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2016年  第33卷  第8期

基本方法
液舱晃荡的CIP法数值模拟
陈更, 董胜
2016, 33(8): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1070
摘要:
数值模拟是求解液舱晃荡问题的重要方法。基于CIP方法,该文建立了有限差分法求解二维不可压缩流体的Navier-Stokes方程的数值模型,使用对时间积分的分步算法求解流场,利用THINC格式捕捉自由液面,将液舱晃荡问题视为包括气体、液体和固体的多相流问题。分别模拟了无隔板和带纵隔板的液舱晃荡。该模型可以模拟晃荡过程中自由面破碎、翻卷和对舱壁的冲击压力以及隔板附近涡的生成与脱落,模型在不同网格的计算结果一致,并将计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:该模型可以较好地模拟液舱晃荡问题并且纵隔板对液舱晃荡有明显的抑制作用。
基于水平集算法的扩展比例边界有限元法研究
李建波, 陈白斌, 林皋
2016, 33(8): 8-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0003
摘要:
扩展比例边界有限元法在裂纹贯穿单元采用Heaviside阶跃函数描述裂纹面两侧的不连续位移,在裂尖则采用半解析的比例边界有限元描述奇异应力场。该方法具有无需预先知道裂尖渐进场的形式,无需采用特殊的数值积分技术直接生成裂尖刚度阵,对多种应力奇异类型可根据定义直接求解广义应力强度因子的特点。该文将扩展比例边界有限元法与水平集方法相结合,进一步发展了扩展比例边界有限元法,并将其应用于解决裂纹扩展的问题。在数值算例中,通过编写完整的MATLAB分析计算程序,求解了单边缺口的三点弯曲梁和四点剪切梁的裂纹扩展问题,计算结果显示扩展比例边界有限元法能有效地预测裂纹轨迹和荷载-位移曲线。通过参数敏感性分析,还可得出该方法具有较低的网格依赖性,且对裂纹扩展步长不敏感。
土木工程学科
群塔布置对冷却塔整体风荷载和风致响应的不同干扰效应
张军锋, 葛耀君, 赵林
2016, 33(8): 15-23,44. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0226
摘要:
为探究冷却塔群塔布置对整体风荷载和风致响应的不同干扰机理,通过刚体模型单塔和群塔风洞试验和结构动力响应计算,以风压环向分布模式对阻力系数CD和子午向拉力FT的不同影响为基础,对两者的干扰机理分别进行了分析。群塔布置下,目标塔表面风压的干扰效应主要表现为:前塔的遮挡效应(Ⅰ),主要使迎风区风压均值下降;侧边塔和侧后塔的吸力效应(Ⅱ),主要使背风区吸力均值增加;前塔和侧前塔的尾流涡激效应(Ⅲ),主要使迎风区和侧风区的脉动风压增加。这三种效应对CDFT的影响并不相同:CD主要受迎风区和背风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅱ分别使CD均值减小和增加,效应Ⅲ则使CD根方差明显增加;FT主要受迎风区和侧风区风压影响,所以效应Ⅰ和效应Ⅲ分别使FT减小和增加,背风区风压的变化对FT几乎没有影响。与单塔相比,各种群塔组合下FT增加的主要原因是脉动风压的急剧增加。在工程常用塔间距范围内,干扰效应对风向的敏感性明显大于对塔间距的敏感性,群塔双排布置时的不利风向范围明显大于单排布置。渡桥电厂的群塔双排布置形式和事故当天风向恰使后排塔的风致响应有所增加。
减震设计与抗震设计RC框架结构抗地震倒塌能力对比
缪志伟, 宋前恩, 李爱群
2016, 33(8): 24-31. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.04.0302
摘要:
与传统抗震设计不同,结构的消能减震设计通过在结构上设置减震装置以消耗地震输入能量,达到减轻主体结构地震响应的目的,在满足相同的设计要求下,减震设计结构由于阻尼器的耗能作用,其截面尺寸或配筋较抗震设计结构有一定的优化。根据我国抗震规范,按传统抗震方法和消能减震方法分别设计了一组钢筋混凝土框架结构。采用基于动力增量时程分析方法的结构抗倒塌易损性分析流程,对不同设计方法所设计的框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备进行了定量评价,并对计算结果进行了对比分析。根据分析结果提出了提高高烈度区减震设计框架结构抗倒塌能力的相关措施,并通过算例验证了所提措施的有效性。
全再生方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架的抗震性能试验研究
陈宗平, 张向冈, 薛建阳, 苏益声
2016, 33(8): 32-38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0501
摘要:
通过1榀全再生方钢管再生混凝土柱-钢筋再生混凝土梁框架试件的低周反复加载试验,揭示了由再生粗骨料取代率为100%的全再生混凝土组成的方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架的受力机理和破坏形态,获取了其荷载-位移滞回曲线、骨架线、位移延性、能量耗散等抗震性能指标,并对其进行了详细分析。研究结果表明:即便是再生粗骨料取代率为100%的全再生混凝土组成的方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架,经过合理设计依然能够满足现行国家抗震设计标准要求;其滞回曲线饱满、位移延性系数接近3、层间位移转角达到1/30;破坏时的等效粘滞阻尼系数达到0.216,耗能能力强。
古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角模型研究
谢启芳, 杜彬, 钱春宇, 郑培君, 李双, 张风亮
2016, 33(8): 39-44. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0558
摘要:
古建筑木结构燕尾榫节点由于其独特的构造特征而具有与其他节点不同的性能,已有的分析模型不能完全适用于燕尾榫节点。在分析燕尾榫节点受力机理的基础上,根据节点的力学平衡和变形协调关系对燕尾榫节点的弯矩-转角关系进行了理论推导,结合已有的燕尾榫节点拟静力试验结果,提出了以屈服点、极限点为特征点的燕尾榫节点弯矩-转角双折线模型,给出了模型特征点参数计算公式。结果表明,用该模型所得弯矩-转角曲线与试验骨架曲线基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的修缮加固提供理论依据。
WNQ570桥梁钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究
宗亮, 施刚, 王元清, 廖小伟, 于兴哲
2016, 33(8): 45-51. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.0595
摘要:
对WNQ570桥梁钢及其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,采用两种不同数据拟合方法分别得到具有95%保证率的疲劳裂纹扩展参数。结果表明:本批次的WNQ570钢材具有良好的疲劳裂纹扩展性能,其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材;在应力强度因子幅值处于10 MPa·m1/2~70 MPa·m1/2的常规区间时,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;WNQ570的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,疲劳裂纹扩展门槛值随应力比增加而降低。
不同无粘结长度新型混合装配式混凝土剪力墙抗震性能试验
朱张峰, 郭正兴, 汤磊
2016, 33(8): 52-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0972
摘要:
新型混合装配式混凝土剪力墙综合应用预制墙肢中部设置的无粘结预应力筋及局部无粘结竖向浆锚钢筋,以进一步提高墙体抗裂性能、改善墙体变形恢复能力及延缓钢筋屈服,从而改善其抗震能力。为验证新型混合装配式剪力墙的抗震能力,制作足尺试件并进行拟静力抗震性能试验。试件设计考虑了3种浆锚钢筋无粘结长度,以探索无粘结长度设置对墙体抗震能力的影响。试验结果表明:相较现浇对比试件,新型混合装配式剪力墙试件抗裂性能、承载力、刚度均明显提高,位移延性性能接近,耗能能力有所降低;同时,随着无粘结长度增大,试件屈服强度增大,极限强度降低,开裂荷载与残余变形基本无影响。综合对比来看,无粘结长度为150 mm的装配式试件表现出相对较好的抗震性能。
火灾环境下钢-混凝土组合梁力学性能试验研究
姚伟发, 黄侨, 张娟秀
2016, 33(8): 58-65. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.1000
摘要:
该文为研究组合梁桥在火灾环境下的基本力学性能与特征,制作具有代表性的3根缩尺梁模型:简支T形梁、简支箱形梁及连续箱形梁,利用火灾试验炉进行局部三面受火试验,并给出详细的试验方法。在试验过程中,分别观察组合梁常温下及火灾高温后的结构行为,量测火灾高温下组合梁的温度场,分析了结构的变形特点。通过对试验数据的深入分析与研究,可以发现火灾下钢-混凝土组合梁中钢梁为主要升温构件,且升温速度快,温度分布不均匀;混凝土顶板具有一定的吸热作用,但不应忽略其对钢梁升温及温度分布的影响;从实测变形看,钢-混凝土组合连续梁体系的抗火性能要优于简支梁体系。研究成果可以为组合梁桥防火灾设计与分析提供试验依据与理论参考。
纤维增强混凝土柱抗震性能试验研究及数值模拟
梁兴文, 徐洁, 邢朋涛, 邓明科
2016, 33(8): 66-76,92. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1006
摘要:
为了改善钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能和损伤容限,在柱端局部采用纤维增强混凝土(FRC)代替普通混凝土,考虑轴压比和剪跨比,设计了9根FRC柱以及1根RC对比柱试件。通过拟静力试验,观察试件在低周反复水平荷载作用下的裂缝开展过程和破坏形态,研究其滞回性能、变形和承载能力、耗能能力及刚度退化规律等。结果表明,与RC柱相比,剪跨比为2.0的FRC柱仍为压弯破坏,强度和刚度退化缓慢,具有较好的变形能力、耗能能力和损伤容限;轴压比及剪跨比对FRC柱的变形能力和耗能能力有明显影响;FRC柱仅需配置抗剪箍筋,不必另外配置约束箍筋,即可满足变形和耗能要求。基于OpenSees有限元软件,建立了多组FRC柱的有限元模型,在对有限元模型进行试验验证的基础上,进行参数分析。研究结果表明:模拟滞回曲线与试验滞回曲线总体上比较吻合;剪跨比、轴压比及FRC强度对FRC柱的承载能力均有一定影响。
基于统一强度理论的钢管混凝土斜交网格平面相贯节点承载力分析
史庆轩, 戎翀, 张婷, 任浩, 赵冬
2016, 33(8): 77-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1026
摘要:
斜交网格筒结构是一种新型的(超)高层建筑结构体系,由斜柱斜交而成的节点是确保此类结构安全可靠的关键部位。基于国内外的试验研究和理论分析,分析了钢管混凝土斜交网格筒平面相贯节点的构造形式、受力性能和破坏形式。考虑相贯节点核心混凝土受到的约束作用,从双剪统一强度理论出发,对圆钢管混凝土斜交网格筒相贯节点区域内与节点区域外部的核心混凝土进行受力分析,建立了圆钢管混凝土斜交网格筒平面相贯节点承载力的计算公式。所得计算结果与试验结果吻合良好,说明所提出公式的合理性。该文还分析了影响此类相贯节点承载力的影响因素,对钢管混凝土斜交网格筒相贯节点的破坏形式及控制因素进行探讨。采用Von Mises屈服准则对椭圆连接板进行受力分析,提出了临界角度的计算公式。该文研究成果对工程实际具有一定的参考价值。
钢板混凝土组合墙轴压受力性能有限元分析
张有佳, 李小军
2016, 33(8): 84-92. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.14.1079
摘要:
为了研究核电工程中钢板混凝土组合墙的承载能力以及设计参数对承载力的影响,以4个核电工程中钢板混凝土组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立钢板混凝土组合墙的有限元模型,模型中混凝土、钢板和栓钉均采用实体模型模拟,考虑了材料非线性和钢板焊接残余应力等。研究了栓钉的受力机理,模拟了试件中钢板的屈曲变形,分析不同参数如钢板与混凝土的强度、距厚比和含钢量对承载力的影响。分析结果表明:有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,栓钉在受力过程中始终处于弹性受力状态,混凝土强度对承载力影响最大,距厚比对钢板的屈曲影响较大,较小的距厚比能保证钢板与混凝土协同工作。
基于Beach Marking方法的钢结构疲劳裂纹检测研究
傅宇光, 童乐为, 刘博
2016, 33(8): 93-100,131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1092
摘要:
研究裂纹的形成和扩展规律是钢结构疲劳断裂的一个重要课题。该文讨论了一种十分经济有效的检测钢结构疲劳裂纹萌生与扩展的方法,即Beach Marking方法。首先简要总结了该方法的发展历史和研究现状,并系统归纳了其基本原理和关键问题。同时,通过焊接H型钢梁的试验案例,探索该方法应用在大尺寸构件上的实际效果,并具体展示该方法的设计步骤和应用过程。试验表明,Beach Marking方法简单实用,关键在于设计合理的疲劳荷载序列;通过分析疲劳断口上留下的疲劳弧线,并结合断裂力学理论,可以获得疲劳裂纹的扩展规律和参数,为钢结构疲劳寿命数值分析提供科学依据。
弹塑性钢阻尼器对中等跨径斜拉桥横桥向减震效果的振动台试验研究
徐艳, 王瑞龙, 李建中, 嵇冬冰
2016, 33(8): 101-109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0004
摘要:
为了研究弹塑性钢阻尼器对中等跨径斜拉桥横桥向的减震效果,该文以某一典型中等跨径混凝土斜拉桥为研究对象,设计了1/20全桥试验模型,通过改变塔梁、墩梁横桥向的连接方式,建立了固结体系和采用弹塑性钢阻尼器的减震体系两种试验模型,采用Chi-Chi波和场地人工波进行了横桥向四台阵全桥振动台试验。试验结果表明:相对于固结体系而言,横桥向采用弹塑性钢阻尼器的减震体系利用弹塑性钢阻尼器良好的滞回耗能性能,可以有效地减小塔顶位移和塔底应变,具有良好的减震效果,是合理的抗震体系之一。
不同改进形式钢板剪力墙滞回性能研究
王萌, 杨维国
2016, 33(8): 110-121. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0017
摘要:
钢板剪力墙的构造形式能够改善结构破坏模式、提高耗能能力及延性。为了系统全面地对比不同改进构造形式对钢板剪力墙滞回性能的影响,利用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元数值模型,采用国内外已有拟静力试验,验证数值分析手段能够真实地预测结构的受力行为。通过建立8种不同改进形式的钢板剪力墙模型,对承载性能、滞回性能、退化特性、断裂性能、破坏形态以及耗能能力等问题进行对比分析,探讨不同改进形式钢板剪力墙的延性、平面外变形、拉力场对柱子影响等关键问题,为工程应用提供参考依据。分析结果表明:通过改变结构的构造形式,能够有效改善结构的滞回性能;在高烈度区需要综合考虑抗震性能、延性、破坏形态、建筑要求以及经济指标选取合适的钢板剪力墙改进构造形式;低屈服点钢板剪力墙由于其材料的特殊性,承载效率较高,耗能能力强,延性优势突出,但需要通过一定的措施抑制提早屈曲,提高侧向刚度。
风雪绕流数值模拟的积雪预测模型研究
刘多特, 李永乐, 汪斌
2016, 33(8): 122-131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0019
摘要:
为研究钝体风雪绕流效应下的地表积雪现象,根据壁面剪切机制及空间混合理论共同确立了积雪预测模型,采用欧拉框架单流体方法对1 m高度立方体模型周边的风雪两相流动情况及空间雪相浓度进行了求解。通过对比不同积雪模型下沉积预测指标在绕流区域的分布情况,及以此得到的积雪预测形态与实测结果的差异发现:该文采用的积雪模型不完全依赖于当地摩阻风速与临界起动风速的相对关系,一定程度上避免了模型参数的取值局限,对沉积现象的反映更为直观;由于综合了两套理论并引入沉积量估计的双重动态指标,该文对于雪面侵蚀及沉积区域的界定划分较为清晰,对积雪形态的预测包括雪面极值位置的捕捉、坡面起伏规律的再现,都较已有数值计算结果更为合理。模型方法可用于其他外形地物绕流下的地表积雪现象模拟。
液化场地桩柱式基础桥梁结构地震反应的敏感性分析
王晓伟, 叶爱君, 罗富元
2016, 33(8): 132-140. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0022
摘要:
地震反应的有效估计是液化场地桥梁结构设计、加固改造的必要环节,但通过数值模拟手段获得的结果易受模型参数变化的影响。为探究影响液化场地桥梁结构地震反应的控制性参数,该文首先建立了某离心机试验的场地-结构整体有限元模型,通过数值分析与试验结果的对比验证了数值方法的可靠性;然后,建立了上覆粘土层-松砂层-密砂层的典型倾斜液化场地-桩柱式桥梁结构有限元模型,采用龙卷风图和一次二阶矩方法,以场地和结构的主要物理性质为分析参数,进行场地、结构地震反应的敏感性分析。结果表明:场地、结构的地震反应与各分析参数大体上呈线性或低非线性的变化关系;在所研究的参数中,液化松砂层的内摩擦角、土层倾角和地震峰值加速度为控制性参数,而密砂层各参数和钢筋、混凝土强度参数的敏感性均很低。研究结果可对液化场地桥梁结构地震反应的准确估算,振动台、离心机模型试验的工况优化提供科学参考。
超高层建筑外表面复杂装饰条的风荷载特性研究
艾辉林, 周志勇
2016, 33(8): 141-149. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0034
摘要:
为展现建筑外形的多变性,超高层建筑外表面布置的装饰条尺寸越来越大,布置形式越来越灵活多变,其抗风安全性变得越来越突出。但装饰结构由于其体量小数量多而导致风洞试验难于直接测试其风荷载,因此该文研究利用数值风洞技术分析装饰结构的风荷载问题。以上海前滩一超高层为工程背景,该建筑外围四个面共布置72根装饰条,其中外围装饰条220 m高度以下均匀布置,220 m高度以上空间曲线交错布置。通过建立包括装饰条以及周边建筑的空间几何模型,求解不同风向角下的流场分布,从而获取了装饰条上的作用风荷载。通过统计分析不同风向角下不同高度区域装饰条的法向和切向风荷载系数分布特点,得出装饰条所受风荷载表现为明显的建筑拐角区域大而建筑平顺区域小的分布规律,并分析了其原因。给出装饰条的风荷载计算可以按照建筑外形划分为拐角区域、平顺区域以及过渡区域分别加以考虑,以及各个区域风荷载系数的控制取值,该结果可供类似工程项目设计提供参考。最后选取整体建筑表面的一些典型位置,对比了该些位置处风压的风洞试验结果与数值模拟结果,验证了数值模拟的可靠性。
汶川地震和鲁甸地震的脉冲型地震动比较研究
曲哲, 师骁
2016, 33(8): 150-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0039
摘要:
近年来我国在近断层地震动观测及其对建筑结构地震反应的影响方面开展了有意义的工作,但我国大陆地区获取的近断层脉冲型地震动数量仍非常有限。2014年发生在云南省鲁甸县的Mw6.3级地震造成了与其震级不相称的严重伤亡和建筑震害,除建筑抗震能力和次生灾害等因素之外,破坏力强大的近断层脉冲型地震动也是重要的致灾因素。该文采用基于小波变换的脉冲识别方法,分析了在鲁甸地震中获取的地震动记录的脉冲特性,并与2008年汶川地震中的近断层脉冲型地震动进行了比较。结果显示,与汶川地震中的脉冲型地震动相比,鲁甸龙头记录速度脉冲周期较短,但其速度峰值很大,在6级左右的中等地震中非常少见。此外,该记录的能量分布具有明显的方向性。但由于该台站震中距很小,其成因能否用向前方向性效应解释仍有待商榷。
新型复合柱抗冲击试验研究及有限元分析
朱翔, 陆新征, 杜永峰, 叶列平
2016, 33(8): 158-166,220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0153
摘要:
为改善结构柱抗冲击性能,提出最优截面形式,对不同截面的新型复合柱进行了抗冲击试验研究,并基于3种通用动力非线性有限元软件MSC.Marc、ABAQUS和ANSYS/LS-DYNA对撞击试验进行了数值模拟。试验结果表明新型复合柱的整体抗冲击性能较好;在相同外径和用钢量下,实心夹层钢管混凝土抗冲击性能最佳,空心夹层钢管混凝土抗冲击性能次之,内插双H型钢钢管混凝土稍差。ABAQUS建立的有限元模型和试验结果吻合最好,MSC.Marc次之,ANSYS/LS-DYNA稍差。研究结果可为新建大型铁路站房柱抗冲击选择最优截面提供依据,并为选取适合的有限元软件进行抗冲击分析提供参考。
地铁车站STS新管幕构件抗弯承载力试验研究
赵文, 贾鹏蛟, 王连广, 关永平, 李慎刚, 赵朕
2016, 33(8): 167-176. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.01.0065
摘要:
某地铁车站采用STS新管幕结构作为初期支护。为研究新管幕构件在跨中集中静载作用下的抗弯性能,共进行8榀新管幕构件的对比试验。主要变化参数为横向连接螺栓、上下翼缘板是否焊接、连接螺栓通长、钢管间距、翼缘板厚度和混凝土强度等级。试验结果表明:下翼缘板焊接显著提高了新管幕构件的刚度和极限承载力;横向螺栓连接、翼缘板厚度加大、混凝土强度等级提高、连接螺栓通长对新管幕构件的极限承载力影响较小,但对新管幕构件的刚度影响较大;上翼缘板焊接、钢管间距减小对新管幕构件的刚度和极限承载力影响均不明显。建议给出新管幕构件正截面抗弯承载力的计算公式,计算结果和试验结果吻合较好。
基于变分原理的波形钢腹板箱梁挠度计算解析法
姚浩, 程进
2016, 33(8): 177-184. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0527
摘要:
该文通过在纵向位移函数中引入翘曲变形函数以及剪切转角来分别考虑箱梁剪力滞效应和波形钢腹板剪切变形的影响,基于能量变分原理,提出一种波形钢腹板箱梁挠度计算的解析方法。并分别针对单箱单室和单箱双室波形钢腹板箱梁算例,将该文方法与仅考虑波形钢腹板剪切变形的挠度计算方法及有限元值进行比较分析。结果表明:该文方法具有较高的准确性;剪切变形影响系数随高跨比和宽跨比的增大明显增大,而剪力滞效应影响系数受高跨比的变化影响较小。
层间滑移对摩擦型叠梁弯曲特性的影响
甄晓霞, 张卓杰, 王荣辉, 李周
2016, 33(8): 185-193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.12.0952
摘要:
对叠梁滑移问题的计算,通常假定粘结层的滑移应变与剪应力成线性关系;但对于库仑摩擦型叠梁来说,只有当层间剪力超过层间最大抵抗摩擦力后,才发生层间滑移。为了更精确研究摩擦型叠梁的力学特性,该文首先推导了考虑层间摩擦力影响的截面剪应力计算公式,进而确定了摩擦型叠梁层间滑移展开的力学条件和路径;最后借助传递矩阵法求解了叠梁滑移展开的长度以及对叠梁构件力学特性的影响;与ANSYS的计算结果对比表明该文提出的算法准确高效;滑移效应会破坏截面的整体性,增大局部弯曲应力,结构计算时应根据实际滑移情况考虑滑移效应对结构受力的影响。
考虑异形效应Y形桩侧摩阻力产生附加应力研究
王新泉, 张世民, 崔允亮, 周星德
2016, 33(8): 194-204. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.12.1011
摘要:
Y形桩作为一种新型反拱曲面异形桩,侧土压力和侧摩阻力具有沿桩周不均匀分布的特性,虽将侧摩阻力假定为均匀分布与假定为集中力相比,附加应力计算结果更符合实际分布规律,但仍存在一定偏差。基于球形孔扩张理论,建立了Y形桩桩侧侧土压力的不均匀分布模型,进而建立了侧摩阻力的不均匀分布模型,并用于附加应力的计算。以主要影响因素外包圆半径R、模板弧度θ为变量,分别对比研究了将Y形桩侧摩阻力假定为集中分布、均匀分布和考虑异形效应不均匀分布三种模式下附加应力的变化规律,并将考虑异形效应的侧摩阻力产生附加应力计算方法用于沉降计算,通过现场静载荷试验数据验证,考虑异形效应的侧摩阻力产生附加应力计算方法所计算的沉降值与实测值吻合度更高。
机械工程学科
钢轨高速打磨试验台的切向磨削力修正方法研究
付青云, 吴磊, 王衡禹, 郭俊, 金学松, 秦大勇, 肖志杰
2016, 33(8): 205-210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1086
摘要:
进行钢轨高速打磨试验是研究钢轨高速打磨机理的重要手段。而钢轨高速打磨试验台与打磨列车现场打磨作业的主要差别是试验台的钢轨沿纵向方向具有有限曲率半径,而现场钢轨沿纵向的曲率半径接近无限大。这一现象使得试验台上测得的砂轮与钢轨间的切向磨削力与现场打磨过程中的实际磨削力有差别。该文根据砂轮磨削原理建立了一种可考虑钢轨沿纵向曲率半径的砂轮切向磨削力计算方法。通过与试验数据的对比,表明该方法计算得到的磨削切向力与试验数据有较好的吻合。该文利用所建立的方法给出了将试验台切向磨削力修正到现场切向磨削力的修正系数k,并分析了打磨过程中的法向加载力以及圆盘曲率半径对k值的影响。
其他工程学科
梯度泡沫金属的冲击吸能特性
张健, 赵桂平, 卢天健
2016, 33(8): 211-220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0755
摘要:
基于闭孔泡沫铝的显微CT扫描信息,考虑胞孔的不规则形貌及胞孔分布的不均匀性,以及胞孔尺寸和壁厚沿泡沫高度的梯度分布,建立了梯度泡沫金属材料的二维细观有限元模型,分析了梯度泡沫金属材料在动态压缩过程中的变形、塑性波的传播和能量变化特征。对于平均相对密度0.3、平均梯度系数0.4的梯度泡沫铝,低速(10 m/s)加载时,梯度泡沫金属在变形的整个过程中吸收的总能量均低于均匀泡沫金属;高速加载时,梯度泡沫金属沿负梯度方向压缩的早期吸能比均匀泡沫金属有优势,而且速度越高,优势越明显。
几何非线性假设下温度大范围变化瞬态热力耦合问题研究
谷良贤, 王一凡
2016, 33(8): 221-230. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0956
摘要:
传统的基于几何非线性假设的瞬态热力耦合计算方法由于忽略了几何非线性对耦合项的影响,在温度随时间剧烈变化的情况下结构传热与变形之间存在的耦合关系不能被真实的反映。针对上述问题,采用Galerkin和Newmark算法建立了一种能够在几何非线性假设下精确反映温度剧烈变化情况下结构传热与变形间耦合效应的瞬态热力耦合有限元方法。通过对各向正交异性材料薄板在热环境下的动力学问题的求解验证了该方法的准确性,并基于该方法对某型高超声速飞行器热防护系统的蜂窝结构进行了瞬态热力耦合计算。结果表明:热力耦合项使温度变化产生很小的波动,导致温度变化率发生震荡,其振动幅值与耦合项相关;热力耦合项对结构振动起到衰减作用,使结构形变速度趋于衰减,其衰减程度与结构温度成正比;几何非线性假设对增大结构温度变化率振幅作用显著,并且能够增大结构振动速度,影响热结构变形大小。
冠脉血管支架介入耦合系统力学行为数值模拟研究
江旭东, 滕晓艳, 史冬岩, 张永锋
2016, 33(8): 231-237. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1050
摘要:
针对冠脉支架植入术后引起的血管内再狭窄问题,开展了冠脉支架介入耦合系统力学行为的数值模拟研究。基于Ogden非线性弹性理论,构建了冠脉血管和动脉粥样硬化斑块的超弹性本构模型。通过非线性有限元法,建立了冠脉支架与狭窄血管的耦合作用模型,研究了冠脉支架在经历压握收缩、压握卸载、球囊扩张与球囊收缩等介入过程后的体内扩张性能,分析了冠脉支架的介入对狭窄血管损伤及再狭窄的力学影响因素。对比分析了S型支架和N型支架介入后狭窄冠脉血管的生物力学响应,数值计算结果表明:狭窄冠脉血管在支架支撑体波峰处存在较高的应力梯度,而且由于2种支架联接筋结构的类似性,血管内膜与斑块的应力分布规律一致。但是,N型支架的径向回弹率与轴向短缩率均小于S型支架,导致了更高的狭窄血管壁面峰值应力和应力梯度,更易于引起冠脉血管损伤造成血管内再狭窄。综上,该文提出的冠脉支架介入耦合系统力学模型,对于优化支架结构、抑制冠脉血管再狭窄问题,提供了重要的理论依据和临床参考。
三维高超声速稀薄气体流场通量分裂式DSMC-IP方法研究
许啸, 王学德, 谭俊杰
2016, 33(8): 238-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1091
摘要:
结合非结构网格对复杂外形精确描述的能力和IP(Information Preservation)方法降低统计耗散的特点,该文在非结构网格的基础上构建了改进型通量分裂式DSMC(Direct Simulation of Monte Carlo)-IP数值方法,对三维高超声速稀薄气体流场进行了数值模拟。采用渐变尺度的非结构网格划分流场区域,在满足DSMC方法对网格尺度需求的同时,对流场的结构特点进行精确描述;另外根据Van Leer格式的思想改进IP方法中的通量计算格式,解决了激波处的数值间断问题;并采用单元信息保存法对IP方法进行补充,提高了计算方法的稳定性。通过对三维圆球绕流和航天飞机头部绕流流场的数值模拟,验证了该文方法的有效性和可行性,并对模型中的气动特性和参数分布规律进行了分析。
HJC模型模拟钢筋混凝土侵彻实验的参数研究
孙其然, 李芮宇, 赵亚运, 孙宇新
2016, 33(8): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1094
摘要:
运用LS-DYNA程序将表征钢筋的梁单元和表征混凝土的实体单元通过节点耦合进行钢筋混凝土分离建模,数值模拟Hanchak等关于钢筋混凝土靶的穿甲实验,进一步修正HJC模型的参数,在讨论单元失效删除准则的静水压和主应变2种参数对混凝土拉伸破坏影响的基础上,重点对HJC模型关键字参数中的失效类型参数(FS)进行分析,并研究其对混凝土压实破坏的影响。通过改变弹丸侵彻钢筋混凝土靶时的着靶位置,加深了对钢筋在侵彻过程中作用的认识,同时验证该数值模拟方法可行性。所确定的建模方法及参数进一步用于某大质量卵形弹侵彻钢筋混凝土试验的研究工作。