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2006年  第23卷  第3期

基本方法
有阻尼动力方程显式积分方法的精度研究
王进廷, 张楚汉, 金峰
2006, 23(3): 1-5.
摘要:
在动力问题分析中,一种好的显式积分方法不仅要具有良好的稳定性,而且还要具有良好的计算精度。对几种有阻尼动力方程显式积分方法的精度问题进行了分析,研究了各自的局部截断误差、数值阻尼比和相对周期误差。这一研究将有助于更加全面地了解这些积分格式的性能。
禁忌鱼群算法及其在边坡稳定分析中的应用
李亮, 迟世春, 林皋
2006, 23(3): 6-10.
摘要:
构造了一种两点禁忌寻优算子以避免寻优过程中的迂回搜索,并用它模拟鱼群中单条鱼的追寻历史最优鱼、追尾、群聚三种行为,采用遗传算法中非均匀变异算子模拟单条鱼的觅食行为,鱼群中各个体通过这四种行为进行交流、合作从而形成了一种禁忌鱼群算法。将该算法应用于两个复杂土坡的最小安全系数搜索中,并同基本鱼群算法的计算结果进行了比较,结果证明禁忌鱼群算法具有搜索高效、适于约束优化问题求解等特点。
SVD方法在折叠结构分析中的应用
赵洪斌, 吴知丰, 谢礼立
2006, 23(3): 11-16.
摘要:
折叠结构是近年来应用越来越广泛的一种可展开结构形式。将折叠结构分类为刚性和柔性折叠结构。引入了平衡矩阵的奇异值分解(SVD)方法并解释了其力学含义。采用该方法对静不定动不定折叠体系进行了求解,确定了铰接式折叠结构的运动分歧点并求解了其高阶相容方程。给出了悬臂和拱形折叠结构及铰接式三杆折叠结构的算例分析。
系统刚度可靠性分析的加速算法
李艺, 赵文, 张延年
2006, 23(3): 17-20.
摘要:
针对结构系统刚度可靠性研究匮乏的现状,将数值分析与递推公式相结合,提出了刚架结构刚度连续变更方法,建立了刚度连续可靠性分析模型。在结构拓扑不断变更情况下,实现连续变更结构的位移极限状态函数的连续生成,避免了总刚反复组装、求逆,简化了识别系统主要失效模式方法,并与我国建筑结构设计规范相吻合。为结构系统刚度可靠性分析提供了一种有效的加速算法。算例验证了方法的正确性。
计算结构极限载荷的修正弹性补偿法
杨璞, 刘应华, 袁鸿雁, 岑章志
2006, 23(3): 21-26.
摘要:
为减少弹性补偿法(ECM)在计算复杂结构的极限载荷时存在的较大误差,通过引入调整因子f提出了一种修正的弹性补偿法(MECM)。该方法在保留弹性补偿法简单、高效等优点的基础上,提高了复杂结构极限载荷的计算精度。通过三个典型算例比较了弹塑性增量法(EPAM)、两倍弹性斜率法(TESM)、弹性补偿法以及修正弹性补偿法的计算结果,表明修正弹性补偿法对于复杂结构能获得较高的计算精度。
三维有限元并行EBE方法
刘耀儒, 周维垣, 杨强
2006, 23(3): 27-31.
摘要:
采用Jacobi预处理,推导了基于EBE方法的预处理共轭梯度算法,给出了有限元EBE方法在分布存储并行机上的计算过程,可以实现整个三维有限元计算过程的并行化。编制了三维有限元求解的PFEM(ParallelFiniteElementMethod)程序,并在网络机群系统上实现。采用矩形截面悬臂梁的算例,对PFEM程序进行了数值测试,对串行计算和并行计算的效率进行了分析,最后将PFEM程序应用于二滩拱坝-地基系统的三维有限元数值计算中。结果表明,三维有限元EBE算法在求解过程中不需要集成整体刚度矩阵,有效地减少了对内存的需求,具有很好的并行性,可以有效地进行三维复杂结构的大规模数值分析。
张力膜结构初始形态分析的曲面四边形单元
纵智育, 辛克贵, 王珊
2006, 23(3): 32-36,2.
摘要:
张力膜结构的初始形状不能随意选择,它必须符合平衡条件和建筑使用要求。根据几何非线性有限元理论,提出张力膜结构初始形态分析的8结点曲面四边形等参单元。通过建立曲线坐标,在应变的线性部分引入法向位移及单元曲率和扭率的影响,推导了张力膜结构的单元刚度矩阵和结点力列阵。采用完全的Newton-Raphson迭代法求解非线性方程组。数值算例表明该单元是一种高效、稳定和可靠的单元。
多自由度含间隙振动系统周期运动的二重Hopf分岔
罗冠炜, 张艳龙, 谢建华
2006, 23(3): 37-43,6.
摘要:
基于Poincaré映射方法和数值仿真分析了多自由度含间隙振动系统对称型周期碰撞运动的稳定性与二重Hopf分岔。应用映射的中心流形和范式方法,研究了高维映射在其Jacobian矩阵两对复共轭特征值同时穿越复平面单位圆周情况下的余维二分岔,分析了映射在二重Hopf分岔点附近的双参数开折,揭示了含间隙振动系统在二重Hopf分岔点附近的动力学行为。含间隙振动系统在二重Hopf分岔点附近存在对称型周期碰撞运动、对称型周期碰撞运动的Hopf分岔、环面分岔及“轮胎”型概周期吸引子。环面分岔导致了半吸引不变环和复杂的“轮胎”型概周期吸引子。
应变梯度塑性理论下超薄梁弯曲中尺度效应的数值研究
李雷, 谢水生, 黄国杰
2006, 23(3): 44-48.
摘要:
构造了一个在物理空间二次完备的应变梯度非协调单元,在验证了单元数值可靠性后,采用该单元详细研究了均布载荷作用下超薄梁弯曲中的尺度效应现象。计算结果与实验观测一致,即随着梁厚度的减小,其尺度效应增强。并发现在平面应力状态下,梁的梯度效应略强于平面应变状态。最后指出,尽管梁越薄,其梯度效应越强,但梁抗弯刚度仍随厚度的增加而增大。
不同变形状态下变物性梯度功能材料板瞬态热应力
许杨健, 李现敏, 文献民
2006, 23(3): 49-55,9.
摘要:
用非线性有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的对流换热瞬态热应力问题,与已有文献比较检验了方法的正确性,给出了该材料板在不同变形状态下的瞬态热应力分布,并与常物性时的结果进行了比较。结果表明:无限自由长板内的热应力最小;当无限长板只能伸长、不能弯曲时,板内瞬态拉应力最大;当无限长板伸长、弯曲受限时,板内的瞬态压应力最大;考虑变物性时的最大拉应力比常物性减小48.9%,最大压应力减小39.6%;此外,对流换热系数的变化对不同变形状态下该变物性材料板瞬态热应力场的影响显著。此结果为该材料的设计和应用提供了准确的理论计算依据。
点焊箱型截面薄壁构件的翘曲扭转研究
裴星洙, 张立
2006, 23(3): 56-62.
摘要:
构成汽车车身结构的点焊薄壁构件,可以看成是开口截面段和闭口截面段相互穿插组合而成的半闭口截面构件。针对这种构件,基于瓦格纳的翘曲扭转理论,并考虑到点焊薄壁构件焊点处的弹性特性,用一条完整的具有剪切变形特性的“剪切弹簧”来取代构件上的点焊带。通过对这种具有“假想弹簧”的半闭口截面构件的研究,提出了一种分析点焊箱型截面薄壁构件的翘曲扭转的新方法。通过理论值与实验值之间的比较,验证了该方法的精度及合理性,并阐明了扭转刚度对点焊薄壁梁翘曲的影响。此研究同时为今后研究解决实际车体结构的多种约束翘曲问题,打下了良好的理论基础。
一类多体系统的非完整运动规划最优控制
戈新生, 陈立群, 刘延柱
2006, 23(3): 63-68.
摘要:
研究一类带有非完整约束的多体系统运动规划问题。由于非完整约束的存在,运动规划和控制问题比一般的多体系统要困难得多。讨论了非完整系统的特性及可控性条件,利用无限维优化和控制理论,结合非完整控制系统特性,以系统耗散能量为性能指标,给出一类非完整运动规划的最优数值方法。最后将该方法用于自由漂浮空间双臂机器人,仿真结果实现了该类非完整系统的运动规划。
考虑接触效应的具轴对称脱层层合圆柱壳的非线性动力响应分析
杨金花, 傅衣铭, 王永
2006, 23(3): 69-75,9.
摘要:
基于非线性弹性壳理论,建立了考虑脱层接触效应的具轴对称脱层层合圆柱壳的运动控制方程。引入假想弹簧计算接触力,然后对系统的横向运动控制方程进行修正,从而有效地避免了脱层之间的相互贯穿。整个问题采用有限差分法进行求解,算例中,详细讨论了脱层的大小、深度、位置以及载荷等因素对具脱层轴对称层合圆柱壳非线性动力响应的影响。数值计算结果表明,在脱层结构动力响应分析中考虑接触效应是非常重要的,它可避免脱层结构出现物理上不可能的相互贯穿。
板柱结构矩形弹性板弯曲精确解法
许琪楼, 王海
2006, 23(3): 76-81.
摘要:
板柱结构是工程中经常采用的受力体系,但至今尚无一种精确解法分析板中内力分布。将板柱结构矩形板的弯曲划分为广义静定和广义超静定二类。对于前者利用静力平衡条件确定柱支反力后撤去柱支座,柱支条件下板的弯曲即转换为四边自由矩形板在原荷载和柱支反力共同作用下的弯曲。挠度表达式采用了新的通解形式,其变形曲线符合四边自由边界所限定的变形特征,并采用组合特解,即特解同时满足平衡微分方程,自由边界上剪力分布条件及自由角点上作用力条件,从而可以利用四边边界条件和柱支座处的位移条件直接求解。对于广义超静定弯曲需要利用叠加法求解。这种解法可以分析板柱结构在任意柱支条件下和任意荷载作用下板的弯曲。通过逆向分析验证法真实地说明了本解法具有很高的计算精度。
磁弹性板的精化理论
赵宝生, 王敏中
2006, 23(3): 82-87,1.
摘要:
将Cheng精化理论推广到磁弹性板的研究中,对磁弹性板进行了精确的分析。从Huang和Wang给出的线性软磁材料的位移通解出发,利用中面上位移及其沿板厚方向的梯度,将板内的位移表示出来,并获得板内应力张量。利用Pao和Yeh给出的线性边界条件和Lur'e算子方法,给出磁弹性板的精化理论。其中挠度方程略去高阶项后,与磁弹性薄板的挠度方程一致。
空间结构三维风时程模拟及其小波分析
周岱, 马骏, 吴筑海, 陈思
2006, 23(3): 88-92.
摘要:
基于谐波叠加法和快速傅里叶变换提出改进方法,用于大跨空间结构的三维相关风速时程模拟。风速功率谱被分解为频率谱函数和相干函数;研究表明在空间三个方向上模拟风速功率谱皆收敛于目标风谱。小波分析在时域和频域上同时具有良好局部化特性。使用小波技术对模拟的风速时程进行时频分析,利用离散小波变换分解和重构风速时程,用小波系数描述风速信号特性。采用最大熵值法减少风速时程分析在时频域上的信息损失并提高效率。计算显示,改进方法速度快、精度高,弥补了传统手段模拟空间结构三维风速时程耗时冗长、精度低的缺陷,小波分析在风速时程分析中具有理想的可靠性和保真性。
基体损伤对分层复合材料加筋板动力特性的影响研究
白瑞祥, 陈浩然, 王蔓
2006, 23(3): 93-98.
摘要:
基于Mindlin假定的复合材料层合板单元和层合梁单元,推导了复合材料加筋板的刚度阵和质量阵;采用Adams应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法,构造了相应的阻尼阵列式;建立了分层损伤特征的三板模型和表征基体微裂纹损伤的基体损伤模型;并推导了一种基于Hertz型非线性接触法则的虚拟联接单元模型,以避免在振动分析过程中在低阶模态中分层处出现的上、下子板间不合理的嵌入现象;在上述模型和理论基础上,采用精细积分法求解含损伤结构的动力响应。对典型数例进行参数讨论,表明在动载荷作用下,嵌入分层损伤以及在振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化将明显地影响加筋层合板的动力特性。
含非闭合隶属函数模糊变量的结构失效概率分布研究
吕震宙, 冯蕴雯
2006, 23(3): 99-103,.
摘要:
结合工程实际,提出了非闭合隶属函数的截断可能性分布模型,并对模糊强度和模糊应力进行截断处理,给出了结构模糊随机失效概率随截断参数的分布,并给出了结构模糊随机失效概率分布的数值计算方法。所提出的方法不仅可以考虑基本变量的随机模糊性,而且可以考虑安全和失效状态的随机模糊性。关于强度和应力两个基本变量的情况易于推广应用到多个变量的情况,以解决多变量体系中含有非闭合隶属函数模糊变量的安全分析问题。
HT有限元在Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ型复合弹性断裂问题中的应用
崔玉红, 秦庆华, 王建山
2006, 23(3): 104-110.
摘要:
探讨了HT有限元应用于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型复合裂纹的弹性断裂问题。分析了Ⅲ型弹性断裂问题的HT有限元方法及高阶奇异性应力强度因子KΙΙΙ,同时,对Ⅰ和Ⅱ型断裂问题的HT有限元原理及断裂强度因子KΙ和KΙΙ的计算也进行了阐述。特别地,在计算三个强度因子时,引入了一种新的方法——附加试函数法,它主要用于满足裂尖特殊的边界条件,提高了三个奇异应力强度因子的精确性与可靠性。最后,根据HT有限元计算结果,讨论了奇异应力强度因子无量纲化系数K/Kc随裂纹单元特殊T函数项数、细划单元数、单元高斯点数及裂尖不同附加试函数的变化规律;获得了应力强度因子精确度和可靠度,并与其它有限元结果进行了比较,阐述了此方法的优越性。
土木工程学科
混凝土三轴变幅拉-压疲劳性能试验研究
曹伟, 宋玉普, 刘海成
2006, 23(3): 111-117,.
摘要:
进行了最小应力水平为0.20ƒc,最大应力水平为0.20ƒt~0.55ƒt,定侧压为0.30ƒc的变截面混凝土试件三轴拉-压等幅和变幅疲劳试验,分析了混凝土三轴拉-压疲劳最大和最小纵向总应变的三阶段演变规律和级间相似性,给出了疲劳损伤演化规律。进一步验证了Miner线性损伤累积理论的不适用性,提出了非线性损伤累积模型,并进行了疲劳剩余寿命预测,通过与试验结果的比较表明该模型具有较高的精度和适用性。
强夯作用下土体动力特性研究
牛志荣, 杨桂通
2006, 23(3): 118-125.
摘要:
讨论了用于计算土体动力压密有限元方程的建立及其数值计算方法,给出了山西化肥厂场地动力压密的数值解,得出了相应的应力场、位移场、加速度场等,计算结果与实测结果吻合较好。采用了新的分析模型研究了强夯后土体的振动特性,同弹性模型、理想弹塑性模型进行了比较,两个工程实例的计算结果表明,提出的新模型更加优越。
腹板开洞的工形截面拱的平面内特征值屈曲性能
黄李骥, 郭彦林
2006, 23(3): 126-133.
摘要:
用有限元模型分析了受径向均布荷载的腹板开洞的工形截面圆弧拱的平面内特征值屈曲性能。选用板壳单元构建了有限元模型,得出了较准确的特征值屈曲荷载和屈曲模态,获得了三种典型的特征值屈曲模态;通过选用一种代表开洞拱效率的特征值屈曲荷载参数,研究了腹板孔洞的半径和间距的优化尺寸。通过一系列拱的数值分析,给出了拱的矢跨比、长细比、孔洞的半径和间距对特征值屈曲荷载的影响,并把这些参数的影响归结为两个参数k和α,给出了这种腹板开洞拱的特征值屈曲荷载的简化计算公式。
铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析
雷俊卿, 李宏年, 冯东
2006, 23(3): 134-140.
摘要:
列车制动力是作用于铁路桥梁结构设计的重要荷载之一。通过对货运机车车辆制动参数和制动特性的试验研究,对列车单元车体最大制动力进行了理论分析和计算;编制了计算程序ZDL,通过对我国不同长度的现营重载货运列车编组的动力计算,得到了不同长度桥梁结构的最大制动力率为0.2和有效制动力率为0.17。与实际桥梁紧急制动试验结果值对比符合较好。进一步提出了对重载货运列车紧急制动进行全过程动态描述的动力计算方法。为确定我国铁路桥梁制动力荷载提供了实桥试验研究结果和理论分析依据。
三级配混凝土静、动载下力学细观破坏机制研究
杜成斌, 尚岩
2006, 23(3): 141-146,.
摘要:
假定三级配混凝土是由砂浆基质、不同粒径的骨料及其粘结带组成的非均质复合材料,采用非线性有限元方法在细观尺度上数值模拟三级配混凝土弯拉梁在静、动载下的开裂过程。按实际配比计算各种骨料的代表粒径的数目,采用蒙特卡罗方法随机生成骨料分布,骨料形状假定为圆形,最小粒径为12.5mm。骨料、砂浆及其粘结带均采用了非线性本构模型,具体模拟了材料的开裂、拉伸软化、塑性屈服和压碎等非线性。研究中还给出了梁关键部位的应力应变全过程曲线,研究成果还与未考虑材料的非均质性的结果进行了比较。结果表明,混凝土类的多项非均质复合材料的静、动力学性能与其内部的细观结构组成有密切关系,混凝土中最薄弱的部位为粘结界面,混凝土的破坏明显表现出拉应变软化现象和局部化现象。数值模拟结果与有关试验成果较为接近。
矩形冷弯型钢钢管混凝土柱的力学性能研究
陶忠, 王志滨, 韩林海
2006, 23(3): 147-155.
摘要:
进行了8个冷弯型钢钢管混凝土构件的试验,表明其具有良好的力学性能。在确定组成矩形冷弯型钢钢管混凝土的钢材和核心混凝土应力-应变关系模型的基础上,利用数值解法对其轴压、纯弯和压弯构件的荷载-变形关系进行了全过程分析,分析结果与试验结果吻合良好。最后在参数分析的基础上,提供了轴压、纯弯和压弯构件承载力的实用计算方法。
深立井井壁破裂的力学机理及破裂预测研究
经来旺, 高全臣, 刘飞, 牛学超
2006, 23(3): 156-161,.
摘要:
分析了深立井井壁破裂的力学机理,研究了深立井井壁的应力分布规律在井壁破裂预测方面的具体运用,结合混凝土井壁的强度准则和矿区地下水下降的规律,建立了立井井壁破裂的预测理论。研究表明:立井井壁破裂的危险位置与发生破裂的具体时间与矿区地下水的沉降规律及季节的变化有密切的关系。最后通过对具体实例的分析,验证了上述理论的正确性和适用性。对工程现场及井壁设计均具有较大的指导意义。
其他工程学科
运行列车对高层建筑结构的振动影响
曹艳梅, 夏禾
2006, 23(3): 162-167.
摘要:
建立了一种列车-轨道-路基解析分析模型,将钢轨视为竖直平面内支承在Winkler弹性基础上的一根连续的Euler-Bernoulli梁,考虑轮轨接触的影响,推导出单个轮对荷载对地基的作用力,通过迭加方式得到整列车对路基产生的动荷载;在此基础上,选取铁路线附近的某高层建筑,用有限元分析的方法计算了该高层建筑所受到的振动影响;研究了不同车速下不同距离建筑物中不同楼层的振动规律:振动随楼层高度增加具有不同程度增大的趋势;车速越大,建筑物的振动响应也越大;随着到轨道中心线距离的增加,建筑结构的振动逐渐减小。
新疆杏核破壳最佳截面的探讨
刘军
2006, 23(3): 168-172,.
摘要:
通过对新疆杏核形状结构的定义,对其结构物理特性进行分析研究,发现其核长、核宽、核厚及其之间不应仅为简单的线性关系,而可近似为关于横、竖、纵三椭圆截面对称的壳体,作为具有椭圆截面的异形薄壳壳体来研究。同时设定该壳体所受破壳压力大小一致、均匀分布,在弯矩公式中引入回转半径,简化计算;进行分析探讨其综合应力和危险截面;通过统计验证,最终得出结论:杏核破壳的最佳截面为杏核所具有的最大应力截面,即椭圆截面的最小回转半径处。
正交复合材料I型裂纹动态响应焦散线实验研究
许蔚, 徐曼琼, 姚学锋, 李煊, 蒋元兴
2006, 23(3): 173-176,.
摘要:
利用高速摄影技术与光学焦散线技术相结合,对冲击下正交复合材料I型裂纹尖端的动态应力集中问题进行了光测力学实验研究。记录了两种层状碳纤维/环氧树脂复合材料在冲击作用下I型裂纹尖端的动态焦散斑图,提取反映材料局部应力集中问题的力学参数:焦散斑特征尺寸,进而比较两种复合材料的抗冲击性能。这些研究工作对于复合材料冲击性能评估具有工程应用价值和科学研究意义。