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2020年  第37卷  第1期

综述
结构减隔震控制系统性能监测、评估与提升
朱宏平, 沈文爱, 雷鹰, 袁涌, 胡宇航, 张莹
2020, 37(1): 1-16. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.ST06
摘要:
地震、风载等灾害荷载作用下,被动振动控制系统耗散了大量的结构振动能量,是最容易破坏的结构关键、敏感部位。由于自身材料为各向异性、多介质耦合、强非线性,因此在复杂时空环境、多因素、多载荷耦合作用下,被动振动控制系统损伤呈现多尺度、多类型特征。该文以叠层橡胶隔震支座和磁流变阻尼器为研究对象,全面综述了当前国内外对这两种结构减隔震系统的性能监测与损伤识别、性能演化与可靠性评估、自适应自供能特性三方面的研究现状,并总结了该研究方面存在的不足,为结构减隔震控制系统性能监测、评估与提升的进一步研究提供了参考。
基本方法
二维自由振动问题的自适应有限元分析初探
袁驷, 孙浩涵
2020, 37(1): 17-25. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.06.ST08
摘要:
自由振动反映结构动力特性,是抗震分析和结构设计的重要基础。近年来,基于单元能量投影(EEP)法的自适应有限元分析已在一系列线弹性及非线性问题中取得成功,而有限元线法(FEMOL)自适应分析在二维自由振动问题中的应用也被证实是有效的。在此基础上,该文进一步提出二维自由振动问题的自适应有限元分析方法。通过将特征值问题线性化,合理引入二维线性问题的EEP超收敛计算和自适应求解技术,该法可得到满足精度要求的自振频率和按最大模度量满足用户给定误差限的振型。该文以弹性薄膜为例,介绍了这一进展,并给出数值算例以表明该方法的有效性和可靠性。
单圆弧波纹管膜片的非线性大变形分析
韩明君, 王伟兵, 李鸿瑞, 周朝逾, 马连生
2020, 37(1): 26-33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0029
摘要:
采用拟壳法把单圆弧波纹管膜片看作具有初始挠度圆环薄板的组合结构,用非线性大挠度弯曲理论对单圆弧膜片的非线性大变形进行了分析。选取膜片圆弧部分的最大变形处挠度为摄动参数,采用板壳理论的修正迭代法,对外周边固定内周边自由的单圆弧波纹管膜片进行了求解,由边界条件和连续性条件得到了精确度较高的二次解析解。通过波纹管膜片圆弧的矢高和波长绘制了圆弧最大挠度处的特征曲线,随着单弧膜片的矢量高度的增加,膜片的挠度非线性增大,随着单弧波纹管膜片的弧长变长,膜片的挠度非线性增加。
数据稀缺与更新条件下基于概率密度演化-测度变换的认知不确定性量化分析
万志强, 陈建兵
2020, 37(1): 34-42. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0047
摘要:
工程设计中往往需要同时处理固有不确定性与认知不确定性。对于固有不确定性分析与量化,国内外已有诸多研究,例如Monte Carlo方法、正交多项式展开理论和概率密度演化理论等。而对认知不确定性、特别是固有不确定性与认知不确定性耦合情况下的研究,则还相对缺乏。该文中,针对数据稀缺与数据更新导致的认知不确定性,首先分别引入Bootstrap方法和Bayes更新方法进行不确定性表征。在此基础上,结合基于概率密度演化-测度变换的两类不确定性量化统一理论新框架,提出了存在认知不确定性情况下的不确定性传播与可靠性分析高效方法及其具体数值算法。由此,给出了基于数据进行工程系统不确定性量化、传播与可靠性分析的基本途径。通过具有工程实际数据的3个工程实例分析,包括无限边坡稳定性分析、挡土墙稳定性分析和屋面桁架结构可靠性分析,验证了该文方法的精度和效率。
基于Hoek-Brown准则的应变软化模型有限元数值实现研究
金俊超, 佘成学, 尚朋阳
2020, 37(1): 43-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0035
摘要:
研究提出一种Hoek-Brown(H-B)准则应变软化模型的有限元数值实现方法。分析当前不同脆塑性计算方法的合理性,发现塑性位势跌落可正确计算岩石不同类型破坏,而偏应力等比例跌落和最小主应力不变跌落均存在不足。在此基础上,推导写出基于塑性位势跌落的H-B准则脆塑性隐式本构积分算法,及H-B准则理想弹塑性隐式本构积分算法,并采用一系列应力跌落-塑性流动,将H-B准则应变软化模型嵌入有限元软件ABAQUS中。比较应变软化圆隧围岩收敛位移及应力分布的解析解与本文有限元解,发现二者吻合良好,验证了所建H-B准则应变软化模型的正确性。对某薄上覆盖岩层高内水压输水隧洞工程的计算结果表明,相较理想弹塑性模型,所建应变软化模型可正确反映隧洞顶部围岩塑性区贯通引起的整体结构失稳破坏现象,为工程选择衬砌方案提供依据。
土木工程学科
钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏及尺寸效应律研究
金浏, 王涛, 杜修力, 夏海
2020, 37(1): 53-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.11.0596
摘要:
相比于混凝土材料,钢筋混凝土构件的破坏模式与机制更为复杂,采用混凝土材料层次的尺寸效应理论难以描述钢筋混凝土构件破坏的尺寸效应行为。为研究钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏的尺寸效应行为,从细观角度出发,建立了钢筋混凝土悬臂梁三维细观尺度数值分析模型。结合现有试验数据,验证了细观模拟方法的可行性与合理性,进而拓展模拟与分析了剪跨比及配箍率对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应行为的影响规律,发现:剪跨比对悬臂梁抗剪承载力有较大影响,对尺寸效应的影响很小;配箍率的增大提高了悬臂梁抗剪承载力,同时削弱了梁的抗剪强度尺寸效应。根据剪跨比及配箍率对悬臂梁抗剪强度的影响机制与规律,基于Bažant材料层次尺寸效应律,建立了钢筋混凝土悬臂梁抗剪强度尺寸效应理论公式。对比模拟结果及试验数据,验证了所提尺寸效应理论公式的准确性与合理性。
高延性混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究及抗剪承载力计算
邓明科, 李琦琦, 刘海勃, 景武斌
2020, 37(1): 63-72. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.05.0290
摘要:
该文提出采用高延性混凝土(HDC)提高低矮剪力墙的抗震性能,设计并制作了5片剪跨比均为1.0的剪力墙,并通过拟静力试验,分析轴压比、水平分布钢筋及内置钢板对低矮剪力墙的破坏形态、延性和耗能能力的影响。试验结果表明:与高强混凝土剪力墙相比,HDC剪力墙的变形能力明显提高;HDC低矮剪力墙的耗能能力、变形能力随着轴压比的增大而减小,随水平分布钢筋数量的减小而减小;HDC与钢板协同工作提高了低矮剪力墙的承载能力和耗能能力。基于软化拉-压杆模型,并考虑HDC材料的受压软化特性,该文提出了高延性混凝土低矮剪力墙抗剪承载力的计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。
钢结构角焊缝低温抗剪疲劳性能的试验研究
王元清, 顾浩洋, 廖小伟
2020, 37(1): 73-79,134. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.10.0536
摘要:
国内外学者对钢结构的焊缝连接在常温下的疲劳性能进行了广泛的研究,但是所见文献中对构造细节在低温下的疲劳性能研究较少。为此,以Q345B钢材制作了原状处理的侧面和正面角焊缝连接的两组板材试样,采用高频疲劳试验机在0℃、-20℃、-40℃下进行低温疲劳试验,并进行数据拟合。试验结果发现:对于侧面角焊缝试样而言,低温会提高构造细节的疲劳寿命,而低温对正面角焊缝试样的影响并不明显。低温下的正面角焊缝抗疲劳强度高于侧面角焊缝。正面角焊缝疲劳破坏形式为贯通焊缝裂纹,侧面角焊缝为焊趾向热影响区延伸裂纹。研究结果表明:低温对于不同的构造细节形式的节点疲劳寿命的影响没有统一的结论,有待更多试验进行研究并分析。
轴向钢筋增强混凝土一维应力层裂实验研究
俞鑫炉, 付应乾, 董新龙, 周风华, 宁建国, 徐纪鹏
2020, 37(1): 80-87. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0026
摘要:
基于φ74 mmSHPB实验平台进行了混凝土及轴向钢筋增强混凝土(UDRC)杆的一维应力层裂实验,采用超高速相机拍摄实验中杆表面的实时变形情况,使用数字图像相关法(DIC)分析杆表面的位移场及应变场演化过程,探讨混凝土及增强混凝土在应力波加载过程中发生拉伸断裂(层裂)的规律,并进一步结合有限元分析了钢筋在层裂过程中的作用。结果表明:UDRC杆中应力波的传播满足一维应力假设;钢筋对UDRC发生拉伸层裂的影响可以忽略,而在混凝土基体断裂后将使结构保持完整;断裂试件中的裂纹在拉压应力波交替作用下反复张开闭合,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定;UDRC与混凝土的层裂强度基本相同,且具有相似的应变率增强效应;在实验加载范围内,光圆钢筋和螺纹钢筋的结构增强效果没有区别。
单调荷载下Q345钢焊缝金属的延性断裂性能研究
陈爱国, 王开明, 邢佶慧, 陈雨
2020, 37(1): 88-97. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0028
摘要:
为了研究Q345钢焊缝金属的延性断裂性能,对9个试件进行了单调荷载下试验研究,试件设计考虑了不同应力三轴度和洛德角分布范围。分别采用Swift、Voce及Swift-Voce混合强化模型,拟合得到了能预测到断裂时的完整应力-应变曲线,其中Swift-Voce混合强化模型模拟各试件荷载-位移曲线精度最好。采用VGM,改进SWDM和Lou模型3种断裂模型,通过编写UVARM子程序,校准了各模型的材料参数,并对各试件进行了有限元断裂模拟预测,比较分析了各个模型的预测精度。结果表明,VGM模型对接近于平面应变状态的矩形缺口和槽板试件的预测结果误差较大,而改进SWDM和Lou模型通过引入洛德角参数来描述偏应力状态,对不同应力状态的试件断裂预测结果精度更高,模型的适用性更好。
锈胀开裂钢筋混凝土粘结疲劳性能试验研究
林红威, 赵羽习, 郭彩霞, 胡利, 冯鹏
2020, 37(1): 98-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0038
摘要:
重复加载和锈胀开裂均会导致钢筋混凝土粘结性能退化,进而对钢筋混凝土构件力学性能产生不利影响。该文开展了一系列偏心拔出试验,研究了重复加载以及锈胀开裂对粘结滑移性能的耦合影响规律。主要研究变量包括重复加载次数、应力水平以及钢筋锈蚀程度。结果表明:重复加载对非锈蚀试件和锈胀开裂试件粘结强度及峰值滑移没有显著影响,但会导致钢筋和混凝土之间不断累积残余滑移。重复加载后,粘结应力-滑移曲线形态特征与单调加载试件相似。该文还发现表面锈胀裂缝宽度对粘结强度、峰值滑移以及残余滑移的增长规律有明显影响。锈胀开裂会导致钢筋混凝土试件粘结疲劳寿命显著下降。基于试验数据及文献中研究结论,该文建立了重复及单调荷载作用下非锈蚀及锈胀开裂试件的局部粘结应力-滑移本构关系模型,推导得到了粘结疲劳寿命预测模型。
采用电动式激振器的混合试验系统设计
郭迎庆, 李阳, 徐赵东, 陈笑, 王军建
2020, 37(1): 108-114. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0041
摘要:
混合试验是一种将数值模拟与物理试验相结合的新兴结构抗震试验方法,是一种评估非线性结构和系统性能的先进试验方法。该文提出了一种采用电动式激振器的混合试验系统设计方法。该方法以电动式激振器为作动器,并采用MATLAB软件、STM32系列单片机、串口通信技术、等效力控制方法以及位移传感器、力传感器等构建了一套包含硬件和软件的完整的混合试验系统。为了检验所设计混合试验系统的性能,选用粘弹性阻尼器作为试验子结构,对加入粘弹性阻尼器的单自由度框架结构进行了混合试验分析,结果表明:该文设计的混合试验系统数据通信可靠,整个系统可行、有效。
结构抗倒塌易损性分析中地震动输入不确定性影响研究
任叶飞, 尹建华, 温瑞智, 冀昆
2020, 37(1): 115-125. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0042
摘要:
在结构抗倒塌易损性分析中地震动输入的选取只是众多环节之一,其不确定性影响往往被忽视。该文基于PEER强震动记录数据库,按震级、距离和场地参数(M、RVS30)进行单变量控制将强震动记录分成9组,新定义指数ISa用以比较不同分组地震动的相对能量差异;对3层、8层以及15层三种不同自振周期的混凝土框架结构采用IDA方法进行抗倒塌易损性分析,比较不同M、RVS30工况地震动输入下的易损性结果,同时与ATC63推荐记录作为地震动输入的易损性结果进行了对比,结果表明:3种结构的倒塌性态点SaT1)均随着M增大、R增大以及VS30变小而减小;三种结构都体现了在大震、远场及软土场地的地震动作用下更加易损倒塌,与ISa指数体现的地震动蕴含能量的分布相一致;通过SISImax两个参数在不同工况下的对比,表明中长周期结构受距离的影响更为显著,以及震级对结构抗倒塌影响更敏感;以ATC63推荐的强震动记录随意用作地震输入被证实可引起结构抗倒塌易损性曲线较大的不确定性。为降低不确定性影响,建议在进行结构抗倒塌易损性分析时采用考虑场址危险一致性与结构自振特性的地震动输入选取方法。
PEC柱-异形钢梁框架中节点抗震性能试验研究
李补拴, 路瑶, 赵根田, 闻洋
2020, 37(1): 126-134. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0046
摘要:
为研究PEC柱(partially encased concrete composite column)-型钢梁框架中节点破坏特征及抗震性能,完成了3个PEC柱-型钢梁中节点及1个钢框架梁柱中节点对比试件的低周往复加载试验。分析了试件中节点的破坏形态、滞回耗能、承载能力、延性性能、强度退化、刚度退化、节点域力学机理,研究了轴压比及梁截面变化对该类中节点抗震性能的影响。研究结果表明:PEC柱-型钢梁中节点滞回曲线呈纺锤形,具有钢框架节点的力学特性;型钢柱内部填充混凝土后试件初始刚度、承载力分别提升约40%、31.1%,且试件仍具有较好的延性性能及耗能能力;当轴压比试验值为0.25~0.35时,随着轴压比增加,试件承载力显著增加,延性性能有所下降,耗能能力则有所提升;试件均为梁弯曲破坏,损伤程度无明显变化。改变柱一侧梁的截面尺寸后,试件的承载能力、延性性能有一定提升,耗能能力、强度及刚度退化规律无明显影响,但PEC柱-变截面型钢梁中节点发生节点核心区剪切破坏,主要原因为改变柱一侧梁截面高度后,造成节点域输入剪力增大所致。按常规节点设计的变截面梁中节点不能满足"强节点弱构件"的抗震设计要求,在进行工程设计时应予以重视。
排水通道分布式布设下双层地基平面应变固结分析
陈征, 张峰, 陈益峰, 胡少伟, 梅国雄
2020, 37(1): 135-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0056
摘要:
传统排水固结法处理地基过程中,通常采用全面布设水平排水通道来加速地基土固结。为经济且高效地利用水平排水通道,提出了条形分布式排水理念,变排水通道全面布设为分布布设。根据平面应变假设,建立了分布式排水边界下双层地基二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法和局部离散法给出了相应的半解析解。在通过数值法验证了半解析解正确性的基础上,探讨了条形水平排水通道几何参数和地基土物理参数对分布式排水边界下地基固结效率的影响。研究表明:通过合理的选取排水通道几何参数既可以有效地降低过量排水通道造成的资源浪费,又可以在固结后期达到与全面布设排水通道几乎相同的固结效率;双层地基下层土体物理参数相较于上层土体对分布式排水通道下地基土固结效率的影响较小,工程设计中应优先考虑上层土体的物理力学性质来合理选择分布式排水通道的几何参数。
非等向固结砂土极小应变刚度的超弹性模型
张帅, 程晓辉, 王天麟
2020, 37(1): 145-151. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0058
摘要:
反映砂土极小应变刚度的Hardin-Richart公式主要是基于等向固结的实验数据,但是天然土体基本都是处于非等向固结状态。实验研究表明,随着非等向程度的加深,Hardin-Richart公式对土体刚度的估算偏差越大,误差最大可超过20%。3种类型的超弹性模型能够反映土体极小应变刚度随应力水平增大而增大的幂律关系,但仅有HE1模型具有弹性剪胀等特殊的正剪耦合特性,对土体非等向固结状态下的刚度规律趋势预测正确。HE1模型对土体非等向固结状态下的刚度规律预测结果受到其参数取值的影响,但总体而言与实验结果总结的规律一致。
建筑物风沙流场与荷载的风洞试验研究
李正农, 范晓飞, 蒲鸥, 郑义津, 宫博
2020, 37(1): 152-158,182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0067
摘要:
通过风洞试验研究了同一风速下不同落沙量时的风沙流场特性,包括风速、湍流度和沙浓度的分布规律,基于流场分析的结果在该风沙环境下开展了风洞高频动态天平测力试验,探究了风沙流场中建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力规律,并采用沿高度方向等分迎风面的方法对风沙荷载沿建筑物高度方向的变化规律进行了探究。研究结果表明:风沙流场下的沙浓度梯度分布与落沙量及高度有关。沙颗粒对风速有一定的削弱作用,而对湍流度有一定的增强作用,且沙浓度越大该削弱作用和增强作用越明显。风沙流场下建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力之和随着高度和沙浓度的增大而增大;其中风压力随着高度的增大而增大,而随着沙浓度的增大而减小,沙粒冲击力随着高度的增加而减小,而随着沙浓度的增大而增大。
考虑参数不确定性的无筋砌体结构地震易损性分析
蒋亦庞, 苏亮, 黄鑫
2020, 37(1): 159-167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0068
摘要:
鉴于无筋砌体结构参数的高离散性及其地震响应的强非线性,在地震易损性分析中考虑其结构参数的不确定性显得尤为必要。以4幢不同层数的无筋砌体结构为研究对象,在OpenSees中建立等效框架有限元模型,采用增量动力法和一次二阶矩法考察了地震动及结构参数不确定性对其地震易损性的影响。分析结果表明:在无筋砌体结构的地震易损性分析中需考虑地震动和结构参数的不确定性影响,且结构地震破坏程度越高这种影响程度越大;结构参数的不确定性影响程度与地震动的影响程度相当;结构参数不确定性相比于地震动不确定性的影响随着结构层数的降低而变得更为明显;敏感性分析表明,结构阻尼比变化对易损性曲线地震强度中位值的影响可达到其他单个参数的4倍,其敏感性最高。
龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟
俞怡恬, 黄生洪, 王新
2020, 37(1): 168-174. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0069
摘要:
龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。
磁流变阻尼器MNS模型参数不确定性分析
彭长乐, 陈城, 侯和涛
2020, 37(1): 175-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0071
摘要:
磁流变阻尼器(Magneto-Rheological damper)因其优异的性能,在地震和风荷载下的结构振动控制中有广阔的应用。采用磁流变阻尼器进行结构控制时,建立相对精确的非线性模型是设计控制策略重要因素之一,也是保证对其进行数值分析时具有较高可信度的关键因素之一。从传统优化方法获得的确定性模型参数无法考虑由于磁流变阻尼器的现象学模型(phenomenological model)内在的不确定性,从而可能导致阻尼器模型出现不准确的预测。使用马尔可夫链蒙特卡洛方法,该研究对磁流变阻尼器的Maxwell Nonlinear Slider(MNS)模型的不确定性分析,并通过与现有200 kN足尺磁流变阻尼器试验结果,证明了概率模型能够更好地预测磁流变阻尼器在预定的正弦曲线位移和实时混合模拟的位移响应下的输出力和能量耗散,从而为进一步分析结构在磁流变阻尼器控制下的响应预测提供了更为有效的工具。
带竖向接缝的空心模剪力墙受剪性能试验研究及承载力计算
初明进, 刘继良, 侯建群, 任宝双
2020, 37(1): 183-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0083
摘要:
对5个带竖向接缝的空心模剪力墙试件开展了拟静力试验,研究了竖向接缝的连接性能,分析了轴压比、剪跨比、空心模内水平钢筋配筋量等关键参数对竖向接缝连接性能和墙体受剪性能的影响。结果表明:墙体未发生脆性破坏,破坏位移角均大于1/100,延性系数均大于或接近5.0,具有良好的变形能力;正常使用阶段竖向接缝完好,可保证装配单元的有效连接;轴压比由0.15提高至0.25,受剪承载力提高了11.8%,但峰值位移角降低了22.5%;随着剪跨比的提高,受剪承载力显著降低;空心模内水平钢筋配筋量提高56%,受剪承载力提高了11%。提出了四单元计算模型计算墙体的受剪承载力,计算值与实验值相差均小于6.5%,计算结果偏于保守,可用于预测带竖向接缝的空心模剪力墙的受剪承载力。
基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤模型及其应力回映算法研究
许梦飞, 姜谙男, 史洪涛, 李兴盛
2020, 37(1): 195-206. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0084
摘要:
为了克服一般弹塑性损伤模型不能反映岩体结构、岩块强度、应力状态的影响以及非线性破坏特征等问题,该文基于广义的Hoek-Brown(HB)屈服准则,考虑损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立了岩体弹塑性损伤本构模型,给出了损伤变量定义及演化方程。针对该模型在数值求解过程中存在的奇异点问题,从主应力空间推导了弹塑性损伤模型的完全隐式返回映射求解算法,包括弹性预测、塑性修正和损伤修正三个步骤。通过ABAQUS软件的用户子程序接口Umat,实现了弹塑性损伤模型的数值求解过程。采用单轴、三轴压缩试验和隧道算例对模型算法进行验证和分析,结果表明,所建立的HB损伤本构模型能够很好地描述岩体材料的力学特性,在实际岩体工程的损伤模拟中效果令人满意,计算结果对工程有指导意义。
钢桁架结构稳定性与两层面强度优化设计研究
杨绿峰, 宋沙沙, 刘嘉达仁
2020, 37(1): 207-217,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.03.0095
摘要:
现行桁架结构优化设计方法难以同时满足构件和体系两层面强度需求。鉴于此,利用弹性模量缩减法研究建立了考虑稳定性影响的桁架结构两层面强度优化设计的改进均匀承载法。在桁架杆件的截面轴向强度中引入压杆稳定系数,据此建立考虑稳定性影响的桁架杆件单元承载比计算表达式。根据弹性模量缩减法迭代首步与末步的构件承载比分别确定桁架在构件和体系两个层面的强度系数,建立构件与体系两层面强度之间的显性关系式按照两层面强度系数的目标值调整各构件的截面强度,利用构件承载比均匀度建立桁架结构优化设计的迭代收敛判据。通过对比分析,验证了该文方法建立的结构设计方案,取得了较好经济效果,克服了现行桁架结构优化设计方法难以满足桁架两层面强度需求的缺陷。
机械工程学科
预测低合金钢试样破坏的弹塑性断裂模型
管俊峰, 宋志锴, 白卫峰, 姚贤华, 陈珊珊, 谢超鹏
2020, 37(1): 218-229. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0043
摘要:
该文建立了预测低合金钢结构断裂破坏的弹塑性断裂理论与模型。将两个独立判据——强度及韧度准则联系起来,搭起结构特性与材料参数间的纽带桥梁:可由处于弹塑性断裂控制的小尺寸低合金钢试样的结构特性确定其材料参数;基于确定的材料参数,可建立起预测低合金钢结构破坏的全过程曲线。该文进行了多组相同尺寸而不同裂缝长度的Q345B钢的单边拉伸试验,基于所提模型及试验结果,确定出无尺寸效应的断裂韧度、屈服与极限强度等材料参数;进而构建了可涵盖所有试验点的Q345B钢的安全设计曲线(±10%界限)。研究成果可为确定金属材料参数及预测金属结构破坏提供新思路。
橡胶隔振器高频动态特性的计算方法
唐安特, 上官文斌, 潘孝勇, 刘文帅, 何青, AHMED Waizuddin
2020, 37(1): 230-238. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0059
摘要:
该文采用一种由Mooney-Rivlin模型和多个Maxwell模型叠加组成的非线性粘弹性本构模型,用于计算橡胶隔振器的高频动态特性。该文给出了在时域和频域范围内拟合本构模型中粘弹性参数的方法,利用拟合得到的本构模型参数,对某款橡胶悬置跨点动态特性进行计算,并与实验结果进行对比。该文还建立了橡胶隔振器等效力学模型,分析了原点动刚度和跨点动刚度的区别,分析表明:使用跨点动态特性测试法可消除测试中附加惯性力的影响,适用于橡胶隔振器高频动特性的测试;同时,该文搭建了橡胶隔振器有限元模型,分别用于分析其跨点动刚度与原点动刚度,并将分析结果与实验结果进行对比,分析结果验证了有限元模型和力学模型的正确性。除此之外,该文还分析对比了时域(松弛、蠕变)和频域(简谐动态试验)拟合粘弹性参数方法的优缺点。
其他工程学科
基于数字图像相关技术的砂土全场变形测量及其DEM数值模拟
王鹏鹏, 郭晓霞, 桑勇, 邵龙潭, 陈之祥, 赵博雅
2020, 37(1): 239-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.02.0050
摘要:
岩土材料在力学性能上表现出各向异性与非线性特征,不同土体的受力变形规律也不相同。为了更真实地反映平面应变状态下土的受力变形特性,研制了一种新型的平面应变加载设备,该设备通过对试样的侧向(围压方向上)施加柔性荷载来降低常规平面应变试验中刚性加载所造成的边界约束影响。同时,搭建了能够得到表面变形识别的数字图像采集系统。在此基础上,利用研制的平面应变设备结合二维数字图像相关技术(2D-DIC)根据获得试验过程中的全场变形来分析福建标准砂在不同围压下的变形特性。另外,通过数字图像相关法得到的平面应变试验结果来确定砂土基于抗滚动摩擦模型的细观参数,并对试验过程进行了离散元分析。结果表明:基于数字图像相关测量技术的新型平面应变试验设备可以准确获得福建标准砂的局部变形规律和变形过程的非线性行为,由此确定的砂土细观参数也能够较为真实地反映试验材料的应力-应变关系。
幂强化弹塑性材料平面应变反问题
梅杰, 张博文, 张春云, 彭海峰, 崔苗
2020, 37(1): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.01.0086
摘要:
幂强化弹塑性材料在工程领域诸如金属管材制备、岩土工程分析中都具有广泛的应用。幂强化弹塑性材料的本构参数(例如弹性模量)和结构的边界条件(例如位移)往往不容易确定。在这种情况下,反问题为确定这些参数提供了一种新思路。将ABAQUS二次开发的子程序和复变量求导法结合,用于求解基于幂强化弹塑性材料的平面应变力学反问题:以传统的用户单元子程序为框架,将程序中实数变量转换为复数,建立了复数用户单元;采用复变量求导法确定测点位移对反演参数的灵敏度矩阵;结合最小二乘法和高斯消去法对反问题进行迭代求解。给出应用算例讨论了复变量求导法对正问题计算精度影响、算法在反问题求解过程中的精度,以及反演初值、测量误差对反演结果的影响。