有效应力基本相同且具有相同的分布规律;船-桥碰撞附加质量模型在计及流体与结构相互作用的同时,具有较高的精度和计算效率。
强化有限元的考虑界面滑移的组合梁数值模拟
林建平, 汪劲丰, 徐荣桥, 凌道盛
2015, 32(8): 129-140. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0057
摘要:
该文针对组合梁结构连接界面的非线性效应,采用物理区域与单元网格相独立的策略,并引入无厚度界面单元模拟界面的非连续变形,建立了基于强化有限元的考虑界面滑移的组合梁分析模型。该文所采用的物理区域与单元网格相独立的强化有限元,数学单元和物理单元在空间上重合不再是必要条件,可以根据物理单元力学描述的需要选择数学单元的大小和形状。同时一个单元内可以分成多个区域,各分区可以是不同的材料,可以具有不同的几何形状,可以具有不同的受力特点,如板、梁等,从而可以大大减少复杂结构的网格数量。该文方法可以快速便捷得到剪切连接件抗剪刚度从零变化到无穷大时所对应的挠度、界面滑移以及截面应力的变化,可以直观地确定出抗剪刚度能够充分发挥作用的区间,为实际工程设计中确定经济合理的抗剪刚度提供依据。该文方法计算效率高,可以适用于实际工程复杂变截面及空间结构的计算分析,尤其是规模庞大、受力分析繁琐的桥梁结构。
与反应谱相容的多点完全非平稳地震动随机过程的快速模拟
苏延文, 黄国庆, 彭留留
2015, 32(8): 141-148. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0072
摘要:
为了精确评估结构地震响应的概率特性,地震动随机过程的模拟需要考虑时间变异性(频率和强度非平稳)、空间变异性以及与反应谱的相容性。在经典的多点完全非平稳随机过程的模拟方法中,由于频率与时间变量不可分离,演化功率谱矩阵分解效率较低。为了加快谱矩阵的分解,提出了新Cholesky分解方法。该方法的核心是将演化谱矩阵分离为相位和模矩阵,而模矩阵进一步被转化为与时间不相关的延迟相干矩阵。通过与时间相关的演化谱矩阵相比,延迟相干矩阵仅与频率相关,这样就显著提高了矩阵分解的效率;此外,延迟相干矩阵更适合采用插值技术。最后,将新Cholesky分解方法和插值技术应用到生成与反应谱相容的随机方法中。结果表明:新Cholesky分解与插值能够高效地模拟多点完全非平稳并且与反应谱相容的地震动样本;线性插值与三次样条插值均可达到良好的分辨率,少量的插值点即可满足精度的要求。
Gibson地基中V-T联合受荷桩承载力分析
邹新军, 王亚雄, 徐洞斌
2015, 32(8): 149-155. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0073
摘要:
为探讨桩顶竖向力(V)和扭矩(T)共同作用时的桩身受力特性,于桩顶先作用V后施加T,视桩周土为Gibson地基,并考虑桩-土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,引入力和位移边界条件后,推导出桩周土处于不同受力阶段时的桩身内力位移解析解,由此求得不同V-T组合作用下的桩身承载力,进而获得桩身承载力包络图。进一步的参数分析表明,对于V-T联合受荷桩:保持桩身长径比m0不变,桩身承载力随桩长L的增加而变大,而L不变时,桩身承载力随m0增加而增加;随桩土刚度比λ、桩侧土体剪切模量和极限摩阻力分布常数比值n的增大,桩身承载力逐渐减小;随桩顶扭矩的增加,桩顶所能承受的竖向力不断减小,且减幅先快后慢,最终趋于零。
泥石流作用下砌体结构的破坏机理和防倒塌措施
程选生, 张爱军, 任毅, 刘超, 曹亮亮
2015, 32(8): 156-163. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0084
摘要:
为了得到泥石流作用下砌体结构的破坏机理和防倒塌措施,该文利用有限元软件LS-DYNA建立了三维实体模型,分别从结构的整体变形、系统能量、关键点位移和速度等4个方面出发,对泥石流作用下砌体结构的破坏机理进行了研究。根据砌体结构的破坏机理,结合现行规范和工程实践,提出了增大构造柱截面尺寸、减少房屋开间尺寸和降低结构层高等三种防倒塌措施。数值计算结果表明,减少房屋开间尺寸和降低结构层高在一定程度上能够减小构造柱的塑性变形,但是减少程度不大;通过增加构造柱的截面尺寸能够有效地增加砌体结构的抗冲击能力。
钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土圆形短柱偏压性能研究
卢亦焱, 薛继锋, 龚田牛, 张学朋
2015, 32(8): 164-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0053
摘要:
通过9根加固钢筋混凝土圆形短柱(8根钢管自密实混凝土复合加固柱,1根扩大截面加固柱)和1根钢筋混凝土原柱的偏心受压试验,对不同方法加固钢筋混凝土圆形短柱的承载力、刚度和延性进行研究,分析偏心距、钢管壁厚和自密实混凝土强度对复合加固短柱偏压性能的影响。试验结果表明:复合加固短柱的承载力与延性均优于扩大截面加固柱;减小偏心距或增加钢管壁厚均能显著提高复合加固柱的承载力与延性;改变自密实混凝土强度,复合加固柱承载力与延性变化不明显。在确定钢材与新旧混凝土本构关系的基础上,利用纤维模型法对复合加固短柱偏压性能进行参数分析。研究结果表明:增加钢管壁厚或提高屈服强度,N/Nu-M/Mu相关曲线往内收拢;增大外扩截面直径或提高自密实混凝土强度,N/Nu-M/Mu相关曲线往外凸出。
基于裸光纤光栅传感技术GFRP抗浮锚杆荷载传递机制的原位试验研究
白晓宇, 张明义, 寇海磊
2015, 32(8): 172-181. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0461
摘要:
基于3根全螺纹GFRP抗浮锚杆现场拉拔破坏性试验,成功地将植入式裸光纤光栅传感技术应用于抗浮锚杆拉拔试验中,研究了全长黏结GFRP抗浮锚杆在各级荷载作用下的承载特性、荷载传递特征及破坏机制。研究表明:植入式裸光纤光栅传感技术有其独特的优越性,不会对锚杆自身造成损伤;GFRP抗浮锚杆破坏以杆体基体材料剪切破坏为主,锚固长度为5.0 m,ϕ28 mm锚杆极限抗拔承载力为400 kN,能够满足工程需求;锚杆的轴向应力主要集中在距孔口约3.0 m的区域,且随着锚固深度的增加迅速衰减;剪应力峰值出现在距离孔口以下约0.8 m的位置,随着荷载的增加,剪应力曲线的峰值逐渐增大并向深部移动。在此基础上,进一步分析论证了GFRP抗浮锚杆的破坏机制,为GFRP抗浮锚杆的工程应用提供了理论依据。
焊接结构内部孔洞演化特征及其多尺度损伤表征
赵超凡, 李兆霞
2015, 32(8): 182-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0540
摘要:
为了研究结构失效过程中焊接细节处的宏细观损伤演化过程,以含细观孔洞的焊接构件为对象进行拉伸试验,综合采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术分别同步记录拉伸过程中构件内部细观结构和宏观力学性能的演化过程。试验结果发现随着构件变形的增加,其宏观性能变化表现为弹性模量的线性减小,同时其内部结构演化表现为新孔洞的萌生和原有孔洞的增长,孔洞总体积随塑性变形呈线性增加趋势,构件在不同的变形阶段,孔洞的体积与数量之间的关系都呈现出分形特征,分形维数随塑性变形的增加呈平缓增加趋势。根据构件宏观力学性能与其内部孔洞总体积之间的关系,并结合分形特征的意义,提出一种多尺度损伤表征方法,并用基于Lemaitre理论的损伤量化方法对其进行验证。结果表明新的损伤表征方法不但具有更加明确的物理意义,同时还可以很好地描述细观孔洞萌生、增长直到构件断裂的损伤跨尺度演化导致失效的过程。
带施工缝RC框架结构抗震性能的数值研究
于婧, 刘小军, 邓明科
2015, 32(8): 190-200. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.0672
摘要:
对7度、8度、9度区的规则RC框架结构进行非线性动力分析,数值模型分为在各层柱底加入施工缝模型的“带缝框架”和不考虑施工缝影响的“整浇框架”两种。通过对比结构的顶点最大位移、层间位移角、塑性铰分布规律和关键构件的反应等研究施工缝对框架结构抗震性能的影响程度。结果表明,在多遇地震下,结构仍处于弹性状态,施工缝对结构的顶点位移及层间位移角等影响不大。在罕遇地震下,随着地震动增大,结构进入非线性,施工缝的影响逐渐凸显,会使顶点位移及层间位移角明显增大。施工缝使柱端更容易出现塑性铰,更易形成“强梁弱柱”的柱铰破坏模式。在罕遇地震下对结构进行非线性数值分析时应重视施工缝的影响作用。
太阳辐射作用下钢管膨胀混凝土界面性能试验与分析
徐长武, 任志刚, 霍凯成
2015, 32(8): 201-210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.08.0720
摘要:
太阳辐射作用是影响钢管混凝土截面非线性温度分布进而造成其界面脱粘的重要环境因素,而采用核心膨胀混凝土是钢管混凝土界面性能优化的重要方法。设计了8种不同膨胀剂掺量钢管混凝土试件,采用太阳辐射模拟器对其进行太阳辐射作用下的界面性能试验研究,分析了钢管和混凝土的温度和应变时程以及沿光照方向的截面温度梯度模式,结合热传导理论和有限元法,探究了混凝土自应力对太阳辐射作用下钢管混凝土截面温度应力、光照作用所引起的界面径向应力变化、界面间隙部位和大小变化的影响。研究结果表明:混凝土自应力可有效地改善太阳辐射作用下钢管混凝土的界面受力性能,避免其截面不同部位由于较大的温度应力梯度所引起的界面脱粘;同时,混凝土自应力对太阳辐射作用下的钢管混凝土界面间隙产生部位及其大小变化有一定影响。
机械工程学科
基于应力约束全局化策略的板壳结构强度拓扑优化
易桂莲, 隋允康
2015, 32(8): 211-216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0015
摘要:
应力约束下板壳结构的拓扑优化设计由于应力约束难以显式化和约束条件数量庞大等问题,存在建模和求解的困难。为了解决这些困难,首先,该文通过类比独立连续映射(Independent Continuous and Mapping, ICM)方法中的过滤函数,在实体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material Penalization, SIMP)方法中引进了单元重量惩罚函数和材料许用应力惩罚函数,实现了对SIMP方法惩罚函数概念的拓广。然后,该文移植了ICM方法中行之有效的应力约束全局化策略,基于拓广后的SIMP方法,构造了代替应力约束后的结构畸变能约束的近似显式化函数,建立了多工况下板壳结构拓扑优化模型。最后,采用对偶序列二次规划算法求解该优化模型,并基于Python语言在ABAQUS软件平台进行了程序实现。数值算例都取得了很好的结果,这表明该文提出的方法是可行而有 效的。
多级阶梯柱侧向刚度与轴压临界力的精确分析及其实用算式
陆念力, 都亮
2015, 32(8): 217-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0024
摘要:
汽车起重机的伸缩臂或高空消防车的多级油缸是工程中常见的多级阶梯柱,为确定其侧向刚度与轴压稳定性,通过纵横弯曲理论建立了计及二阶效应的多级阶梯柱模型的挠曲微分平衡方程,对多级阶梯柱侧向刚度和纵向稳定性进行分析,得到了多级阶梯柱侧向挠曲方程和轴压失稳特征方程的精确表达,并给出了工程常用的5级及5级以下精确表达的显示形式;针对工程应用,给出多级阶梯柱稳定性分析的等效构件法;引入挠度影响系数,给出多级阶梯柱侧向刚度分析的实用算式,从而为工程应用提供了高效便捷的侧向刚度与轴压稳定性分析计算公式。分别以5级、8级阶梯柱模型为例,利用该文精确表达式与实用算式对其进行刚度与稳定性计算,得到了阶梯柱模型的臂端挠度与计算长度系数,通过将计算结果与标准文献精确结果进行比较,验证了该文精确表达式的正确性和实用算式的精度与适用性。
T型截面多级加筋柱壳的缺陷敏感性及优化研究
郝鹏, 王博, 李刚, 唐霄汉, 曾杜娟, 莫怡华
2015, 32(8): 223-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0028
摘要:
该文基于非线性显式动力学方法进行后屈曲分析,获得了四种加筋柱壳(均匀加筋柱壳、矩形截面双向多级加筋柱壳、T型截面单向和双向多级加筋柱壳)整个后屈曲过程的轴压位移-载荷曲线,并以模态缺陷为例,比较了四者的缺陷敏感性,结果显示T型截面双向多级加筋柱壳呈现出显著的低缺陷敏感性和较强的可设计性。该文还将缺陷敏感性分析结果与对应的完善结构后压溃稳定平衡路径进行了对比,发现两者一定程度上的趋势一致性。这表明对完善结构运用显式动力学方法进行单次后屈曲分析,即可同时获得其承载能力和缺陷敏感性,大大减少计及缺陷敏感性结构设计的计算量。最后,该文进一步构造了面向低缺陷敏感性的T型截面多级加筋柱壳优化模型,算例表明该方法可以高效地获得可靠性更强的优化解。
其他工程学科
考虑接头作用的全复合材料桁架结构多尺度分析
熊波, 罗锡林, 谭惠丰
2015, 32(8): 229-235. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0010
摘要:
为提高全复合材料桁架分析的精度和效率,引入结构多尺度有限元思想,对接头进行精细化建模,通过建立两点位移约束实现不同尺度模型连接,从而将接头模型嵌入宏观桁架模型,并针对具体制备工艺赋予桁架材料属性。为验证多尺度模型的优势,同时进行全复合材料桁架实验,以及分别基于全部梁单元模型和全部实体单元模型的有限元分析。对比相关模型的计算精度与效率,结果表明多尺度模型能够较好地兼顾计算精度与效率。该文针对全复合材料桁架的结构多尺度有限元建模方法,可精确分析全复合材料桁架承载性能,并且能够提供有效的局部信息,可用于分析其他包含复杂细节构造的大尺度复合材料结构。
基于圆判据的超空泡航行体非线性控制研究
韩云涛, 强宝琛, 孙尧, 白涛
2015, 32(8): 236-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0023
摘要:
超空泡航行体在高速航行过程中大部分表面被空泡包裹,航行体尾部与空泡间相互作用产生剧烈变化的滑行力,该滑行力是导致航行体失稳的主要因素。由于航行体与空泡相互作用机理的复杂性,使得滑行力表达式存在很大的建模差异和参数不确定性,针对这一问题,该文首先通过一系列变换将系统模型表示为线性环节和非线性环节反馈连接的形式,然后基于圆判据定理给出了航行体绝对稳定的充分条件,并依据该条件采用状态反馈极点配置方法设计控制器。仿真结果表明,该控制器针对滑行力建模不确定性和参数不确定性的情况,可以通过合理配置闭环极点实现系统对不同非线性条件的绝对稳定。
飞机拦阻系统拦阻力模型的实验研究
姚红宇, 孔祥骏, 史亚杰, 肖宪波
2015, 32(8): 243-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0076
摘要:
为了研究建立飞机机轮与特性材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System,简称EMAS)之间作用力的计算模型,设计建造了专门的实验装置。通过改变机轮尺寸、运动速度、负重、轮胎胎压,泡沫材料的厚度与强度等参数,开展了大量实验,发现了泡沫材料在机轮碾压下的一些物理现象,获得了实验数据。在这些实验结果的基础上建立了拦阻力模型,并对模型的准确度进行了验证。研究表明:1) 机轮运动速度对拦阻力的影响较小;2) 被机轮碾压后材料是处于压透状态还是处于未压透状态对拦阻力有重要影响;3) 泡沫材料的强度水平对拦阻力的影响是复杂的,增加材料强度可能降低拦阻力;4) 建立的拦阻力模型较好地反映了实验现象;5) 在实验范围内,模型对机轮所受拦阻力计算结果相对偏差的平均值小于10%,最大相对偏差为17%。
基于预处理方法的空化超空化流数值模拟
李国良, 尚庆, 袁湘江
2015, 32(8): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0332
摘要:
建立了一套水动力空化流数值计算方法,采用基于预处理方法的空化两相流模型计算二维空化问题,并通过添加源项来计算轴对称外型空化问题,发展了类比于Roe格式的空化两相流通量计算迎风格式,湍流模型采用经过修正的两方程模型,时间推进采用双时间步LU-SGS隐式方法,计算了二维水翼及轴对称体外型的全湿流、空化及超空化流动。数值结果表明,该文建立的基于预处理方法的空化两相流数值算法是有效的,可以对二维及轴对称外型的全湿流态以及空化、超空化的演化等现象进行数值预测。