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2017年  第34卷  第10期

基本方法
基于温度-应力耦合作用的岩石时效蠕变模型
周广磊, 徐涛, 朱万成, 陈崇枫, 杨天鸿
2017, 34(10): 1-9,25. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0376
摘要:
基于岩石变形与热力学基本理论,建立了温度-应力耦合作用下脆性岩石时效蠕变损伤模型。根据此模型,在有限元数值软件COMSOL的基础上进行二次开发,考虑岩石介质的非均匀性,并以最大拉应力准则以及摩尔库仑准则为岩石单元的破坏准则,给出了温度-应力耦合作用下岩石时效蠕变损伤模型的数值求解方法。并结合室内实验结果验证了该模型方法的可行性和合理性。数值模拟结果表明该模型能准确描述不同温度条件下花岗岩典型蠕变全过程三个阶段,即初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。数值模拟也表明声发射累计数和岩石轴向应变的演化趋势整体上具有一致性,且在初始蠕变阶段和加速蠕变阶段出现较多的声发射现象。
一种新型裂尖加强函数的显式动态扩展有限元法
刘学聪, 章青, 夏晓舟
2017, 34(10): 10-18. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0399
摘要:
基于扩展有限元方法提出了一种新的裂尖加强函数,与传统三角函数基表征的加强函数相比,该裂尖加强函数通过组合传统的函数基,继承了传统附加函数的特性,同时使得结点的奇异附加自由度减少为2个,减少了总体劲度矩阵的规模,提高了计算效率。通过集中质量矩阵考虑结构的惯性效应,使用显式时间积分方法计算了含裂纹结构的瞬间受载问题,并应用相互作用积分得到裂尖端点处的动态应力强度因子。通过相关算例的对比分析,验证了所提出的裂尖加强函数的有效性,同时表明采用显式时间积分方法进行结构动态响应分析的可行性及准确性。
考虑摩擦速度修正的风致积雪重分布模拟方法研究
周晅毅, 胡学富, 顾明
2017, 34(10): 19-25. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0432
摘要:
采用拉格朗日方法模拟了风致积雪漂移现象,在数值模拟中考虑了颗粒运动后质量浓度对雪层表面摩擦速度的修正。以立方体周围积雪重分布为例,考虑了摩擦速度修正与否对模拟结果的影响。在低风速下,考虑摩擦速度修正对模拟结果的影响不显著。在高风速下考虑摩擦速度修正后,立方体附近颗粒较多的马蹄形区域内摩擦速度与质量浓度的变化最为显著。风速越高,计算域中雪粒总数的减少幅度越大,计算域内的侵蚀或沉积质量通量也越大。
基于当前构形的虚场方法识别正交各向异性材料力学参数
张中亚, 潘兵
2017, 34(10): 26-34,43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0434
摘要:
正交各向异性材料刚度矩阵随坐标系转动而变化,虚场方法中虚位移场的定义与数据点坐标有关,常用的基于参考构形全局坐标系的虚场方法直接忽略了变形过程中数据点的移动和材料坐标系转动,这样即使在弹性变形这样的小变形条件下也将导致材料力学参数识别结果不准确。针对上述问题该文提出用基于当前构形的虚场方法识别正交各向异性材料弹性力学参数,并用模拟试验验证了该方法的可靠性;定量地分析了数据点移动和转动对力学性能参数识别结果的影响,结果表明基于当前构形虚场方法,能够提高参数Q12Q22识别的准确性。
泡沫金属弹性变形尺度效应的理论与数值研究
王梦阳, 刘金兴
2017, 34(10): 35-43. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0448
摘要:
泡沫金属的力学性能强烈依赖于内部结构。当构件特征尺寸与胞孔特征尺寸d处于相同数量级时,表现出明显的尺度效应。为了揭示这种尺度效应的力学机理,研究了泡沫金属试件的剪切和纯弯曲试验。一方面,利用应变梯度弹性理论给出解析解,其中包含了材料内禀尺寸lc这一关键模型参数。另一方面,把每段胞壁视为铁木辛柯梁,从而建立梁链网作为泡沫金属的微观力学模型。通过应变能等效原理建立应变梯度连续体和基体金属材料弹性参数之间的关系。发现,边界层的约束条件对泡沫金属的力学响应有重要影响。弯曲问题中,只有对离散模型上下表面施加恰当的附加转角约束后,应变梯度理论解与链网模型数值解才能够吻合。这为理解应变梯度理论中的非传统边界条件提供了一个直观的实例。通过数据拟合,得到了内禀尺寸lc与胞孔特征尺寸d之间的关系,与文献结论相符。
土木工程学科
土石混合体宏观力学性能研究的细观等效分析方法
杜修力, 张佩, 金浏
2017, 34(10): 44-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.03.0181
摘要:
土石混合体在组成结构、力学性质和变形行为等方面显著区别于均质土体和岩石。结合土石混合体的细观结构特征,将其看作由块石和土体基质组成的两相复合材料,提出了土石混合体宏观力学特性分析的细观尺度多步等效化分析方法,继而对该分析方法中两个核心问题,即块石粒径阈值及复合材料等效化问题分别进行了研究。该方法的本质思想是:首先将较小粒径块石与土体基质进行均匀化处理,获得其各向同性的等效均匀介质;其次,将较大粒径的块石投放进等效均匀介质中,形成新的混合体,进而再次基于有限元数值方法对新混合体的力学特性及变形规律进行研究。基于该套分析方法对某土石混合体三轴加载排水试验进行了模拟与分析,发现该文方法获得的结果与试验结果吻合良好,验证了方法的有效性。
预应力钢带加固钢筋混凝土框架抗震性能试验研究
杨勇, 李辉, 陈伟, 王婷, 刘如月, 伊波松, 马晨光
2017, 34(10): 53-60. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.03.0203
摘要:
预应力钢带加固技术是一种新型加固技术,采用预应力钢带加固技术对钢筋混凝土框架梁端、柱端和节点核心区进行约束加固,可以有效提高钢筋混凝土框架结构抗震性能。对一榀采用预应力钢带加固的1/2比例的单跨三层钢筋混凝土框架试件进行低周反复加载拟静力试验,结合试验研究结果,对预应力钢带加固钢筋混凝土框架试件的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、层间位移角、位移延性系数、耗能性能和刚度退化等抗震性能进行了深入分析。研究结果表明,试件最大层间弹塑性位移角可以达到1/28.8,预应力钢带加固钢筋混凝土结构具有良好的延性和耗能性能,是一种切实可行、效果良好的抗震加固技术。
基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估
徐龙河, 于绍静, 卢啸
2017, 34(10): 61-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.04.0252
摘要:
为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT(Performance Assessment Calculation Tool)平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。
钢筋套筒灌浆连接性能试验研究及筒壁应力分析
吴涛, 刘全威, 成然, 刘喜
2017, 34(10): 68-75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0357
摘要:
完成了12个钢制套筒灌浆连接件的拉拔试验,系统研究了其破坏过程与破坏形态、荷载-位移曲线、套筒应变等,重点分析了锚固长度、钢筋直径对筒壁应力的影响。运用厚壁圆筒理论,明确套筒灌浆连接件中钢筋与灌浆料以及套筒之间的传力过程,并基于轴向拉力建立了筒壁纵、横向应力的计算模型。研究表明:套筒灌浆连接件破坏过程分为弹性、屈服、强化、颈缩四个阶段,屈服强度和极限强度与钢筋材性相近。随钢筋锚固长度增加,筒壁应力略有减小,且随着钢筋直径增加,筒壁的应力明显增大。同时,建议筒壁应力计算值与试验值吻合较好,可为钢筋套筒灌浆连接设计与研究提供借鉴。
拉弯荷载下钢管杆塔内外法兰设计计算方法
薛滨, 陈勇, 陈聪, 张文杰, 郭勇, 王激扬, 孙炳楠
2017, 34(10): 76-86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0382
摘要:
针对内外法兰在拉弯荷载下的力学行为及承载力计算方法进行研究。基于平截面假定推导了半解析计算方法,并将该方法的计算结果与非线性有限元分析结果进行了比较验证。通过研究旋转轴、中性轴和承载力随轴向拉力变化,揭示了其在拉弯荷载下的受力特征。最后对一系列内外法兰的承载力进行计算和分析,总结了拉弯荷载下的设计计算方法。研究表明,内外法兰的抗弯承载力随拉力的增加而减少。与有限元分析相比,半解析计算方法具有足够的计算精度,更高的计算效率。论文所提出的设计计算方法较传统刚性法兰承载力计算理论更为准确和可靠,为内外法兰设计计算提供了依据。
近断层地震动下摇摆-自复位桥墩地震反应分析
司炳君, 谷明洋, 孙治国, 杜敏
2017, 34(10): 87-97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0386
摘要:
为讨论摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩在近断层地震动下的地震反应,基于OpenSees数值分析平台建立了RSC桥墩抗震分析模型。同时建立了普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩,配置竖向无粘结预应力筋(Unbonded Prestressed Reinforced Concrete,PRC)桥墩的抗震分析模型作为对比。对各模型输入近断层地震动记录,进行增量动力分析。以墩顶最大位移角、残余位移角、预应力筋最大应力为考察目标,对比分析了不同墩高(剪跨比分别为2、4和6)、不同桥墩类型(RSC、RC和PRC桥墩)时各桥墩的地震反应。结果表明:随着耗能钢筋配筋率增加,RSC桥墩墩顶最大位移角和预应力筋最大应力均减小;RSC和PRC桥墩均可有效减少桥墩震后残余位移角。耗能钢筋配筋率与PRC桥墩纵筋配筋率接近的RSC桥墩,两者的最大墩顶位移角、残余位移角和预应力筋应力水平均接近。无论是RSC桥墩还是PRC桥墩,当剪跨比大于等于6.0时,易发生预应力筋失效。为避免预应力筋失效引起RSC桥墩产生过大的墩顶残余变形,RSC桥墩中耗能钢筋配筋率不宜低于0.75%。
热贮料作用下浅圆筒仓温度效应研究
马越, 杨应华
2017, 34(10): 98-105. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0389
摘要:
为了研究热贮料对筒仓位移及内力的影响并方便设计时计算由热贮料产生的温度效应,本文推导了热贮料作用下仓壁位移和内力的计算公式,并通过数值模拟验证了公式的准确性。利用所推导公式分析了竖向温差对钢筒仓和内外、竖向温差对混凝土筒仓的影响。结果表明竖向温差使钢筒仓在冷热贮料交界面附近的仓壁出现较大的径向位移差;并导致温度应力显著增大;该温度应力随着径厚比的减小而增大。内外温差使混凝土筒仓上端产生较大的周向拉力;竖向温差也使筒仓中部的周向力增大;且径厚比对周向力的影响与钢筒仓相似。
徐变对水泥路面板湿度翘曲及应力影响研究
魏亚, 梁思明, 吴泽弘
2017, 34(10): 106-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0397
摘要:
水泥混凝土路面板的温湿度翘曲和交通荷载的耦合作用是其发生疲劳破坏的主要原因之一。湿度梯度及湿度翘曲在路面板中的存在时间较为持续长久,不可避免地会受到混凝土徐变的影响。该文进行了干燥和密闭状态下水泥混凝土梁的弯曲徐变试验,提出弯曲徐变度和徐变系数的计算方法,并将上述徐变参数植入有限元程序中模拟分析徐变对结合式和分离式混凝土路面板翘曲变形和应力发展影响。结果表明:干燥状态下的弯曲徐变是密闭状态下徐变的1.67倍;徐变能够降低翘曲变形、翘曲应力及与荷载耦合情况下的总应力;徐变对结合式路面板的翘曲变形和应力发展影响较大,徐变降低了36%的湿度翘曲变形和45%的翘曲应力;在板角交通荷载的耦合作用下,徐变可使结合式路面板的总应力降低34%。因此徐变是合理分析混凝土路面板的翘曲变形和应力发展不可忽略的因素。
输电铁塔螺栓节点连接滑移特性及模型参数研究
杨风利, 朱彬荣, 邢海军
2017, 34(10): 116-127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0403
摘要:
完成了21组输电铁塔螺栓连接试件的拉伸试验,采用ABAQUS软件对典型试件进行了有限元仿真分析,研究了初始间隙、螺栓扭矩、接触面粗糙程度、螺栓孔直径和连接杆件强度等参数对螺栓节点荷载-变形曲线的影响规律。分别按照指数模型和改进的分段多项式模型,对固定端螺栓数量为1、2和3的荷载-变形试验曲线进行了非线性拟合,确定了两种模型的拟合参数取值,分析了两种模型在输电铁塔结构分析中应用的可行性,推荐采用物理意义明确、适用范围更广的指数模型。对于最大间隙、理想间隙和最小间隙三种情况,指数模型得到的荷载-变形拟合曲线与试验曲线吻合较好,能够准确描述螺栓连接滑移过程;最小间隙工况的拟合曲线与试验曲线在线性增加段误差相对较大,最大相对差值范围约为10%~20%。
板式连接中心支撑钢框架结构推覆试验研究
张文元, 麦浩, 于海丰
2017, 34(10): 128-138,167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0427
摘要:
为研究板式连接中心支撑钢框架结构在水平荷载作用下的承载力、延性、结构影响系数、节点受力模式、屈服机制以及节点处梁柱附加弯矩分布规律,对两榀按1:2.6缩尺的3层中心支撑钢框架进行了静力推覆试验。结果表明支撑失稳后楼层水平刚度明显降低,但由于人字形支撑受拉斜杆的存在,楼层能够维持足够的水平承载力。弹塑性层间侧移角远高于抗震规范要求,具有较大的延性系数和结构影响系数。支撑节点板附近的梁柱上存在附加弯矩,基于弹性极限状态,得到了附加弯矩指数的试验值。支撑端部深入节点板较多时,节点板在支撑失稳后以圆弧塑性铰线形式产生面外转动,仍具有高于支撑的极限承载力和塑性变形能力。结构屈服机制合理,体现为支撑屈曲或屈服在先,节点板屈服和梁柱屈服在后,符合抗震设计要求。
基于拟力法的钢支撑非线性滞回行为模拟
靳永强, 李钢, 李宏男
2017, 34(10): 139-148. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0444
摘要:
钢支撑在轴力作用下会同时发生材料非线性和几何非线性,复杂的力与变形关系是数值模拟过程中的重点与难点。该文基于拟力法的基本理论,提出了支撑非线性滞回行为的计算模型,通过塑性转动铰来模拟由屈曲行为引起的塑性弯曲变形;通过滑动铰来模拟由拉伸屈服和增长效应产生的轴向塑性伸长行为,模型中计及了弹性弯曲变形本身的几何非线性行为。该模型物理意义简单、力学行为明确,在模拟支撑非线性滞回行为的过程中保持初始刚度不变,塑性铰的变形可直观地衡量支撑的屈曲程度。数值模拟与试验结果对比验证了该方法的精确性与适用性。将该模型应用于某钢框架-支撑结构地震反应分析中,计算结果表明:该方法可以模拟支撑在复杂荷载作用下的非线性行为,具备拟力法所特有的精确、高效及稳定等优点。
适用于高层RC结构的谱加速度指标分析
张艺欣, 郑山锁, 秦卿, 董方园, 李强强, 周炎
2017, 34(10): 149-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0456
摘要:
地震动强度指标是影响结构地震风险评估准确性的重要参数。为此,基于12榀高层RC结构的增量动力分析结果,首先计算了谱加速度指标在不同周期下的有效性和充分性,考察二者与高阶振型和非线性软化效应的相关性,进而分析反应谱的控制周期值,并据此提出适用于该类结构的多周期平均谱加速度指标。研究表明:谱加速度指标的有效性和充分性随反应谱周期取值的不同波动性较大,受高阶振型和非线性软化效应的影响;与既有地震动强度指标相比,该文提出的多周期平均谱加速度指标的有效性显著提高,对于该类结构具有较好的适用性。
山区桥墩抗滚石冲击的双腔椭圆偏心包裹结构研究
吴永, 何思明, 李新坡, 欧阳朝军, 姜元俊, 王东坡
2017, 34(10): 158-167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0458
摘要:
山区桥梁墩柱因刚性大而抗冲击效果差,常被滚石冲击损毁,但目前还缺乏有效防治措施。为此,在科学解析滚石对桥墩的弹塑性冲击破坏机理的前提下,基于耗能减震理论提出了一种充填泡沫铝的双腔椭圆偏心桥墩包裹抗冲击结构。继而综合MTS试验数据,采用动力有限元技术对滚石冲击下桥墩防护新结构的动力响应进行计算和分析,并优化结构设计。结果表明:定向椭圆偏心包裹泡沫铝层可显著延长冲击历时,降低冲击荷载,其结构形式经济高效;包裹层厚度适当增加有利于控制墩柱对冲击的动力响应,但过厚也会因结构整体性增大而弱化甚至降低防护效果;双腔充填的"外薄外密"模式最利于控制桥墩塑性应变和冲击挠度,耗能效果更好。总体上,新结构可大幅降低滚石的最大冲击力,保证桥墩结构安全运行。
设防框架的梁铰模型和能力易损性的试验研究
王玉梅, 王仁杰, 王涛
2017, 34(10): 168-177. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0474
摘要:
抗震设防等级越高,建筑物的抗震能力越强。然而反映设防能力区别的实用力学模型及其参数却很少。该研究即通过试验得到RC框架梁的塑性铰的本构模型及概率能力,为整体结构的地震风险研究奠定基础。为此,制作了4组12个基于GB50011-2010不同设防等级和位置的节点缩尺模型并做了拟静力试验。结果表明,节点的破坏实质是梁的受弯破坏,节点所在位置对梁的受力变形指标影响不大。因此,较少的试验试件可得到扩充数倍的梁铰样本,提高概率分析精度。因此,基于试验的统计结果并参照FEMA 356,提炼了不同设防等级的梁的塑性铰归一化本构模型,提出了梁铰破坏程度的性能指标,计算了梁的概率抗震能力,总结了设防能力和易损性的级差。用试验的方法量化结构模型的规范要求并赋予模型指标可靠度,是该文的创新点。
灌浆套筒连接全装配式框架-剪力墙结构抗震性能试验研究
马军卫, 潘金龙, 尹万云, 刘守城, 莫创
2017, 34(10): 178-187. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0475
摘要:
为研究采用灌浆套筒连接的全装配式框架-剪力墙结构的抗震性能,设计制作了1榀1/2比例两层两跨灌浆套筒连接全装配式框-剪结构模型试件PC-3,并对其进行了低周反复加载试验。通过与已有试验结果对比分析,研究了结构的破坏模式、滞回性能、刚度退化、位移延性和耗能能力等抗震性能指标。结果表明:灌浆套筒连接全装配式框-剪结构试件PC-3与全现浇试件RCFW的破坏模式基本相同,梁端塑性铰长度减小、位置外移,具有良好的耗能能力和较好的刚度特性,试件PC-3的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载均略大于全现浇试件RCFW的相应值,但其差值均小于5.0%,延性略小于全现浇试件RCFW,加载过程中耗能较为平稳。两种全装配式框-剪结构均具有良好的抗震性能,工程实践中可供设计人员选择采用。
电力主厂房钢框排架非弹性扭转特点及设计建议
高向宇, 徐吉民, 李杨龙, 张凌伟, 王勇强, 刘凯雁
2017, 34(10): 188-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0893
摘要:
研究了大型电力主厂房框排架结构地震时非弹性扭转的特点。以某实际工程结构设计方案为背景,建立了非线性有限元模型,分析了结构侧移、非弹性扭转及主要结构构件的内力变化,揭示了钢支撑屈曲失稳是导致框排架结构非弹性扭转并突增的主要原因。非弹性扭转具有突增性,可形成畸变位移场,对处于屋架、吊车标高部位的连接件、预埋件等低延性关键部件构成威胁。针对规范定义的扭转位移比参数,研究了其难以反映非弹性扭转的现象和原因。建议了减控非弹性扭转及其突增的技术措施。
钢桁腹杆-劲性骨架混凝土(SRC)组合拱极限承载力及简化计算研究
杨艳, 罗霞, 唐勇, 韦建刚, 陈宝春
2017, 34(10): 200-206,216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.01.0085
摘要:
钢桁腹杆-劲性骨架混凝土(SRC)弦杆组合拱是一种新型的组合结构型式,结合了劲性骨架施工方便快捷和组合结构能大幅减轻结构自重的优点,有望进一步提高拱桥的跨越能力,具有良好的应用前景。该文以跨径为420 m钢桁腹杆-SRC组合拱桥的试设计为基础,进行了组合拱极限承载力的模型试验,试验结果表明,模型拱没有出现面外失稳破坏,结构呈整体破坏;组合拱沿拱轴线方向塑性变形速度要远大于沿截面高度方向,最后因塑性区域开展过大而丧失承载能力,破坏模式接近于钢管混凝土拱的极值点失稳破坏。而后对影响组合拱受力性能的参数进行有限元分析表明,组合拱极限承载力随着混凝土外包系数的增加而增大;腹杆与弦杆钢管的外径比可以提高组合拱的极限承载能力,但超过一定范围时,提高不显著;钢腹杆布置形式对组合拱极限承载力影响较大。最后建立了组合拱的极限承载力简化计算公式,可为此类新型组合拱结构的应用提供参考。
其他工程学科
泡沫铝夹芯板抗冲击性能分析
夏志成, 张建亮, 周竞洋, 王曦浩
2017, 34(10): 207-216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0494
摘要:
试验设计了3块钢板夹泡沫铝夹芯板,厚度分别为50 mm、70 mm和100 mm。对每种厚度夹芯板进行七组不同落锤高度的冲击试验,测得了上、下面板变形值,记录了夹芯板的破坏情况。应用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA进一步还原夹芯板冲击过程,导出了面板与芯材的吸能占比。基于假设的夹芯板理论模型,给出了平均冲击荷载、局部变形和整体变形最大值的估算公式。结果表明:当夹芯板尺寸和材料强度一定时,局部变形值与落锤高度的平方根成正比,整体变形最大值、平均冲击力均与落锤高度的平方根成线性关系。夹芯板的抗冲击性能主要依靠增大泡沫铝芯层的变形进行耗能,芯层越厚,泡沫铝吸能占比越大,局部变形越小,夹芯板受到的冲击力越大。
基于双向流固耦合的机载导弹分离动力学研究
朱世权, 李海元, 陈志华, 黄振贵, 张焕好
2017, 34(10): 217-228,248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0390
摘要:
导弹与载机之间的安全与稳定分离过程对导弹飞行稳定性和载机安全具有非常重要作用。为了研究大长径比机载导弹弹射分离过程中与载机之间的相互干扰以及导弹在分离过程中相对于载机的运动轨迹,该文分别使用刚体六自由度(6DOF)方法和计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)双向流固耦合方法对典型空空导弹发射分离过程进行了数值模拟,刚体6DOF方法基于对流体力学控制方程与外弹道6DOF运动方程的耦合求解,而CFD/CSD双向流固耦合方法基于对流体力学控制方程与结构运动方程的耦合求解。两种方法得到了导弹分离时的整个气动流场及其变化特性,揭示了不同时刻导弹气动系数随时间的变化曲线和导弹弹道参数,比较与分析了两种计算结果的异同,并对导弹结构弹性变形对其分离运动的影响进行了讨论。
近空间高超声速气动力数据天地换算研究
龚安龙, 解静, 刘晓文, 刘周, 杨云军, 周伟江
2017, 34(10): 229-238. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0404
摘要:
该文针对高升阻比面对称飞行器近空间高超声速飞行环境,考虑马赫数效应、粘性干扰效应和真实气体效应等多种复杂气动效应对飞行器气动力数据的影响,采用CFD数值模拟技术和气动数据相关性理论分析方法,建立了基于地面风洞试验外推获取实际飞行状态下气动力数据的天地换算方法;并采用CFD技术对气动力数据天地换算的精确性进行了验证。
全动操纵面系统中摩擦参数测量方法研究
辛庆利, 李敏, 赵亮
2017, 34(10): 239-248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.05.0416
摘要:
通过解析方法和数值方法研究了库仑摩擦对结构动响应的影响规律。利用库仑摩擦在时域上能够傅里叶展开为方波函数的特点,得到含库仑摩擦的单自由度系统在简谐激励下的级数响应,结果表明,库仑摩擦的引入导致结构的频域响应中,除了激振频率成分外,还会有奇数倍频的成分,在激振频率为0.605倍固有频率时,奇数倍频成分与激振频率成分的幅值比例是摩擦力的线性函数。通过数值方法证明,上述规律能够推广到二自由度的全动操纵面模型中。利用这一规律,通过动响应试验的方法测量出全动操纵面系统中的库仑摩擦参数,并验证了这种方法的正确性。
附着型空穴断裂及脱落机制的实验研究
王畅畅, 黄彪, 王国玉, 张敏弟, 高德明
2017, 34(10): 249-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.06.0483
摘要:
为深入研究附着型空穴断裂及空泡脱落机理,该文采用实验方法对收缩-扩张流道内的云状空化流动现象进行了研究。实验在空化水洞中进行,采用同步测量技术,通过高速摄像机和压力传感器同步获取了云状空化阶段的附着型空穴形态和壁面压力。研究结果表明,附着型空穴断裂及空泡脱落存在两种不同的机制:回射流机制和间断面推进机制。其中,回射流于附着型空穴尾部形成,紧贴壁面并持续向前推进,其厚度远小于附着型空穴厚度,在回射流向上游推进过程中,其覆盖区域壁面压力波动较小,当回射流运动到附着型空穴前缘,"剪断"附着型空穴,造成空穴断裂及脱落;附着型空穴内部形成的向上游推进的间断面是造成空穴断裂及脱落的另一种机制,间断面厚度为当地空穴厚度,间断面前后含气率差异较大,间断面前为高含气率的纯汽相区,间断面后为低含气率的水汽混合区。间断面向上游推进过程中,间断面位置处会出现压力尖峰,当间断面推进到喉口位置,带来喉口部位压力升高,降低了喉口位置空泡生成率,使得新生成的空泡与向下游运动的脱落型空泡分开,导致空穴断裂及脱落。