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2013年  第30卷  第11期

基本方法
空间杆系结构的弹塑性大位移分析
叶康生, 吴可伟
2013, 30(11): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0436
摘要:
为适当降低杆系结构弹塑性分析的计算量,该文假设单元塑性变形集中于单元端部。在单元端部截面上,将截面分割为若干小块面积,用小块面积中心处材料的弹塑性性能代替整个小块面积的弹塑性性能。通过对小块面积弹塑性性能的分析,得出端部截面的弹塑性刚度,再将其与单元内部弹性部分的截面刚度沿杆长进行Gauss-Lobatto积分,由此获得梁单元的弹塑性刚度矩阵。该文对小面积中心点采用基于材料应变等向强化的弹塑性本构关系,为准确分析杆端截面小块面积的弹塑性应力状态,该文提出了有效的应力调整算法以修正计算过程中偏离屈服面的应力值。数值算例表明,该文方法准确、高效、可靠。
区间参数空间结构的瞬态温度场数值分析
云永琥, 陈建军, 阎彬, 赵宽, 曹鸿钧
2013, 30(11): 9-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0481
摘要:
针对含有区间参数的空间薄壁圆管结构,基于区间分析理论,给出其在持续热流作用下瞬态温度场问题的区间分析方法。将结构所有物性参数均视为区间变量,建立了空间结构的瞬态热分析有限元模型,对该模型在空间域上利用有限元离散,在时间域上利用差分递推。基于区间扩张理论和Taylor级数展开,利用矩阵摄动方法求解,获得了区间参数结构的瞬态温度场响应的区间范围。通过算例的计算结果与参考文献结果的对比,显示了文中计算模型的合理性和方法的有效性。
地震反应分析中Rayleigh阻尼系数的优化解
潘旦光
2013, 30(11): 15-20,27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0366
摘要:
在进行多自由度粘滞阻尼体系的地震反应分析时,以结构位移反应峰值的误差为目标函数,建立了求解Rayleigh阻尼系数的优化方程。随后,以地震反应谱随阻尼比变化的经验公式为基础,形成地震反应谱导数的近似计算公式。从而形成一个仅需地震反应谱和结构模态分析成果,即可得到综合考虑结构动力特性、地震波输入方向和频谱特性的Rayleigh阻尼系数的计算方法。最后,任意选择10条地震波对一栋高层建筑进行地震反应分析,数值计算结果表明这一方法可有效地减少由阻尼引起的计算误差。
轴向冲击下弹性杆中轴向静载对入射波的影响
金解放, 李夕兵, 尹土兵, 周学进
2013, 30(11): 21-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0500
摘要:
针对动静组合加载试验装置和一维应力波理论的研究现状,研究了轴向静载荷的大小对弹性杆上入射波的影响。首先,以动静组合加载试验装置中具有轴压的入射杆和轴压端帽为研究对象,利用一维应力波理论,研究冲头以一定速度撞击轴压端帽时,入射杆上的入射波与轴压的关系。进而,通过分析自由弹性杆与具有一定轴压的弹性杆共轴撞击,研究轴向静载荷的大小对入射波峰值应力和波长的影响。最后,利用动静组合加载试验装置和激光测速仪进行试验研究,验证理论分析结果的正确性。结果表明:弹性杆中轴向静载荷的大小对其上入射波影响较大,轴向静载荷与入射波峰值应力具有线性关系;轴压越大,入射波峰值应力越小,入射波波长越小。加载应力波上升沿时间越长,轴向静载荷对入射波波长影响越大。
多体动力学热-结构耦合圆管单元及其应用
吴江, 赵治华, 任革学, 范如玉
2013, 30(11): 28-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0504
摘要:
航天器柔性附件在突加太阳辐射热载荷作用下的热诱发振动会严重影响航天器的正常工作。航天器是典型的多体系统;部件间的相互作用会严重影响航天器的热诱发振动响应,因而有必要使用多体系统动力学的方法对此进行研究。该文在柔性多体系统动力学框架内,推导建立了一种考虑辐射换热的热-结构耦合圆管单元。温度变化会使圆管单元产生轴向伸缩和横向弯曲;同时,在给定辐射热流作用下,圆管单元受热条件与其姿态和变形相关。使用该圆管单元、刚体单元和柔性体单元可以实现多体系统动力学热-结构耦合分析。该文的方法首先用于哈勃太空望远镜太阳能电池板简化模型的热诱发振动分析,所得结果与文献结果吻合良好。然后,该文研究了由本体、动量轮、柔性支撑杆和端部质量组成的航天器在突加辐射热流作用下的振动响应。结果表明:各部件间的相互作用会对航天器的热诱发振动响应产生显著影响。
超弹性柔性结构与流体耦合运动的浸入边界法研究
郝栋伟, 王文全
2013, 30(11): 36-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0505
摘要:
浸入边界法是模拟大变形柔性弹性结构和粘性流体相互作用的重要数值方法之一。该文有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法,对圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法求解,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。通过数值计算,得到柔性超弹性结构的耦合振动特性和流场动态分布特性,并将计算结果同其他文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。
基于比例边界有限元法和有限元法的水下结构瞬态分析方法
李上明
2013, 30(11): 42-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0532
摘要:
针对冲击波作用下水下结构与无限声学水域的流固耦合问题,建立了基于比例边界有限元法和有限元法的瞬态分析方法。无限水域用比例边界有限元法离散,而水下结构等有限域用有限元法模拟。该方法利用声学近似法将无限水域施加给水下结构的载荷分解成冲击波载荷和散射波载荷。冲击波载荷由水下冲击波理论确定,而散射波载荷由比例边界有限元法估值。为改善比例边界有限元法动态质量矩阵的计算效率,发展了动态质量矩阵的时域递推公式。数值算例分析结果表明了所发展的瞬态分析方法和时域递推公式的正确性。
基于覆盖细化的数值流形法及其在裂纹扩展中的应用
杨石扣, 任旭华, 张继勋
2013, 30(11): 47-54. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0540
摘要:
数值流形法是一种基于数学覆盖和物理覆盖的双重覆盖方法,权函数设于数学覆盖上,而位移函数设于物理覆盖上。该文提出了一种基于数值流形法的覆盖细化方法,用来解决二维裂纹扩展问题。对某一待细化流形单元,其加密点是预先确定的,并非所有流形单元均需细化,只有满足一定条件的裂纹前缘单元才有必要进行覆盖细化。所有的细化均基于数学覆盖,覆盖细化过程对于裂纹前缘单元的不同边界条件是不同的。在流形单元进行覆盖细化后,将会产生新的数学覆盖以及相应的物理覆盖和单元。同时,节理环路和接触信息也需要做相应的修正。选取三个常见裂纹扩展的算例进行比较分析,计算结果表明,该文的覆盖细化方法是可行的,相对于原始流形单元而言,裂纹尖端可以处于单元内部,覆盖细化方法获得更高的精度,而不显著地增加未知自由度。
孔挤压过程中孔边应力应变演化规律的试验与模拟研究
段苗苗, 耿小亮, 张永久, 黄剑贤, 岳珠峰
2013, 30(11): 55-60,66. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0419
摘要:
该文采用挤压棒直接挤压的方法对LY12CZ铝合金进行孔挤压试验,测试了在不同过盈量、不同润滑条件下挤压时挤压力和孔边应变变化曲线。建立三维有限元模型,对挤压过程开展了数值模拟。结合试验和模拟结果,揭示了挤压过程中孔边应力应变的演化和分布规律;挤压力的变化特征以及摩擦系数和过盈量对挤压力的影响;孔的深度方向切向应力在挤压过程中的分布及孔边残余压应力的来源与演变。模拟值与试验测量值吻合良好,验证了有限元模拟的可靠性。
位错和均匀分布载荷作用下的二维十次对称准晶的弹性分析
李联和, 刘官厅
2013, 30(11): 61-66. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0803
摘要:
复变函数方法是经典弹性理论中求解平面弹性与缺陷问题非常有效的方法。该文推广了经典弹性理论的复变函数方法,研究了位错和均匀分布载荷作用下的二维十次对称准晶的弹性场。根据偏微分方程理论,用四个解析函数给出了应力和位移的复表达式。在此基础上,结合边界条件,获得了声子场和相位子场应力及位错应变能的解析表达式。讨论了声子场与相位子场耦合弹性常数对应变能的影响。
超高韧性水泥基复合材料疲劳裂缝扩展公式的理论与试验研究
刘问, 徐世烺, 李庆华
2013, 30(11): 67-74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0362
摘要:
该文基于Paris公式,对具有应变硬化和多缝开裂特征的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)的疲劳裂缝扩展理论进行了理论研究,并通过试验进行验证。研究表明,Paris公式适用于UHTCC。其中:裂缝扩展参数由裂缝面积扩展A表示;与之相应,使用复合断裂能增长量#x00394;J代替应力强度因子变化量#x00394;K。基于试验,该文求出UHTCC的疲劳裂缝扩展门槛值,即当疲劳过程中的断裂能幅值#x00394;J小于某一临界值#x00394;Jth时,疲劳裂缝不扩展。在疲劳过程中,UHTCC的裂缝覆盖面积随疲劳过程呈三阶段线性发展,与疲劳变形的发展趋势一致。UHTCC的疲劳裂缝扩展随疲劳最大荷载与荷载幅值的增大而加速发展。
土木工程学科
大跨屋盖结构共振响应多目标等效静力风荷载
李玉学, 杨庆山, 田玉基
2013, 30(11): 75-80,86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0533
摘要:
针对大跨屋盖结构等效静力风荷载计算需要兼顾多个响应控制目标问题,基于能量等效,提出了大跨屋盖结构风致共振响应多目标等效静力风荷载分析方法。根据结构风致共振响应特点,从保证结构整体安全的角度,确定以结构风振过程中各节点吸收和转化的风动能达到极值时刻为等效目标,据此最不利情况,推导了共振响应多目标等效静力风荷载表达式。最后,将该方法应用于北京奥运网球中心屋盖结构共振响应等效静力风荷载计算,结果表明:该等效静力风荷载下的结构静力响应与频域分析得到的结构动力响应极值吻合较好,验证了所提方法的有效性和工程实用性。
轴力及双向弯矩下钢筋混凝土截面新型快速应力积分算法
王燕, 许德胜, 李术才, 张峰
2013, 30(11): 81-86. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.03.0192
摘要:
轴力和双向弯矩作用下钢筋混凝土构件正截面极限承载力分析需要通过迭代调整截面中性轴的位置和方向以使截面应力积分与给定的外荷载满足平衡条件。为提高截面应力积分的计算效率和求解精度,提出了一种新型快速应力积分算法。考虑到混凝土应力-应变曲线为分段函数的特点,该方法基于迭代步中的应变分布将截面单元分解为多个积分子域,并通过二次等参映射和高斯数值积分方法对各子域进行应力积分。该方法在迭代过程中无需对初始网格信息做任何修改,可适用于任意形状的钢筋混凝土构件正截面极限承载力分析。通过算例分析,考察了方法的计算效率和有效性。
修角对方形超高层建筑横风向气动阻尼的影响
曹会兰, 全涌, 顾明
2013, 30(11): 87-93,100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0547
摘要:
为了研究横截面削角、凹角及沿高收缩处理三种气动修正措施对作用在建筑上的横风向气动阻尼比的影响,对10个超高层建筑气动弹性模型进行了风洞试验。利用随机减量法识别了横风向气动阻尼比,通过与前人相关研究成果的比较,验证了识别结果的正确性。研究结果表明:角沿处理及截面沿高收缩对抑制超高层建筑的气动弹性效应并非总是有效,较小的削角率(5%~20%)、凹角率(5%和10%)及沿高收缩率(1%)可以有效的减小各折减风速下气动阻尼比绝对值的大小,而当这些气动修正措施相对尺寸较大(凹角率20%、3%及5%的沿高收缩率)时,气动阻尼比的改变将增大结构风致振动响应。基于这些研究,拟合了适用于低折减风速下相应工况的横风向气动阻尼比的经验参数,供工程设计人员参考。
运营状态下悬索桥钢桥面板疲劳效应监测与分析
宋永生, 丁幼亮, 王晓晶, 李爱群, 李万恒, 闫昕
2013, 30(11): 94-100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0551
摘要:
基于润扬大桥悬索桥7个月的长期疲劳效应监测结果,建立了铺装层-钢桥面板一体化疲劳分析模型,并研究了两类关键焊接细节的疲劳效应与车流量、环境温度间的相关性关系。结果表明,两类焊接细节的应力循环次数与车流量线性相关而与环境温度无关,等效应力幅与环境温度线性相关而与车流量无关。由疲劳设计指南推荐的疲劳效应计算模型得到的应力循环次数较监测结果偏低,顶板-纵肋焊接细节的等效应力幅与监测结果吻合良好而纵肋对接焊接细节的结果较为保守。上述分析结果为疲劳设计指南的进一步改进和完善提供参考和依据。
型钢高强混凝土梁力学性能试验研究
郑山锁, 陶清林, 王斌, 胡义
2013, 30(11): 101-109. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.0381
摘要:
基于19榀型钢高强混凝土简支梁的力学性能试验,观察了诸试件的裂缝开展模式及破坏形态,揭示了影响梁力学性能的主要因素,探讨了混凝土强度、含钢率、剪跨比、荷载类型、剪切连接方式及宽度比(型钢翼缘宽度与梁宽之比)对梁力学性能的影响规律,给出了不同连接方式下型钢与混凝土界面间的剪切计算方法。依据现有型钢混凝土梁承载能力计算方法,通过引入截面对称性影响系数以考虑型钢截面形式变化对构件承载力的影响,建立了中和轴通过型钢腹板时型钢高强混凝土梁正截面抗弯承载力的计算公式。建议公式计算值与试验实测值吻合较好,表明该文提出的计算公式具有较高的精度。研究将为型钢高强混凝土梁相关计算理论的建立提供理论依据。
弯曲型支撑-框架的假想荷载法
俞一弓, 童根树
2013, 30(11): 110-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0402
摘要:
为避免在钢结构设计中逐一去确定框架柱的计算长度,该文提出了一种应用于弯曲型支撑框架的假想荷载法。将假想荷载作用于框架楼层,配合二阶弹性分析,考虑材料非线性、残余应力和初始几何缺陷,研究了多种几何和荷载条件下的弯曲型支撑框架模型,分析了一系列模型的极限承载力,提出了统一的假想荷载系数以及假想荷载的近似公式,无论是有水平荷载或无水平荷载,无论是等截面还是变截面,其结果与有限元结果都符合较好。
水泥混凝土路面设计极限状态方程的探讨
张海涛, 张广阔
2013, 30(11): 120-126. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0405
摘要:
低标号混凝土芯砂石桩复合地基固结一般解
俞缙, 戚志博, 蔡燕燕, 关云飞
2013, 30(11): 127-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0424
摘要:
CCSG桩(低标号混凝土芯砂石桩)复合地基是一种新型多元复合地基,为研究其固结性状,基于等应变假设和应力集中效应,建立可考虑涂抹区水平渗透系数变化、砂石壳内径向渗流和混凝土芯桩不排水特点的固结分析模型,推导了CCSG桩复合地基固结一般解。现有的Terzaghi一维固结解和普通复合地基固结解是该文解的特例。根据该文理论公式编制计算程序,获得了在涂抹区水平渗透系数3种变化模式下和各无量纲参数变化时,CCSG桩复合地基的平均固结度曲线。分析结果表明:涂抹区水平渗透系数变化和各无量纲参数的变化对CCSG复合地基固结影响显著。通过和由实测数据获得的固结度曲线对比,验证了该文理论解的正确性。
钢筋混凝土柱剪切粘结破坏影响因素分析
史庆轩, 王朋, 王秋维
2013, 30(11): 136-142,179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0435
摘要:
剪切粘结破坏是钢筋混凝土压弯构件一种常见的震害形式,剪切粘结破坏柱刚度退化快、延性差、滞回曲线#x0201c;捏拢#x0201d;现象明显、耗能能力差,因此,有必要进一步研究钢筋混凝土柱剪切粘结破坏的影响因素,以避免此类震害的发生。该文通过试验数据和有限元模拟分析了面积配箍率、混凝土强度、轴压比、剪跨比、纵筋直径及加载方式对钢筋混凝土柱破坏形态的影响,结果表明钢筋混凝土柱易于发生剪切粘结破坏的条件为:面积配箍率较大、混凝土强度等级较低、轴压比0.1#x02264;n#x02264;0.5、剪跨比1.25<#x003bb;<2.5、配筋率较大且纵筋直径较大、低周往复荷载作用。
电-力耦合效应对三维导电弹性体表面失稳的影响
汪忠明, 梁晓东, 沈鑫
2013, 30(11): 143-147. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0447
摘要:
该文研究了电-力耦合效应对三维弹性导电体表面失稳的影响。利用线性摄动理论,对扩散调控的弹性固体表面在受到单向均匀远场应力和电场的作用下进行了分析,给出了摄动增长率随扰动波数的变化曲线。在该文的分析中,考虑了弹性应变能、表面能和静电能的共同作用。分析结果表明,表面能总是抑制表面失稳,弹性应变能总是促进表面失稳,而静电能也是利于表面失稳。表面失稳的触发与泊松比以及电场强度和与拉应力的相对大小有关。通过这种机械应力和电应力调控的表面自组装可以生成周期性纳米结构,从而为纳电设备的制造提供模板。
冻融条件下公路桥梁板式氯丁橡胶支座抗剪试验
张延年, 单春红, 郑怡, 沈小俊, 高飞, 熊卫士
2013, 30(11): 148-152. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.0470
摘要:
公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响,为了研究公路桥梁板式氯丁橡胶支座在受到气候影响时的各项抗剪性能指标变化情况,采用标准冻融试验箱模拟低温气候变化,对氯丁橡胶支座进行冻融循环处理25、50、75、100次,并对其进行抗剪试验,采用与标准试件进行对比分析的方法,研究冻融循环对氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量的影响。结果表明,氯丁橡胶支座在冻融循环处理条件下比标准试件更易发生破坏,且钢板外露、裂缝等破坏现象更严重。氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量都随冻融程度的加深而降低。采用最小二乘法对其抗剪强度和抗剪弹性模量变化进行分析并给出衰减曲线和衰减函数,抗剪强度和抗剪弹性模量的变化趋势基本符合幂函数规律。
基于动力推覆方法的储液罐抗震分析
杨宏康, 高博青
2013, 30(11): 153-159. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0499
摘要:
为有效评估储液罐在弹塑性阶段的抗震性能,经凝聚流体域压力自由度,建立流固耦合系统的等效动力方程,然后合并同频振型并基于广义逆理论导出谱加速度-谱位移性能曲线的投影方程,并通过控制谐波参数实现流固耦合系统的单向动力推覆,以此确定性能曲线并作为储液罐的单自由度广义本构模型。时程分析表明:上述广义本构模型的滞回曲线及时程结果与流固耦合系统吻合良好,罐体刚度均呈渐近退化。该文方法与静力推覆分析的计算耗时大致相仿,消除了特征节点对性能曲线的影响,并可考虑弹塑性阶段内罐体抗力分布的改变。
预应力连续组合梁负弯矩区抗弯承载力分析
胡少伟, 叶祥飞
2013, 30(11): 160-165. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0519
摘要:
预应力钢-混凝土连续组合梁具有承载力高、变形小等诸多优点,作为一种新型的横向承重构件,在工程中得到了广泛的使用。其负弯矩区承载能力计算与变形分析是其设计的关键,目前规范还是空白。因此,有必要对其刚度、变形及抗弯承载力进行研究。该文基于换算截面法,引入混凝土参与受拉工作的程度系数,确定了组合梁截面抗弯刚度,进而推出了预应力钢-混凝土连续组合梁负弯矩区的弹性抗弯承载力计算公式;基于简化塑性理论,得到了负弯矩区的极限抗弯承载力计算方法;研究表明连续组合梁能够显著提高截面刚度与减少开裂。该文公式计算结果与实测值均吻合较好,满足工程精度要求。
基于关键参数变化的生态复合墙体抗震性能试验研究
张程华, 黄炜, 赵冬, 张奇, 张荫
2013, 30(11): 166-172. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0525
摘要:
通过4榀1/2比例内填秸秆泥坯砌块生态复合墙体在水平低周反复荷载作用下的抗震性能试验,研究生态复合墙体在低周反复荷载作用下的受力特点和破坏机制,对比分析不同关键因素变化的生态复合墙体的承载力、滞回特性、延性、强度退化、刚度退化和耗能等抗震性能;试验结果表明:秸秆泥坯砌块、框格、隐形框架在试验的弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段依次发挥作用,使复合墙体具有多道抗震防线;框格较密的ECW-3发生#x0201c;强板弱柱#x0201d;弯曲型破坏,高宽比较大的ECW-4发生弯剪型破坏,均属不利破坏,在设计过程中应注重框格的划分及墙板高宽比的控制;4榀墙体从屈服阶段到破坏阶段,等效粘滞阻尼系数均有较明显的增大,都具有较强的耗能能力。
考虑滑移效应组合梁弯曲应力和界面剪力分析
邹杨, 周志祥, 唐亮
2013, 30(11): 173-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0528
摘要:
在实际工程中,通常采用换算截面法计算组合梁应力,而不考虑截面滑移的影响。但是当组合梁采用部分剪力连接或者需要考虑疲劳问题时,忽略滑移的影响可能会引起较大的误差。该文推导了考虑界面滑移效应的简支组合梁在多种荷载工况下的弯曲应力和界面剪力的解析解,并据此进行分析,得到了弯曲应力和界面剪力在各种荷载工况下的变化规律。根据实际情况,对最不利位置的解析解进行了简化。经对比,简化计算公式的计算结果与解析解吻合良好。
H型截面钢梁约束扭转的简化计算
樊春雷, 郝际平, 田炜烽
2013, 30(11): 180-184,220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0529
摘要:
钢梁在外扭矩以及梁端约束的作用下,会产生翘曲正应力以及剪应力,传统上利用扇性坐标及双力矩法计算,计算过程很繁琐。许多工程师在设计中对钢梁扭转作用的处理带有一定的盲目性。根据约束扭转的受力及变形特点,以变形协调为基础提出一种新的计算钢梁约束扭转的简化计算方法,该方法可很好的计算钢梁在外扭矩作用下的受力情况。算例计算结果表明,该方法具有很好的精度和准确性,可供工程设计应用。
考虑压缩效应的简支弹性杆受压屈曲的理论分析
慕青松
2013, 30(11): 185-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0531
摘要:
用奇异性理论研究轴向压缩以及由之引起的横截面积扩大对弹性压杆屈曲的影响。新模型得到的屈曲临界压力大于经典欧拉模型所给之值,且新模型显示,在无量纲特征长度的三个不同取值区间中,弹性杆的一阶屈曲模态表现为三种不同的形式:#x0201c;超临界叉式分支#x0201d;、#x0201c;亚临界叉式分支#x0201d;和#x0201c;不存在#x0201d;。而在经典欧拉模型中,弹性杆的一阶屈曲模态总表现为#x0201c;超临界叉式分支#x0201d;。根据新模型,定性评价了现有实验数据,并通过算例分析,解释了传统材料制作的杆件在较短时将发生屈服破坏而非亚临界叉式分支屈曲的现象。
薄壁箱梁畸变分析理论的研究
徐勋, 强士中
2013, 30(11): 192-201. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0554
摘要:
对薄壁箱梁以畸变角和畸变挠度为位移参数的两种畸变理论进行比较分析,证明了两种理论的计算结果是完全一致的。根据箱梁的变位协调关系得出畸变挠度和畸变角的互换性,从而建立了两种理论的控制微分方程的互换方程。采用广义坐标法,明确了畸变中心的定义,确定了畸变位移模式,进而基于能量变分原理,建立了充分考虑剪切变形效应的畸变分析理论,推导了求解的初参数法,研究了剪切变形的影响。结果表明:剪切变形对畸变翘曲应力和横向弯曲应力的影响较小。
往复荷载作用下自复位墙受力机理研究
胡晓斌, 贺慧高
2013, 30(11): 202-206. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0558
摘要:
该文以自复位墙作为研究对象,将其简化成一刚体,分别仅考虑自重、考虑预应力筋影响及同时考虑预应力筋和阻尼器的影响,通过理论推导得出了往复荷载作用下的水平力-转角曲线,研究了其在往复荷载作用下的受力机理。研究表明:自复位墙墙体自重和预应力筋共同提供自复位能力,阻尼器提供耗能能力;自复位墙的力学性能与墙体几何尺寸、预应力筋及阻尼器参数有关。
混凝土联肢剪力墙结构抗震性能控制方法
梁兴文, 史金田, 车佳玲, 邓明科
2013, 30(11): 207-213. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0559
摘要:
联肢剪力墙结构抗震性能控制是目前尚未很好解决的问题之一。该文以连续化方法的解析解为基础,在联肢剪力墙高度、截面尺寸和材料性能等已知的条件下,首先通过控制联肢剪力墙满足整体位移延性需求的耦联率来确定连梁的截面尺寸;然后通过控制联肢剪力墙结构顶点和层间侧移角来确定其基底剪力,并假定水平地震作用沿高度为倒三角形分布;最后确定连梁满足位移延性需求的弦转角需求,并依据连梁两端相对竖向变形需求确定连梁所需要的约束箍筋数量,连梁箍筋数量同时应满足受剪承载力要求。分析结果表明,根据联肢剪力墙的整体位移延性需求、目标耦联率以及连梁两端相对竖向变形需求所确定的连梁约束箍筋数量比较合理;当耦联率在0.4~0.66取值时,连梁的箍筋数量由受剪承载力计算控制。
高温后碳纤维布约束混凝土轴压力学性能试验
徐明, 陈忠范, 肖德后
2013, 30(11): 214-220. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0564
摘要:
通过对20个经历四种不同高温后的素混凝土和无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土圆柱体的轴压力学性能试验,研究了无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土在经历不同高温后抗压强度、极限压应变和应力-应变关系的变化,得出所经历高温过程对其轴压力学性能的影响。结果表明:无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土经历高温后的破坏形态与常温下基本相似;其抗压强度在经历100℃高温后,下降仅5%左右,在经历200℃、300℃和400℃高温后,约为常温试件的85%~90%;无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土的极限压应变在100℃高温后略有减小,在200℃~400℃高温后则比常温下增大20%左右;碳纤维约束对核心混凝土抗压强度的提高作用,会随试件所经历温度的升高而逐渐增大;无机胶粘贴碳纤维布约束混凝土的应力-应变曲线在经历高温后会明显趋于扁平,并且多了一个呈上凹状的压密阶段。
机械工程学科
基于等效分析模型的发动机悬置系统优化设计
陈树勋, 尹国保, 黄锦成, 韦齐峰, 李志强
2013, 30(11): 221-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0493
摘要:
利用ANSYS有限元分析软件建立发动机悬置系统等效分析模型,将发动机动力总成悬置系统等效为一个惯性体和一个弹性体的复合体,各悬置元件简化为沿其3个弹性主轴方向的弹簧,并可准确体现动力总成的质量,转动惯量和激励力加载位置。利用ANSYS完成该模型的模态分析,并进行了能量解耦度和谐振频率的优化计算,结果表明,该等效建模方法是正确和可行的。该模型为在ANSYS中进行悬置系统模态分析优化和动力响应分析与隔振率优化提供了新的切实可行的简捷建模方式。
小型振动冲击式打桩机的非线性动力学分析
吕小红, 罗冠炜
2013, 30(11): 227-232. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0523
摘要:
无阀微泵多物理场耦合分析及实验研究
关炎芳, 韩莉莉, 刘春波, 俞正寅
2013, 30(11): 233-238,259. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0527
摘要:
为了模拟微泵实际工作过程,需要找出微泵运动的控制方程。该文从压电振子作用力F及液体反作用力P入手,给出微泵压电-应力-流体多物理场耦合的控制方程组,根据控制方程模拟微泵实际工作过程。通过对压电振子耦合前后变形量进行对比发现,由于液体的反作用力阻碍压电振子运动,耦合后z方向位移比耦合前小;且频率越大,压电振子位移越大,其临界值为1000Hz;大于1000Hz压电振子位移将出现畸变,微泵运行不稳定,频率越大畸变越严重。微泵进出口处瞬时流量均随频率和电压的增加而增大,而锯齿型流道微泵瞬时流量大于同等条件下的锥型流道微泵。该文最后采用微系统加工方法及聚二甲基硅氧烷(PDMS)不可逆封装技术制作出两种微泵结构,并对两种微泵进行性能测试,结果证明微泵的最佳工作频率为100Hz~800Hz,在此频率范围内压力和流量均处于最大值,与数值分析结果相吻合。为了验证微泵自吸能力,对锯齿型流道微泵进出口存在压差情况进行测试,得出微泵流量最大为40#x003bc;l/min,最大压力头为1.25kPa。
多点激励下加筋板壳耦合结构的振动特性
赵芝梅, 盛美萍, 杨阳
2013, 30(11): 239-244. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0534
摘要:
该文基于改进的子结构线导纳方法,建立了多点激励下加筋板壳耦合结构的振动模型。首先对理论模型采用ANSYS进行了验证;进而使用该模型分析了多点激励的分布方向和位置对结构振动响应的影响。研究表明:当激励源的总幅值恒定时,多点激励下从铺板传递到壳体的振动响应小于单点激励的情况;将多点激励沿垂直于板壳衔接线方向分布且位于铺板的中心线上,可以有效地降低从铺板传递到壳体的振动响应。实际工程中,对于激励源恒定的机械设备,应采用多点方式将其沿垂直于铺板与壳体衔接线的方向安装在铺板的中心线上,以提高系统的声学性能。
高速柔索牵引摄像机器人动力工作空间研究
于亮亮, 仇原鹰, 苏宇
2013, 30(11): 245-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0543
摘要:
首先,提出了一种基于最小二范数的高速柔索牵引摄像机器人的索力快速优化算法;其次,基于集合理论得到了动力工作空间的一致求解策略;进而,仿真计算了给定结构参数下的机器人动力工作空间,并结合机器人沿工作空间顶面特定曲线运行时索长及索力的变化规律,对工作空间顶面形成的原因进行了分析;最后,借助工作空间底面剖视图研究了机器人工作空间底面的可达区域与支撑杆高度的影响关系,得出合理选取支撑杆高度的依据。
基于卡尔曼滤波算法的功能梯度材料参数辨识
李翔宇, 许杨剑, 王效贵, 梁利华
2013, 30(11): 251-259. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0548
摘要:
对于常用的陶瓷/金属(PSZ/NiCrAlY)功能梯度材料(FGM)的弹塑性本构参数确定问题,提出了一种改进的基于扩展卡尔曼滤波算法(EKF)的反演分析方法。该法以压痕试验中获得的荷载-压痕深度响应曲线为依据,结合有限元模拟,对材料参数进行反演辨识。反演过程中事先对实验和有限元模拟结果作逐步均化处理,以此降低系统和测量随机误差对反演结果的影响,提高问题解的收敛精度;同时,基于数值模拟结果,利用拉格朗日插值函数构建载荷-压痕深度响应面,以便插值获取任意参数组合下的响应值及其梯度值,从而提高反演的效率;另外,采用不同尺寸压头的荷载-压痕深度曲线来进一步地提高问题解的收敛性、精确性和适定性。该文从多个角度,对有效地获取FGM材料参数问题进行了详细的探讨,为材料参数的反演辨识研究提供了有益的参考。
其他工程学科
金属半球壳压缩力学性能实验和模拟研究
余为, 李慧剑, 梁希, 张涛
2013, 30(11): 260-265. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0508
摘要:
金属空心球结构是一种新型的多孔金属材料,对金属半球壳压缩力学性能的研究是研究整体材料力学性能的基础。通过一系列准静态压缩实验,研究了金属半球壳受刚性球、刚性平板及三种不同截面积的刚性圆柱压缩下的变形形貌及屈服极限、弹性模量等力学性能,分析了球壳受不同压头压缩时的变形规律。通过建立与实验对应的数值模型,对金属半球壳进行了压缩数值模拟,分析了其力学性能。研究表明:金属半球壳的屈服极限和弹性模量均与平面压头的截面积无关,屈曲应力则随刚性圆柱形压头截面积增大而增大,半球壳压缩吸能性能随压头面积减小而降低。
采用不同插值函数的流体力学有限元数值波动研究
方少文, 袁行飞, 钱若军, 韩向科
2013, 30(11): 266-271. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0522
摘要:
对一维定常对流扩散方程有限元解的波动问题进行汇总和分析,讨论产生有限元解波动的原因,介绍常用的处理解波动的基本原理和技术。采用不同插值函数进行有限元分析,并与解析解对比,重点讨论了指数型插值函数有限元解的波动和收敛性。研究结果表明提高插值函数连续性可以改善一维对流扩散方程有限元数值波动情况。与线性Lagrange插值函数相比,指数型插值函数可精确给出变量在单元内的分布,并能较好地控制数值波动现象。同时在较稀疏的网格条件下,指数型插值函数可取得问题较好的数值解。
经典式Spar平台垂荡-纵摇耦合混沌运动研究
刘利琴, 王宾, 张若瑜, 唐友刚
2013, 30(11): 272-276,304. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0530
摘要:
该文基于Lyapunov指数研究经典式Spar平台主体垂荡-纵摇非线性耦合的混沌运动。建立了规则波浪中平台主体垂荡-纵摇耦合非线性微分方程,以经典式Spar平台为例,数值计算了响应的最大Lyapunov指数谱及分岔图,在波高和波浪频率构成的平面上,计算了平台不稳定纵摇运动的参数域。结果表明,平台运动形式对波浪激励频率非常敏感,随着波浪频率的改变,Spar平台发生1/2亚谐运动、概周期运动,当波浪频率接近垂荡固有频率时,发生混沌运动。
砰击荷载下金字塔点阵夹层板动力响应分析与估算
汪浩, 赵飞, 程远胜, 刘均, 田媛
2013, 30(11): 277-285. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0556
摘要:
该文以轻质金字塔点阵夹层平板结构为对象,对其在不同撞水速度下(1m/s~6m/s)的流-固耦合动力学行为进行数值和理论计算分析。首先建立了气-液-固三相数值模型,通过详细计算获得了砰击压力的分布特征与结构砰击变形特征,分析表明当砰击压力脉宽和结构自振周期(湿模态)之比大于4时流-固耦合效应不显著。与同等质量实体板相比,轻质金字塔点阵夹层平板平均流-固砰击压力与结构最大变形均显著降低,而且存在#x0201c;局部气垫#x0201d;现象(在实体平板撞水的过程中未发现该效应)。提出一种将砰击变形位移场分解为总体变形和局部变形,然后进行叠加的计算模型,该种工程近似计算方法获得的变形估算值与数值计算结果吻合较好。
基于SPH方法的剪切流驱动液滴在固体表面变形运动数值模拟研究
强洪夫, 刘开, 陈福振
2013, 30(11): 286-292. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0557
摘要:
光滑粒子流体动力学(SPH)方法是纯拉格朗日粒子方法,可以有效避免网格法在模拟大变形过程中带来的网格扭曲等缺陷,适合模拟含大变形的剪切流驱动液滴在固体表面变形运动过程。在基于CSF模型的表面张力SPH方法基础上,采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法。基于新方法模拟了剪切流驱动液滴在固体表面变形运动过程并与实验结果和VOF方法模拟结果进行了对比验证。结果表明:该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中剪切流驱动液滴在固体表面变形运动问题。
油气输送管典型应力状态下的屈服行为研究
杨锋平, 张良, 罗金恒, 赵新伟, 张广利
2013, 30(11): 293-297. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.07.0561
摘要:
准确计算油气输送管的实际屈服强度对合理确定输送压力有重要影响。该文分析了4种应力状态下对屈服强度有明显影响的钢管轴向应力,发现管材横向小试样试验时,轴向应力为零,工厂静水压试验时,轴向应力小于零,裸露钢管静水压试验时,轴向应力为环向应力的一半,埋地服役状态时,轴向应力为0.3倍环向应力。并从理论和试验两方面分析了实物钢管屈服强度与管材小试样屈服强度的差别。理论计算表明,4种应力状态下,屈服时vonMises理论计算的钢管环向应力值大于或等于Tresca理论计算值,其中裸露钢管受内压状态下,vonMises理论计算的管道屈服环向应力为1.15倍管材屈服强度,Tresca理论计算值为1.0倍,6根钢管爆破试验及小试样拉伸试验表明,该值为1.18倍。vonMises理论比Tresca理论更适合油气输送管的屈服计算。
冷轧薄宽带钢局部型中浪瓢曲变形行为研究
张清东, 卢兴福, 张晓峰, 戴杰涛, 秦剑
2013, 30(11): 298-303. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0563
摘要:
针对薄宽带钢冷轧过程中易发多发的局部型中浪瓢曲缺陷,引入非均匀载荷宽度、弹性约束系数及平均张应力建立了屈曲变形的解析计算模型。应用能量最低原理对屈曲变形区域进行搜索求解,得到了局部型中浪屈曲临界条件(包括临界应力、屈曲波长和屈曲波宽),获得了其与非均匀载荷宽度、弹性约束系数、平均张应力的关系,并发现平均张应力是产生局部型中浪的重要影响因素。应用样条有限元方法对局部型中浪进行数值仿真分析,验证了屈曲解析计算方法的正确性。在实验轧机上进行了轧制研究,通过轧制获得了局部型中浪屈曲模态,对实验结果分析得到了相对应的屈曲临界条件,与解析法和样条有限元法结果基本吻合,证明了样条有限元计算方法与解析计算方法的正确性及其工程应用价值。