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2014年  第31卷  第10期

祝贺《工程力学》创刊30周年题词
2014, 31(10).
摘要:
综述
汶川、芦山、鲁甸地震极震区地面运动破坏力对比及其思考
陆新征, 林旭川, 田源, 叶列平
2014, 31(10): 1-7,20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0771
摘要:
该文收集了汶川、芦山、鲁甸地震极震区的强震地面运动记录,并简要介绍了鲁甸地震的震害情况。以6组二维钢筋混凝土框架结构和1组三维钢筋混凝土框架为例,对比了这些地面运动对不同结构的破坏作用。分析结果表明,汶川地震极震区的地面运动破坏力最强,鲁甸地震次之,而芦山地震极震区的地面运动破坏力则明显较小。基于上述对比,对我国的地震应急响应依据、宏观烈度评定、地震动强度指标及工程抗震研究提出一些讨论和建议。
基本方法
涉及离散变量的函数统计矩点估计法
范文亮, 杨朋超, 李正良
2014, 31(10): 8-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0379
摘要:
点估计法对于仅包含连续随机变量的函数和系统的随机分析具有原理简洁清晰、操作简单易行的优点,并可以直接给出除均值和标准差之外的其他低阶统计矩。然而,对于客观存在的或者是需处理为的涉及离散随机变量的系统,现有的点估计法无能为力。为解决这一问题,该文基于一般随机系统的形式解析解,导出了涉及离散变量函数和系统的统计矩估计的理论表达式;然后,将其与现有的点估计法相结合,给出了涉及离散变量的函数和系统的低阶矩估计的点估计法;最后,通过理论推导和算例分析两种方式验证了建议方法的合理性和有效性,且指出该方法对包含离散变量的一般工程随机系统分析的适用性。
压电圆柱棒基于变分渐近法的广义Timoshenko模型
钟轶峰, 周小平, 张亮亮
2014, 31(10): 14-20. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0327
摘要:
基于变分渐近方法,对外侧表面无规定电势作用的压电圆柱棒构建了一种新的广义Timoshenko模型,以准确捕捉介质效应、压电材料极化以及机-电耦合性质。利用细长比作为小参数渐近近似计算压电圆柱棒的三维机电焓,得到等效的一维机电焓,并将二阶渐近修正的能量项保存在近似机电焓表达式中。为便于工程应用,将近似机电焓转换为具有6个力自由度和1个附加电自由度的广义Timoshenko模型。通过截面极化下悬臂压电圆柱棒端部挠度算例表明:所构建的模型与ANSYS三维多物理场耦合模拟具有很好的一致性,并能以很小的精度损失极大地简化分析过程。
基于切平面布点的一种改进响应面方法
赵维涛, 邱志平
2014, 31(10): 21-26. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0335
摘要:
基于合理选择试验点的位置,该文提出一种改进响应面方法。该方法首先在经过设计点的切平面上布置试验点,然后沿切平面法向量方向移动试验点,并利用设计点和先前试验点的信息布置加强试验点。所布置的试验点既对设计点附近区域给予足够重视,同时又考虑极限状态函数在设计点附近区域的变化趋势,进而提高响应面函数在设计点附近区域的拟合精度。在响应面函数的拟合过程中,该文方法能够保证响应面函数在设计点处是无误差的,进一步提高失效概率的评估精度。算例表明,对于显式和隐式极限状态函数,该方法均具有较好的效率和精度。
基于微孔贯通细观损伤模型的金属韧性断裂分析
姜薇, 李亚智, 束一秀, 樊振兴
2014, 31(10): 27-32. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0351
摘要:
韧性材料断裂过程通常可看作是材料内部微孔洞的形核、扩展及相互贯通的积累。经典的Gurson- Tvergaard (GT)模型能够很好地模拟具有变形均匀、各向同性的孔洞的萌生及扩展过程;但无法模拟由孔洞贯通而引起的局部变形过程,因此需要对其修正,引入相应的孔洞贯通准则。该文采用两种贯通准则对经典GT模型进行修正,即Thomason的塑性极限载荷准则和临界等效塑性应变准则。借助用户自定义程序UMAT将采用这两种贯通准则修正的GT本构关系嵌入至商用有限元软件ABAQUS中,从而可通过对金属材料应力状态和断裂机理的分析控制孔洞的贯通。以一组含有不同缺口根半径的圆棒拉伸试验件为例,分析了该类金属构件自孔洞萌生至最终断裂的整个损伤演化过程,并与试验数据进行了对比,验证了该模型的有效性。该文还讨论了金属断裂过程中应力三轴度对微裂纹萌生与扩展的影响。
双相介质中椭圆孔洞与裂纹对SH波的散射
杨在林, 许华南, 黑宝平
2014, 31(10): 33-39. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0367
摘要:
采用Green函数法和保角映射法解答了双相介质界面附近一个椭圆孔洞和一个裂纹(在同一侧)对SH波的散射问题。沿水平界面将双相介质剖分为一个含椭圆孔和裂纹的半空间以及一个完整的弹性半空间。结合“裂纹切割”法,利用Green函数法构造裂纹,求解出孔洞与裂纹同时存在时的位移和应力表达式。一组未知力系施加在水平界面上,使两部分契合,基于界面连续条件推导出一系列Fredholm积分方程组,从而求出未知力系。最后,给出算例讨论了不同参数对椭圆孔周边动应力集中系数和裂纹尖端动应力强度因子的影响。
SH波对覆盖层下浅埋圆孔和圆夹杂的散射
陈冬妮, 齐辉, 赵春香
2014, 31(10): 40-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0385
摘要:
利用复变函数法和波函数展开法给出了具有地表覆盖层的弹性半空间内圆形孔洞和圆柱形夹杂在稳态SH波作用下动应力集中问题的解。根据SH波散射的衰减特性,该问题采用大圆弧假定法求解,利用半径很大的圆来拟合地表覆盖层的直边界,将具有地表覆盖层的半空间直边界问题转化为曲面边界问题。借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解,再利用边界条件并借助复数Fourier-Hankel级数展开把问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组,截断该无穷代数方程组可求得该问题的近似解析解。最后,通过算例讨论了地表覆盖层及圆孔对浅埋圆柱形夹杂动应力集中的影响。结果表明,覆盖层刚度和厚度的变化及圆孔的存在可显著改变圆夹杂周边动应力集中的分布。
考虑相关性的Rackwitz-Fiessler随机空间变换方法
周生通, 李鸿光
2014, 31(10): 47-55,61. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0353
摘要:
从新的角度对传统Rackwitz-Fiessler随机空间变换方法(R-F法)进行了多方位的阐释。首先,给出传统R-F法的描述并从几何角度分析R-F法与等概率变换的关系;然后,证明R-F法的正变换过程符合等概率变换而逆变换过程却不符合,但却可看作等概率变换的一次近似;其次,提出一种等价的R-F条件,为清晰的阐释R-F法中变量相关性的变化情况提供新思路;之后,指出R-F法的变量相关性变化情况同Nataf-Pearson方法(N-P法)一致;最后,比较考虑相关性变化的R-F法和N-P法的计算量,指出两者在单个迭代步中计算量基本一致且可通过算法优化实现;另外对R-F法与线性N-P法的也作了比较。算例表明:正确考虑相关性变化的R-F法可以得到同N-P法一致的结果。
土木工程学科
桥墩抗震性能评估的适用近场地震动强度参数研究
申彦利, 杜修力, 杨庆山
2014, 31(10): 56-61. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0227
摘要:
为研究适用于桥墩结构抗震性能评估的近场地震动强度参数,建立了具有不同周期的3个钢筋混凝土墩柱模型,选取大量实际地震记录组成地震记录库,利用增量动力分析和统计推论的方法研究了非弹性位移响应谱值作为近场地震动强度参数在评估桥墩抗震性能时的适用性,研究结果表明,相比弹性位移响应谱值,非弹性位移响应谱值是更适用的近场地震动强度参数,可以用来进行基于概率的桥墩结构抗震需求分析。研究结果具有一定的学术和工程应用价值。
核电厂隔震结构的振动台试验研究
王涛, 王飞, 侯钢领, 丁路通
2014, 31(10): 62-68,84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0256
摘要:
将基础隔震技术应用于核电厂的设计和建造,不仅可以实现上部结构和内部设备、管道的标准化设计,缩短设计和建造周期,提高核电厂建设的经济性,而且可以提高结构的抗震裕度,有效抵抗超过设防烈度的地震动。为此,该文分别采用传统橡胶隔震支座和厚层橡胶隔震支座,制作传统水平基础隔震模型和三维基础隔震模型,结合油阻尼器控制核电厂结构的地震响应。通过振动台试验和数值模拟,对比了隔震模型和非隔震模型在时域和频域的地震响应。研究表明,在水平方向,两种隔震结构的水平加速度相对于非隔震结构均可以降低约50%;在竖直方向,三维隔震结构的楼层反应谱峰值向低频2Hz~3Hz移动,避开了设备和管道的主频率范围10Hz~20Hz,即可以实现设备和管道的竖向隔震。同时,试验和分析均证明对隔震层附加约为15%的水平阻尼比,可以有效降低结构的地震响应,并使水平楼层反应谱峰值减小约50%。
混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析
王立成, 邢立坤, 宋玉普
2014, 31(10): 69-76. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0259
摘要:
混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明:劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。
考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析
丁幼亮, 胡心一, 张志强, 宋建永, 李万恒, 张文明, 王玉倩
2014, 31(10): 77-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0270
摘要:
该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。
复合墙板与钢框架的连接节点抗震试验研究
侯和涛, 周健, 臧海涛, 李晶晶, 刘海宁, 吕忠珑, 王锡平
2014, 31(10): 85-91,115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0329
摘要:
带复合墙板钢框架结构体系在钢结构住宅中得到了广泛的应用,墙板与钢框架的连接节点对这种结构体系抗震性能有重要的影响。为研究连接节点的受力机理及破坏模式,对五榀带复合墙板钢框架结构试件进行水平反复荷载作用下的试验研究,系统对比连接节点骨架曲线与整体结构骨架曲线,分析墙板、节点预埋件、钢丝、混凝土的应力-应变曲线。试验结果表明:该节点有良好的承载力并能实现墙板与钢框架安全有效的连接,预埋件保证了钢框架与墙板之间的协同作用,斜向交叉钢板的设置提高了整体框架以及节点的极限承载力,改善了墙板与钢框架的协同作用。
高桩码头整体安全度定量分级方法
王元战, 刘翰琪, 高树奇, 张智凯
2014, 31(10): 92-99. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0339
摘要:
高桩码头是我国广泛采用的重要结构形式之一,其构件多、结构复杂,容易出现损伤或破坏,因此其安全性一直受到普遍关注。该文在查阅和整理了国内外关于可靠性评价的一系列标准、规范以及研究人员对结构可靠度安全等级划分等工作成果的基础上,用结构整体极限承载力表征体系的抗力,计算结构的可靠指标;依据关于结构安全分级标准的相关规范,反推得到相应的结构目标可靠指标,从而建立了基于整体可靠指标的高桩码头安全度定量分级方法。此外,按照不同可变荷载组合对该分级标准进行了讨论,并得出了一些基本规律。以某高桩码头为例,采用该文提出的高桩码头整体安全度定量分析与分级方法,对该结构破损后的安全度进行评估,结果与工程实践结论相一致。
新型误差可调弦支穹顶模型加载试验研究
冯玉龙, 周臻, 孟少平, 王永泉
2014, 31(10): 100-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0361
摘要:
弦支穹顶结构是一种由上层网壳结构和下层索杆体系复合而成的结构体系,上层网壳节点的初始安装偏差是影响结构受力性能的重要因素之一。为此,提出了多向误差可调节点的概念,容许与节点相连的网格杆件在水平方向、竖直方向和杆件轴线方向进行空间三维多向调整,进而能够调节节点空间几何位置。设计了一种针对弦支穹顶结构的多向误差可调节点,并对其进行了分级加载试验,结果表明该节点受力在加载过程中始终处于弹性范围以内,验证了其安全性和可靠性。然后,制作了一跨度为3m的节点误差可调弦支穹顶模型,提出了误差可调节点的安装调节流程,分别对节点位置误差未调整和调整的结构进行了静力加载试验,试验结果表明:误差调整后的结构试验位移值比未调整的小,误差调整后的结构杆件轴力分布较合理,且荷载-位移曲线和荷载-轴力曲线都具有较好的线性关系,结构的受力性能得到了改善。
Q690高强钢管焊接残余应力数值模拟
杨俊芬, 李渊, 彭奕亮
2014, 31(10): 108-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0365
摘要:
该文重点研究Q690焊接高强钢管截面纵向残余应力分布模式,利用商业有限元分析软件ANSYS对其进行数值模拟,运用其中的“生死单元”和热-结构耦合分析功能来模拟焊接过程,以管径与壁厚为变量,设计3组共12个有限元模型。通过对模型的数值分析,得到每个模型的截面纵向残余应力分布形式,经过对比分析得出其规律,并提出Q690焊接高强钢管截面纵向残余应力的简化分布模式。结果表明,其分布模式与Wagner提出的分布模式接近,但Q690高强钢管的纵向残余压应力峰值与其屈服强度的比值仅为0.2,要明显小于普通钢管纵向残余压应力峰值与其屈服强度的比值0.35。
波形钢腹板组合槽型梁剪切挠度计算方法与试验研究
陈卓异, 黄侨, 杨明, 胡世翔
2014, 31(10): 116-122. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0369
摘要:
为了提出适用于波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度的计算方法,分析了荷载作用下组合梁的受力特点和截面上的剪应力分布规律,推导了剪应变的几何方程,提出了支反力-荷载分段函数的计算模式,通过对几何方程进行积分,建立了波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度计算公式。该公式能够计算多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度,并适用于波形钢腹板组合梁的其它截面形式。通过4片波形钢腹板组合槽型梁和1片波形钢腹板组合工形梁的静载试验和有限元分析,验证了剪切挠度计算公式的准确性。试验研究表明:对于5片缩尺试验梁,不考虑剪切变形的影响,挠度值偏小约20%,而采用该文考虑剪切变形影响的挠度公式计算的理论值与实测值吻合良好。
水力压裂过程的扩展有限元数值模拟方法
盛茂, 李根生
2014, 31(10): 123-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0370
摘要:
建立了基于扩展有限元法的水力压裂数值模拟方法,使水力裂缝独立于网格存在,无需预设裂缝扩展方位。在扩展有限元计算框架下,将裂缝面处理为求解域内边界,将缝内水压力转化为相关单元等效节点力;运用考虑缝内水压力作用的相互积分法来数值求解缝尖应力强度因子;采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展及扩展方位;最终编制了计算机程序。利用该方法数值模拟了单条水力裂缝在恒定水压力作用下作非平面扩展,所得结果分别与室内试验和解析模型相对比。结果表明,数值结果与室内试验和解析解吻合较好,缝尖应力强度因子最大相对误差不高于0.45%,验证了该方法的可行性和准确性。
平衡大气边界层自保持问题的研究
唐煜, 郑史雄, 赵博文, 李明水
2014, 31(10): 129-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0376
摘要:
在计算风工程(CWE)中,实现大气边界层(ABL)来流边界条件的自保持是基本前提条件,然而在很多已发表的文献中这一基本要求被忽视或未得到满足。该文首先回顾了已有研究者对该问题的研究进展,基于SST k-ω湍流模型和平衡湍流假设,推导了适用于一般风工程计算的入口来流边界条件表达式,并结合作者的工作经验给出了适用于地形尺度风场计算的湍流模型常数建议值。随后通过三维平坦场地数值模拟检验所生成风剖面的自保持特性,效果理想。最后对实际山地地形风场进行建模计算,所得结果与现场实测数据基本吻合。
考虑局部构造形式影响的焊接节点抗震性能分析
郑山锁, 徐强, 田进, 韩言召, 孙乐彬
2014, 31(10): 136-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0377
摘要:
钢结构梁柱节点的局部构造形式对结构抗震性能影响显著,该文研究已有焊接节点构造形式的优缺点,依据等强设计原则,提出新型的节点构造形式。采用有限元软件ANSYS建立非线性有限元模型,考虑构件局部屈曲,对节点施加初始缺陷,并依据已有的钢框架焊接节点试验验证所建立有限元模型的准确性和适用性。对新型节点与标准节点、加强型节点和削弱型节点在承载力、断裂性能、滞回性能、退化特性、破坏形态以及累积损伤等方面进行对比分析,深入探讨新型构造形式节点的抗震性能。分析结果表明:新型节点在不改变节点刚度的情况下,能够实现塑性铰外移,且节点破坏形态与断裂性能滞回性能稳定,在断裂性能与累积损伤方面表现良好。
基于转动刚体模型筋混凝土挡块抗震强度预测
徐略勤, 李建中
2014, 31(10): 143-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0381
摘要:
在拟静力试验基础上,根据挡块的破坏现象、钢筋的应变分布规律、以及挡块的力-变形关系曲线识别了挡块的两种典型破坏形态,即斜截面剪切破坏和连接面剪切破坏。引入转动刚体的假设模拟挡块的破坏机制,提出混凝土和钢筋强度贡献的两个独立分项,分别建立了两种破坏形态下挡块的抗震强度预测模型。两个模型本质上一致,但受力模式有别。斜截面转动刚体模型中挡块的强度主要来自混凝土、剪切钢筋、水平拉筋和水平构造筋的贡献;而连接面转动刚体模型主要来自混凝土和剪切钢筋。两个模型不仅可体现挡块尺寸、材料特性、钢筋数量等基本参数的影响,也可反映加载位置、钢筋位置等因素的作用。误差分析表明两个模型计算结果精确、可靠,可为挡块的抗震设计计算提供参考。
碎石料应力路径大型三轴试验的离散元模拟研究
姜浩, 徐明
2014, 31(10): 151-157,180. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0382
摘要:
碎石料在高填方工程中得到广泛应用。由于其粒径较大,对碎石料力学特性的研究通常需要大型的试验设备。该文探索通过离散元数值模拟方法研究碎石料的应力路径相关力学特性。离散元程序可以将若干球形单元粘结成一个捆绑单元,从而模拟可破碎的碎石颗粒。该文首先简要介绍了离散元的计算原理、特点和模拟过程,并建立碎石料试件的离散元模型。通过对比一组恒定围压下的大型三轴试验,确定了各参数,对所建模型进行了标定。进而通过该模型独立预测碎石料试件在三种不同应力路径加载时的应力-应变关系及体变特性,并与相应的应力路径大型三轴试验结果进行对比,验证了离散元方法可以较为准确地计算碎石料沿不同应力路径加载时的力学特性,同时还讨论了碎石料的小应变刚度特性。
实时混合试验近完全时滞补偿方法的参数确定
王贞, 刘进进, 吴斌
2014, 31(10): 158-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0386
摘要:
实时混合试验是在拟动力试验方法的基础上发展起来的、能够考虑试件率相关力学性能的新型抗震试验方法,时滞补偿是该方法的重要问题。在前期近完全时滞补偿方法的研究基础上,该文研究了该方法的参数确定原则和该补偿方法的性能。近完全时滞补偿方法通过过预测结构位移响应并提前发送,实现实测位移超前期望位移;接着从实测位移数据中寻找与期望位移最接近者,以及与其对应的实测反力,并作为试件反力反馈到数值积分中。数值模拟表明无法回搜到与期望位移相等的实测位移时,方法可能发散。为了确定回搜跨度,分析了试验中可能出现的情况,针对每种回搜时间跨度区间分析了可能存在的最优反力-期望位移滞回环。进一步的数值模拟和真实试验验证了分析的正确性。试验也表明方法具有较好的精度。
循环荷载水平与加载频率耦合作用下的软粘土特性研究
倪静, Buddhima Indraratna, 耿雪玉, 陈有亮, 朱颖
2014, 31(10): 167-173. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0387
摘要:
通过不排水循环三轴试验,并考虑不同循环应力水平及加载频率的影响,研究了软粘土在循环荷载作用下的孔隙水压力及变形特性,分别探讨了这些特性随循环加载时间和加载次数的不同变化规律。研究结果表明,对于相同循环应力水平,相同加载次数下不同加载频率的软粘土特性有所不同,而相同加载时间下不同加载频率的软粘土特性基本相同。此外,无论加载频率为何数值,一旦循环应力水平超过临界值,软粘土破坏必将发生。为了深入研究应力水平和加载频率的耦合作用,该文从应力控制循环加载试验中的应变速率着手,对软粘土的特性进行了分析。结果表明,在应力水平相同的情况下,软粘土在不同加载频率下的应变速率是基本相同的,由此可得对于软粘土在循环荷载作用下特性的影响,应力水平比加载频率更为重要。
螺栓杆应力集中系数的研究
杜运兴, 欧阳卿, 周芬
2014, 31(10): 174-180. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0389
摘要:
螺栓球节点栓杆上的应力集中是导致栓杆发生疲劳破坏的主要原因。该文通过理论推导及数值分析的方法研究了螺栓杆的应力集中系数。在忽略螺纹升角的情况下,根据变形协调条件研究了螺栓杆的轴力梯度变化,采用数值计算确定常用螺栓球的螺纹位移系数及螺纹力计算公式。采用局部建模,通过迭代计算的方法确定螺栓杆应力集中系数。与完整模型的计算结果比较表明该方法的计算结果具有较高的精度,且计算效率高。
复杂体型屋盖表面风压的高阶统计量与非高斯峰值因子
潘小涛, 黄铭枫, 楼文娟
2014, 31(10): 181-187. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0398
摘要:
该文研究了某站台结构刚性屋盖风洞实验中风压统计量对于数据时长的敏感性。采用不同时长的数据计算长时距脉动风压数据的偏度和峰度,结果表明高阶统计量具有非平稳特性,峰度的值受数据时长的变化影响显著。根据随机数据的峰度是否大于3,可以将其划分为软响应过程和硬响应过程。通过分析此建筑屋盖表面风压数据,发现屋盖表面存在峰度小于3的硬响应测点。而现有的峰值因子计算方法都没有具体探讨其对于这种峰度小于3的硬响应测点的适用性,该文将不同计算方法得到的软响应和硬响应峰值因子结果与标准统计方法计算值进行对比,进而判断各种方法的优劣性。结果表明非高斯峰值因子计算当中不宜引入峰度这个参数,TPP方法对于计算硬响应过程和软响应过程的非高斯峰值因子都有很好的适用性。
双向地震激励下的两阶段多维Pushover分析
王丰, 李宏男
2014, 31(10): 188-194. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0962
摘要:
在模态Pushover分析方法中,由模态推覆力得到的结构力-位移关系只适合于该模态下的反应,不能合理反映结构整体在地震作用下的弹塑性发展过程。为此,针对双向地震激励下的多层偏心结构,提出了两阶段多维Pushover分析方法。第一阶段:通过双向地震激励下的模态多维Pushover分析结构在双向地震下的位移反应;第二阶段:利用第一阶段得到的组合模态系数建立新的推覆力模式,进行第二次多维Pushover分析,分析结构的弹塑性发展过程。通过算例分析表明:1) 此方法能够较准确的估算结构位移沿楼层的分布特征;2) 随着塑性反应和楼层数的增加,估算偏差随之增大;3) 由组合模态推覆力模式的多维Pushover分析可以从整体上分析结构的弹塑性力-位移发展过程。
基于性能的偏心支撑钢框架抗震设计方法研究
李慎, 苏明周
2014, 31(10): 195-204. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0204
摘要:
偏心支撑钢框架的理想失效模式为每层耗能连梁均屈服,底层柱脚形成塑性铰,传统设计方法基于强度设计理论,很难保证结构的弹塑性受力状态。该文提出了偏心支撑钢框架基于性能的抗震设计方法(PBSD),该方法以结构的目标侧移和失效模式来预测和控制结构的非弹性变形状态,保证偏心支撑钢框架在大震作用下各层连梁均参与耗能,而其他构件仍保持弹性,即偏心支撑钢框架的层间侧移趋于均匀,避免结构薄弱层的出现,便于偏心支撑钢框架的震后修复。依据PBSD方法分别设计了10层K形和Y形偏心支撑钢框架算例,采用静力推覆分析和非线性时程分析验证该设计方法的合理性,分析结果表明:依据PBSD方法设计的偏心支撑钢框架的极限状态接近于理想整体失效模式,即结构非弹性变形主要集中在耗能连梁中发生,且各层连梁均参与耗能,没有薄弱层出现。该方法为偏心支撑钢框架的工程优化设计提供了参考依据。
机械工程学科
冗余并联结构六维力传感器及其超静定静力映射解析分析
姚建涛, 李立建, 许允斗, 赵永生
2014, 31(10): 205-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0336
摘要:
提出采用冗余并联结构作为大量程大测力板六维力传感器的弹性体结构。基于整体刚度和变形协调条件,提出一种求解冗余n-SS(n>6)并联Stewart结构六维力传感器超静定受力分析的解析方法,导出了n个分支杆轴向力与六维外力之间的全映射关系。通过解析分析分块矩阵的广义逆,得到了当各分支杆刚度一致或不一致时形式统一的各分支杆轴向受力分析的求解方法。最后,利用数值算例验证了上述两种方法的正确性,并表明采用广义逆矩阵求解冗余并联结构各分支杆轴向力不仅形式简洁,而且易于计算机编程实现,具有重要的应用前景。
非比例载荷下缺口件疲劳寿命预测
金丹, 田大将, 王巍, 林伟
2014, 31(10): 212-215,221. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0352
摘要:
针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了一系列非比例载荷低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明,缺口件裂纹萌生寿命占总寿命的比例与材料类型、应变路径相关,更与缺口半径尺寸直接相关。同一路径下,随着缺口半径增加,裂纹萌生寿命所占比例增大。采用Neuber律进行缺口局部应力-应变损伤的计算,结合Smith-Watson-Topper (SWT)模型和Kandil-Brown-Miller (KBM)模型进行疲劳寿命预测。结果表明,除单轴路径和比例路径外,SWT模型得到的预测结果偏于不安全;KBM模型除对单轴预测偏于保守外,其他预测值较好,总体预测结果位于2倍分散带内。
多轴载荷下缺口件的疲劳寿命估算方法
吴志荣, 胡绪腾, 宋迎东
2014, 31(10): 216-221. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0360
摘要:
提出了一种多轴载荷下缺口件的疲劳寿命估算方法。该方法基于临界平面理论,计算出缺口件各部位的多轴疲劳损伤参数,以损伤参数最大的部位为缺口件的多轴疲劳危险点。根据临界距离思想,提出了热点法和线法的临界距离的计算方法,采用热点法和线法考虑缺口件疲劳危险点附近损伤梯度的影响,以临界距离修正的损伤参数计算多轴载荷下缺口件的疲劳寿命。采用SAE1045钢缺口件的多轴疲劳试验对该文提出的寿命估算方法进行评估和验证,结果表明:该文所建立的寿命预测方法具有较好的预测能力,预测结果大部分分布在试验结果的3倍分散带之内。
其他工程学科
正交各向异性带钢瓢曲变形行为样条有限元研究
张清东, 卢兴福, 张晓峰
2014, 31(10): 222-227,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0310
摘要:
带钢在轧制过程由于晶粒的择优取向而产生各向异性,为了研究这种各向异性对带钢板形瓢曲行为的影响规律,针对生产中常见的板形瓢曲缺陷,根据正交各向异性薄板小挠度理论和屈曲问题的驻值势能原理,建立了带钢在纵向延伸塑性应变(初应变)作用下以样条函数为基础的前屈曲样条有限元计算模型,获得了屈曲临界塑性应变、临界波长与带钢各向异性程度的关系;根据大挠度理论和虚功原理,应用样条有限元获得了正交各向异性带钢后屈曲路径。计算分析了带钢正交各向异性程度对中浪、边浪、四分之一浪、边中复合浪屈曲变形前屈曲临界条件及后屈曲变形过程的影响规律。
RBF_TFI结构动网格技术在风洞静气动弹性修正中的应用
孙岩, 邓小刚, 王运涛, 王光学
2014, 31(10): 228-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0354
摘要:
面向风洞模型静气动弹性修正发展了一种基于RBF(Radial Basis Function, RBF)和TFI(Transfinite Interpolation, TFI)插值方法的高效高质量结构动网格生成技术,即利用精简径向基基点后的RBF方法对结构网格块的棱线节点坐标进行更新,然后通过TFI方法重新生成变形后的面网格、体网格。翼型旋转变形动网格实例说明该方法可以生成高质量的变形网格。结合该动网格方法和风洞实验模型变形数据开展的F6翼身组合体模型静气动弹性修正计算,结果表明,模型变形对气动力系数的影响量远超风洞实验允许的误差极限,开展风洞静气动弹性修正对于提高风洞实验数据准度具有重要的工程价值。
拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析
相超, 周丽, 宋恩鹏, 叶正浩, 许希武
2014, 31(10): 234-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0355
摘要:
基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明:补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。
考虑空化作用的潜射航行体弹道仿真
陈超倩, 曹伟, 王聪, 任怀勋, 孙健
2014, 31(10): 242-247. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0393
摘要:
该文基于独立膨胀原理研究了潜射航行体的自然空泡形态及小机动条件下空泡轴线的偏移,采用细长体理论计算了航行体部分沾湿区的流体动力,建立了纵平面内潜射航行体水下运动数学模型。针对自然空化条件下潜射航行体水下航行段弹道进行了仿真分析,仿真结果表明,艇速干扰使弹道出现弯曲,艇速越大,航行体出水姿态角越大,不利于出水姿态的稳定,而空化作用产生的附加径向力在一定程度上对航行体姿态起到矫正作用,仿真计算结果与模型试验结果符合较好。
多向不规则波浪作用下大尺度墩柱上爬高的数值研究
季新然, 柳淑学, 李金宣, 贾伟
2014, 31(10): 248-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0402
摘要:
基于规则波对墩柱作用的理论,采用传递函数的方法,建立了多向不规则波浪对大尺度墩柱作用的计算模型。同时进行了物理模型实验,对数值计算结果进行了验证。实验结果和数值计算结果基本一致。结果表明多向不规则波浪与圆柱作用时,波浪的方向分布对圆柱周围的爬高具有明显的影响。研究成果可为实际工程设计时提供参考依据。