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2006年  第23卷  第7期

基本方法
应力约束全局化处理的连续体结构ICM拓扑优化方法
隋允康, 彭细荣, 叶红玲
2006, 23(7): 1-7.
摘要:
由于应力约束按单元计,加之多工况,使得连续体结构拓扑优化由于约束数目太多,导致应力敏度分析计算量太大而无法接受。基于第四强度理论提出了应力约束条件全局化处理的方法,化为全局替代约束——总应变能约束,用ICM方法对总应变能约束条件下的连续体结构拓扑优化进行建模及求解,其过程分为三步:第一步选择最大应变能对应的工况,在给定重量下求出最小结构总应变能;第二步提出一个数值经验公式,借助第一步的结果,计算出各工况下的许用总应变能;第三步以第二步计算出来的各工况的许用总应变能作为约束,以重量为目标建立模型并求解。顺便指出,第二步的处理方法可以处理载荷相差特别大的情况,即病态载荷情况。数值算例表明:全局性应力约束可以更好地得到传力路径,对于处理多工况问题具有优势。
基于Galerkin法弱形式的时间积分法
邢向华, 张雄, 陆明万
2006, 23(7): 8-12.
摘要:
从加权残差法的角度出发,利用Galerkin法的弱形式建立了一种高精度的隐式时间积分法。在时间单元上用拉格朗日插值函数构造近似解。给出了使用线性、二次和三次插值函数构造的积分格式,它们的精度依次为二阶、四阶和六阶。求解时首先消去时间单元内部的未知量,有效地提高了计算效率。通过减缩积分,可将条件稳定的格式变为无条件稳定的格式。数值算例表明该方法的精度和效率明显高于Newmark法。
刚体-弹性支承系统振动解耦评价方法分析
范让林, 吕振华
2006, 23(7): 13-18.
摘要:
刚体-弹性支承系统多自由度振动的耦合程度评价方法是进行系统固有振动解耦设计的重要基础。对已有的基于耦合刚度、基于振型向量和基于系统动能分布的三种模态振动解耦评价方法进行了系统的分析,指出了各种方法的特点和不足之处,进而采用系统广义惯性力或广义弹性力做功的概念,提出了基于系统振动模态示功向量的振动解耦程度评价方法,具有物理意义准确、量纲统一的优点,适于评价具有不同类型振动响应量的模态振动的解耦程度,是对原有基于系统动能分布的评价方法的完善和推广。并列举两例来说明所提方法的有效性及其物理概念的严密性。
饱和多孔介质一维瞬态波动问题的解析分析
刘占芳, 姜乃斌, 李思平
2006, 23(7): 19-24.
摘要:
采用基于混合物理论的多孔介质模型,提出了饱和多孔介质一维动力响应的初边值问题。利用拉氏变换和卷积定理,分别得到了边界自由排水时在任意应力边界条件和任意位移边界条件下瞬态波动过程的解析表达。几种典型的数值算例同时给出了两类边界条件下瞬态波动过程中多孔固体的位移场、应力场和孔隙流体的速度场、压力场。结果表明,饱和多孔介质的波动过程是多孔固体和孔隙流体中以同一速度传播的两种波动的耦合过程,时效特性分析也揭示了饱和多孔介质固有的表观粘弹性性质。
弹性介质模糊有限元控制方程的快速解法
蒋中明, 徐卫亚, 张新敏
2006, 23(7): 25-30.
摘要:
线弹性模糊有限元方法是分析弹性介质体模糊特性对结构响应产生不确定性影响的有效方法。即使对弹性介质体而言,模糊有限元控制方程的求解时间问题也是困扰其推广应用的主要障碍。为获得可靠可行的模糊有限元控制方程的快速求解方法,在深入研究弹性介质体的模糊源特点基础上,提出当引起结构模糊特性的力学参数为单源模糊数时,可以利用单源模糊数的运算特点来求解模糊有限元的控制方程,进而利用合成运算求解结构的模糊位移和模糊应力的分布。推导了基于单源模糊数运算的弹性介质模糊应力和模糊位移的计算表达式。应用模糊有限元求解的区间解法和快速解法对算例进行比较分析,结果表明了快速解法的正确性。
基于Hilbert变换的结构非线性判断方法
闫志浩, 左晓宝, 范进
2006, 23(7): 31-34.
摘要:
研究了运用Hilbert变换判断系统非线性状态的方法在地震工程中的应用。介绍了运用Hilbert变换判断系统非线性状态的基本理论和非线性程度相对量化指标,在考虑测量噪声影响的情况下,对一个具有Bouc-Wen模型的单自由度非线性结构进行了数值仿真分析。结果表明,随着地震波峰值的增大,结构频率响应函数幅值曲线与相应的Hilbert变换幅值曲线的差异在增大,结构的非线性程度相对量化指标也在增大,说明运用Hilbert变换和非线性程度相对量化指标可以有效地判断结构的非线性状态,为结构的振动控制和健康监测提供一定的参考价值。
薄板剪应力起皱研究
孙振忠, 杨玉英
2006, 23(7): 35-39.
摘要:
以Hill关于弹塑性失稳理论为基础,建立了剪应力起皱失稳的速度场分布,给出了临界起皱剪应力理论计算结果,分析了板料屈服强度、硬化指数、板厚方向性指数及板料厚度对临界剪应力的影响,并与实验和数值模拟结果进行了对比。研究表明:薄板在剪应力作用下可以产生起皱,临界剪应力理论计算、实验及数值模拟结果基本相符,临界剪应力随屈服强度σs减小、硬化指数n值的增大、板厚方向性指数r值的增大、板料厚度t的增大而增大。
变形介质双渗模型非线性流动模拟
田冀, 同登科
2006, 23(7): 40-44,1.
摘要:
在碳酸盐油藏和低渗油藏的渗流问题研究中,传统的研究方法都是假设地层渗透率是常数,然而对于地层渗透率是压力敏感的,这样的假设,对压力的变化将导致较大的误差。研究了应力敏感地层中双渗流动模型的压力不稳定响应,不仅考虑了储层的双渗特征,而且考虑了应力敏感地层中介质的变形,建立了应力敏感地层双孔隙度、双渗透率流动的数学模型,渗透率依赖于孔隙压力变化的流动方程是强非线性的,采用Douglas-Jones预估-校正法获得了圆井定产量生产和定压生产时无限大地层情况下的数值解,并探讨了变形参数和双重介质参数变化时压力变化规律,给出了典型压力曲线图版和应用实例。
几何非线性结构的徐变效应分析
占玉林, 向天宇, 赵人达
2006, 23(7): 45-48.
摘要:
主要研究了几何非线性结构的徐变效应问题。在大变形理论的基础上,给出了空间梁单元的非线性几何方程,阐述了几何非线性结构进行徐变效应分析的原理和方法,并建立了相应的平衡方程。考虑徐变效应的内力重分布的影响,得到了按施工阶段进行几何非线性结构的徐变分析的增量形式和分析步骤。最后通过与试验结果进行比较,验证了程序的正确性。
模态曲率差法对梁结构的损伤诊断
彭华, 游春华, 孟勇
2006, 23(7): 49-53,7.
摘要:
首先在理论上证明模态曲率差法,对结构损伤识别的可行性,提出了用损伤前后的模态矢量差,来计算结构损伤因子矩阵的计算公式。为验证方法的正确性,采用一个标准梁算例给予验证,算例表明该方法对结构的损伤位置和损伤程度具有准确的识别能力。并在此基础上,根据两个线性假设,提出了一种可用于评价结构寿命的简易、有效的计算方法。
对接仿真试验台对接动力学的数值仿真研究
代明君, 陈志刚
2006, 23(7): 54-59.
摘要:
为检验对接机构性能,研究对接过程动力学,根据我国对空间对接任务的要求,设计了全物理仿真试验台。建立了对接仿真试验台对接过程捕获阶段的对接动力学数学模型,通过仿真分析,得到了各种对接初始条件下试验台的相互作用力、力矩等参数。仿真结果表明在给定的对接初始条件下对接机构均能成功捕获,得到的作用在试验台上的作用力和力矩,为试验台的设计提供了依据,同时仿真结果可以验证对接机构缓冲系统的设计参数及对接策略。
平板颤振导数的参数弹性研究
许福友, 陈艾荣
2006, 23(7): 60-64.
摘要:
提出了颤振导数的“参数弹性”概念;基于复模态理论,计算了平板颤振导数的平板宽度、质量、质量惯矩、竖弯频率、扭转频率和空气密度6种参数弹性;绘制了8个颤振导数的参数弹性曲线和诺模图,分析了各自特点,获得了无量纲参数对颤振导数参数弹性的影响规律。分析结果表明,新提出的参数弹性具有概念无量纲、简洁、直观、实用特点,为颤振导数参数分析提供了一种新的有效途径。
土木工程学科
张拉式膜结构抗风设计
陈波, 武岳, 沈世钊
2006, 23(7): 65-71,5.
摘要:
抗风设计一直是膜结构设计中的核心问题和难点问题。以Davenport提出的阵风荷载因子法为基础,结合张拉式膜结构的风振响应特点,提出一系列改进措施,初步建立了一种适用于张拉式膜结构抗风设计的实用化方法。采用随机模拟时程分析方法对几种典型形状的张拉式膜结构进行了较为系统的风致动力响应参数分析,总结了结构风振响应的规律。并在此基础上,依据提出的抗风设计方法给出了可供设计人员参考的风振系数取值。
外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土偏压柱受力全过程分析
卢亦焱, 童光兵, 赵国藩, 张号军
2006, 23(7): 72-80,9.
摘要:
在试验研究的基础上,对外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土偏压柱这一新型加固形式进行了理论分析,并编制了非线性分析程序BC,根据其计算结果绘制了荷载-挠度全过程曲线,与14根偏心柱试验结果比较,吻合较好。同时在此基础上分析了长细比、含角钢率、含碳纤维布率和偏心距等因素对复合加固偏压构件力学性能的影响。分析结果表明:含碳纤维布率和含角钢率越大,构件长细比以及荷载的偏心距越小,加固效果越好。最后,对外包钢、碳纤维布和混凝土柱之间的粘结和锚固措施进行了分析,结果表明:胶层的弹性模量、胶层厚度、角钢厚度和植筋都是影响复合加固柱粘结的主要因素,对加固柱的破坏形态和承载力有较大影响。
基于非Gauss风载的高耸结构风振可靠性分析
程华, 王仲刚, 黄宗明, 邓洪洲, 张力
2006, 23(7): 81-86.
摘要:
基于风载非Gauss模型推导了Davenport谱下结构脉动风载的五阶统计矩表达。通过响应概率特征函数和Fourier变换,求得Gram-Charlier级数形式的振形位移和速度响应联合概率统计分布。利用Rice公式和Poisson假设,研究了不同风载模型对高耸结构风振可靠性分析结果的影响。算例分析表明:高耸结构风振可靠性分析需要采用风载非Gauss模型;模态位移和速度响应的联合概率统计分布在截断于五阶Hermite多项式时具有较好精度;可以引入模态位移与速度独立性假设以简化高耸结构风振可靠性分析,计算结果是偏于安全的。
两种高层建筑施工模拟快速计算方案
李浩, 唐圣业, 陈璞
2006, 23(7): 87-92.
摘要:
施工模拟方法能在结构分析中合理反映建筑结构逐层施工、逐层施加荷载的性质。经过对结构建造过程的分析研究,利用施工过程中的物理特征,在有限元变列高解法的基础上,通过改进传统的活动列解法和预处理共轭梯度(PCG)法,提出并实现了两种施工模拟快速计算方案。研究表明,与现有的许多计算方案相比,它们大大提高了计算效率,能够较好地满足实际工程分析的要求。
高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征
顾明, 叶丰
2006, 23(7): 93-98.
摘要:
详细讨论了高层建筑风致振动和等效静力风荷载的计算方法及其特征。将结构风致响应分解为平均响应、动力响应的背景分量和共振分量,给出了相应的计算公式;还给出了背景和共振等效静力风荷载的计算公式,提出了等效静力风荷载组合的一种简便方法,并讨论了计算背景分量的QML法和LRC法的差异。最后,以一典型高层建筑为算例,讨论了高层建筑风致响应和等效静力风荷载的主要特征。
横向推力单桩的动力非线性分析
尹华伟, 易伟建, 魏红卫
2006, 23(7): 99-104.
摘要:
在考虑了土的自重产生的围压对土极限承载力的影响后,利用Mohr-Coulomb屈服准则得到了土的极限承载力沿深度的变化关系,并采用双曲线函数来描述这一关系。在对几种p-y曲线的特性进行探讨后,建议采用双曲线函数p-y曲线,再由p-y曲线确定的土弹簧系数建立桩的非线性动力微分方程,给出了非线性方程的差分解。为便于工程应用,还给出了桩的简化分析方法。在简化分析方法中桩被划分为埋入土中和自由两部分,桩的非线性特性通过改变自由部分长度考虑。最后用数值算例来说明进行非线性分析的必要性及简化分析方法的可靠性。
小型振动冲击式打桩机的周期运动和分岔
罗冠炜, 俞建宁, 尧辉明, 褚衍东
2006, 23(7): 105-113,.
摘要:
用三维映射表示小型振动冲击式打桩机的动力学方程。借助理论分析与数值方法研究了小型振动冲击式打桩机周期n单冲击运动的存在性与稳定性,描述了周期n单冲击运动的特点,讨论了激振器与桩体擦边接触引起的Poincaré映射奇异性对小型振动冲击式打桩机周期运动与分岔的影响。通过数值仿真分析了两类周期n单冲击运动的转迁及混沌运动的形成过程。
悬索桥结构分析中索鞍的精确模拟
魏建东, 刘忠玉
2006, 23(7): 114-118.
摘要:
为在悬索桥结构分析中精确模拟索鞍,建立了索段一端固定于鞍座上的两节点“左鞍座单元”和“右鞍座单元”,以及索段中一点固定于鞍座上的三节点“鞍座单元”,此固定点为新单元的一个节点。它们通过自动调整索与鞍座的切点而处于平衡状态,从而简化了计算。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的精确解,并利用了处于平衡状态时索与鞍座之间的内力关系。新单元可以考虑鞍座重量的影响,鞍槽纵向曲线可为复合圆曲线。新单元可以同常规单元一样直接用于索结构的有限元分析,设计的算例验证了其正确性,工程算例显示了其在悬索桥结构分析中的应用。
群桩沉降计算的荷载传递法
赵明华, 邹丹, 邹新军
2006, 23(7): 119-123.
摘要:
群桩基础的沉降计算是桩基工程设计不可忽视的关键问题之一。通过对群桩基础沉降性状的分析,以荷载传递法为基础,导得了各基桩桩侧摩阻力在桩周土中产生的位移场,进而在考虑各桩的存在引起位移的折减后将其迭加,导得了计入桩与桩之间相互作用的桩侧单位厚度土的等效刚度系数;并通过对Boussinesq解进行桩的入土深度修正,从而导得桩端土的等效刚度系数,并在此基础上建立一种基于荷载传递法的群桩沉降计算方法。通过与已有模型桩基试验比较,理论计算与实测沉降吻合较好。
多点输入反应谱中相关系数ρijkl的简化
孙建梅, 叶继红, 程文瀼
2006, 23(7): 124-129.
摘要:
对多点输入反应谱计算公式中的相关系数进行了简化,简化从频响函数和积分的特性两方面进行。首先将Hi(ω)Hj(ω)*写成实部与虚部和的形式,然后根据积分的特性,将相关系数中的积分次数由原来的i×j×k×l次(i、j为结构的振型个数;k、l为结构的支承点个数)减少到5×j×k×l次,仍为精确解,且计算时间大大缩短,使多点输入反应谱法的推广应用成为可能。
基于LQG/LTR方法的结构主动控制的研究
徐洋, 姜洪洲, 丛大成, 韩俊伟
2006, 23(7): 130-135.
摘要:
将LQG/LTR(Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery)方法引入到结构控制领域中,针对AMD(Active Mass Damper)Benchmark模型进行主动控制策略的研究。首先建立AMD试验结构的LQG/LTR控制系统模型,并采用近似法确定模型不确定性,引入速度反馈来降低模态峰值以设计理想的目标回路;然后根据LQG/LTR理论设计了控制器,使得全状态LQR(linear quadratic regulator)调节器自然拥有的鲁棒特性在系统的输入端得到基本恢复。最后仿真结果证明了LQG/LTR控制器的有效性和鲁棒性。
无粘结预应力高性能粉煤灰混凝土桥梁收缩与徐变变形试验研究
罗许国, 钟新谷, 戴公连
2006, 23(7): 136-141.
摘要:
结合洛湛线的建设,以8根不同掺量的高性能粉煤灰混凝土无粘结预应力桥梁的收缩、徐变试验为基础,研究了不同掺量高性能粉煤灰混凝土在荷载长期作用下收缩、徐变性能及其上拱随时间的变化规律,探讨了温度、湿度等环境因素对不同掺量高性能粉煤灰混凝土收缩、徐变的影响。300多天的实验观测结果表明:高性能粉煤灰掺量20%~40%混凝土梁不但具有良好的工作性能和力学性能,而且长期性能良好,与同强度的未掺高性能粉煤灰的梁相比,其后期强度和抗压弹性模量增大,收缩徐变减小,具有良好的社会和经济效益。
板-网结构浮式防波堤消浪性能的试验研究
董国海, 郑艳娜, 李玉成, 关长涛, 林德芳
2006, 23(7): 142-146,.
摘要:
水深较大时,固定式防波堤不再适用,而相比之下,浮式防波堤具有轻便、机动、经济及良好的海水交换功能等特点。因此为保障深水养殖网箱在风浪中的安全,采用浮式防波堤进行掩护是唯一可行的工程措施。提出了一种新型的浮式防波堤结构型式——板-网浮式防波堤。通过实验室物理模型试验,研究波浪周期、平板宽度、网衣数目、平板刚度以及水流方向和速度对波浪透射系数的影响。试验采用规则波浪,水深为20m,波高为2.5m、4.5m和6.0m,周期为6s~10s。试验结果表明,采用该种浮式防波堤具有较好的消浪效果,但具体参数需根据当地波浪、水流条件而定。
高层建筑中利用竖井进行排烟的可行性分析
张靖岩, 霍然, 王浩波, 纪杰, 胡隆华, 易亮
2006, 23(7): 147-154.
摘要:
从理论和模拟两方面论述了利用竖井进行排烟的可行性。研究结果表明,影响竖井排烟效果的主要因素是进入竖井的烟气温度和外部力(包括外界空气的热阻力和竖井壁的粘性力),并且两者对烟气流动的作用相反,前者加快烟气运动,后者减缓烟气运动。最后提出,通过对竖井的合理设计,可以增大热烟气的动压,达到理想的排烟效果。
混凝土应力三轴比依赖的塑性损伤模型
沈新普, 沈国晓, 周琳
2006, 23(7): 155-159.
摘要:
提出了一种新的损伤塑性本构模型,定义了一个用应力不变量表示的应力三轴比,强调了应力三轴比对塑性屈服的影响。采用本研究设计的专门用于本构校验的计算机软件,对上述模型的应力应变加载曲线进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合得比较好。
倒伞式可展索膜结构静力特性分析
殷志祥, 孙芳锦
2006, 23(7): 160-164.
摘要:
倒伞式可展索膜结构是一种新型的张拉式索膜结构,它不同于现有的固定式索膜结构,具有样式新颖,结构灵活,使用方便,用途十分广阔等特点。对倒伞式可展索膜结构的静力分析原理进行了理论推导。结合算例,对该结构的静力性能做了详细的分析。对结构在恒载、预张力、风荷载和雪荷载作用下的反应进行了数值模拟,研究了倒伞式可展索膜结构在荷载作用下应力及位移的变化规律,并找出了它与现有的固定式索膜结构相比所独有的特点和优势,得出了一些适用于倒伞式可展索膜结构的主要结论。
三维退化壳条分析钢筋混凝土板壳
方自虎
2006, 23(7): 165-169.
摘要:
将三维退化壳条应用到板壳结构的非线性分析,几何非线性是通过VonKármán假定考虑的。将钢筋混凝土结构的材料非线性特性应用于壳条,该壳条可以用来分析变厚度、任意配筋的钢筋混凝土板壳几何和材料非线性。利用“拟刚度矩阵法”,消除了有限条法在非线性分析时刚度矩阵与级数项的耦合,大大简化了有限条在处理非线性问题时的数值计算。两个算例的结果验证这种理论方法的有效性和精度。
随机激励时多介质耦合型减振器求解的一种近似方法
杨平
2006, 23(7): 170-175.
摘要:
有关文献结合流体、橡胶、非线性弹性元件设计了一种多介质耦合减振器,获得较好的工作特性;在此基础上基于衰减随机振动的工程应用要求,提出了一种多介质耦合型非线性减振器的数学模型,该模型考虑了平方阻尼、线性阻尼、库伦阻尼及非线性弹性元件的耦合,在外部激励为随机振动激励时,通过FPK变换并结合等效原理对模型进行了理论上近似求解,具体讨论了非线性特性参数变化引起的系统特性变化,为进一步研究奠定了基础。
机械工程学科
大型非均质轧辊辊间接触应力分布规律的研究
杜凤山, 黄华贵, 许志强
2006, 23(7): 176-179,.
摘要:
针对轧辊表面剥落失效现象,采用非线性有限元方法,考虑轧辊表面淬硬层与其心部金属材料组织性能差别,对四辊轧机工作辊与支撑辊间接触应力问题进行模拟。并将模拟结果与传统强度校核方法进行了对比分析,结果表明非均质条件下的辊间接触应力和支撑辊辊内剪应力峰值及其作用深度均大于传统Hertz公式的计算结果,对于深入分析轧辊的失效行为具有重要意义。
轴对称金属模具电磁热裂纹止裂温度场的分析
付宇明, 田振国, 郑丽娟
2006, 23(7): 180-184,.
摘要:
选择带有半埋藏环形裂纹的金属凹模为研究对象,通过金属凹模内外环面均匀通入强脉冲电流,应用电磁热效应实现了金属凹模中环形裂纹的止裂。采用复变函数的方法求解了脉冲电流放电瞬间裂纹尖端附近的温度场。由于脉冲电流放电瞬间,裂尖处电流绕流的热集中效应,在金属凹模内部,环形裂纹尖端金属的温升超过熔点,金属熔化,在金属凹模内部沿着环形裂纹尖端形成堆焊,致使环形裂纹尖端的曲率半径瞬间增大,阻止了干线裂纹源的开裂趋势。
其他工程学科
基于局部密集应变响应的海洋平台冰载荷反演方法
李辉, 丁桦, 郑哲敏
2006, 23(7): 185-192.
摘要:
冰载荷的现场测量工作对于描述冰载荷与海洋平台的相互作用规律十分重要。回顾了自六十年代以来的各地冰载荷的测量情况,针对在采用压力盒进行直接测量和利用结构整体响应进行间接反算的过程中存在的困难,提出了一种利用局部应变响应信息来有效反演海洋平台冰载荷的新方法,并设计了用于反演的附加套筒结构模型。阐述了反演的基本原理,从理论上分析了反演的误差来源以及误差的稳定性,并讨论了反演时载荷作用区域的判断方法和测点的布置原则。最后,通过计算机仿真的反演算例和一缩尺模型的反演实验(包括模型应变响应的动态标定)验证了这种方法的可靠性。