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2011年  第28卷  第10期

基本方法
结构畸变比能处理的应力约束全局化的连续体结构拓扑优化
宣东海, 隋允康, 铁 军, 叶红玲
2011, 28(10): 1-008.
摘要:
该文根据von Mises强度准则的畸变比能本质,计算单元畸变比能替代应力约束;依照应力全局化策略,定义结构畸变比能约束概念,求解应力约束下重量最小的连续体结构拓扑优化问题,急剧地减少了应力约束。构造许用应力和结构最大应力的比值含参数幂函数,对约束限进行动态修正。基于ICM(Independent Continuous and Mapping,独立、连续、映射)方法,采用指数型快滤函数建立了结构在畸变比能约束下的结构拓扑优化模型,并选取精确映射下的序列二次规划进行求解。数值算例表明:采用修正的结构畸变比能的应力全局化策略,对于结构拓扑优化问题的求解是有用和高效的。该文提出的方法对解决工况间存在病态载荷的问题也是有益的。
导线覆冰脱冰有限元模拟方法的适用性分析
沈国辉, 徐晓斌, 楼文娟, 孙炳楠
2011, 28(10): 9-015,.
摘要:
针对导线覆冰脱冰有限元分析中的附加冰单元法和改变密度法,采用相同算例进行方法的适用性分析,澄清以往学者在分析时冰参数选择的不合理之处,并提出计算时冰力学参数的合理建议值。研究表明:在应用附加冰单元法进行导线覆冰脱冰计算时,以往学者取10GPa作为冰弹性模量的取值是不合理的,根据算例结果,建议冰的弹性模量取不超过107Pa。当冰参数合理取值后的附加冰单元法与改变密度法具有等价性,均适用于导线覆冰脱冰的有限元分析。
三杆类桁架材料模型多工况最小柔度优化
周克民, 李 霞
2011, 28(10): 16-020.
摘要:
研究了多工况结构柔度最小化方法。提出了3杆类桁架连续体材料模型。推导了该材料的刚度矩阵及其导数。通过优化杆件分布场得到优化的类桁架连续体。克服了目前普遍采用单元的“有”和“无”表示结构拓扑的轮廓粗糙、锯齿状边界问题。结点位置的杆件密度和方向作为设计变量,杆件在单元内的密度和方向通过结点位置的数值插值得到,并且在单元内连续变化。由于没有抑制中间密度,完全不存在数值不稳定问题。类桁架连续体由于与杆系结构有明确的对应关系,可以合理地转化杆系结构。选择杆件分布场中的部分杆件可以形成杆系结构。如果再进一步作尺寸和形状优化就可以得到最终的拓扑优化结构。
冷弯薄壁卷边槽钢梁的弹性畸变屈曲荷载简化计算公式
姚 谏, 程 婕, 邢 丽
2011, 28(10): 21-026.
摘要:
以既有理论研究成果为基础,结合应用广义梁理论,对冷弯薄壁卷边槽钢在绕截面强轴弯矩作用下的弹性畸变屈曲荷载进行了深入细致的分析。首先基于45个截面冷弯薄壁卷边槽钢梁畸变屈曲荷载的参数分析,提出了屈曲临界半波长度的近似计算公式;接着对腹板提供给翼缘板的转动约束刚度进行了分析,提出了精度较高的线性近似计算公式;依据畸变屈曲特征方程,提出了考虑翼缘自身剪切与畸变影响的修正参数的近似计算公式;利用以上结果,最后提出了冷弯薄壁卷边槽钢在绕强轴弯矩作用下的弹性畸变屈曲荷载简化计算公式。简化公式具有足够的精度,便于手算,实用性强,可供工程设计人员和各国冷弯薄壁型钢设计规范修订相应内容时参考采用。
含周期性索-杆胞元的二维网格结构拟膜分析
蔡 坤, 史 姣
2011, 28(10): 27-033.
摘要:
利用拟膜法分析含周期性索-杆胞元的二维网格结构的面内有效弹性性能。拟膜法是将具有周期性微结构的平面网格结构在力学性能上比拟成均匀的连续体。根据两者在面内力学行为上的等效性,网格结构的拟膜的弹性本构参数可由网格结构中单胞的材料和几何参数解析表示。分析表明索-杆胞元存在拉压性能差异现象。这导致拟膜表现出双模量特点,即材料沿某一方向的拉伸弹性模量与压缩模量不同。采用悬臂梁算例考察这些参数的正确性:利用网格结构和其拟膜分别构造同尺寸和工况的两个悬臂梁;利用有限元方法分析两个梁;比较得出两个梁的中性层位置与解析解均吻合,且两个梁中性层挠度之间的相对误差极小。
钢框架连续倒塌的模拟方法研究
谢甫哲, 舒赣平
2011, 28(10): 34-040.
摘要:
对钢框架结构在进行连续倒塌分析时的计算模型进行了研究。以1个两层两跨平面钢框架为例,分别建立了传统的理想刚接杆系模型和实体模型,采用抽柱法对2种模型进行了动力非线性分析,比较分析结果得出传统的理想刚接杆系模型由于没能考虑节点的受力与塑性变形,不能准确地反映结构连续倒塌的动力效应,使得结构抗连续倒塌性能评估结果偏不安全。对引入节点机械模型的平面钢框架进行连续倒塌分析,其计算结果与实体模型的结果接近,可较准确地反映结构抗连续倒塌性能,且耗时远小于实体模型的计算时间。建议对框架结构进行连续倒塌分析时采用引入节点性能的杆系模型。
脉动流作用下粘弹性直管动力学特性分析
刘 龙, 轩福贞, 董达善
2011, 28(10): 41-045.
摘要:
在Hamilton体系中应用精细积分法分析脉动流作用下粘弹性管道的动力学响应特性。首先建立了Hamilton体系下输送振荡流粘弹性直管的辛对偶正则方程组,接着推导了求解非线性运动方程的线性插值精细积分法,最后分析了不同流速、不同激振频率下输流直管非线性动力学特性。数值计算结果表明该方法能快速高效求解输流管道运动方程,计算精度令人满意。
基于径向基点插值函数的弹性力学Hamilton正则方程无网格法
李顶河, 卿光辉, 徐建新
2011, 28(10): 46-051,.
摘要:
结合径向基点插值函数和弹性材料修正后的H-R(Hellinger-Reissner)变分原理,推导了Hamilton正则方程的无网格列式。以Multiquadric(MQ)、Gaussian(EXP)和薄板样条(TPS)为基函数,研究了Hamilton体系下无网格方法的收敛性、精确性以及基函数无量纲形状参数对计算结果的影响规律。该文的工作使得无网格有限元法的优越性与弹性力学Hamilton正则方程的半解析法得到了有机的结合,为Hamilton正则方程提出了一种无网格半解析方法。
基于阈值超越概率的结构耐久性与损伤容限综合分析方法
赵维涛, 张 旭
2011, 28(10): 52-057.
摘要:
飞机结构耐久性分析和损伤容限分析都是以裂纹扩展分析为基础的,该文根据二者之间的内在联系,将耐久性分析与损伤容限分析进行综合考虑。该方法以损伤容限设计手册中规定的非概率初始裂纹尺寸作为阈值裂纹尺寸,根据裂纹尺寸超过阈值的概率以及耐久性分析结果确定概率损伤容限分析时的初始裂纹尺寸分布。裂纹尺寸超过阈值的概率可以通过检测数据给出,评估结果较为可靠。在概率损伤容限分析时,为了避免多重积分的计算,给出了结构安全余量的显式表达式以及一次二阶矩方法的计算公式,提高了可靠度计算效率。该文结合工程实例并与现有方法进行了对比分析,结果表明该方法是合理的、有效的。
轴向运动大挠度板的非线性动力学行为
刘金堂, 杨晓东, 张宇飞
2011, 28(10): 58-064.
摘要:
该文研究了受周期激励轴向运动大挠度板横向振动的稳定性及分岔现象。在von Kàrmàn非线性大挠度板理论基础上,利用达朗贝尔原理建立系统的动力学模型。通过Galerkin截断,将时间变量和空间变量、位移函数和应力函数耦合在一起的偏微分方程离散,得到系统运动常微分方程。利用数值方法分析板随轴向运动速度、外激励力幅值、长宽比和轴向拉力变化时的运动分岔行为。利用最大Lyapunov指数和Poincaré映射图识别系统的动力学行为。结果发现,当板的某些参数变化时,系统出现分岔现象。不同参数时,系统呈现周期运动、倍周期运动、概周期运动,甚至混沌运动。
Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率的轴力影响系数
张广芸, 张宏生, 陆念力
2011, 28(10): 65-071.
摘要:
给出了考虑轴力对于Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率影响系数的高精度表达式。与动力刚度法推导等截面梁自由振动分析的动态刚度阵不同,首先获得承受常轴力的Bernoulli-Euler梁横向自由振动微分方程的通解,并通过位移边界条件消去待定常数,得到精确形函数;使用有限元方法,建立了使用精确形函数表达等截面Bernoulli-Euler梁动态刚度阵的微分格式,该微分格式精确刚度阵与动力刚度法得到的刚度阵完全一致。仿照Timoshenko对压弯梁静态挠度表达中取用轴力影响因子的方法,提出了Bernoulli-Euler梁横向振动固有频率的轴力影响系数表达式,结合Wittrick-Williams算法和动态刚度阵证明了当轴力在±0.5倍第1阶欧拉临界力之间变化时,轴力影响系数表达式最大误差不超过2%,且随固有频率阶次的提高,误差越来越小。
二阶统计量盲辨识在模态参数识别中的应用
姚谦峰, 张晓丹
2011, 28(10): 72-077.
摘要:
快速、准确地识别出结构的模态参数,是结构损伤精确识别与健康监测的重要前提。该文提出一种结构模态参数识别的新方法。该方法以盲源分离理论中基于二阶统计量的AMUSE算法为基础,以振动系统的自由响应或脉冲响应为分析对象,通过对数据进行Hilbert变换增加虚拟测点,以不同时滞下数据协方差矩阵构建联合矩阵,通过求解时滞联合矩阵的特征值问题实现对结构模态参数的识别。联合矩阵的引入克服了AMUSE算法仅采用两个时滞协方差矩阵所带来的不稳定性。数值算例结果表明,该文提出的方法计算简单,识别精度高,不受时滞选择的限制,对测量白噪声不敏感,具有很好的鲁棒性。
土木工程学科
地震波的反应谱谱形对RC梁桥结构非线性地震反应的影响
陈 亮, 李建中
2011, 28(10): 86-092,.
摘要:
地震经验表明:各类结构的震害主要表现为强震地面运动的幅值、频谱特性和持时这3个基本要素综合影响的结果。为了将频谱与幅值、持时的影响进行解耦,采用实际地震波和匹配同一反应谱的人工波,通过IDA分析,对一座钢筋混凝土连续梁桥进行研究。对比强震地面运动的频谱特性特别是反应谱谱形与结构地震反应的相关性表明:随着地面运动强度的增加以及桥梁结构非线性程度的提高,谱形对结构非线性地震反应的影响日益显著。如果在纵桥向、横桥向存在高模态影响,则高模态效应与谱形的影响会相互耦合,从而进一步增强对于结构非线性地震反应的影响。对于具有不同动力特性的梁桥结构,反应谱不同区段的谱形对于结构非线性地震反应的影响差异显著,并对影响显著的反应谱区段进行了预计。
计算结构非线性地震峰值响应的等价线性化模型
曲 哲, 叶列平
2011, 28(10): 93-100.
摘要:
多自由度体系的等价线性化方法是预测结构的非线性地震峰值响应的有效方法。单自由度等价线性化模型是该方法的基础。该文在前人研究的基础上,从定性和定量的两个方面综合分析了结构周期、延性系数以及恢复力模型等因素对单自由度等价线性化模型的影响,并通过对大量地震动记录下动力弹塑性分析结果的拟合回归,提出了能够综合反映各方面参数影响的单自由度等价线性化模型。与现有代表性的等价线性化模型相比,该文模型所反映的参数最为全面,预测峰值位移的平均相对误差最小,且略偏于保守。
地震作用下土钉支护边坡永久位移计算方法研究
董建华, 朱彦鹏
2011, 28(10): 101-110.
摘要:
基于拟静力稳定性分析模型,建立了地震作用下土钉支护边坡永久位移计算方法。提出了永久位移由地震作用过程中位移和震后位移两部分组成。在求解平均加速度时,将边坡考虑为弹性体对Newmark有限滑动位移法的刚性假定进行改进。采用遗传算法动态寻优实现边坡地震过程中永久位移计算。运用功能原理建立地震作用后永久位移计算模型并求解。根据土钉柔性结构特性,对土钉震后随土体滑移机理提出褶皱台阶变形来计算土钉的滑移摩阻做功。给出基于边坡永久位移控制的土钉支护结构动态设计理念及程序步骤,并用实例进行计算及数值验证,结果表明震后位移量与地震作用过程中位移的比值很大,因此震后位移不能忽略。
地震动空间变化效应对大跨度桁架拱反应的影响
白凤龙, 李宏男
2011, 28(10): 111-117,.
摘要:
研究地震动空间变化效应对实际的大跨度桁架拱结构地震反应的影响,进行了空间变化地震动激励下结构反应的详细数值模拟。考虑了由行波效应、部分相干效应和局部场地效应引起的地震动空间变化。分析了地震动不同行波波速、相干损失和局部场地条件对结构地震反应的影响。在数值计算中,基于经验相干损失函数和《建筑抗震设计规范》定义的反应谱模拟了空间变化地震动。研究结果表明,引起地震动空间变化的每一个因素对桁架拱结构的反应都有重要的影响,在分析中忽略地震动空间变化效应可能低估该类结构的地震反应。为了准确评估结构反应并更好地进行大跨度桁架拱结构的抗震设计,模拟可靠的空间变化地震动十分必要。所获得的结果可为桁架拱结构的实际设计提供参考。
柔度法考虑钢筋混凝土梁柱单元变形局部化的计算方法
谢 凡, 沈蒲生, 王海波
2011, 28(10): 118-123.
摘要:
基于性能的设计需要考虑结构及构件在地震荷载作用下的非线性反应,基于柔度法的分布塑性梁柱单元模型可以用较少的单元得到较为准确的结果,也可以很方便地处理因混凝土应变软化带来的变形局部化问题。但这种计算模型在处理局部变形时,若直接根据数值积分求解,计算结果与实际结果偏差较大,而且会出现随着积分点的增加,偏差越大的反常现象。该文分析了产生这一现象的数学力学原因,通过在单元的截面层次上将变形分离为弹性变形和塑性变形,对单元的塑性变形指定塑性区长度,得到了合理的解答。
预应力双层柱面网壳的风振响应与整体风振系数研究
周 臻, 孟少平, 吴 京
2011, 28(10): 124-132.
摘要:
基于时域分析方法对预应力双层柱面网壳结构的风振响应进行研究,采用Welch谱分析法对谐波叠加法与线性滤波技术(AR法)模拟得到的脉动风速时程进行功率谱精度评价;分析了预应力双层柱面网壳的矢跨比、跨度、厚度、长宽比、支座弹性刚度、预应力取值等结构参数对结构风振响应的影响,结果表明:网壳的矢跨比、跨度、长宽比是影响预应力双层柱面网壳结构风振响应的主要因素;预应力拉索有效地减小了结构的脉动风响应,但由于平均风响应同时也大幅减小,其位移风振系数仍较普通网壳结构大。基于包络的概念,采用以最大动响应和最大平均风响应为控制指标的整体风振系数计算方法,研究了常见设计参数情况的预应力双层柱面网壳结构整体风振系数,可为预应力双层柱面网壳的抗风设计提供实用方法。
SRC-RC竖向混合结构转换柱破坏机理与抗剪承载力计算
伍 凯, 薛建阳, 赵鸿铁
2011, 28(10): 133-138.
摘要:
通过16个试件的低周反复荷载试验,对SRC-RC竖向混合结构转换柱的受力性能进行了研究。转换柱的破坏形式可分为剪切破坏、弯曲破坏和粘结破坏。对转换柱特殊的破坏过程和破坏形态进行了描述和分析,并结合箍筋应变在整个加载过程中的发展变化状况,揭示了其破坏机理。根据转换柱特有的构造形式提出了等效剪跨比的概念,用于反映型钢局部存在对转换柱抗剪承载力的影响,给出了计算剪跨比与等效剪跨比的换算公式。给出了便于工程应用的抗剪承载力计算公式,计算结果与试验结果符合较好。
热-冷反复变化过程中饱和粘性土的热固结试验研究
白 冰, 陈星欣
2011, 28(10): 139-144.
摘要:
对热-冷反复变化过程中饱和粘性土的热固结特性进行了室内试验。试验表明,随着试样温度的升高,温度的上升速率逐渐减慢,而在降温过程中则正好相反。而且,温度变化过程与温度荷载循环次数、试样所受到的围压无关;不排水加热过程中会诱致显著的孔隙水压力,而第2个温度循环过程要比第1个温度循环过程诱致的孔隙水压力要小;在不排水温度下降过程中,试样内先产生负的孔隙水压力,当温度下降至设定的温度值后,孔隙水压力又开始上升,随后转化为正的孔隙水压力;如果允许试样排水(或吸水),则试样在加热和降温后的等温过程一般表现为收缩排水过程,且加热后所引起的排水体应变要远大于降温后所引起的排水体应变。
强震下弦支穹顶结构的动力性状精细化研究
吴 慧, 张 瑞, 高博青
2011, 28(10): 145-151.
摘要:
为了探索强震下材料损伤累积、节点半刚性及节点刚域对弦支穹顶结构动力性能的影响,通过对承受轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的有限元分析,得到考虑材料损伤累积的焊接球节点M-θ曲线,建立考虑材料损伤累积的半刚性节点、节点刚域模型,然后对5个分别考虑节点半刚性、节点刚域及材料损伤累积的弦支穹顶模型进行对比分析。结果表明:考虑材料损伤累积、节点半刚性使结构塑性发展充分,结构刚度更趋向均匀,会引起结构破坏位置、失效模式及结构延性的转变。考虑材料损伤累积、节点半刚性及节点刚域等对弦支穹顶的动力性能有较大的影响。
HRBF500钢筋混凝土柱的受压试验研究
王 静, 王命平, 耿树江
2011, 28(10): 152-157.
摘要:
通过对9根钢筋混凝土轴心受压柱和10根钢筋混凝土偏心受压柱进行单向加载试验研究分析,该文建议HRBF500钢筋在轴心受压柱和偏心受压柱中的强度设计值取为 ;由试验数据可知,偏压构件的裂缝宽度值要相对小于受弯构件的裂缝宽度值,建议将规范公式中的钢筋混凝土偏压构件受力特征系数进行折减,提出了构件受力特征系数的建议值,为我国混凝土结构设计规范进一步修订时列入500MPa级钢筋提供了参考依据。
三轴围压下砂浆弹塑性损伤变形过程的细观力学分析
刘 芳, 付 强, 陈 岑, 梁乃刚
2011, 28(10): 158-164,.
摘要:
基于对泛函势和Cauchy-Born准则,抽象出弹簧束构元和体积构元,组集两种构元的力学响应,给出了材料的弹性损伤本构关系;考虑滑移作为主要的塑性变形机制,提出了滑移构元,给出了材料的塑性本构关系;利用变形分解机制,得到了由三种构元共同描述的弹塑性损伤本构关系。阐述了在给定应变条件下弹塑性损伤本构关系的计算迭代流程。利用单轴拉伸算例详细阐述了模型参数的标定过程。对有围压作用下砂浆材料的压缩行为进行了模拟,从材料细观变形角度解释了随着围压增加,材料承载能力增加的现象。模型预测结果与试验结果符合较好,初步验证了模型具有处理非比例加载问题的能力。
钢管混凝土边框内藏钢桁架组合核心筒抗震性能试验研究
张建伟, 耿海霞, 曹万林, 董宏英
2011, 28(10): 165-172.
摘要:
提出了钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒,为了解其抗震性能,进行了1个钢管混凝土边框混凝土组合核心筒和1个钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒的低周反复荷载试验研究,2个试验模型为1/6缩尺。在试验基础上,分析比较了2个核心筒的承载力、延性、滞回特性、耗能能力、刚度衰减过程和破坏特征,分析结果表明:钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒抗震性能较好。在试验研究基础上,建立了钢管混凝土边框内藏钢桁架混凝土组合核心筒承载力简化力学计算模型与公式,计算结果与试验结果吻合 较好。
基于影响面的混凝土浇筑期施工荷载研究
谢 楠, 梁仁钟, 胡 杭
2011, 28(10): 173-178.
摘要:
绝大多数模板支撑体系的坍塌事故发生在混凝土浇筑期,浇筑期内施工荷载所占比例大大提高,从统计意义上看这些施工荷载不具备均布荷载的分布特点。该文将二维结构影响线的概念推广到三维模板支撑体系,采用机动法给出了模板支架立杆轴力影响面的表达式,分析了影响面的特点,给出了荷载作用效应正负区域的等效影响面高度。在对工地调研的基础上,依据立杆轴力影响面的特点和调研数据,提出混凝土荷载、施工活荷载和大型布料设备荷载的标准值。研究成果可填补我国相关设计规范的空白。
定向井有杆抽油系统杆管分布接触压力的研究
董世民, 张万胜, 张 红, 王彩凤
2011, 28(10): 179-184.
摘要:
将抽油杆柱离散为空间梁单元,应用可移动的双向弹簧元描述杆管接触状态,建立了抽油杆柱在油管内弯曲变形规律与接触压力的混合有限元仿真模型。该模型考虑了抽油杆杆体、接箍与扶正器径向尺寸不同所导致的杆管接触条件差异。根据节点支反力、内力与位移的仿真结果,建立了抽油杆体与油管接触区域与接触压力分布规律的仿真模型。杆管接触区域与分布接触压力的仿真结果为进一步研究杆管偏磨寿命预测与防偏磨设计奠定了基础,也为杆管摩擦功率与系统效率仿真分析提供了理论依据。
基于汶川地震数据的地震动强度指标与中长周期SDOF体系最大响应相关性
韩建平, 周 伟, 李 慧
2011, 28(10): 185-196.
摘要:
选择国家地震台网中心发布的2008年5月12日汶川地震四川台站中峰值加速度值大于0.2g的18组水平地震动记录,将加速度峰值统一调整为0.4g,采用时程分析法计算了阻尼比为5%、周期分别为0.5s、1.0s、2.0s、3.0s、4.0s、5.0s的双线性SDOF体系对应不同延性系数(1.0、2.0、3.0)的加速度、速度及位移响应,研究了不同地震动强度指标,如峰值速度、峰值位移、峰值速度与峰值加速度比、累积绝对速度、均方根加速度、均方根速度、均方根位移、Arias强度、特征强度、加速度谱强度、速度谱强度和Housner强度与这些响应最大值的相关性。研究结果表明:不同地震动强度指标与中长周期双线性SDOF体系最大响应的相关性差别很大;同一地震动强度指标与不同周期段SDOF体系最大响应的相关性差异明显;同一地震动强度指标与某一周期段SDOF体系线性、非线性最大响应的相关性差异也很明显。建议对不同结构进行时程分析时,在考虑结构周期范围的基础上可选择多个合适的地震动强度指标选择和调整地震动输入;对中长周期结构,相比于规范中的峰值加速度强度指标,选择速度型地震动强度指标选择和调整地震动输入更为合理。
机械工程学科
A357铸造铝合金疲劳裂纹扩展行为以及裂纹偏折
徐 芳, 陈振中
2011, 28(10): 197-201,.
摘要:
该文研究了A357铸造铝合金在T5/T6两种热处理条件、应力比为0.05和0.7时的疲劳裂纹扩展行为,并用裂纹偏折模型对裂纹扩展速率曲线进行修正。研究结果表明,裂纹沿着树状晶边界扩展导致显著的裂纹偏折。在T5/T6两种热处理条件下,应力比r=0.05时的裂纹扩展速率均远小于应力比为0.7时的裂纹扩展速率,热处理方式对裂纹扩展速率没有影响。应力比r=0.7时,偏折裂纹模型修正后的裂纹扩展速率没有明显变化;而应力比r=0.05时,偏折裂纹模型修正后的裂纹扩展速率较修正前有显著增加。裂纹发生偏折时,采用同时考虑I型和II型裂纹的裂纹尖端有效应力强度因子描述裂纹扩展速率更合理也更准确。
基于低周疲劳损伤的裂纹扩展行为数值模拟新方法
黄学伟, 蔡力勋, 包 陈, 陈 龙
2011, 28(10): 202-208.
摘要:
基于材料低周疲劳临界损伤,采用应变幅和平均应力定义了一种新的局部疲劳损伤参量,以最大主应变方向的垂直方向作为疲劳裂纹的扩展方向,提出了一种预测材料与结构裂纹在高周疲劳下疲劳裂纹扩展速率的数值模拟新方法:LFF方法(LCF-Low Cycle Fatigue+FCP-Fatigue Crack Propagation +FEA-Finite Element Analysis)。借助有限元分析商业软件,开发了一套命令流程序实现了数值模拟算法,得到裂纹扩展方向上裂尖塑性区域各节点的应力-应变幅,获得每个节点的损伤参数,进而根据疲劳裂纹非连续扩展特性建立疲劳裂纹扩展模型。以大型汽轮机转子材料Cr2Ni2MoV钢为例,通过光滑单轴试样及紧凑拉伸试样试验分别得到了室温低周疲劳临界损伤模型和裂纹扩展模型,即Manson-Coffin模型和Paris模型,结果表明LFF方法对Cr2Ni2MoV材料复杂裂纹的疲劳裂纹扩展过程有较好模拟精度。
其他工程学科
环口板加强型T节点滞回性能的试验研究
邵永波, 岳永生, 蔡艳青
2011, 28(10): 209-215.
摘要:
环口板加固管节点是一种比较新颖的加固方法,该方法施工方便快捷而且加固效果显著。为了进一步研究环口板加固后管节点的性能特点,分别对4个足尺度未加固T型圆钢管节点和4个对应的采用环口板加固的足尺度T节点试件进行了轴向反复荷载作用下的拟静力滞回性能研究。基于试验测试结果,发现加固后的管节点在提高静力承载力的同时,其延性指标也有所提高,从而耗能性能更好,利于抗震。根据试验现象发现:采用环口板加固的T节点,可以将破坏发生的部位由原来未加固节点的焊趾处转移到环口板与主管表面焊缝连接的端角上,改变了管节点的破坏模式。
基于主子系统耦合效应的直接空冷结构体系振动特性研究
朱丽华, 白国良, 赵更歧
2011, 28(10): 216-221.
摘要:
直接空冷结构体系中设备对结构的振动特性具有显著的影响。现场实测了4个直接空冷结构体系的振动特性,研究了风机扰力作用下的结构动力特性参数识别。制作了1/8缩尺比的模型进行试验研究,测试结构动力特性、结构与风机共振点以及结构在风机不同工作状况下的幅频曲线与构件动应变。进行了模态分析和稳态分析,计算结果与测试结果基本吻合。研究结果可为全面了解直接空冷结构体系中结构与设备的共同作用及振动特性提供重要依据。
SMA薄弱环节对复合材料圆管耐撞性影响的试验研究
黄建城, 王鑫伟, 卞 航
2011, 28(10): 222-227.
摘要:
基于形状记忆合金(SMA)细丝的形状记忆效应,在碳纤维复合材料圆管端部设计并制作了3种新型的SMA薄弱环节,即外缠SMA、内嵌SMA及交叉缠绕SMA薄弱环节。通过准静态轴向压溃试验研究这3种薄弱环节对复合材料圆管耐撞性的影响,并将试验结果与外倒角试件的吸能特性进行对比,以评估这些薄弱环节的引发效能。研究表明:外缠SMA和内嵌SMA薄弱环节的引发效能并不理想。交叉缠绕SMA薄弱环节的引发效能优于外倒角薄弱环节,且由该薄弱环节引发的宏观破坏模式与其它薄弱环节引发的截然不同,使复合材料圆管的耐撞性能得到了一定的提高。
水力压裂水平裂缝影响参数的数值模拟研究
彪仿俊, 刘 合, 张士诚, 张 劲, 王秀喜
2011, 28(10): 228-235.
摘要:
水平裂缝是较浅储层油井水力压裂常见的裂缝形态,大庆油田某主力区块的开发实践证明了该地区的压裂裂缝形态以水平缝为主。将该区块某垂直井周围的储层简化为层状多孔介质,使用ABAQUS软件及其相关的用户子程序接口,建立了相应的三维有限元模型,模型中包括油井的套管、水泥环、射孔、产层和隔层,分别采用三维流固耦合实体单元和cohesive粘结单元描述岩石和裂缝的行为。模拟了该油井水力压裂水平裂缝的起裂和扩展过程。计算中地层参数和物性参数采用大庆油田的实际数据,计算得到的缝口压力曲线与现场实测结果符合良好,验证了模型的正确性。采用该文的模型计算得到了主要地质和施工参数对水平裂缝扩展的影响规律,这些参数包括水平就地应力差、渗透率、岩石弹性模量、排量和压裂液粘度。
薄宽冷轧带钢局部板形屈曲行为解析研究
戴杰涛, 张清东, 秦 剑
2011, 28(10): 236-242.
摘要:
针对薄宽冷轧带钢生产中常见的局部型板形瓢曲缺陷——高次局部浪形的屈曲变形过程进行了解析研究,采用高斯函数描述了局部屈曲情况下边界载荷的不均匀性,引入局部影响系数考虑局部屈曲行为过程中带钢平直部分对屈曲区域的影响,获得了临界屈曲条件与局部影响系数和局部屈曲区域宽度之间的关系,应用摄动法对局部屈曲的后屈曲路径进行了分析求解,通过对工业现场实例的仿真计算,验证了前屈曲计算的正确性,并获得了与现场实际浪形模态吻合良好的后屈曲模态。在实验轧机上设计了局部浪形的冷轧轧制实验,通过铝板轧制获得了局部浪形模态,进一步验证了解析计算结果。
基于能量法的自由曲面空间网格结构光顺与形态优化方法
李 娜, 陆金钰, 罗尧治
2011, 28(10): 243-249.
摘要:
该文对自由曲面空间网格结构造型中出现的网格光顺与形态优化问题进行了较为深入的研究。结合双三次准均匀B样条曲面的映射法网格划分技术,引入曲面能量法光顺准则,通过光顺因子的调整进行自由曲面网格结构的光顺控制,并得到光顺因子与网格结构形态特性的影响规律。在此基础上,提出以光顺因子为优化设计变量,以网格形状质量系数、杆件单元长度偏差及高斯曲率特征为设计指标的网格形态优化的多目标函数。经优化求解得到所需的最优形态空间网格结构,并由解空间给出优化过程的原理性解释。该文中若干自由曲面空间网格结构的优化分析验证了该文方法的实用性与可靠性。
一种高速列车引起的地基振动解析解
曹志刚, 蔡袁强, 孙宏磊, 徐长节
2011, 28(10): 250-256.
摘要:
为准确预测列车引起的地基振动,该文提出了一种新的轨道系统-饱和土地基解析分析模型。该文模型中轨道系统与饱和土地基接触面间采用与真实情况一致的位移与应力连续接触条件。轨道系统中钢轨与枕木分别采用无限长Euler梁与Kirchhoff薄板来模拟,路堤采用无限长矩形弹性层来模拟。轨道系统控制方程采用Fourier变换和Fourier级数展开相结合的方式进行求解。饱和土体半空间中引入Biot波动方程,并通过Fourier变换在变换域中进行求解。通过与现有研究成果对比发现,在高频荷载作用时,轨道系统与地基的简化接触条件会产生较大误差。另外,单相介质土体模型将明显低估地基的动力响应水平。