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2011年  第28卷  第1期

综述
建筑结构鉴定与加固改造技术的进展
张 鑫, 李安起, 赵考重
2011, 28(1): 1-011,.
摘要:
回顾了国外工程建设的发展过程,分析了国内工程建设面临的现状和存在的问题。该文对鉴定加固在国内外的发展进行了分析,讨论了建筑结构鉴定加固的重要性和紧迫性。针对4种主要结构材料提出了其主要检测内容和检测技术方法、加固方法,分析了目前的3种鉴定方法,各鉴定标准的相互关系。讨论了建筑物改造中的整体移位技术,根据模型试验结果和工程实践监测结果,介绍了建筑物整体移位技术的基本内容、主要关键技术以及部分工程实例;介绍了建筑物纠倾技术的发展和常用方法。最后对建筑结构检测、鉴定、加固和改造技术的发展进行了展望。
基本方法
基于多分辨率分析的结构物理参数识别贝叶斯估计方法:方法推导与验证
李小华, 公茂盛, 谢礼立
2011, 28(1): 12-018.
摘要:
在观测噪声和模型误差等不确定性因素的影响下,结构物理参数识别问题是一个不确定性问题。针对此问题,该文从结构运动微分方程出发,利用小波多分辨率分析原理,建立结构多尺度动力方程,由该方程以结构激励和响应信息在多尺度上的细节信号和最大尺度上的概貌信号为观测量推得物理参数线性回归模型,对该模型应用贝叶斯估计理论得到物理参数后验联合分布,再采用马尔可夫蒙特卡罗方法给出各个物理参数的边缘分布和最优估计值,从而提出了基于结构响应和输入激励的物理参数识别贝叶斯估计方法。通过对四层剪切型结构的数值研究验证了该方法的有效性和正确性,算例还表明该方法在强噪声干扰下仍能获得满足工程要求的识别精度。
结构瞬时输入能量反应持时谱的研究
陈 逵, 刘哲锋, 沈蒲生
2011, 28(1): 19-025.
摘要:
现有抗震设计理论大多是基于承载力或强度的设计方法,与其相应的反应谱理论的最大缺陷是无法反映地震持时的影响,以地震能量作为设计参数的抗震设计理论则有望弥补这一不足。该文在地震瞬时输入能量概念的基础上,利用统计学原理对结构的反应持时提出一种新的定义,用以描述地震波对结构的持时效应,并通过建立相应的持时谱来研究结构动力参数以及地震波特征参数的变化对该持时效应的影响。研究表明:结构阻尼比的增大将使瞬时输入能持时谱的曲线更加平滑,地震波加速度幅值的变化对谱值没有影响,而随着地震波峰值速度与峰值加速度比值的增加,谱值趋于增加。通过总结100条地震波瞬时输入能持时谱曲线的变化规律,提出了阻尼比为5%时的线性单自由度体系瞬时输入能持时谱的简化计算模型,该模型的获得将为结构能量输入历程的预估以及以其为基础的结构损伤历程研究提供必要的基础。
基于PEM的结构二阶参数识别法的试验研究
李 健, 杨国龙, 徐天平, 王旭东
2011, 28(1): 26-030,.
摘要:
汶川和玉树地震给人民的生命财产造成重大损失。震后的结构物鉴定是震后安置工作的重要内容。基于振动测试分析建筑物震后整体性能的是结构表面病害鉴定方法的必要补充。该文通过3层楼的结构模型试验研究基于最小预测误差法(PEM)的结构二阶参数识别法的表现。该系统识别方法通过将结构动力学中的状态空间模型展开为线性的ARMAX/ARMA模型,再利用PEM方法识别模型参数,可直接从结构动力响应中识别出结构质量、刚度、阻尼比等二阶参数。该方法有助于结构的重要参数鉴定,也有助于结构健康监测系统中的损伤识别。
含界面应力纳米尺度夹杂中刃型位错的稳定性分析
孙义刚, 金 波, 方棋洪, 刘又文
2011, 28(1): 31-036.
摘要:
利用复变函数方法研究了刃型位错在含界面效应纳米尺寸夹杂中的稳定性问题。求解了作用在位错上的像力的精确表达式,给出了位错在纳米夹杂中稳定存在的夹杂临界半径条件。并且讨论了夹杂尺寸和界面效应等因素对夹杂临界半径的影响。研究表明:如果夹杂的半径保持不变,存在一个临界相对剪切模量或临界基体材料泊松比改变位错在夹杂中的稳定性。同时,临界夹杂半径随着基体材料的软化而增加。另外,界面应力不仅能改变位错在纳米夹杂中的稳定特性,而且能改变夹杂临界半径的大小。
受边缘非线性分布荷载作用矩形薄板的面内应力分析
唐玉花, 王鑫伟
2011, 28(1): 37-042.
摘要:
矩形薄板边缘受非线性分布面内载荷作用的情况在工程中经常遇到,精确的应力分析也是薄板稳定性分析的基础,由于问题的复杂性目前还没有精确解。该文根据弹性力学理论,采用里兹法求解矩形薄板边缘受非线性分布载荷作用的面内应力,应力函数采用切比雪夫多项式并满足所有应力边界条件。结合数学计算软件Mathematica,分析了不同长宽比矩形板在单轴和双轴抛物线分布边缘载荷作用下的面内应力,得到的结果精确满足应力边界条件且与有限元法和微分求积法结果十分吻合,从而验证了方法的正确性和精确性。研究结果为受非线性分布面内载荷作用矩形板的屈曲分析奠定了基础。
考虑水平摩阻力的弹性地基梁大变形弯曲分析
周 慧, 罗松南, 孙 丹
2011, 28(1): 43-047,.
摘要:
设水平摩阻力与垂直支承反力成正比,建立了任意对称荷载作用下有限长弹性地基梁大变形的平衡微分方程式。进行了合理的位移形函数假设,利用Galerkin方法建立非线性代数方程组,采用迭代法进行求解,得到了弹性地基梁的位移和内力解。通过实例计算可知,水平摩阻力对弹性地基梁的挠度和剪力影响很小,而对弯矩和轴力影响很大。当要考虑弹性地基梁的强度时,必须考虑水平摩阻力的影响。
大质量法在多点激励分析中的应用、误差分析与改进
周国良, 李小军, 刘必灯, 亓兴军
2011, 28(1): 48-054. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2009.07.0456
摘要:
为检验多点激励分析中广泛应用的大质量法(LMM)的计算精度和适用性,基于瑞利阻尼,以2自由度有限元模型为例,在4组不同的地震动输入下,分别用LMM和相对运动法(RMM)进行了多点激励分析。比较了两种方法的结果,从理论上分析了LMM误差产生的原因,指出了LMM的适用条件,进而提出了改进措施——基于地震动输入阻尼项修正(项修正)的改进LMM,并验证了该方法的精度和适用性。结果表明:采用瑞利阻尼时,LMM会造成不可忽视的误差,理论上不能用于多点激励分析;瑞利阻尼质量比例系数是导致误差的主要因素,误差大小与密切相关;改进的LMM可大幅提高计算精度,与RMM结果高度符合,可以满足工程应用。
地震动峰值位移对单自由度体系非线性动力反应的影响
张郁山, 赵凤新
2011, 28(1): 55-064.
摘要:
研究了在输入地震动加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,地震动峰值位移对单自由度体系(SDOF)动力反应、尤其是非线性动力反应的影响。首先,利用在时域内叠加窄带时程的方法合成出加速度反应谱与峰值速度相同、但峰值位移相差2倍的两组人工地震动时程。其次,利用理想弹塑性SDOF体系的初始自振周期描述其刚度特性、利用屈服强度衰减因子描述其非线性力学行为的发展程度,通过比较体系在上述两组输入地震动作用下地震反应的差异,揭示了地震动峰值位移对体系弹塑性地震反应的影响规律:当结构非线性力学行为得以充分发展时,在输入地震动的反应谱与峰值速度相同的情况下,其峰值位移的增大将会显著增加较长周期结构的弹塑性速度与位移反应,而且这种增大效应对于位移反应而言更为显著。
非线性间隙杆单元的特性及其迭代算法
李文武, 黄才良, 张 哲
2011, 28(1): 65-069,.
摘要:
螺栓与栓孔之间间隙引起的非弹性变形是栓接结构产生挠度的一个重要原因。该文根据有限元的基本方法,建立了有间隙拉压杆单元,能够模拟有间隙栓接结构的力学行为,并准确计算出连接节点处间隙引起的结构的非弹性变形,并针对间隙单元的特点提出了基于剩余荷载系数增量理论的迭代求解方法。该文提出的计算方法为贵州省正安县桑坝大桥施工过程中拱架异样变形提供了理论基础,并根据实验数据和理论计算结果及时修改了施工方案。理论计算结果和工程实测数据良好的吻合,证明了该文方法的正确性和实用性。
土木工程学科
混凝土结构冻融损伤理论及冻融可靠度分析
商怀帅, 欧进萍, 宋玉普
2011, 28(1): 70-074.
摘要:
该文基于疲劳累积损伤理论,对混凝土的冻融损伤特性进行了可靠性分析。把混凝土结构冻融破坏近似看作由不同正负峰值温度差顺序作用产生的疲劳累积损伤破坏,给出了常幅温差及变幅温差作用下基于疲劳累积损伤的冻融可靠度计算分析模型,并对某一混凝土构件的冻融损伤可靠度进行了计算分析。
直接求解法在结构多点输入地震响应计算中的应用与改进
石永久, 江 洋, 王元清
2011, 28(1): 75-081.
摘要:
将以绝对位移形式求解动力方程的直接求解法引入结构多点输入地震响应计算。与常用的将位移分解为拟静力绝对位移和相对动力位移的分解法相比,直接法的概念更为简洁,计算量小,且更适用于非线性计算。对于采用振型叠加法的直接法,仅使用少量低阶振型可能导致较大误差。引入静力修正方法,提出了高效的改进直接法。算例结果表明,修正直接法只需少量低阶振型即可获得足够的精度,精度与分解法相当。
钢筋混凝土梁非线性有限元分析方法
周凌远, 李 乔
2011, 28(1): 82-086.
摘要:
针对钢筋混凝土结构有限元分析中,材料进入非线性阶段后,难以通过梁理论准确描述混凝土截面和钢筋应力状态的问题,提出了基于柔度法和分布式塑性理论的钢筋混凝土梁单元材料非线性方法——网格截面法。这种方法采用平面等参单元将梁单元网格化,由单元轴向积分点位置截面网格积分点的混凝土应力描述单元截面应力分布,同时考虑钢筋对刚度的贡献,并通过对截面网格材料的积分计算积分点位置的截面刚度矩阵,再利用力插值函数和能量原理得到梁单元的柔度矩阵,进而对柔度矩阵求逆计算单元刚度矩阵。通过算例验证该方法在钢筋混凝土承载力分析时的准确性。
钢筋与纤维编织网联合增强细粒混凝土梁的弯曲试验与理论研究
尹世平, 徐世烺
2011, 28(1): 87-095.
摘要:
由于纤维编织网增强混凝土在达到承载极限时,易发生脆断,不利于作为承载构件。该文尝试加入一定量的细直径钢筋以避免TRC的脆断破坏,纤维编织网作为受力的主体,而细直径钢筋作为次承载体。试验结果表明,加入延性好的细直径钢筋可以克服TRC构件仅采用纤维编织网增强时的脆断缺点。此外,纤维编织网的表面粘砂处理可以提高其和细直径钢筋协同受力的能力;细粒混凝土中加入聚丙烯纤维可提高构件的开裂荷载;而纤维编织网和细粒混凝土的界面植入U型钩有助于发挥纤维编织网的增强作用,从而提高了构件的承载力。最后,基于RC结构的抗弯设计理论,给出了TRC构件的解析计算方法,计算值与试验结果吻合得较好,证明了计算方法的可行性。
支撑与梁柱板式连接节点低周疲劳分析及设计方法研究
张文元, 陈世玺, 张耀春
2011, 28(1): 96-104.
摘要:
为实现强节点、弱构件的抗震设计思想,保证支撑与梁柱采用板式连接时节点板的低周疲劳寿命高于被连接的支撑构件,使用ANSYS程序对支撑及节点板进行了大量有限元参数分析,研究了支撑轴线与柱夹角、节点板距支撑轴线最近的嵌固点向支撑轴线所做垂线与支撑端部的距离、节点板厚度、支撑长细比、工字形截面支撑翼缘宽厚比等参数对支撑系统(支撑和节点板)低周疲劳寿命的影响规律。提出了基于工字形截面支撑长细比和翼缘宽厚比不同取值情况下节点板支撑端部净距的确定方法,为节点板的抗震设计提供了依据。
钢结构梁柱连接节点刚度的半解析测试方法
黄冀卓, 王 湛, 潘建荣
2011, 28(1): 105-109,.
摘要:
通过半解析测试方法获取钢结构梁柱连接节点的半刚性特性。在半刚性节点理论分析的基础上,导出了包含节点连接刚度的计算模型;然后通过结合已知的梁端实测荷载和位移试验值,给出了一种有效的求解节点刚度的半解析测试方法。该方法可以克服试验中直接测量节点转角的困难和精度误差,而且与有限元分析结果相比,其计算结果更符合实际真实解。数值算例结果表明,采用该文提供的半解析测试方法获取钢结构梁柱半刚性连接节点M-θ曲线是简单、有效和准确的。
节段施工体外预应力混凝土梁弯曲性能研究
曾永革, 李传习
2011, 28(1): 110-115.
摘要:
节段施工体外预应力混凝土梁接缝受力行为的模拟,是能否进行可靠的有限元分析的关键。根据接缝处不同部位混凝土和钢筋的受力特点,建立了能够模拟接缝工作的计算模型,开发出能够对体外预应力梁进行全过程仿真分析的非线性有限元程序。应用所编程序,对Angel C.Aparicio等人的节段式体外预应力混凝土试验梁,分别改变其相应参数,进行弯曲性能分析。分析结果表明:接缝位置处的单元与普通梁段的单元并没有本质不同,其差异在于决定梁单元刚度亦即参与工作的材料有所不同;普通钢筋配筋率对节段较短的体外预应力梁抗弯性能基本没有影响;体外索初始张拉力、布筋形式和节段划分数目对节段施工体外预应力梁的弯曲性能分别有不同程度的影响。
超高车辆-桥梁上部结构碰撞荷载精细有限元模拟与简化计算
张炎圣, 陆新征, 叶列平, 何水涛
2011, 28(1): 116-123.
摘要:
近年,超高车辆撞击桥梁上部结构问题成为城市交通安全的重要威胁。为减少超高车辆撞击桥梁上部结构造成的损失,关键是准确计算撞击荷载。该文首先基于精细有限元,对超高车辆-桥梁上部结构碰撞过程进行了模拟,对影响撞击的主要参数进行了分析。进而通过忽略次要影响因素,对车辆、桥梁受力行为进行合理简化,建立了超高车辆-桥梁上部结构碰撞的简化计算模型。简化模型与精细有限元模型的撞击力时程结果吻合较好,可为工程设计提供参考。
饱和土中桩-桩竖向动力相互作用及群桩竖向振动
刘林超, 杨 骁
2011, 28(1): 124-130,.
摘要:
由于饱和土中孔隙水的流动特性以及桩基与土体的不同渗透率,饱和土与单相土中桩基的力学行为,尤其是动力学行为存在很大差异。运用Novak薄层法和引入势函数的方法,得到了饱和土层的竖向动力阻抗和自由场竖向位移衰减函数,在此基础上研究了饱和土中桩-桩的竖向动力相互作用及群桩的竖向动力阻抗问题。分析讨论了桩土力学参数对饱和土中群桩竖向动力阻抗的影响。研究表明:桩间距、液固耦合系数、桩土模量比等参数对桩-桩竖向相互作用和群桩竖向动力阻抗有影响,研究成果对于桩基动力检测和抗震设计具有较大的实际应用 价值。
钢筋钢丝网砂浆加固混凝土圆柱的抗轴压性能
吴小勇, 李丰丰, 严 洲, 熊光晶
2011, 28(1): 131-137.
摘要:
为大幅度提高加固效率,提出用钢筋钢丝网砂浆加固混凝土圆柱的思路。分别用钢筋钢丝网(SW)、钢筋网(S)、单一纤维复合材料(FRP)和混杂纤维复合材料(HFRP)加固混凝土圆柱共36根,进行轴压对比试验,探讨不同加固方法对试件承载能力和延性的影响。结果显示:SW加固柱保护层砂浆剥落与内部核心混凝土破坏几乎同时发生;且保护层砂浆裂缝间距基本与钢丝网格间距相等(11mm左右),因而裂缝又多又密;故SW加固柱与S加固柱相比,在承载力提高30%的前提下,延性仍达S加固柱的2倍左右。FRP或HFRP加固柱的承载力提高幅度最大,但两种加固柱的延性和变形能力明显低于SW加固柱。该文给出了SW加固混凝土圆柱的极限承载力计算公式。
冲击荷载循环作用下砂岩动态力学性能的围压效应研究
吕晓聪, 许金余, 赵德辉, 葛洪海, 王泽东
2011, 28(1): 138-144.
摘要:
利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的累积比能量吸收值,损伤度与围压等参量之间的关系。研究结果表明:在围压作用下,砂岩的应力-应变曲线出现较明显的屈服平台,具有明显的脆性-延性转化特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,材料的弹性模量变小,试样的屈服应力降低,屈服应变有所增加。在冲击荷载作用下,砂岩的能量吸收率随着应变率的增加而提高,随围压的增加而减小。此外,岩石循环冲击损伤演化过程存在围压效应,当围压逐渐增大时,砂岩损伤度的增加随累计比能量吸收值增加的趋势变缓,其抗冲击损伤的能力增强,即围压越高,试件达到相同损伤度所需要耗散的能量越多。得到了损伤度随累积比能量吸收值和围压变化的关系式。
GFRP管钢骨高强混凝土偏压柱试验研究
王连广, 周 乐
2011, 28(1): 145-149,.
摘要:
通过8根GFRP管钢骨高强混凝土组合柱偏心受压试验,研究了GFRP管纤维缠绕角度、管壁厚度、长细比及偏心距等参数对组合柱受力性能的影响。试验结果表明:组合柱承载力随着GFRP管壁纤维缠绕角度的减小、管壁厚度的增加而提高,随着长细比增大、偏心距增加而降低。根据试验研究与理论分析,建立GFRP管钢骨高强混凝土偏心受压组合柱承载力计算公式,理论计算结果与试验结果吻合良好。
爆炸冲击载荷作用下夹层开顶扁球壳的非线性动力稳定性分析
徐加初, 张 勇
2011, 28(1): 150-156.
摘要:
该文对爆炸冲击作用下夹层开顶扁球壳的非线性轴对称动力稳定性问题进行研究。基于Reissner假设和Hamilton原理,得到了夹层开顶扁球壳在冲击载荷作用下的非线性动力控制方程;采用Galerkin方法对非线性动力控制方程进行求解,得到以刚性中心位移表达的非线性动力响应方程,并应用Runge-Kutta方法进行数值求解,采用以刚性中心位移表达的B-R准则确定冲击临界失稳载荷。最后讨论了壳体几何参数、物理参数对夹层开顶扁球壳冲击临界失稳载荷的影响。
饱和土中摩擦桩竖向振动解析解及应用
李 强, 郑 辉, 王奎华
2011, 28(1): 157-162,.
摘要:
采用与频率相关的桩土接触面模型建立了三维轴对称条件下摩擦桩在饱和土中的竖向耦合振动模型,通过势函数分解法和分离变量法求解了饱和土动力固结方程,利用桩土耦合条件得到摩擦桩竖向振动解,对桩周剪应力分布、桩顶的频率和时域响应进行了参数研究。结果表明,桩底支承系数和桩土接触面动刚度对桩土荷载传递有明显影响,频率相关的阻尼系数可以有效地抑制桩顶速度幅频的高频发散现象。最后通过与基桩实测结果对比,表明该模型可以较好地与基桩完整性测试结果吻合。
粘弹性消能支撑在网格屋盖结构上的应用研究
唐柏鉴, 李亚明
2011, 28(1): 163-170.
摘要:
根据网格屋盖结构的动力特性和构造特点,提出粘弹性阻尼器小八字消能支撑进行减震控制,并采用单质点模型推导出设置消能支撑后屋盖结构的阻尼比计算公式,进一步依据震动谱理论推导出单质点分析法预测屋盖消能结构减震系数的公式,对于消能结构的详细设计则采用振型分解反应谱法或时程分析法,最后结合工程实例进行了数值分析,结果表明:粘弹性阻尼器消能支撑可以有效降低网格屋盖结构由水平地震主导的反应,包括屋盖侧移、节点水平加速度、柱脚反力等。
带端柱高性能混凝土剪力墙非线性分析及其轴压比限值研究
杨鹏辉, 梁兴文, 邓明科
2011, 28(1): 171-177.
摘要:
带端柱高性能混凝土剪力墙构件具有良好的抗震性能。然而我国规范中,对这种结构的轴压比限值没有给出相应的条文。在工程实践中,设计人员只能套用普通混凝土剪力墙的相关规定,不尽合理。在6片带端柱高性能混凝土剪力墙抗震试验分析的基础上,采用结构三维非线性静力/动力分析程序CANNY,建立了带端柱高性能混凝土剪力墙的力学模型,数值模拟了试件在反复水平加载作用下的受力和变形过程。采用试验研究与数值模拟相结合的方法,研究了带端柱高性能混凝土剪力墙的轴压比限值,为修订规范和工程设计提供参考。
水平地震下列车过桥的非平稳随机响应及其极值估计
张志超, 张亚辉, 林家浩
2011, 28(1): 178-185.
摘要:
推广虚拟激励法来研究水平地震作用时三维车桥耦合时变系统的非平稳随机振动以及最大值估计方法。水平地震动假设为均匀调制非平稳随机过程;轨道不平顺假设为多点异相位均匀调制非平稳随机激励。借助时变系统的虚拟激励法将水平地震和轨道不平顺随机激励分别转化为一系列确定性简谐激励,为了能更真实地模拟车轮作用力在时间域和空间域的连续变化,采用精细积分格式进行数值积分,得到了系统随机响应的时变功率谱密度函数和标准差。最后基于首次穿越破坏准则给出了系统非平稳随机响应的最大值估计方法。在数值算例中,通过多样本时间历程法的统计平均验证了该文随机振动分析方法的正确性和最大值估计方法的有效性;并讨论了场地土条件对系统随机响应的影响。
弯曲型支撑-框架弹塑性稳定的简化分析
童根树, 俞一弓
2011, 28(1): 186-191.
摘要:
该文对框架-弯曲型支撑的双重抗侧力体系的稳定性,采用简化模型进行分析,其中核心筒被悬臂柱代替,框架被摇摆柱代替。通过这个模型承受水平力和竖向力各自单独和共同作用下的弹塑性稳定的分析,得到了对核心筒的刚度需求。这个规律表明,竖向力和水平力共同作用下的截面刚度需求,大于水平力对核心筒截面的需求和竖向力对核心筒截面刚度的需求之和。
钢-预应力混凝土组合梁滑移规律分析及连接件局部加强设计
李运生, 张彦玲, 樊健生
2011, 28(1): 192-198.
摘要:
为了对预加力阶段组合梁剪力连接件的局部加强设计提供理论依据,采用能量变分法,考虑翼板剪力滞效应和钢梁与混凝土板之间相对滑移的影响,推导了钢-混凝土预应力组合梁在预加轴力作用下荷载效应的解析解,计算结果与试验结果吻合较好,并在解析解基础上分析了预加轴力作用下组合梁结合面的相对滑移规律。分析表明:组合梁在预应力锚固区的界面滑移及由此产生的纵向剪力远远大于跨中,纵向剪力出现集中分布现象,当张拉控制应力较大时会成为连接件设计的控制条件,可按照该文给出的结合面纵向剪力的计算方法进行连接件的局部加强设计。
土体大变形单剪试验的SPH数值模拟
黄 雨, 郝 亮, 金 晨, 野々山 栄人, 许 强
2011, 28(1): 199-204.
摘要:
针对目前常规数值计算方法的局限,该文采用一种纯拉格朗日、无网格方法——光滑粒子流体动力学法(简称SPH法)对土体的大变形力学行为进行数值模拟。首先,根据SPH法的基本理论,对弹塑性力学控制方程进行了离散,构造了应力-应变关系的SPH求解格式,并采用Jaumann应力率进行土体应力-应变与内部质点运动间的转换。然后,进行两组数值模拟试验:1) 对弹性体大变形单剪试验进行数值模拟,与解析解进行比较;2) 对采用修正剑桥模型的土体大变形不排水单剪试验进行数值模拟,并与有限元程序的大变形单剪试验计算结果进行比较。结果表明:SPH数值模拟方法具有较好的稳定性和计算精度,从而实现了这种新型计算方法在土体大变形弹塑性数值模拟研究中的成功应用。
机械工程学科
计算铁路车轮轮周磨耗量的两种方法对比
李 霞, 金学松, 温泽峰, 胡 东
2011, 28(1): 205-211,.
摘要:
建立了车轮磨耗理论计算模型并发展了相应的数值程序,模型中包含了车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论和材料摩擦磨损模型。根据该理论模型提出了两种磨耗叠加方法计算车轮轮周磨耗量,即简化方法和改进方法,探讨了它们对车轮型面磨耗及其演化规律的影响。简化方法假定车轮滚过一个接触斑长度时,接触斑信息不变,因而只计算一个步长即可得到车轮轮周的磨耗量;改进方法则考虑接触斑信息随时发生变化,因而需要计算一个接触斑长度才能得到轮周的磨耗。分析结果表明:采用两种方法所得的轮周磨耗量存在较大差异;采用改进方法后,导向轮对的磨耗体积明显增大。随着车轮运行距离的增加,车轮磨耗的不断积累,采用两种方法所得的结果存在较大的差异。
硬质合金内衬的组合超高压筒体优化设计
袁格侠, 刘宏昭, 王忠民
2011, 28(1): 212-218.
摘要:
研究了硬质合金内衬的多层组合超高压筒体的强度优化设计。以等强度理论为设计原则,建立了以各外层径比(外径与内径的比值)为变量,容器总径比为约束,弹性承压能力最大为目标的优化设计数学模型。应用Lagrange乘子法进行优化,得到了各层最优径比公式及最大内压公式。在此基础上,从叠加原理出发,推导了不同材料多层容器的层间缩套压力及过盈量的最优精确解。最后通过实际算例与分析表明,硬质合金内衬的组合容器需要更大的缩套压力,对于三层容器,中间层和内衬主要承担径向压应力,而外层主要承担周向拉应力。
漂浮基柔性空间机械臂关节运动增广变结构控制及柔性振动主动抑制
洪昭斌, 陈 力
2011, 28(1): 219-225,.
摘要:
讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基柔性空间机械臂系统基于混合轨迹的关节运动增广变结构控制,该控制方案能够同时主动抑制柔性杆产生的振动。基于一般期望轨迹的增广变结构控制仅能完成渐近解耦的关节空间轨迹追踪,并不能抑制柔性杆的振动;为了对柔性振动模态进行主动控制,使用虚拟控制力的观念生成了同时反映关节期望轨迹和柔性变量的混合轨迹,从而为柔性空间机械臂系统设计了追踪混合轨迹的增广变结构控制方案。数值仿真结果证实了该控制方案在系统参数存在不确定的情况下,能够使机械臂关节角稳定地追踪期望轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制。
其他工程学科
多跨输电线路脱冰动力响应研究
王 昕, 楼文娟
2011, 28(1): 226-232.
摘要:
提出了输电线路脱冰动力响应有限元分析方法,采用3自由度等参抛物线索单元模拟导线及覆冰,空间杆单元模拟绝缘子串,建立了多跨覆冰输电线路有限元模型。使用生死单元技术杀死覆冰单元来模拟脱冰瞬间,使动力分析时间范围包含由覆冰至脱冰的荷载突变过程,采用考虑几何非线性的隐式时间积分算法,利用自适应时间步技术克服收敛困难,对线路脱冰非线性动力方程进行时域求解。模拟了中跨和三跨脱冰两种情况,对脱冰跨数、线路张拉力、档距和绝缘子长度等参数对线路脱冰响应的影响进行了研究。
切槽对骨压电电压的影响
富东慧, 侯振德, 秦庆华
2011, 28(1): 233-237.
摘要:
骨疲劳裂纹的出现和自我修复被认为是引发并促进骨重建的重要原因之一。骨内产生微微裂纹后裂纹尖端部位的应力值比将会其它部位高,而且裂纹两侧的应力状态也将会发生改变,因而其压电电位也可能发生变化,确定这种电压的变化有助于了解骨内微裂纹自修复的机理。该文采用机加工切槽的方式模拟骨的微裂纹,对切槽部位的压电电压进行了测试分析。测试结果显示切槽之后电极部位的压电电位有降低的趋势,表明切槽后的电极区域上虽然裂纹尖端出现很大的正应力,但产生的压电电荷总体数量在减少,分析认为影响切槽部位压电电荷数量的主要因素不是正应力,而是切应力。
牵引电机转子振动对高速列车动力学性能的影响
陈哲明, 曾 京
2011, 28(1): 238-244.
摘要:
为了分析牵引电机转子振动对车辆动力学性能的影响,建立了包括驱动系统的动车非线性动力学模型,模型中考虑了转子-轴承系统的非线性力。通过数值仿真,研究了转子-轴承系统非线性反力对牵引电机振动的影响,对比分析了考虑与不考虑转子轴承非线性反力时车辆在驱动、匀速和惰行工况下的动力学特性。结果表明,电机转子的振动是由轴承变刚度频率及其次谐波频率振动引起的。轴承反力对电机、构架和轮对的垂向与纵向高频振动影响较大,横向振动以及车体振动影响较小。转子具有结构偏心时,这种影响更加明显。
基于罚函数SPH新方法的水模拟充型过程的数值分析
强洪夫, 韩亚伟, 王坤鹏, 高巍然
2011, 28(1): 245-250.
摘要:
同传统的网格法相比,光滑粒子流体动力学(SPH)方法非常适合于求解大变形和自由表面流动问题。阐述了SPH理论及其应用,并用罚函数处理流体与壁面的相互作用,以解决传统SPH本质边界条件不易施加的问题。对水模拟的充型过程实验进行数值分析,并和文献实验结果以及传统SPH进行对比,最终表明仿真结果与实验非常吻合,比传统SPH方法捕捉到了更多的流动细节和特征;同时由于使用了XSPH算法,使得粒子更加整齐有序。
低弗鲁德数条件下通气超空泡泄气机理数值模拟
周景军, 于开平, 杨 明
2011, 28(1): 251-256.
摘要:
基于RANS方程,采用分相流模型对超空泡在低弗鲁德数条件下的泄气机理进行了模拟,考虑了水-气两相之间的相互作用及重力效应。研究了不同湍流模型对泄气率的影响。得出了不同弗鲁德数和不同通气率条件下超空泡的泄气规律,与水洞试验现象一致。计算结果与经典经验公式对比表明数值方法具有很好的计算精度,对进一步研究通气超空泡的物理机制具有重要意义。