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2011年  第28卷  第5期

基本方法
考虑弹塑性本构的三维模态变形体离散元方法断裂模拟
金 峰, 胡 卫, 张 冲, 王进廷
2011, 28(5): 1-007.
摘要:
三维模态变形体离散元(3MDEM)是针对离散块体系统在小应变、有限位移、有限转动条件下,用变形模态模拟块体变形,经过严格推导建立的一种离散元方法。该文在3MDEM平台实现对结构从弹性、到塑性再到断裂破坏的连续非连续全过程模拟。鉴于传统的接触破坏准则在塑性计算中的缺陷,该文提出基于塑性应变的接触破坏判断准则,并采用双块体的拉伸和剪切算例进行验证,结果较合理。最后将考虑弹塑性本构的3MDEM用于悬臂梁算例,模拟结构进入塑性和断裂破坏的连续非连续全过程。
单向偏心结构的简化增量动力分析方法
李 宁, 翟长海, 谢礼立
2011, 28(5): 8-012.
摘要:
增量动力分析方法(IDA)可以较为全面的评估结构的抗震性能,但需对结构进行大量的非线性时程分析,计算量巨大。该文将单向偏心结构的等效二自由度模型(EDDOF)应用于增量动力时程分析,提出了单向偏心结构的简化增量动力分析方法。然后选取20条实际地震记录和一栋5层偏心结构,基于等效二自由度模型和原型模型分别进行了增量动力时程分析,并比较分析了对应的IDA曲线和易损性曲线。结果表明:该文方法对单向偏心结构抗震性能评估有较高的精度,可以追踪结构从弹性阶段到防止倒塌各阶段的性态变迁全过程,并进行定量评估,且计算效率大幅提高。
模糊可靠度隶属函数求解的迭代线抽样法
李璐祎, 吕震宙
2011, 28(5): 13-020.
摘要:
针对同时存在随机基本变量和模糊基本变量的结构,提出了一种模糊可靠度隶属函数求解的迭代线抽样方法。所提方法首先求得给定隶属度水平下模糊基本变量的取值域。然后通过优化建模和迭代策略,求得使功能函数取最值的模糊基本变量取值点,并求得对应的缩减后的随机变量空间内功能函数的设计点。最后基于功能函数最值对应的模糊基本变量取值点及其相应的设计点,运用线抽样法求得给定隶属水平下可靠度值的上界、下界,进而得到模糊可靠度的隶属函数。对于每个给定隶属度水平对应的模糊变量取值域,所提方法通过寻找功能函数的最值代替寻找可靠度最值的策略,大大降低了计算量。另外,所提方法通过迭代过程保证功能函数最值对应的设计点收敛于可靠度最值对应的设计点,并通过线抽样方法来求解相应的可靠度,可以保证算法具有较高的精度。该文算例将对所提算法的优越性进行验证。
非概率可靠性中一维优化算法的改进及其在桥梁评估中应用
陈旭勇, 樊建平
2011, 28(5): 21-025,.
摘要:
为了减少非概率可靠性指标的计算量,提出了改进的一维优化算法。将区间变量转换为标准化区间变量后,得到了关于失效面的极限状态方程。在扩展空间中,通过缩小区间变量的取值范围能方便的确定目标函数的单调性。进一步,为了显示求解非概率可靠性指标的计算过程,提出了非概率可靠性指标的改进一维优化算法的计算步骤。讨论了在役桥梁的非概率可靠性评估。最后,通过实例分析,论证了改进的一维优化算法的有效性和实用性,适合在役桥梁非概率可靠性指标的求解。
节理岩体本构模型数值模拟及其验证
张敏思, 王述红, 杨 勇
2011, 28(5): 26-030.
摘要:
为了深入研究节理裂隙岩体的破坏机理,基于Mohr-Coulomb准则,利用(PFC)离散元程序,引入颗粒接触连接本构关系,建立了含孔洞岩样Burgers蠕变模型,以数值模拟的应力-应变曲线与试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取的准则,并利用获得的力学参数对含孔洞节理岩体破坏过程进行数值再现,模拟了不同颗粒单元参数试样的宏观变形、损伤、破坏过程,同时验证了所建立的岩样Burgers模型在岩体损伤破坏领域应用的可行性。算例部分利用所建立模型对含孔洞节理岩体在加载条件下的破坏机制进行了讨论,该破坏机制可以用于实际工程的破坏模式预测和岩体工程的稳定性评价。
TLD-结构体系转化为TMD-结构体系的减振计算方法
柳国环, 李宏男, 国 巍
2011, 28(5): 31-034,.
摘要:
提出了调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)转化为调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对结构减振控制的计算方法,采用该方法可方便地采用能够容易数值模拟的TMD实现TLD对结构的减振控制分析。TLD-结构体系转化为TMD-结构体系的理论推导过程简洁、物理概念清晰,并通过实例分析了一幢250m的高层建筑结构,进而说明该文方法的可行性与合理性,可便于结构工程师直接利用商业有限元程序对TLD-结构体系进行数值仿真。
基于区间B样条小波有限元的移动荷载识别
尤 琼, 史治宇
2011, 28(5): 35-040.
摘要:
小波有限元以区间B样条小波尺度函数为插值函数构造小波有限元单元,并通过单元转换矩阵建立小波空间与物理空间各参数之间的关系。采用动态规划法与Tikhonov正则化法识别移动荷载,避免了直接处理反问题时的振荡与数值计算病态解等问题。算例采用所测得的部分离散点的动态响应数据为已知信息,验证了小波有限元的优越性及小波的多尺度特性,仿真结果表明,在相同条件下与传统有限元模型相比,小波有限元模型单元较少,识别精度较高;且可根据不同的识别精度要求自由选取所需的小波尺度。
结构可靠度分析中变量相关时三种变换方法的比较
吴帅兵, 李典庆, 周创兵
2011, 28(5): 41-048,.
摘要:
介绍了Orthogonal变换、Rosenblatt变换和Nataf变换三种变换方法的基本原理,并比较了三种变换方法的优缺点及其适用范围。采用算例详细地比较了三种变换方法对可靠度结果的影响。结果表明,Nataf变换和Orthogonal变换的根本区别在于Nataf变换考虑了相关变量变换到相关标准正态空间后相关系数的变化,两种变换可靠指标的差值与变量的变异系数、变量间相关系数以及变量的分布类型都有关系,变量变异系数的影响尤为明显。采用FORM方法计算可靠指标时,Rosenblatt变换的不同变量顺序的可靠指标是不同的。当变换后的独立标准正态空间中功能函数曲线或曲面验算点处非线性程度很高时,采用三种变换时,FORM方法均不能准确地估计可靠指标。鉴于Nataf变换同时具有计算精度高和适用范围广两个优点,结构可靠度计算时宜优先采用。
有限变形理论能量释放率增率形式
宋彦琦, 吕艳伟
2011, 28(5): 49-053.
摘要:
基于有限变形理论中的能量原理和变分原理,考虑以有裂纹的瞬时位形为参考,建立增量变形引起的裂纹扩展方程能够更真实的描述裂纹尖端的扩展机制,在含有裂纹物体的瞬时变形的基础上,推导了裂纹体的能量释放率和增率的形式,提出了裂纹扩展判据。该判据反映了单位时间内裂纹扩展单位面积可以提供的能量与单位时间内裂纹扩展单位面积所需要的能量之间的关系,为研究裂纹尖端的扩展问题提供了新的方法。
土木工程学科
十字型刚架中轴压柱面外稳定性设计方法研究
王永海, 郭彦林
2011, 28(5): 54-063.
摘要:
出于使用功能的考虑,在多高层结构中多层楼板抽空后形成通高区。在通高区内,外筒框架柱无任何面外支撑,其面外失稳常常控制结构的设计。该文针对通高区多层群柱的基本组成单元——两层两跨的十字型刚架中轴压柱的面外稳定性能进行了研究,提出了其面外稳定性设计方法。首先,剖析了十字型刚架中轴压柱发生面外失稳的主要影响因素,并按照面外支撑刚度相等的原则提出了等效研究模型,即柱跨中带侧向弹簧支撑的轴压柱。然后,通过对等效模型的弹性屈曲研究发现:当弹簧支撑刚度 低于其弹性临界值 ,柱子的屈曲荷载随弹簧刚度 线性增加;而当 时,柱子的屈曲荷载保持不变。据此特征该文建立了柱子的屈曲荷载和计算长度系数与柱跨中弹簧刚度 的简化关系式,并给出了弹性临界支撑刚度 的计算公式。最后,通过对等效模型的弹塑性极限承载力研究,验证了采用该文提出的计算长度系数计算公式并结合我国钢结构设计规范中柱子稳定曲线对轴压柱进行稳定性设计是适合的,但对中小长细比的柱子太过富裕。同时,极限承载力研究还发现了等效研究模型弹塑性失稳对应临界支撑刚度 弱于弹性柱子对应的 ,而且当实际支撑刚度小于 时,柱子的稳定系数也表现为随弹簧刚度线性变化。通过深入剖析,提出了 的计算公式,并基于此建立了更加简便、精确的轴压柱稳定性简化设计公式,从而构建起了一种新的设计方法。
混凝土裂缝扩展过程中裂尖张开口位移(CTOD)与裂缝嘴张开口位移(CMOD)的变化关系分析
徐世烺, 张秀芳, 卜 丹
2011, 28(5): 64-070.
摘要:
裂缝尖端张开口位移(CTOD)和裂缝嘴张开口位移(CMOD)是衡量裂缝张开程度的两个指标。该文进行了楔入式紧凑拉伸混凝土断裂试验,研究了在裂缝扩展的整个过程中裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移之间的关系。发现,裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移关系曲线可以用三线性模型来描述,两个转折点与裂缝的起裂和临界失稳扩展相对应。讨论了高度对起裂时和失稳时对应的裂缝尖端张开口位移和裂缝嘴张开口位移的影响规律。根据铰链模型,给出了计算裂缝尖端张开口位移(CTOD)的计算公式,与试验结果吻合较好。
漩口中学典型框架结构震害模拟与分析
马玉虎, 陆新征, 叶列平, 唐代远, 李 易
2011, 28(5): 71-077.
摘要:
该文以汶川地震震中附近的漩口中学教学楼和办公楼框架结构震害为背景,对其进行了模拟分析。针对震害特征,提出了微观-宏观多尺度有限元分析模型,以更准确的模拟结构的实际震害。在此基础上,为提高计算分析效率,结合微观-宏观多尺度有限元分析模型,提出能考虑楼板影响和基础转动的改进宏观有限元分析模型。采用多尺度模型和改进的宏观模型,用弹塑性动力时程分析模拟了漩口中学教学楼和办公楼框架结构的倒塌过程,对其倒塌模式、倒塌机理及其影响因素进行了分析比较,找出了影响结构抗倒塌能力的关键部位,为改进框架结构抗震倒塌能力设计提供了参考。
多排柱腔列对平面P波和SH波的隔离
徐 平
2011, 28(5): 78-083.
摘要:
运用复变函数的保角映射方法和波函数展开法,利用P波和SH波耦合散射的特性,根据土体在柱腔壁处完全自由(即径向应力和切向应力为零)的边界条件,得到了多排柱腔列构成的非连续屏障对平面P波和SH波隔离的二维平面问题的理论解,通过绘制屏障后归一化位移(同一点处由入射和散射波产生的总位移与入射波单独产生的位移之比)的等值线图,分析了多排柱腔对平面P波和SH波的隔离效果,并与单排刚性桩作了对比,结果表明:(1) P波和SH波的隔离效果都随着柱腔排数的增多而明显提高;(2) 在半径、间距和屏障整体宽度相同的条件下,要超过单排刚性桩屏障的隔离效果,对于P波,需两排柱腔,而对于SH波,则需三排柱腔。这为多排柱腔屏障的隔振设计提供了理论依据和参考。
钢筋混凝土柱基于能量阈值的损伤准则
吕 杨, 徐龙河, 李忠献, 丁 阳
2011, 28(5): 84-089.
摘要:
提出一种基于能量阈值的评估钢筋混凝土柱竖向剩余承载力的损伤准则。该损伤准则是单步能量阈值与总滞回耗能的线性组合,能反映能量阈值与总能量相互耦合的影响。对振动台试验的数据、拟静力试验数据和数值算例进行了模拟分析,结果表明,基于能量阈值的损伤准则能很好评估各种工况下钢筋混凝土柱竖向剩余承载力,可用于建筑和桥梁结构地震作用下失效路径分析。
波形钢腹板-混凝土组合箱拱面内受力全过程试验研究
韦建刚, 黄卿维, 陈宝春
2011, 28(5): 90-096,.
摘要:
波形钢腹板-混凝土组合箱拱是一种新型的组合拱结构。进行了该组合拱模型的面内两点非对称加载试验。建立了考虑材料与几何双重非线性的有限元模型,对模型拱面内受力全过程进行了分析,有限元计算结果与试验结果吻合良好。研究表明,波形钢腹板-混凝土组合模型拱在弹性阶段的截面纵向应变满足“拟平截面假定”,挠度计算中需考虑波形钢腹板剪切变形的影响。与平钢腹板-混凝土组合箱拱、混凝土箱拱的破坏机理进行了比较,提出波形钢腹板-混凝土组合箱拱极限承载力的简化计算方法。
混凝土箱梁桥的横隔梁拉压杆模型及配筋设计
郑和晖, 刘 钊, 贺志启
2011, 28(5): 97-104.
摘要:
对混凝土箱梁墩顶横隔梁的拉压杆模型构形及其配筋设计方法进行了研究。首先讨论横隔梁力学边界条件的合理简化,提出了等效计算图式。根据深梁典型拉压杆模型并结合荷载传递路径的分析,给出了实心及开洞两种横隔梁的拉压杆模型。进一步研究揭示了该区域拉压杆模型构形有以下特点:对于高宽比为0.5―1.2的双支承横隔梁,高宽比及支承间距决定了模型中水平方向拉压杆间力臂长度及斜压杆倾角;对于高宽比为1.2―2的双支承横隔梁,模型可由双支承典型深梁及小高宽比双支承横隔梁模型组合而成,且构形不再受支承间距的影响;此外,洞口大小及位置会改变荷载传递路径,从而也影响到模型中斜压杆的倾角。以该文提出的横隔梁拉压杆模型为基础,并结合美国AASHTO公路桥梁设计规范,给出了墩顶横隔梁配筋设计方法。设计示例表明该方法具有良好的实用性,可供工程设计参考。
基于开关控制的智能预应力结构模型试验
徐伟炜, 吕志涛, 丁汉山
2011, 28(5): 105-110.
摘要:
针对活载与恒载比值高的情况,提出了梁中预应力随活载变化而变化的智能控制方法,即根据梁承受的荷载情况,在梁中配置适当的智能锚具,通过智能锚具的顶升、回缩改变梁中的预应力大小,从而实现梁监控点处的挠度或应变始终被控制在目标范围内。基于开关控制算法,采用模拟信号控制系统进行了智能预应力简支梁在缓慢移动荷载作用下的挠度控制试验,采用数字信号控制系统进行了智能预应力斜拉桥在缓慢移动荷载作用下的应变控制试验。试验结果验证了控制思想的可行性,同时为快速移动荷载下的智能控制提供试验基础。
剪力墙非线性宏观单元的研究与单元开发
陈学伟, 韩小雷
2011, 28(5): 111-116,.
摘要:
罕遇地震作用下剪力墙构件易进入塑性阶段而发生弹塑性损伤,准确地模拟剪力墙构件进入非线性状态后的力学行为对评价剪力墙结构的抗震安全性及基于性能的抗震设计具有重要的意义。通过面向对象语言编制了基于宏观单元的结构弹塑性分析软件平台MESAP及多竖向弹簧剪力墙单元(MVLEM),采用材料本构及Fischinger学者提出的轴向弹簧本构对按我国规范设计的剪力墙低周往复荷载试验进行分析,其滞回曲线吻合程度较高,表明该单元能够反映剪力墙构件的强非线性行为,且精度较高。
钢框架结构基于变形可靠度的全概率抗震设计
吕大刚, 贾明明
2011, 28(5): 117-123.
摘要:
我国抗震设计规范的抗震设计方法并不是真正意义上的概率极限状态设计,结构可靠度的应用也没有体现出结构的体系可靠度设计水平,因此该文提出了基于变形可靠度验算的二阶段抗震设计方法。该方法采用结构可靠度的数值模拟方法,通过验算小震作用下结构构件承载能力极限状态下的抗震可靠度,验算结构小震作用下正常使用极限状态下和大震作用下侧向倒塌极限状态下的整体变形抗震可靠度,实现结构构件和结构体系两个层次上的全概率设计。该文给出了该方法的设计步骤,并结合钢框架结构设计实例验证了该方法的可行性。基于可靠度理论的全概率抗震设计方法是抗震设计发展的必然趋势,该文提出的方法将为结构的全概率抗震设计提供一定的借鉴。
基于损伤的型钢混凝土构件数值分析
王 斌, 郑山锁, 李 磊
2011, 28(5): 124-128,.
摘要:
为了对型钢混凝土构件进行精细化建模分析,首先建立了仅依靠材料参数的混凝土本构关系以及损伤演化方程,根据型钢应变的发展以及屈曲影响,得到了型钢损伤本构模型。通过对型钢与混凝土粘结-滑移机理的进一步分析,进而建立了一种同时考虑粘结损伤和力学损伤的型钢与混凝土界面损伤模型,以合理考虑粘结-滑移对构件力学性能的影响。最后,对型钢混凝土框架柱试件进行了数值分析,通过与低周反复荷载作用下型钢混凝土框架柱试验所得滞回曲线的对比,发现该数值模拟计算结果较为精确,同时所提出的材料损伤模型较好地反映地震作用下型钢混凝土构件力学特性的变化。研究结果可为型钢混凝土结构地震作用下的非线性分析提供理论 参考。
钢纤维混凝土工业地坪有限元分析方法研究
王怀亮, 王 健
2011, 28(5): 129-134.
摘要:
采用三维非线性有限元方法对钢纤维混凝土工业地坪的工作状况进行了分析和研究。该模型将钢纤维混凝土工业地坪等效为弹性地基上的钢纤维混凝土板,采用改进后的Willam-Warnke五参数准则作为钢纤维混凝土的破坏准则,考虑了钢纤维混凝土的非线性特征以及因板内温度差产生温度应力等的影响,并将计算得到的荷 载-挠度曲线、极限承载力及裂缝开展等与试验结果进行了对比,两者吻合良好,验证了建立的有限元模型的准确可靠。
纤维增强水泥薄板及其复合梁抗弯性能研究
李启宏, 张 君, 赵金平
2011, 28(5): 135-142.
摘要:
实验研究了纤维对水泥基复合材料抗弯性能的影响。结果表明,聚乙烯醇(PVA)纤维增强挤压脱水成型板材在弯曲荷载作用下呈现多点开裂、应变硬化的特性,具有良好的延性,聚丙烯(PP)纤维增强挤压脱水成型板材呈应变软化的特性,木纤维增强挤压脱水成型板材则呈脆性破坏;与普通混凝土梁相比,冷浇和热浇纤维增强板-混凝土组合梁的抗弯强度和相应挠度均有较大提高,组合梁中复合材料层厚度的增加,组合梁的抗弯强度及相应挠度增大;与PP纤维相比,PVA纤维增强热浇组合梁的强度及对应挠度值都高,且当复合材料层的厚度达50mm时组合梁呈应变硬化特性。
斜腹杆体外预应力索内力分析
宋 彧, 王永杰, 李爱鹏
2011, 28(5): 143-148.
摘要:
基于传统体外预应力加固技术,提出了斜腹杆索结构体外预应力加固技术;以简支梁的加固为研究对象,对加固后组合结构体系的参量做了基本假定,建立了索结构理论模型并进行了推导,得到了组合结构中索变形增量的计算式和索张力的计算式;在索结构计算中改变了索长不变的假定,分析了索变形、索张力与荷载的关系。结果表明:索结构形状曲线为椭圆的一部分;索的最大水平张力位于跨中处,锚固点的水平力最小,该受力特点既能充分发挥索抗拉能力强的优势,又能减小索的水平分力对梁的不利影响;在沿索长的径向均布荷载作用下,索的长度增量与跨中挠度增量呈非线性关系,迭代计算时其精度与载荷步距大小有关,步距越小精度越高,反之则低。分析结果为新技术的应用提供理论参考。
基于扩展有限元方法的路基不均匀沉降纵向裂缝分析
冯德成, 田 林, 曹 鹏
2011, 28(5): 149-154.
摘要:
纵向裂缝是北方寒冷地区道路结构的重要灾害之一,它严重的影响了路面结构的性能和功能。该文基于扩展有限元方法对于路面在发生不均匀土基沉降时纵向裂缝的扩展进行了研究,通过数值模拟对比发现,虽然重载荷导致了纵向裂缝产生,但是实际控制路面纵向裂缝产生与发展的是土基的沉降量和路面结构的边界约束。同时该文使用了一种弹性模量衰减的方式模拟了土基随时间的不均匀沉降,通过这一方法,可以将土基随时间的沉降量转化到力学计算当中。该文研究成果为预测路面纵向裂缝扩展提供了一种工程参考。
增强纤维约束混凝土柱应力-应变模型RBFNN改进计算方法
吴毅彬, 金国芳
2011, 28(5): 155-160.
摘要:
为提高增强纤维约束混凝土柱应力-应变模型中特征点(峰值应力、应变)的计算精度,针对已有文献资料提出的特征点近似计算公式的不足,引入径向基函数,以混凝土轴心抗压强度、FRP抗拉强度、FRP环向约束体积比、拐角半径与截面短边比值及截面长宽比为输入参数,峰值应力比、峰值应变比为输出参数,建立特征点的径向基网络模型。模型计算结果表明,采用训练成熟的径向基网络模型具有较高的非线性映射能力,可较大幅度提高特征点的计算精度与效率。在此基础上,利用模型计算结果改进已有应力-应变模型,并编制了相应的计算程序,结果表明,改进算法的计算结果与其他文献报道的试验结果吻合良好,具有较广泛的适用性。
冻融荷载耦合作用下岩石损伤力学特性
张慧梅, 杨更社
2011, 28(5): 161-165.
摘要:
以寒区岩体工程为背景,针对冻融受荷岩石,从细观力学机理出发,运用宏观唯象损伤力学和非平衡统计的概念和方法,得到了以冻融循环次数和应变为损伤演化控制变量的损伤演化方程;应用推广后的应变等价原理,建立了较为真实的岩石冻融受荷损伤扩展本构关系;探讨了岩石材料细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化途径。研究表明:岩石的冻融损伤是一个疲劳损伤破坏过程;冻融与荷载的双重作用对岩石损伤的影响表现出明显的非线性特征,其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性、初始损伤状态确定冻融循环和应变对损伤扩展的影响特性。
基于应变能等效的大跨屋盖结构背景响应等效静力风荷载
李玉学, 杨庆山, 田玉基
2011, 28(5): 166-171.
摘要:
根据结构应变能等效,推导了大跨屋盖结构背景响应等效静力风荷载表达式,解决了大跨屋盖结构等效静力风荷载计算中需要兼顾多个等效目标的问题,并赋予了其明确的物理意义,即将其与脉动风荷载下结构的应变能联系起来。最后将该方法应用于国家体育场屋盖结构背景响应等效静力风荷载的计算以验证其有效性。
圆钢管混凝土T型焊接节点应力强度因子计算方法研究
顾 敏, 童乐为, Zhao Xiao-ling, 王笑峰
2011, 28(5): 178-185.
摘要:
主管内填充混凝土的圆管桁架是一种新型结构,鉴于断裂力学评估这种结构疲劳性能的需要,该文探讨了圆钢管混凝土T型焊接节点在支管轴拉力作用下的应力强度因子计算方法。首先,根据节点的热点应力分布和疲劳裂纹试验结果,提出了节点断裂力学分析的半椭圆表面裂纹模型。其次,推导了主管、支管及混凝土等部分的参数变换公式,并通过ANSYS软件中的APDL工具编制程序实现了有限元建模、裂纹前沿奇异单元构造;最后,采用位移外推法计算了应力强度因子。计算结果表明:该文有限元分析模型是可靠的,数值方法计算带表面裂纹的钢管混凝土节点的应力强度因子是可行的。
机械工程学科
全断面岩石掘进机盘形滚刀布置规律研究
张照煌, 乔永立
2011, 28(5): 172-177.
摘要:
全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的布置理论和布置规律是全断面岩石掘进机研制的理论基础。通过对全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩运动的深入分析和研究,提出了盘形滚刀在刀盘上布置的基本原则,探讨了盘形滚刀破岩的垂直力、切向力、侧向力和惯性力并给出了其理论计算式;探讨了这些力对刀盘的作用特点,从而提出了全断面岩石掘进机破岩工作时的刀盘受力平衡理论,建立了基于刀盘平衡的盘形滚刀在刀盘上布置的数学力学模型,深入研究了该模型的结构,给出了其求解方法和求解步骤。以某引进型号全断面岩石掘进机盘形滚刀在刀盘上的布置为案例进行了对比验证分析,证明所建立的数学力学模型及其求解方法、求解步骤和结果是正确的,从而为全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的布置提出了切实可行的方法。
其他工程学科
张力结构的动态控制研究
许 贤, 罗尧治, 沈雁彬
2011, 28(5): 186-193.
摘要:
具有柔性特质的张力结构在各种动态激励的作用下将发生较高水平的振动,当这些振动超过一定限度时将对结构的功能与安全造成不利的影响,需要采取一定的措施加以控制。针对张力结构的动态控制问题展开研究,推导了张力结构的机电耦合控制方程,提出了结合Newmark算法的非线性瞬时最优控制算法(IOC)。分别采用线性二次型控制算法(LQR)与瞬时最优控制算法对索穹顶结构进行了主动控制模拟,比较了两种算法的控制效率,研究了作动器数量与布置位置对控制效果的影响。验证了张力结构的可控性,同时为张力结构主动控制中优化算法的选择及作动器的布置提供指导依据。
基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析
杜敬利, 保 宏, 崔传贞
2011, 28(5): 194-199.
摘要:
现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同。为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵。然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧。于是便可将索牵引并联机器人等效为弹簧支撑并联机器人,从而利用现有的刚度分析结论即可完成大跨度索牵引机器人的刚度分析。最后,以大射电望远镜的索支撑系统为例研究了其刚度特性。
阻尼比对延性需求谱的影响
刘艳辉, 赵世春, 强士中
2011, 28(5): 200-206.
摘要:
阻尼比取值差异必然对结构响应计算结果产生影响。该文在PEER强震记录库中选择了434条水平向地震记录,并将其按我国现行抗震设计规范进行场地类别和设计地震分组的划分,对阻尼比为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10的单自由度结构体系,进行弹塑性时程分析,得到了在不同阻尼比取值时,考虑不同场地类别和设计地震分组的阻尼比影响系数曲线。分析结果表明:阻尼比影响系数随结构屈服强度系数的变化不显著,屈服强度系数对阻尼比影响系数的影响可以忽略;阻尼比系数与结构的自振周期近似成直线关系,取值基本在0.75―1.25之间变化;阻尼比影响系数存在不敏感区,不敏感区的自振周期的分布范围受场地类别和设计地震分组的影响。最后,通过非线性回归分析,提出了在不同场地类别和地震动特征周期下的阻尼比影响系数取值的函数表达式。
预应力钢丝缠绕剖分-组合大型挤压筒的热应力分析
刘长勇, 张人佶, 颜永年, 林 峰, 张 磊
2011, 28(5): 207-211.
摘要:
预应力钢丝缠绕剖分-组合挤压筒与传统挤压筒相比具有重量轻、疲劳性能好、制造难度与成本低等优势。传统的预应力钢丝缠绕筒体理论计算方法忽略了温度的影响,不适宜于热挤压筒的设计计算。该文采用线性热弹性理论、预应力钢丝缠绕理论以及弹性力学理论对挤压筒在预紧状态、预热状态和工作状态下的应力分布分别进行了分析,得出应力分布的解析公式。理论分析和计算证明,预紧系数、挤压筒内表面温度对稳态温度场下挤压筒的热应力分布起决定作用,通过调整挤压筒的内表面温度和预紧系数可使热应力控制在许用范围内,从理论上证实了在一维稳态温度场假设下预应力钢丝缠绕剖分-组合挤压筒的可行性,目前该类型的挤压筒已应用于我国已建成的360MN/150MN垂直挤压机组中。
输电线雾凇覆冰过程的二维数值模拟
郭 昊, 刘沛清, 屈秋林, 刘胜春, 王景朝, 邸玉贤
2011, 28(5): 212-218,.
摘要:
基于拉格朗日法提出了一种输电线表面雾凇覆冰过程的二维数值模拟方法。采用同位网格上的SIMPLE算法求解非定常不可压缩流动的RANS方程和SST-k-湍流模型以获得空气流场;采取拉格朗日法跟踪流场中过冷水滴的运动轨迹得到输电线表面各控制体的瞬时局部碰撞率;求解基于Messinger控制容积法建立的覆冰热力学方程以获得各控制体的雾凇覆冰温度,并结合覆冰时间推进法模拟覆冰过程。研究结果表明,预测的冰形与文献中的实验测量数据吻合较好,证明该文的方法是可行和有效的。
高应变动测技术在海洋石油平台桩基工程中的应用研究
赵 亮, 闫澍旺, 樊之夏, 尹汉军
2011, 28(5): 219-225.
摘要:
针对目前国内海洋石油平台桩基工程中打入大直径超长桩时经常出现的拒锤、应力过大造成坏桩等工程问题,海洋工程中急需填补在桩基打入的同时缺少必要的监控手段和在打桩结束后缺少检验桩基设计承载力方法的空白。在海洋桩基工程很难做静载试验的情况下,在国内首次使用高应变动测技术对海洋石油平台桩基打桩过程进行全程监控,并且进行了评估其桩基承载力的复打测试。在试验的基础上,重点研究分析了高应变动测在海洋石油平台全程监控中的适用性以及在评估其桩基承载力方面的可靠性。结果表明高应变动测技术在海洋石油平台桩基监控和检验方面具有重要作用。
闭链双臂空间机器人动力学建模及载荷基于滑模补偿的力/位置混合控制
陈志煌, 陈 力
2011, 28(5): 226-232.
摘要:
讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统的动力学建模与控制问题。利用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了双臂空间机器人及抓持负载的动力学模型,并结合漂浮基空间机器人固有的动力学特性及闭合链约束几何关系,获得了抓持系统合成动力学方程。以此为基础,考虑到闭链双臂空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了系统参数不确定情况下该抓持系统基于滑模补偿的力/位置混合控制方案;从而达到对抓持负载位置与所受内力的双重控制效果。系统数值仿真,证明了上述控制方案的有效性与精确性。
一种粘滞阻尼体系阻尼矩阵识别新方法
刘福顺, 王卫英
2011, 28(5): 233-238,.
摘要:
阻尼是结构动力学分析的重要参数,对阻尼矩阵的估计一直是动力学建模的难点。该文提出一种适用于粘滞阻尼体系的阻尼矩阵识别方法。该方法的一个优点是能够考虑阻尼矩阵中非零元素的不同分布形态;另一个优点则是应用有限的低阶实测模态可相对准确的估算结构的阻尼矩阵,从而更好的适应目前只有有限的低阶模态能够相对准确测得的现状。该文采用5自由度的弹簧-质量-阻尼体系验证方法的正确性与有效性。数值结果表明:1) 该方法能够很好的匹配任何一阶或多阶所关心的实测阻尼比;2) 应用有限的低阶实测模态时可相对准确的估算结构的阻尼矩阵。
集中缺陷对蜂窝材料面内动力学性能的影响
张新春, 刘 颖, 章梓茂
2011, 28(5): 239-244.
摘要:
利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA数值研究了三角形和四边形蜂窝材料中集中缺陷对其面内冲击性能的影响。研究结果表明,对于集中缺陷,除了缺陷率,缺陷集中区域的位置也是材料设计中需要考虑的重要指标。随着缺陷率的增加,蜂窝材料的平台应力和能量吸收能力迅速降低,但随着冲击速度的增加,缺陷的影响逐渐减弱。缺陷集中区域的位置对材料的动力学响应有较大影响,而三角形蜂窝表现出更强的敏感性。此结论将为多孔材料的动力学优化设计提供了理论指导。
摆锤式间接杆-杆型SHTB装置的研制及FEM仿真分析
李运良, 门朝举, 谭书舜, 文 潮, 王占江
2011, 28(5): 245-250,.
摘要:
在充分调研国内外SHTB装置的基础上,以较小的费用建成了一套摆锤式间接杆-杆型SHTB装置。动力装置为改造后的摆锤式冲击试样机,摆锤撞击速度为5m/s(不可调节),能量为300J。入射脉冲产生的关键技术为:通过金属短杆(材料为LY12cz)连接撞块与入射杆,摆锤撞击撞块,使短杆由弹性变形快速过渡到塑性变形直至断裂,入射杆中的入射脉冲并非由锤头撞击撞块直接产生,而是利用了短杆的塑性流动过程产生的,短杆的尺寸决定了入射脉冲的脉宽及高度。此技术调节并控制了冲击试样机对入射杆能量的输出,在试样内产生的应变率范围为100/s―1600/s。该文重点介绍了自行研制的摆锤式间接杆-杆型SHTB装置各关键部件的构造,结合某次16MnR材料性能实验分析了应力方波在拉杆中的传播过程,并给出了该次16MnR试样的应变率与应力-应变关系。还简单介绍了该系统实验得到的钛合金焊接材料及不锈钢与16MnR复合板焊接材料的应力-应变关系。最后采用非线性动态显式有限元分析软件ANSYS-LS DYNA模拟了短杆的拉断与入射杆内入射脉冲形成的过程,对入射脉冲产生的原理进行了较深入分析,为短杆及试样尺寸的设计提出了有益的指导。自研SHTB装置的主要优点为结构简单,实验成本低。
粒子侵蚀下三元乙丙绝热材料炭化层破坏特性实验研究
徐义华, 胡春波, 李 江
2011, 28(5): 251-256.
摘要:
应用模拟固体火箭发动机烧蚀环境的炭化层制样装置制备三元乙丙绝热材料炭化层,分析了三元乙丙绝热材料炭化层结构特点,并设计了一套粒子侵蚀装置,对侵蚀角度为30°、60°和90°工况进行了三元乙丙绝热材料炭化层的粒子侵蚀破坏试验,应用高速摄影系统记录粒子侵蚀炭化层过程,经过分析计算得出了炭化层的剪切极限强度和抗压极限强度,为建立气流和粒子冲刷下的绝热材料烧蚀模型提供炭化层的力学性能参数。