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2012年  第29卷  第7期

基本方法
改进的Berman-Baruch法在非比例阻尼有限元模型修正中的应用
祁泉泉, 辛克贵
2012, 29(7): 1-5. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0743
摘要:
该文首先利用识别后的复模态计算出结构的正交模态,然后在Berman-Baruch优化矩阵型法(BB法)基础上提出并推导了改进的Berman-Baruch法(IBB法)。该方法定义了合理的优化目标函数,克服了BB法需要质量归一化模态振型的约束,修正后的模型可保持明确的物理意义和带状特性。该文通过一6个自由度的非比例阻尼质量弹簧阻尼(MSD)系统和实验室下的一6个自由度的框架结构模型修正的计算和比较,验证了IBB 法的有效性和实用性。
梁板耦合建模中连接负载对系统功率流特性影响研究
肖和业, 盛美萍, 任杰安
2012, 29(7): 6-11. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0674
摘要:
为了能够更准确预报梁、板耦合系统的功率流特性,在功率流模型解耦过程中引入梁、板连接负载,分析了输入梁、板的功率流,与有限元的分析结果对比,验证了含有连接负载的耦合模型的正确性,从而表明功率流的耦合建模中需要引入连接负载。通过改变结构参数、边界刚度,研究了忽略耦合模型连接负载引起功率流特性分析的误差规律,数值仿真结果表明:随着梁板长度比增大,结构边界刚度的减小,忽略连接负载造成的功率流分析结果误差增大,此时在梁板耦合建模中必须考虑连接负载;梁与板厚度接近时,考虑与不考虑连接负载的仿真数值相近,为了方便计算,可以在建模中忽略连接负载。
裂纹扩展问题的改进XFEM算法
茹忠亮, 朱传锐, 赵洪波
2012, 29(7): 12-16,23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0686
摘要:
利用扩展有限元法计算裂尖附近应力、位移场,进而得到裂尖应力强度因子和开裂角;水平集法描述、追踪裂纹,并由单元结点水平集值判别单元类型;将二者结合起来分析处理裂纹扩展问题。针对水平集判别倾斜裂纹单元类型的不足,分析问题的原因,并给出解决方案。最后,通过典型算例分析,表明将扩展有限元法与水平集法结合分析裂纹扩展问题时具有不需网格重构,裂纹与网格相互独立的特点;同时验证了笔者提出解决方案的准确性和可行性。
各向同性衰变湍流的直接数值模拟研究
吴韶华, 张健
2012, 29(7): 17-23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0710
摘要:
该文对各向同性衰变湍流进行了直接数值模拟。获得了衰变湍流的瞬态特性,研究了在谱空间以波数为半径的不同球面处能量分布的特性。计算结果显示:在谱空间的每一个球面或波数处,动能与拟涡能都有一定的分布范围。在大部分的波数处,能量的分布跨越了几个量级。在同一动能与拟涡能处,波数的分布也有着较大的跨度。在相同的无量纲波数处,动能与拟涡能的概率密度函数(PDF)有着相同的分布形状,且不随湍流的衰减而改变。当运动尺度远离Kolmogorov尺度时,不同波数处拟涡能的PDF 分布形状有着较好的一致性。当运动尺度逐渐接近Kolmogorov 尺度时,PDF 分布的形状逐渐发生变化,PDF 的峰值向低拟涡能处移动且峰值增大,高拟涡能区域的PDF值有所降低。
功能梯度压电双材料板中厚度-扭曲波的传播
孔艳平, 刘金喜
2012, 29(7): 24-28,41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0720
摘要:
分析了厚度-扭曲波在无限大功能梯度压电双材料板中的传播性能,板的上表面和下表面是机械自由和电学开路的,材料常数在厚度方向按指数规律变化。首先推导了满足控制方程和边界条件的电弹场,然后利用界面条件得到了厚度-扭曲波传播所应满足的关系。通过算例表明了材料梯度变化对厚度-扭曲波传播性能的影响,结果对功能梯度压电材料在声波器件中应用有参考价值。
基于多元L-P法的复合材料圆柱壳内共振分析
王延庆, 梁力, 郭星辉, 杨坤
2012, 29(7): 29-34. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0747
摘要:
以不同材料构成的复合材料圆柱壳作为研究模型,考虑几何非线性,动态弹性模量等因素,根据Donnell’s简化壳理论及经典层合壳理论建立其非线性振动方程。采用Galerkin 方法对振动方程进行离散化,应用多元L-P法求解了系统包含两个相邻轴向模态的非线性振动响应,得到了反映复杂内共振的幅频特性曲线,表明能量在两个模态之间相互传递,彼此影响牵制,系统存在1:1 内共振现象。最后利用多尺度法与多元L-P 法所得结果进行比较,得到了相同的结论。
层合梁脱层分析的精细解法
张文志, 富明慧, 林敬华
2012, 29(7): 35-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0764
摘要:
提出了层合梁脱层分析的一种半解析模型及相应的精细积分法。首先沿层合梁面内离散,由修正Hellinger-Reissner 变分原理导出各层的半解析方程。然后将各层等分为若干子层,利用相邻子层间状态量的精细积分关系式,将半解析方程转化为一组几乎无离散误差的代数方程。最后,利用各层代数方程系数矩阵的块三对角形式,建立了一种高效的递推消元方法。该文方法不仅具有极高的精度和效率,同时还能处理多种边界条件(包括脱层条件),以及能很好地克服病态的影响。数值算例充分证明了该文方法的有效性。
基于一阶剪切变形理论和移动最小二乘近似的加肋板屈曲临界荷载求解
彭林欣, 杨绿峰
2012, 29(7): 42-48,55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0725
摘要:
针对加肋板屈曲临界荷载的求解,提出了一种基于一阶剪切变形理论和移动最小二乘近似的无网格方法。该方法将加肋板的肋条和平板分开考虑,肋条用梁模型来模拟,按照一阶剪切变形理论和移动最小二乘近似给出平板和肋条的无网格近似位移场,再利用板和肋条交界上的位移协调条件推导出将肋条的节点参数转换成板节点参数的公式,最后通过转换公式,将板和肋条的势能叠加,由最小势能原理得到描述整个加肋板线性屈曲行为的控制方程。该文方法相对有限元的优势在于加肋板肋条不必沿网格线布置,即使肋条位置改变也不需要网格重构。文末通过几个算例比较了该文方法解和采用实体单元的ANSYS 有限元解,两者较为接近,证明了该文方法的准确性。
无域积分的弹塑性边界元法的非线性互补方法
邓琴, 李春光, 王水林, 葛修润
2012, 29(7): 49-55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0782
摘要:
该文引入非线性互补方法来求解边界元法的弹塑性问题,其中方程组由内部点应力方程和反映塑性本构定律的互补函数形成。涉及的域积分采用径向积分法转化为边界积分。通过受内压的厚壁圆筒的应力、位移和荷载-位移情况表明了该算法的精度。
一种基于频率响应曲率的损伤检测多步判定方法
郭杏林, 高海洋, 王盛辉
2012, 29(7): 56-62,83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0784
摘要:
在频率响应曲率指标基础上,提出了一种多步的检测方法,使用少量的传感器进行多步判定,来提高损伤定位的准确性和可靠性。通过简支梁的有限元数值算例,详细比较了改进的模态曲率方法、改进的柔度曲率方法和该文提出的方法对梁状多损伤结构的识别效果和抗噪能力。最后采用试验建模的技术,对局部减薄的多损伤管道和局部裂纹的单损伤管道进行损伤识别试验,结果验证了该方法的优越性,对解决实际工程结构的损伤检测问题具有一定的意义。
一种新型的时域动力无穷单元
吴艺
2012, 29(7): 63-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0767
摘要:
针对频域动力无穷元不便与时域有限元结合的缺陷,采用时域的波传函数,推导出一种新型的时域动力无穷单元,并采用UPFs工具对ANSYS进行二次开发,将其嵌入到ANSYS当中。然后采用经典算例对所提出的新型动力无穷单元进行验证,并将其结果与远置边界、粘性边界、粘弹性边界的结果进行比较。验证结果表明,所提出的新型时域动力无穷单元是成功的,并可方便地实现与时域的有限单元结合。
二维联合分布函数构造方法及其对结构可靠度的影响分析
吴帅兵, 李典庆, 周创兵
2012, 29(7): 69-74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.03.0108
摘要:
研究了2种构造联合分布函数的近似方法:基于Pearson相关系数的近似方法P和基于Spearman相关系数的近似方法S。推导了基于直接积分方法的构件失效概率计算公式。结果表明近似方法P与近似方法S构造的联合概率密度函数的唯一差别是相关标准正态空间中Pearson 相关系数的不同。2 种近似方法的构件失效概率的计算精度取决于失效概率大小、功能函数形式及变量间相关程度。总体来说2种近似方法的计算精度较高,近似方法的失效概率的误差随着失效概率的减小而增加。只有当失效概率小于10-3且失效区域刚好可以反映失效概率差异时,近似方法得到的失效概率才会有较大的误差。
土木工程学科
钢框架不同构造形式焊接节点抗震性能分析
石永久, 王萌, 王元清
2012, 29(7): 75-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0644
摘要:
研究节点的构造形式对于改善钢框架结构的延性、防止发生脆性破坏、提高结构的抗震能力有着重要的意义,为了系统全面地对比不同构造形式对于钢框架焊接节点抗震性能的影响以及构造形式对于节点在地震作用下的反应和破坏形态的改变作用,采用通用有限元软件ABAQUS 建立非线性有限元模型,结合国内外已有的钢框架焊接节点拟静力试验,验证了建立的有限元模型对模拟局部屈曲的准确性和适用性。通过建立九种不同构造形式的节点模型,与标准节点在承载力、刚度、滞回性能、退化特性、断裂倾向指数、破坏形态以及塑性铰位置等进行对比分析,深入探讨不同构造形式节点的受力性能,为工程应用提供重要依据。分析结果表明:剪切域强弱对于节点的破坏模式有较大影响;同时考虑抗震效果、建筑要求以及经济指标,削弱型节点并没有过多的削弱节点承载能力以及刚度,并且滞回性能稳定,“狗骨头”型节点存在侧向稳定性问题,而腹板开洞型节点无论是在滞回性能还是破坏形态方面都具有较好的表现。
SRHSHPC框架结构地震损伤试验研究
郑山锁, 侯丕吉, 张宏仁, 王斌, 于飞, 国贤发
2012, 29(7): 84-92. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0676
摘要:
基于一榀型钢高强高性能混凝土(SRHSHPC)框架结构试件拟静力试验,观测了SRHSHPC 框架结构在低周反复荷载作用下的裂缝开展和破坏模式,得到了框架结构的荷载位移曲线和骨架曲线,通过对试验现象的分析,揭示了SRHSHPC框架结构中梁、柱构件损伤与结构单层破坏之间的关系,引入节点位置权重系数,建立了结构单层地震损伤模型;通过对结构单层损伤与整体结构破坏之间的关系进行分析,建立了SRHSHPC框架结构地震损伤模型。计算结果与试验结果的对比表明:该文所建立的地震损伤模型能够较好地描述SRHSHPC框架结构的地震损伤演化过程与损伤程度,并反映构件损伤、局部结构损伤以及整体结构损伤三者之间迁移演化规律。
基于润扬大桥南塔顶长期监测数据风场特性分析
周广东, 丁幼亮, 李爱群, 邓扬
2012, 29(7): 93-101. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0739
摘要:
通过对润扬大桥健康监测系统获取的长期实测风场数据进行分析,获得了南塔塔顶300d 的平均风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风功率谱等风场特性参数的分布规律以及参数之间相关性的推荐公式。并与跨中风速仪测试数据进行对比分析,得到了平均风速随高度的变化规律以及两点间风场的空间相关性。长期实测结果统计分析表明,润扬大桥悬索桥南塔塔顶的平均风速较小、风向稳定;风场的湍流度比跨中更强,并高出规范建议值近7倍;湍流积分尺度接近正态分布,并与湍流度、平均风速存在一定的相关性;纵向、横向功率谱均与Kaimal 谱相差较大,功率谱密度函数参数与平均风速存在直接相关性;塔顶风场与跨中风场相关性较弱。
考虑水底柔性反射边界的深水桥墩地震动水压力分析
黄信, 李忠献
2012, 29(7): 102-106,116. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.07.0486
摘要:
在深水桥墩地震动水压力分析中一般假定水底为完全反射边界,而忽略水底柔性介质对动水压力波的吸收作用。该文考虑水底柔性反射边界,基于辐射波浪理论,建立了深水桥墩地震动水压力的计算公式,深入分析了水底柔性反射边界对动水压力的影响。研究表明:水底柔性反射边界会在特定的荷载激励频率范围内对深水桥墩动水压力产生影响,且动水压力随水底反射系数的减小而减小,深水桥墩地震动水压力分析可以忽略水底柔性边界的影响。从而为长大桥梁地震灾变过程精细化模拟提供了理论依据。
预应力CFRP加固钢筋混凝土受弯构件的抗力概率模型研究
刘扬, 彭晖, 尚守平
2012, 29(7): 107-116. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0637
摘要:
预应力CFRP 加固混凝土结构技术因其在材料性能利用方面的优越性能已成为CFRP 加固的热点方向,其中预应力CFRP 加固结构的可靠性是这一方向研究的重要内容。该文分析了影响预应力CFRP 板加固钢筋混凝土受弯构件承载力的主要变量的概率特征,考虑CFRP 板尺寸效应和应力分布的影响,采用Weibull 分布推导了CFRP 板的极限强度概率分布函数,根据预应力CFRP 张拉工艺,分析了预应力损失随机变量,建立了在不同失效模式(破坏形态)下的受弯构件抗力概率模型,并开展了参数敏感性分析,获得各个失效模式下抗力概率模型的主要影响因素。研究结果表明:抗力概率模型是预应力CFRP 加固结构的失效概率计算与可靠度校准的重要内容之一,各参数的影响规律与各失效模式的破坏形式密切相关。
基于缩聚模态应变能与频率的结构损伤识别
郑飞, 许金余
2012, 29(7): 117-123. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0664
摘要:
在结构损伤识别中,测试振型往往是不完整的,这阻碍了结构损伤识别技术的应用效率。提出了一种采用缩聚应变能与频率相结合的损伤识别定性与定量方法。采用基于Neumann 级数展开的方法对有限元模型进行缩聚,定义了单元缩聚模态应变能,并证明了缩聚模态应变能的变化对损伤的敏感性;将单元缩聚应变能变化率作为标识量来识别损伤的位置;在损伤位置初步判定的基础上,采用特征值灵敏度法求解损伤程度。以一简支钢梁为例证明了所提出的方法。结果表明:在测量模态数据有误差的情况下也能较好地给出损伤识别结果。
顶底角钢连接半刚性钢结构抗震性能数值分析
蔡小宁, 孟少平, 孙巍巍, 吴京
2012, 29(7): 124-129,146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0667
摘要:
为了研究顶底角钢连接半刚性钢结构的抗震性能,介绍相关文献中角钢的屈服荷载及初始刚度的计算,基于角钢的拉压试验结果,验证角钢的屈服荷载及初始刚度计算方法的准确性并对角钢的屈服荷载计算公式进行修正,进而提出角钢在反复拉压荷载下的恢复力模型;编制角钢连接单元,提出基于有限元软件OpenSEES的顶底角钢连接半刚性钢结构的建模方法,对顶底角钢连接半刚性钢结构低周往复试验、振动台试验进行数值模拟,所得结果与试验结果进行比较,结果表明:该文提出的建模方法具有单元少、自由度少、建模方便、计算效率高、耗时少等优点,采用该文方法进行的数值模拟与试验结果吻合较好,精度能满足工程需求。
对钢筋混凝土弯扭构件承载力计算公式的修正
鲁懿虬, 黄靓, 徐紫鹏
2012, 29(7): 130-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0677
摘要:
GB50010-2002《混凝土结构设计规范》(以下简称“规范”)分别按纯弯和纯扭进行弯扭构件承载力计算。基于国内外大量试验数据的分析表明,该设计计算方法与试验结论相矛盾,未能正确反映构件的受力状态,使得计算值与试验数据拟合较差且偏于不安全,可靠指标偏低,不能满足GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》(以下简称《统一标准》)的要求,配筋需要较大幅度地提高。通过对现有试验数据的分析,给出了基于1/4圆弧模型的建议修正公式和其相应的计算方法,该公式考虑了构件的整体受力相关性,具有明确的物理意义,配筋能返回公式验算。分析结果表明:该文建议的修正公式比规范公式的计算模式准确,可靠指标满足《统一标准》的要求。
考虑材料组成特性的混凝土轴拉破坏过程细观数值模拟
刘智光, 陈健云
2012, 29(7): 136-146. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0682
摘要:
为反映骨料、砂浆及其之间的界面过渡区的组合特点和材料性能,基于材料细观非均匀性和有限元方法的混凝土破坏过程细观数值模拟需进行复杂、细致的网格剖分,导致了繁重的前处理工作和可观的计算量。该文对混凝土材料细观单元材质组成的单一化假定进行改进,将内嵌界面过渡区材料的规则化单元视为一种广义复合材料单元,建立了复合型界面损伤模型。采用等效方法确定单元的复合弹性关系,通过有限元法计算单元的局部应力;用细观层次上弹性力学性能的弱化描述单元组成材料的损伤,混凝土材料的破坏过程通过单元各组分的损伤模拟。应用该复合型界面损伤模型研究了混凝土试件的单轴拉伸破坏过程,细观数值模拟结果符合混凝土试件的宏观破坏特征,表明该模型可作为分析混凝土材料破坏过程的一种有效途径。
蜂窝式钢框架结构抗震性能试验研究
贾连光, 孙宏达, 王春刚
2012, 29(7): 147-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0687
摘要:
该文通过低周反复荷载试验对蜂窝式钢框架抗震性能进行研究。分析其在地震作用下的受力过程、破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性等抗震性能。分析结果表明:蜂窝框架在地震作用下有较好的抗震能力,结构的破坏特征主要体现在蜂窝梁上;通过腹板开孔削弱可以控制梁端塑性铰形成位置,使得最大塑性区移至梁腹板削弱处,减小了梁柱连接处的转角,能有效的避免梁柱连接焊缝的脆性断裂,提高了钢框架结构的延性。
基于概率密度演化理论的重庆市降雨概率结构研究
范文亮, 陈朝晖, 余德祥, 王清
2012, 29(7): 154-162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0688
摘要:
降雨作为市政工程和土木工程领域重要的灾害荷载之一,其概率结构对相应随机系统的分析有着至关重要的作用。然而,常用的概率模型往往不能很好地描述降雨的概率结构。为此,针对线性虚拟随机过程的广义密度演化方程及其形式解析解,导出了可直接用于随机静力系统分析的概率密度变换解,并发展了δ序列逼近算法。若将随机数据视为自映射系统,则上述方法可方便用于随机数据的概率结构分析。采用上述方法,该文分析了重庆市降雨的概率结构,获得了最大日降雨量概率密度函数的近似解,并由等间距的频数直方图和等频数直方图以及经验累积分布函数验证了近似解的准确性、可信性。遗憾的是,真实的概率密度函数复杂而不便于实用。因此,该文建议了一种描述复杂概率结构的线性组合模型,并通过试算法给出了最大日降雨量的实用概率模型,为后续的随机系统分析奠定基础。
变曲率摩擦复摆隔震支座的简化分析与数值仿真
周云, 龚健, 邓雪松
2012, 29(7): 163-171,185. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0689
摘要:
回顾了变曲率摩擦单摆隔震支座(VCFP)和球面摩擦复摆隔震支座(DCFP)的发展历程,结合二者的优势提出新型变曲率摩擦复摆隔震支座(DVCFP),从力学平衡原理出发对两类函数曲面构成的DVCFP 进行简化分析,推导出DVCFP的刚度,探讨了其回复特性,得到了支座残余位移的计算公式。采用ABAQUS软件对变频式摩擦复摆和锥形摩擦复摆两类DVCFP 进行实体单元建模,模拟低周反复荷载作用下的滞回特性,从等效粘滞阻尼比和耗能系数角度出发,对球面摩擦单摆(FPB)、DCFP、VCFP 和DVCFP 的滞回耗能能力进行对比分析,探讨了DVCFP的回复特性。研究结果表明:1) 简化分析和数值仿真结果吻合较好;2) DVCFP的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能,与初始刚度相同的DCFP以及相同尺寸的VCFP和FPB 相比,其等效粘滞阻尼比和耗能系数更大,具有更强的耗能能力;3) DVCFP 相对于相同尺寸的VCFP 和FPB,它具有更大的位移容量,对隔震效果的发挥更具保障作用;而与DCFP和FPB比较而言,经合理的设计可使得其刚度和自振频率随着位移的增大逐渐减小,可较好的避免隔震结构低频共振现象的发生;4) 与DCFP、FPB 和VCFP 相比,DVCFP 刚度更小,传递给上部结构的剪力更小;5) DVCFP 的残余位移由上下滑动曲面的摩擦系数和曲面函数各参数共同决定,须通过参数化设计将其控制在工程可接受的范围内。
化爆冲击波作用下建筑物内压缩波参数计算
高康华, 王明洋
2012, 29(7): 172-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0694
摘要:
根据空气动力学原理,分析了外部化爆条件下冲击波阵面后压缩气体经外墙孔口的流动过程,提出了室内平均压力的计算方法;针对砖墙填充的钢筋混凝土框架结构房屋,研究室内外压力作用下墙体的破坏和碎块飞散过程,得到了室内压缩波参数的确定方法,并运用已有试验数据对该方法的有效性进行了验证;通过算例分析了冲击波超压、孔口面积及墙体厚度对室内压缩波升压时间的影响,结论如下:前墙开孔房屋室内升压时间随孔口面积的增大而减小,外墙破坏时,封闭房屋室内升压时间随着墙壁厚度的减小和室外超压的增大而逐渐减小。
部分观测下基于子结构的大型结构损伤诊断法
雷鹰, 毛亦可
2012, 29(7): 180-185. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0714
摘要:
该文提出一种适用于大型结构在激励与响应部分观测情况下进行结构损伤诊断的方法。基于有限元模型,大型结构被划分成若干个子结构。相邻子结构间的作用,视为对子结构的“附加未知激励”。依次采用扩展卡尔曼估计和最小二乘估计识别扩展状态向量和未知外部激励,在子结构界面响应未观测的情况下,对各子结构的单元动力参数分别进行识别,并以追踪子结构内单元结构参数的变化,例如单元刚度的退化,对大型结构的局部损伤进行诊断。通过一个较大型的平面桁架桥的损伤识别数值算例,证实了该方法的可行性。与其他方法相比,提出的方法减少了对结构响应观测的要求。
基于CT切片的三维混凝土细观层次力学建模
秦武, 杜成斌
2012, 29(7): 186-193. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0728
摘要:
基于CT 切片研究混凝土数值模型的三维重构,可以为揭示混凝土破坏机理研究提供更好的研究对象。基于数字图像技术和MATLAB 图像处理工具,针对混凝土截面CT 切片研究混凝土三维模型的重构技术。应用CT技术获取混凝土试件截面切片,应用底帽变换等方法将CT切片处理为三值图片,考虑孔隙影响,并基于体数据法重构混凝土三维模型。基于网格映射方法,重点研究了单元属性控制因素,提出更精确的单元属性识别判断准则,得到了与试件真实骨料配比相近的三维有限元网格模型。对重构的混凝土试件的四点弯拉断裂过程的非线性有限元分析表明,数值分析的弯拉曲线与破坏形态都与实验结果有较好的相似性,数值模型能较好的模拟实际混凝土试件的破坏。
碳纤维混凝土三向受压力电性能试验研究
吴献, 王丽娜, 回国臣, 杨昆, 郎东莹
2012, 29(7): 194-200. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0730
摘要:
试验研究了三向受压碳纤维混凝土的力学、电学性能及力电关系。对连接在直流回路中的碳纤维混凝土试件施加单调及循环荷载,处于三向受压状态的试件所受荷载与其电阻同步变化。用同批试件做单向受压试验,对比发现,在相同的轴向压力下,有围压和无围压的碳纤维混凝土的力电效应具有相似的变化趋势,即荷载增大,电阻下降;荷载减小,电阻上升。不同点是,在单调及循环荷载作用下,三向受压混凝土电阻变化率比单向受压混凝土的大,而且电阻幅值更为稳定。
横梁加强型人字形支撑的抗侧力性能
童根树, 罗桂发, 张磊
2012, 29(7): 201-208. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0735
摘要:
对人字形支撑进行弹塑性分析,变化支撑长细比和支撑倾斜角度,考虑四种不同的横梁加强程度。研究表明加强横梁可以延缓受压支撑屈曲后承载力的退化和作为受拉支撑的支点让其受拉屈服,使支撑架的极限承载力高于屈曲承载力。拟合了抗侧极限承载力和超强系数公式;分析发现,成对的中等长细比的人字支撑在达到抗侧极限承载力后有明显退化,因而抗震性能较差;提出了受压支撑屈曲后剩余承载力随层侧移角变化的公式,推导了受压支撑屈曲和受拉支撑屈服时的层侧移角公式,分析了横梁跨中承受的竖向不平衡力随层侧移角和支撑长细比的变化规律,提出了计算公式。
地震作用下挡土墙的滑动稳定性分析
马少俊, 胡安峰, 王奎华
2012, 29(7): 209-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0736
摘要:
针对现有挡土墙抗震设计理论存在的不足,采用拟动力法推导并给出了地震作用下挡土墙抗滑稳定安全系数的计算表达式。推导过程中考虑了地震荷载的时间效应和相位差效应,并分析了墙背倾斜角、墙土摩擦角、填土内摩擦角、水平向和竖向地震加速度系数对抗滑稳定性的影响。参数分析结果表明:挡土墙抗滑稳定性随墙背倾斜角、墙土摩擦角及填土内摩擦角的增大而增大,随水平向地震加速度的增大而减小。拟动力法计算得到的抗滑稳定安全系数小于原有设计理论的计算值。
复合材料夹层结构平接胶结节点抗弯性能试验研究
韩丽婷, 刘伟庆
2012, 29(7): 214-220,227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0740
摘要:
试验研究钢型材插入式泡桐木夹层结构平接胶结节点的抗弯性能,包括荷载-变形特性、应变发展规律和破坏模式。平接胶结节点采用工字钢型材,型材翼缘取3种不同内斜角,考察内斜角对平接胶结节点强度的影响规律。试验研究表明:平接胶结节点能够满足建筑结构变形限值所对应的承载力要求,该平接胶结节点形式可以应用于泡桐木芯材夹层结构;连接工字钢型材的翼缘内斜角对连接强度影响不明显。分析了胶结节点的变形特性、破坏机理和强度影响因素。研究成果可供复合材料夹层板结构的钢型材胶结节点设计应用参考。
高强度钢焊接方形截面轴心受压构件的局部和整体相关屈曲
申红侠
2012, 29(7): 221-227. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0760
摘要:
钢结构设计规范GB 50017-2003规定箱形截面轴心受压构件板件宽厚比不应超过40√235/fy,但实际工程中板件宽厚比达到120,远远超过此值。该文采用ANSYS有限元软件建立模型分析了高强度钢(名义屈服强度为460MPa)宽厚比超限的焊接箱形截面轴心受压构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷(整体、局部初弯曲)和残余应力,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,采用曲线a 代替规范GB 50017-2003中规定的曲线b,用直接强度法对这些构件进行计算,并将计算结果和有限元模拟结果相比较。针对误差较大的压杆,提出修正的直接强度法。研究表明:该文有限元模型能够很好地模拟高强度钢焊接箱形截面轴心受压构件非线性屈曲的性能;对板件宽厚比B/T≥45的轴心受压构件,有限元计算结果和直接强度法计算结果吻合较好,而对B/T<45者,二者相差较大;提出的修正直接强度法和试验结果吻合很好。
灌孔混凝土砌块砌体受压力学模型及其弹性模量
梁建国, 龙 腾
2012, 29(7): 228-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0761
摘要:
灌孔混凝土砌块砌体是由砌体和灌孔混凝土两部分组合而成,为了得到竖向压力作用下两种材料的相互作用机理,该文基于最小势能原理推导了砌体对灌孔混凝土的套箍系数以及灌孔混凝土砌块砌体内的应力分布,得到了灌孔混凝土砌块砌体的弹性模量可近似按材料力学组合截面公式进行计算,其计算结果与收集的全国65组281个试件试验结果符合良好,并通过试验结果统计得到了灌孔混凝土砌块砌体弹性模量的建议公式。理论分析和试验结果表明,我国现行规范中灌孔混凝土砌块砌体弹性模量取值偏低,将使配筋砌块砌体结构的设计计算结果偏于不安全。
钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点抗震性能的机理分析
曲慧
2012, 29(7): 235-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0763
摘要:
钢管混凝土结构因其具有良好的延性等抗震性能,在地震荷载作用下,具有较强的抗倒塌能力,使其在工程实践中得到广泛的应用。该文在已有的有限元数值分析模型基础上,通过将不同轴压比下方形和圆形钢管混凝土柱-钢筋环绕式钢筋混凝土梁连接节点的计算滞回曲线、骨架线与试验滞回曲线相比较,验证有限元模型并揭示节点的抗震特性。通过对典型轴压比下钢管混凝土结构节点的工作机理分析,研究受力全过程中节点裂缝和变形发展过程,明确节点极限状态和破坏模态;揭示节点核心区混凝土约束力、钢筋应变、核心区剪力的变化规律。基于比较不同轴压比下节点极限状态的核心混凝土应力和核心区剪力状态,确定轴压比对节点破坏模态的影响。
钻环测量水泥混凝土板表面残余应力的试验研究
李新凯, 侯相深, 马松林
2012, 29(7): 244-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0770
摘要:
水泥混凝土在强度形成过程中,水泥砂浆体积变形受到约束后将导致水泥混凝土内产生残余应力。对水泥混凝土路面板而言,板表层水泥砂浆的体积变形受外部环境影响更严重,因此板表面存在较大的残余应力,超过其抗弯拉强度时将导致微观裂缝的出现。目前,根据金属工程中测量表面残余应力的钻孔法,相关学者提出了钻环测量水泥混凝土表面残余应力的方法,并对其可行性进行了分析。该文将在该方法可行性分析的基础上,建立有限元模型对钻环过程进行模拟,确定室内试验时钻环法的相关技术参数,然后浇注水泥混凝土板,考虑加载和不加载两种工况进行室内试验,试验结果表明:钻环能够释放板表面的残余应力,该方法可以用于水泥混凝土表面残余应力测量。
地铁振动荷载作用下隧道周围加固软黏土动弹性模量试验
徐毅青, 唐益群, 任兴伟, 王元东, 叶桂明
2012, 29(7): 250-256,269. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.03.0142
摘要:
对地铁隧道周围软黏土进行加固,已应用于地铁隧道沉降的治理,但是对软黏土加固后的动力特性研究还不够深入。通过对上海地铁隧道周围加固软黏土进行GDS试验,系统探讨循环荷载振动频率、循环动应力幅值、初始偏应力及围压对动弹性模量的影响。试验结果表明:随着循环振动次数的增加,动弹性模量的衰减过程可分为急剧衰减阶段和缓慢衰减阶段,且缓慢衰减阶段的时间要明显长于急剧衰减阶段;循环荷载振动频率对动弹性模量有显著影响;随着循环应力幅值、初始偏应力、围压的增大,动弹性模量都有了很大的提高,但其变化对动弹性模量的衰减速率并无显著影响。采用对数函数对试验数据进行回归分析,建立了加固软黏土在循环荷载作用下动弹性模量衰减模型,较好的反映了动弹性模量的衰减规律。
足尺钢桁架连梁抗震性能试验研究及非线性有限元分析
林倩, 邓志恒, 刘其舟
2012, 29(7): 256-263. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.03.0175
摘要:
对4 个足尺的新型钢桁架连梁试件进行了低周反复荷载试验,研究了试件的破坏形态,测量分析了连梁加载点的荷载位移滞回曲线,并分析了连梁的延性、刚度退化规律和耗能能力。采用通用软件ABAQUS 对钢桁架连梁进行了单调加载及低周反复加载作用下的非线性有限元分析。有限元计算和试验结果对比分析表明:两者的荷载位移曲线及承载力特征点吻合较好,都证明钢桁架连梁具有较好的延性,能够耗散较大的地震能量。在此基础上对钢桁架连梁进行了参数分析,研究了腹杆截面、弦杆截面和跨高比对连梁受力性能的影响,以供进一步研究和工程设计参考。
机械工程学科
高速永磁电机机组轴系临界转速及振动模态
王天煜, 王凤翔
2012, 29(7): 264-269. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0691
摘要:
对于高速电机机组而言,在设计阶段准确预测转子动态特性,尽量减小发生故障的可能性是至关重要的。该文用有限元分析及实验方法计算由柔性联轴器耦合的多跨转子轴系临界转速及振动模态,用有限元软件的弹簧单元模拟弹性联轴器的轴向、径向及扭转刚度,分析联轴器刚度、结构参数对轴系临界转速的影响。研究表明:轴系临界转速及振动模态不同于单转子,可以通过改变膜片的刚度、结构参数等来调整系统某些阶次的临界转速,使转子具有良好的动态特性。
基于二项级数近似的结构概率分析
曹鸿钧, 许楠
2012, 29(7): 270-274,297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0678
摘要:
结构稳健优化设计中,一个关键的环节是分析结构响应量的概率特性,即计算响应的均值和方差。常用的方法主要有泰勒级数法、蒙特卡洛法以及数值积分法等。其中泰勒级数法精度较差,不适用于参数方差较大的随机结构,而蒙特卡洛法和高斯积分法计算量又过大。为了提高结构稳健性分析的计算效率,将结构位移的二项级数近似技术引入到高斯积分方法之中,提出一种结构位移均值及方差的计算方法。同时,用伴随向量法推导了相关的灵敏度计算公式。通过一个算例与已有的方法进行了比较,表明该方法较大程度上减少了高斯积分法的计算量,而与泰勒级数法相比,该方法又具有较高的计算精度,并且其灵敏度计算不再需要重分析,计算量较少。
计及二阶效应的梁杆系统动力响应分析方法研究
王佳, 张宏生, 陆念力
2012, 29(7): 275-282. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0701
摘要:
基于动力刚度法和有限元理论提出了一种考虑二阶效应计算梁杆动力响应的新方法。通过求解轴向力作用下Bernoulli-Euler 梁横向和轴向挠度自由振动微分方程,利用位移边界条件反解出待定系数,得到了动态精确形函数;使用经典有限元方法推导了考虑截面自身旋转惯量的质量阵和考虑二阶效应的刚度阵,该质量阵和刚度阵各元素均为轴力和圆频率的超越函数;建立了杆系结构瞬态动力学分析的动力平衡方程,给出了稳定和高效的求解方案。对几个典型的算例进行了计算分析,并与通用软件ANSYS 的计算结果进行了比较。计算结果表明:该分析梁杆系统动力响应的新方法具有较高的计算精度和效率,特别是能够准确地计入轴力对于梁杆动力响应的影响。
设备对船体结构的激励力及其应用研究
庞福振, 姚熊亮, 缪旭弘, 贾 地
2012, 29(7): 283-290. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0715
摘要:
针对以不平衡力为主的设备台架试验激励力向实船的转换方法进行研究,推导给出了设备对船体结构的激励力公式,并提出了设备与船体耦合振动分析的简化方法。将设备-隔振器-安装基础视为多自由度振动系统,基于振动理论,建立了设备与安装基础耦合振动的分析模型,得到了设备向安装基础传递的激励力计算公式;在此基础上,给出了设备向船体结构传递激励力的计算公式,提出了设备与船体结构耦合振动分析的简化方法,并验证了方法的正确性。研究表明:设备对船体结构的激励力不仅与设备激励力密切相关,还与设备质量、隔振器刚度及阻尼、船体结构刚度等密切相关;所提的设备与船体结构耦合振动简化方法具有较高精度,可满足工程要求。
盾构在掘进过程中的力学分析与载荷预估
张茜, 曲传咏, 黄田, 蔡宗熙, 亢一澜, 代斌, 冷建忠, 王燕群
2012, 29(7): 291-297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0752
摘要:
该文分析了盾构在掘进过程中的总载荷,将其分为基准载荷与掘进载荷,提出一种基于力学分析的可有效描述地质参数、操作参数及结构参数影响规律的盾构载荷计算方法。在计算掘进载荷时,建立了反映盾构刀盘与土体在掘进界面上耦合作用的刀盘接触载荷近似计算模型。通过天津地铁工程的载荷实测数据与基于该文提出方法得到的载荷计算结果比对表明:该方法可用于估算盾构掘进过程中的总载荷,并可用于近似描述地质条件、操作状态及刀盘结构等重要工程参数对载荷的影响,为盾构设计及施工提供了一种可行的工程载荷计算手段。
MCL缺损对多屈曲角胫股关节力学特性影响
黄荣瑛, 郑红光, 徐强, 郑海东
2012, 29(7): 298-304,312. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0719
摘要:
该文通过SONATA MAESTRO 1.5T采集0°/25°/60°/80°四个屈曲角下的正常膝关节的MRI图像,构建四个屈曲角位姿的正常/内侧副韧带缺损的整体胫股关节3D 模型,通过对这八组模型施加不同的外翻力矩进行有限元仿真,来分析内侧副韧带缺损时关节软组织及韧带的力学特性。仿真结果表明:1) 膝关节外翻时,内侧副韧带缺损会引起交叉韧带的张力显著增大,前交叉韧带和后交叉韧带替代了内侧副韧带的外翻限制作用,成为抵抗外翻的主要稳定结构,其中前交叉韧带相比后交叉韧带能提供更大的外翻阻力。随着屈曲角度的增加,交叉韧带抵抗外翻的负荷均显著增大。在高屈曲角位姿时,交叉韧带尤其是前交叉韧带,极易伴随内侧副韧带断裂而产生联合损伤;2) 内侧副韧带缺损降低了膝关节的直向稳定性,特别对股骨内侧髁与内侧胫骨关节面的直向稳定性的损失最为 明显。膝关节的外侧关节软骨和半月板在外翻时比正常关节承受更高的负荷,同时外侧半月板传递力的能力明显下降;3) 内侧副韧带损伤后,股骨软骨在小屈曲角位姿(25°屈曲角)等效应力值变化最大,而胫骨软骨和半月板在小屈曲角位姿(25°屈曲角)和高屈曲角位姿(80°屈曲角)最大等效应力值变化最为明显,外翻时最大等效应力变化最大的屈曲角位姿将更易导致关节软骨与韧带损伤。
基于不同强化模型的GTN损伤模型及其在板料回弹有限元分析中的应用
陈志英, 刘林强, 董湘怀
2012, 29(7): 305-312. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.12.0891
摘要:
为了进一步提高板料成形中的回弹预测精度,分别建立了基于Ziegler 线性随动强化模型、Lemaitre-Chaboche 非线性随动强化以及非线性混合强化模型的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤本构模型,并给出有限元数值积分方法。通过用户自定义材料子程序VUMAT 将损伤模型嵌入到有限元软件ABAQUS 中,以NUMISHEET’93 板料U 型弯曲考题为例,应用显隐相结合的方法模拟分析了不同材料强化模型和损伤对板料回弹量的影响。结果表明:在相同GTN 损伤模型情况下,线性随动和非线性随动强化模型预测得到的板料回弹量较小,等向强化预测的板料回弹量偏大,非线性混合强化预测的板料回弹量介于它们之间。材料模型在考虑损伤因素后,预测的回弹严重程度比无损伤情况时略小,与实验值更相近。
其他工程学科
潜射导弹出筒过程肩空泡形态和水阻动力特性研究
刘海军, 王 聪, 邹振祝, 王本利, 王柏秋
2012, 29(7): 313-319. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0699
摘要:
该文采用多相流模型、Singhal空化模型和动网格技术,对潜射导弹垂直发射出筒过程进行了数值模拟,并将仿真结果与文献数据进行了对比分析,二者具有较好的吻合性,验证了数值计算方法的准确性。得到了潜射导弹的肩部空泡几何形态和出筒过程的压力分布情况,获得了导弹的压差阻力系数曲线、摩擦阻力系数曲线和总阻力系数曲线,分析了肩空泡对潜射导弹的水阻动力特性的影响。
SH波入射双相介质半空间浅埋任意位置圆形夹杂的动力分析
齐辉, 杨杰
2012, 29(7): 320-327. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.09.0680
摘要:
采用Green 函数及复变函数方法研究了SH 波入射到双相介质半空间时,浅埋任意位置圆形夹杂的动力响应问题。首先,利用“镜像”法构造满足直角平面自由边界条件的散射波场解答,进而求出该文所需的Green函数;其次,利用“契合”思想,将模型沿着垂直界面剖分为两个直角域,并利用界面连续性条件及Green函数建立待解外力系的第一类Fredholm 积分方程组;最后,通过具体算例给出了圆形弹性夹杂周边的动应力集中系数。结果显示:界面、自由边界、圆形夹杂、入射波数等因素均对动应力集中系数有影响。
挖补修理复合材料层合板拉伸性能研究
汪源龙, 程小全, 侯卫国, 张卫方
2012, 29(7): 328-334,352. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0741
摘要:
在试验研究的基础上,建立三维损伤累积模型研究拉伸载荷下挖补修理复合材料层合板的损伤扩展及其最终破坏规律,并讨论挖补角对挖补修理结构拉伸性能的影响,计算结果和试验结果吻合良好。研究结果表明:挖补胶层中的损伤首先发生在胶层连接0°铺层的地方,然后向四周扩展,当损伤扩展到整个胶层面积约40%时,挖补层合板的应力-位移曲线发生较大的刚度下降,此时的载荷为胶层失效载荷。母板和补片在胶层发生损伤前就出现了少量损伤,在胶层完全破坏前,损伤会沿胶界面扩展;在胶层完全破坏后,损伤会沿母板最窄处向两侧自由边快速扩展,而补片在胶层失效后就停止损伤;胶层失效载荷随挖补角的增大而减小,但挖补角的增大会使胶层破坏后母板的承载能力增加,从而使挖补层合板的最终破坏载荷反而增加。在工程应用中,挖补角的选择应综合考虑结构设计要求、工艺和功能等多方面的因素。
结构疲劳损伤演化过程的多尺度同步观测与分析
何顶顶, 李兆霞, 黄跃平
2012, 29(7): 335-340. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0766
摘要:
大型土木结构的失效劣化过程是一个跨尺度损伤演化过程,在相同的时间节点不同的空间尺度下,通常表现出独特的损伤演化响应特征和力学特性。该文以某大型桥梁纵向加劲钢桁架的缩尺模型为研究对象开展疲劳损伤演化过程多尺度同步观测试验工作,综合运用电测技术、光测技术和动态测试技术实时监测桁架疲劳损伤演化过程,据此分析对比桁架在细观和宏观尺度下的损伤演化响应特征和力学特性。在电测技术观测到桁架局部疲劳裂纹萌生之后,光测和动态测试技术得以继续追踪疲劳裂纹的扩展过程并评价局部损伤演化对构件以及结构整体力学特性的影响,结果表明:结构局部细观尺度上的损伤演化不至于影响结构宏观尺度的整体力学特性,但是局部损伤的累积必将导致结构失效劣化。
参数不确定性细长火箭弹随机特征值问题研究
戎保, 芮筱亭, 王国平, 尹志嘉
2012, 29(7): 341-346. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0737
摘要:
固有振动特性分析已成为大长径比火箭弹研制与动态设计的重要环节之一。系统的加工测量误差、几何、材料以及约束条件等的不确定性对火箭弹动态特性具有显著影响。该文基于传递矩阵法和摄动方法,建立了含不确定参数的细长火箭弹随机特征值问题分析方法,研究了参数不确定性对火箭弹振动特性的影响。该方法无需建立系统总体动力学方程,可大幅度提高随机特征值问题的计算效率、降低系统存储需求。分别应用该文方法与Monte Carlo 方法对某大长径比火箭弹随机特征值问题进行了分析,两种方法计算结果吻合较好,证明了该方法的有效性。
含分层的压电材料层合板的自由振动分析
刘艳红, 王炳华, 卿光辉
2012, 29(7): 347-352. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2010.10.0744
摘要:
该文为含分层的压电材料层合板的自由振动分析提出了一种状态空间方法。首先通过压电材料的修正H-R (Hellinger-Reissner)变分原理和径向基函数推导了无网格状态空间列式。然后结合非线性弹簧层模型,导出了含分层压电材料层合板的三维模型。该模型的主要优点是:场节点数和背景网格数不随层合板的层数增加而增加;另一方面,通过设定弹簧的刚度值,非线性弹簧层既能保证非分层区域横向应力和位移的连续性,也能防止分层区域嵌入现象的发生。