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2014年  第31卷  第5期

综述
混凝土类材料SHPB实验若干问题探讨
方秦, 洪建, 张锦华, 陈力, 阮征
2014, 31(5): 1-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.ST07
摘要:
分离式霍普金森压杆(SHPB)实验是研究混凝土类材料动态力学性能的主要方法。该文简要回顾了当前混凝土类材料SHPB实验中存在的若干问题(如端面摩擦、骨料大小、惯性效应、温度效应等)的研究进展;通过对混凝土SHPB实验的精细化数值模拟, 进一步分析了惯性效应产生机理, 提出了材料的塑性流动引起的横向加速度是产生围压的关键原因, 围压波在试件中心的反射和边缘的卸载形成试件中围压从中心向四周逐渐减小的抛物线型分布;利用该文所提的SHPB实验惯性效应产生机理, 较好地解释了SHPB实验的尺寸和主动围压的影响规律;基于自主研制的可进行围压和温度共同加载的SHPB实验装置TSCPT-SHPB, 对在5MPa~25MPa围压作用下以及在40℃~80℃温度下盐岩动态力学性能进行实验研究, 结果表明, 高围压下应变率效应不如低围压下显著, 温度越高, 强度越低;基于考虑粗骨料大小、形状及空间随机分布的三维混凝土细观模型, 对混凝土各细观组分对动态效应影响进行了研究, 结果表明:各组分材料静态强度越高, 混凝土动态强度也越高;在相同骨料粒径条件下, 骨料体积率越高, 混凝土动态强度也越高;而相同骨料体积含量条件下, 骨料尺寸越大, 混凝土动态强度越低。
基本方法
位移约束刚架拓扑优化的非线性有无复合体方法
隋允康, 王西旺, 杜家政
2014, 31(5): 15-19. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.ST09
摘要:
为了提高基于物理模型的结构拓扑优化的寻优效率, 该文提出了非线性有无复合体, 以刚架结构在位移约束下的拓扑优化为例, 进行了结构重量目标函数极小化的数学模型建立和程序实现。与线性有无复合体不同, 非线性有无复合体是无限多个无穷小的“有单元”和“无单元”各自长度的非线性组合。由于每个梁单元“有”单元长度和“无”单元长度之和的不变性, 其拓扑变量可以用“有”单元的总长度予以表达。推导了结构重量、位移约束同结构拓扑变量的显式函数, 建立了优化模型。使用线性规划算法求解了相应的优化模型, 算例表明, 该文方法的寻优效率得到了提高。同作为数学变换的ICM(独立、连续和映射)方法比较, 该文提出的作为物理模型的方法, 二者在解决结构拓扑优化上具有异曲同工之效:后者的“有”单元长度的非线性关系替代了前者的单元重量、位移约束中的过滤函数。数学变换方法与物理模型方法的异同点更是耐人寻味。 方法
基于多重网格法和GPU并行计算的大规模壳结构快速计算方法
蔡勇, 李光耀, 王琥
2014, 31(5): 20-26. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0942
摘要:
该文采用将EBE计算策略、多重网格法以及GPU并行计算方法三者相结合的计算策略, 设计了一种新颖的迭代求解方法, 可以有效的提高大规模壳结构的有限元分析效率。该方法中, EBE计算策略将总体运算分解到单元上进行, 可以节约计算内存, 提高单机上问题的求解规模, 并且可以有效地提高隐式有限元算法的并行性;多重网格法通过在疏密不同的网格层上进行迭代, 平滑不同频率的误差分量, 可以加快迭代收敛速度;GPU并行计算方法可以在较低硬件成本的前提下实现高效的并行计算。该文采用统一计算架构(Compute Unified Device Architecture, CUDA)进行程序的编制, 并在采用GTX460显卡的个人计算机执行。数值计算结果表明该方法在保证计算精度的同时可以取得较高的计算加速比。
基于共旋三角形厚薄通用壳元的几何非线性分析
王振, 孙秦
2014, 31(5): 27-33. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0958
摘要:
基于共旋列式方法发展了一种用于复合材料层合板结构几何非线性分析的简单高效的三结点三角形平板壳元。该壳元由具有面内转动自由度的广义协调膜元GT9与假设剪切应变场和假设单元转角场的广义协调厚薄通用板元TMT组合而成。为避免薄膜闭锁而采用单点积分计算与薄膜应变有关的项, 同时增加一个稳定化矩阵以消除单点积分导致的零能模式。基于层合板一阶剪切变形理论, 给出了考虑层合板具体铺层顺序的修正的横向剪切刚度, 使该壳元可用于中厚层合板结构的分析。由于共旋列式大转动小应变的假设, 共旋列式内核的几何线性的单元刚阵可仅计算一次而保存下来用于整个几何非线性求解的过程以提高计算效率。数值算例表明提出的壳元进行包括复合材料层合板结构的厚薄壳结构的几何非线性分析的精度高且效率高。
炭黑填充橡胶超弹性本构模型的选取策略
胡小玲, 刘秀, 李明, 罗文波
2014, 31(5): 34-42. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0961
摘要:
橡胶材料超弹性本构参数的精确性是影响橡胶结构有限元计算精度的关键因素。对炭黑填充橡胶材料进行单轴拉伸(ST)、平面拉伸(PT)以及等双轴拉伸(ET)等三类基本变形试验, 考察6种常见超弹性本构模型对试验数据的拟合能力, 探讨在三类基本试验不齐全情况下超弹性本构模型的预测能力和模型选取策略。结果表明, 为尽量准确地描述橡胶材料的大变形和复杂变形行为, 根据基本变形试验数据的齐全程度, 对超弹性本构模型应采取不同的选取策略。在ST、PT和ET基本变形试验齐全的情况下, 依次优先选用Ogden (N=3)、Yeoh和Arruda-Boyce模型;只有两类基本变形试验时, 应包括ET试验, 这时Ogden (N=3)模型对第三类变形行为给出准确模拟;仅有ST试验时, 优先选取Arruda-Boyce模型。
弹性地基上矩形薄板自由振动的精确解
徐腾飞, 邢誉峰
2014, 31(5): 43-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0962
摘要:
根据分离变量法得到了Winkler弹性地基上矩形薄板自由振动问题的精确解, 分析了地基模量对频率的影响, 其中边界条件为CCCC、SCCC和SSCC情况的精确解过去被认为是难以得到的。在分离变量方法中, 不需要事先人为的选取满足某一组对边边界条件的挠度函数, 而是直接利用控制方程本征根给出振型函数通解的一般解析形式, 再利用边界条件得到振型函数系数和频率方程的精确形式。数值结果与有限元结果及文献结果吻合较好, 验证了该文方法和结果的的正确性。
含椭圆型孔洞有限大电致伸缩材料板的二维问题
张宁, 高存法
2014, 31(5): 49-55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0906
摘要:
基于电致伸缩材料的基本方程, 该文采用Faber级数方法研究了含有椭圆型孔洞的有限大电致伸缩材料板在受到电载荷作用下的二维问题。采用各向同性体平面理论中的复势方法, 以Faber级数、保角映射及最小二乘边界配置技术为工具, 提出了含有单个椭圆孔的有限大电致伸缩材料板在电载荷作用下的级数解, 详细讨论了板的尺寸、孔洞的尺寸、孔洞的分布以及洞内的电场对于孔边应力的影响规律。最后通过几组数值算例, 讨论了各种参数的变化对孔周应力集中的影响, 并就特殊情况与文献中的一些结果进行了比较, 结果表明最小二乘边界配置法具有精度高、收敛速度快等优点。
功能梯度压电压磁球对称问题的静力响应
时朋朋, 李星
2014, 31(5): 56-63. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0937
摘要:
研究径向载荷作用下功能梯度压电压磁空心球壳的空间球对称电磁弹耦合静力学问题。假设压电压磁空心球壳的材料参数沿球厚度方向呈幂函数分布, 在球坐标系下, 由材料的参数方程、本构方程、几何方程和平衡方程导出在外激励作用下空心球壳体的应力、电势、磁势等物理量的解析解。结构内表面材料设为常用BaTiO3-CoFeO4复合材料, 分别对球壳内表面受力以及内外表面存在电势差或磁势差的情况进行数值讨论, 分别给出不同梯度参数下结构内部径向应力、环向应力、电势和磁势的分布。结果表明梯度参数的选取对功能梯度压电压磁球壳的性能有很大的影响。
土木工程学科
大跨半钢板混凝土简支梁承载力性能试验研究
李德月, 潘蓉, 孙运轮, 李易, 闫维明
2014, 31(5): 64-70. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0251
摘要:
为了研究大跨半钢板混凝土组合梁的承载力和变形性能, 对一个1∶3缩尺的大跨简支梁试件进行了静载试验研究。通过分析试件在加载过程中的挠度、应变和裂缝的发展, 研究了此类构件的受力特点和破坏形态, 结果表明该类型构件中的钢板、混凝土和钢筋能够很好的协同工作, 整个构件具有较高的承载力和刚度, 同时表现出很好的延性。最后, 通过对比实测数据和理论计算结果, 检验了现行规程中组合梁正截面抗弯承载力和短期刚度的计算公式, 为工程设计提供参考。
火灾下复杂拉力场钢板剪力墙屈曲后的上限塑性极限分析
张荣钢, 张宏涛, 石永久, 庄茁
2014, 31(5): 71-78. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0925
摘要:
基于塑性极限分析上限法理论, 提出了火灾下高温复杂拉力场的窄型钢板剪力墙屈曲后的拉力带模型TSM(Temperature String Model), 依据此假定推导了考虑变温场极限状态下窄型钢板剪力墙屈曲后的水平承载力计算上限解公式, 对火灾温度场下窄型钢板剪力墙屈曲后强度进行了研究, 还推导了火灾下复杂拉力场的两端不同温度场钢板剪力墙屈曲后的水平承载力计算上限解。利用上述方法对石化裂解炉的钢箱体结构进行了抗火极限分析。计算实例表明该方法简单有效, 可以为不同火灾场景下钢箱体结构抗火设计提供理论依据和实用的计算方法。
一种集成空间分解与占用的精确碰撞检测算法及其在建筑工程中的应用
张建平, 李丁, 胡振中
2014, 31(5): 79-85. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0919
摘要:
碰撞检测是建筑工程三维CAD中行之有效的辅助手段, 现代建筑形式复杂、规模庞大, 对碰撞检测算法的效率提出了更高的需求。该文基于空间分解和空间占用这两种应用最为广泛的预处理方法, 提出了一种集成、高效的精确碰撞检测算法。通过工程实例的测试和分析, 该集成算法的检测效率优于其他几种算法, 且模型量越大, 效率优势越明显。该文还针对建筑工程的实际应用需求, 对集成算法进行改进, 并应用于实际工程, 验证了算法的有效性和鲁棒性。实际应用表明, 该集成算法适用于建筑、结构、机电、幕墙等专业设计之间的碰撞检测。
基坑开挖数值模拟中土体本构模型的选取
宋广, 宋二祥
2014, 31(5): 86-94. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0583
摘要:
基坑开挖数值分析中的一个关键问题是选取一个合适的土体本构模型。该文通过对基坑开挖过程中土体的主要应力变化路径进行分析, 指出开挖条件下的土体本构模型应能合理考虑土体变形特性的应力路径相关性和压硬性。在介绍与分析几种常用土体本构模型特点的基础之上, 通过模拟应力路径三轴试验、基坑工程算例与工程实例的对比分析, 探讨了常见土体本构模型的适用性。分析表明, Hardening Soil Model采用了不同的加荷与卸荷模量, 能够反映土体应力路径的影响, 且考虑了土体模量的应力水平相关性, 能预测得到较合理的坑壁侧移、地表沉降以及支护结构的内力, 因而建议采用Hardening Soil Model进行基坑开挖数值模拟分析。
考虑双向地震激励的标准化地震输入能量反应谱研究
王丰, 李宏男, 伊廷华
2014, 31(5): 95-100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0920
摘要:
以往地震输入能量谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提, 没有考虑地震动的多维性和结构非线性反应的空间耦合性。于是, 建立单质点双自由度体系, 假设体系的弹塑性关系为满足二维屈服面函数的理想弹塑性形式, 基于此模型提出双向地震动作用下标准化的地震输入能量反应谱理论。以硬土、中硬(软)土和软土三类场的地震记录作为体系的双向激励, 建立统计平均的等延性系数标准化地震输入能量谱。分析场地类别、延性系数、两水平主轴方向周期比对标准化地震输入能量谱的影响。分析表明:各类场地分别具有独自的谱形特征和规律性;延性系数对硬土场地和中硬(软)土场地的谱值影响较明显, 而对于软土场地, 除长周期外影响很小;周期比 ζ 对谱值具有一定影响;基于单自由度体系建立的输入能量谱在某些情况下会高估能量反应。
矩形钢管混凝土柱在扭矩作用下的截面剪应变场研究
王宇航, 聂建国, 樊健生
2014, 31(5): 101-108. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0789
摘要:
对矩形截面钢管混凝土柱在纯扭和压扭荷载作用下的滞回性能进行了试验研究, 得到了矩形截面钢管混凝土柱的扭矩-扭转角滞回曲线。基于材料力学基本原理建立了纤维梁截面扭率和纤维剪应变间的关系, 进而对矩形截面钢管混凝土柱在扭矩作用下的截面剪应变场分布规律进行了分析, 并建立了三维精细有限元模型进行精度验证, 最后给出了钢管混凝土柱截面扭率和截面纤维剪应变间关系的矩阵表达, 引入了考虑扭转效应的纤维梁模型, 使该模型能够用于分析矩形截面钢管混凝土柱在扭矩作用下的非线性反应。与试验结果的对比表明, 考虑扭转效应的纤维梁模型在分析矩形截面往复扭矩荷载作用下的受力行为时具有较高的求解精度和求解效率, 可为分析不同类型结构体系在地震复杂受力状态下的动力反应提供依据。
预应力钢绞线网加固钢筋混凝土柱恢复力模型研究
郭俊平, 邓宗才, 卢海波, 林劲松
2014, 31(5): 109-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0833
摘要:
基于16根采用新型预应力钢绞线网张拉锚固技术加固的钢筋混凝土柱和2根对比柱在反复荷载作用下的试验结果, 进行了恢复力模型研究。结合之前相关试验研究, 确定出材料的本构关系, 建立了预应力高强钢绞线网约束加固钢筋混凝土的应力-应变关系方程;考虑构件轴力的二次矩效应, 提出了在反复荷载下预应力加固钢筋混凝土柱骨架曲线的计算方法, 建立了相应理论模型;结合Clough滞回规则, 建立了相应的恢复力模型。研究表明:对试验的材料本构关系适当简化, 通过合理的假定, 由基本的内外力平衡方程和简单的滞回规则, 可得到构件从加载到破坏全过程与试验吻合良好的骨架曲线和滞回曲线, 由此建立的恢复力模型简单、适用, 可为预应力高强钢绞线网加固钢筋混凝土柱设计和施工提供参考。
饱和土体中多排桩屏障对压缩快波的隔离
徐平, 邓亚虹, 吴明
2014, 31(5): 120-127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0890
摘要:
假定桩的长度远大于直径, 将多排弹性桩组成的非连续屏障对平面压缩快波(简称P1波)的隔离简化为弹性波多重散射的二维平面问题, 运用复变函数的保角映射方法和波场势函数展开法, 根据桩-土界面处应力和位移连续的边界条件, 得到散射波场势函数展开式中待定复系数的理论解。通过分析屏障后的位移比值(某点由入射和散射弹性波产生的总位移与入射弹性波单独产生的位移之比)的变化规律, 对比了单排、双排和三排桩屏障的隔离效果, 研究结果表明:1) 多排桩屏障对高频入射P1波的隔离效果好于低频入射P1波;2) 随着桩排数的增多, 多排桩屏障的隔离效果明显提高, 有效隔离区域明显增大;3) 当桩排数达到三排时, 屏障后一定范围内的隔离效果提高到了70%, 隔离效果比较理想。
460MPa高强钢箱形截面轴压柱局部稳定有限元分析和设计方法研究
施刚, 林错错, 周文静, 王元清
2014, 31(5): 128-136. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0897
摘要:
为研究460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部稳定受力性能和设计方法, 该文采用有限元软件ANSYS建立有限元模型, 考虑残余应力和局部初始几何缺陷的影响, 对3组共10个460MPa等边箱形截面轴心受压短柱的局部屈曲进行了有限元分析, 并将极限承载力计算值与试验实测值进行对比, 结果证明该模型能够准确分析计算460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部屈曲受力性能。利用该模型进行有限元参数分析, 与钢板的宽厚比相比, 钢板厚度、钢板长宽比、残余压应力值和局部初始几何缺陷幅值等因素对局部屈曲受力性能的影响都很小。将试验实测值和参数分析的结果与中国、美国和欧洲钢结构设计规范中箱形截面局部稳定设计曲线进行对比, 表明现行规范的设计方法不够安全。该文提出的建议设计公式适用于460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱局部屈曲极限应力的设计计算。
实腹式型钢混凝土异形柱中框架拟静力试验及静力弹塑性分析
薛建阳, 张昭祥, 刘祖强, 高亮, 葛鸿鹏
2014, 31(5): 137-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0899
摘要:
为研究实腹式型钢混凝土异形柱中框架的受力性能, 对1榀缩尺比为1∶2.5的两跨三层实腹式型钢混凝土异形柱中框架进行了拟静力试验, 得到了试件的破坏形态、滞回曲线和特征点荷载、位移参数。在试验研究的基础上, 对该新型框架结构在SAP2000程序中静力弹塑性分析模型的建立方法进行了对比分析, 结果表明:利用纤维铰建立的分析模型能更有效地分析其静力弹塑性性能。考虑影响实腹式型钢混凝土异形柱中框架弹塑性的4个主要因素:柱肢高肢厚比、型钢屈服强度、混凝土强度和梁柱屈服弯矩比, 对其静力弹塑性分析模型进行了变参数分析, 结果表明:提高柱肢高肢厚比或梁柱屈服弯矩比, 可显著提高框架的水平承载力;随柱肢高肢厚比的加大, 框架的刚度明显增大;改变柱肢高肢厚比、型钢屈服强度或梁柱屈服弯矩比, 框架的延性基本不变。
基于拱梁分载法的高薄拱坝水平拱圈曲折稳定评价
李慧, 王正中, 王羿
2014, 31(5): 145-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0948
摘要:
该文针对深山峡谷中高拱坝半径较小且截面尺寸较大, 曲率和剪切变形对临界荷载的影响较为明显的特点, 基于大曲率深拱问题在拱坝中应用的理论和经典的拱梁分载理论, 对《拱坝抗曲折稳定分析再探》中的算例重新校核, 重新定义拱坝水平拱圈的抗曲折稳定系数, 并结合柔度系数绘制两者关系曲线, 更直观的判定水平拱圈的稳定性。结果表明:对于拱坝的中上部, 拱圈起主要承载作用, 拱圈的稳定性较弱, 曲率和剪切变形的影响不明显, 容易发生失稳, 故在校核稳定时应当给予重视;对于中下部, 拱圈的稳定性较强, 但剪切与曲率的影响较为明显, 并且剪切变形的影响大于曲率的影响;高拱坝的柔度系数越大则拱圈曲折失稳范围越大, 柔度系数为10时坝高全范围拱圈将不曲折失稳。
柔性棚洞在落石冲击作用下的数值分析
汪敏, 石少卿, 阳友奎
2014, 31(5): 151-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0923
摘要:
由于试验测试手段的限制, 通过试验无法测试得到柔性棚洞在落石冲击作用下的各种动力响应及能量吸收特性, 为此开展了柔性棚洞在落石冲击作用下的数值模拟研究。基于试验结论、理论分析和合理假设的基础上, 建立了柔性棚洞的数值模型。为验证数值模型及数值计算方法的可靠性, 从落石冲击作用时间、环形网下降的位移、横向拉索和环向支撑绳上最大荷载、柔性棚洞的变形特征以及钢拱架应变时程曲线5个方面, 对数值计算结果和试验结果进行了对比研究, 结果表明:所采用的数值模型和数值计算方法能够较好地预测柔性棚洞在落石冲击作用下的各种动力响应特性, 为后续深入研究提供了可靠的方法。
基于Winkler弹性地基梁模型的半刚性轻钢柱脚底板受力分析
丁敏, 李潇, 马倩, 蒋秀根
2014, 31(5): 158-165. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0930
摘要:
为建立半刚性轻钢柱脚底板压力分布计算模型, 基于Winkler弹性地基梁模型及其变形和内力初参数表达式, 给定边界条件, 利用Maple软件, 获得了两端自由弹性地基梁在任意集中力和任意梯形线荷载作用下的挠度解析公式, 将半刚性方钢管柱脚底板简化为支承在混凝土基础上的弹性地基梁, 根据力的等效原则, 建立了偏心受压时柱脚底板受力模型, 得到了柱脚底板压力分布解析解, 通过算例与数值摸拟结果对比, 结果表明二者吻合较好, 且半刚性轻钢柱脚底板压力分布与常用线性压力分布模型差别较大, 采用线性压力分布模型将过高估计柱脚刚度。研究成果为半刚性轻钢柱脚设计提供理论参考。
储液罐非线性简化模型及主共振研究
葛庆子, 翁大根, 张瑞甫
2014, 31(5): 166-171. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0944
摘要:
目前国内外采用的储液罐简化模型多为基于线性理论的弹簧-质量系模型, 该模型在外激励远离对流固有频率时是有效的, 但当外激励接近对流固有频率时不适用。该文提出一种适用于圆柱形储液罐简化计算的非线性单摆系模型, 该文首先应用拉格朗日法建立了相应的非线性运动方程, 然后采用多尺度法对方程的主共振进行了分析, 求得其一次近似解和幅频响应方程, 并讨论了定常解的稳定性。以某特大型LNG储罐为例运用此方法进行了数值模拟分析。分析结果表明:模型主共振呈软式非线性特性;储液高度的降低会加剧系统的非线性反应, 当储液高度为储罐总高度的一半时, 主共振会出现峰值现象;与以往试验研究结果对比可以看出该文模型适用于计算储罐系统在外激励频率接近对流频率时的共振响应。
基于遗传算法和有限混合分布的应力谱多模态建模
傅大宝, 叶肖伟, 倪一清, 黄启远, 姜绍飞
2014, 31(5): 172-179. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0949
摘要:
该文提出了一种基于遗传算法(genetic algorithm, GA)的有限混合分布参数估计方法, 应用该方法对青马大桥典型焊接节点的应力谱进行多模态建模。首先, 采用小波变换消除原始应变监测数据中的温度影响, 利用雨流计数法将应变时程曲线转化为日应力谱, 考虑到交通荷载(包括汽车荷载和火车荷载)和台风的影响, 建立标准日应力谱。然后, 采用三种不同的有限混合分布函数(有限混合正态分布函数、有限混合对数正态分布函数和有限混合威布尔分布函数)以及基于遗传算法的混合参数估计方法对应力幅进行多模态建模, 根据赤池信息准则(Akaike’s information criterion, AIC)确定最佳的有限混合模型。最后, 采用双变量有限混合分布和基于遗传算法的混合参数估计方法建立了应力幅和平均应力二维随机变量联合概率密度函数。结果表明, 该文提出的基于遗传算法的有限混合分布参数估计方法可以有效应用于二维随机变量的概率建模。
冲击荷载下网壳结构的失效模式及其动力响应特性
王多智, 范峰, 支旭东, 戴君武
2014, 31(5): 180-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0950
摘要:
为系统全面确定网壳结构的冲击失效模式, 通过大量的参数计算研究网壳结构(包括Kiewitt-8型球面网壳、短程线型球面网壳、肋环斜杆型球面网壳、柱壳)的冲击响应特性, 并以Kiewitt-8型单层球面网壳为例, 总结分析网壳结构冲击失效的4个典型算例, 详述各类失效模式下网壳结构冲击失效的全过程及其荷载作用、结构特征响应、能量传递与转化特点;然后依据不同冲击荷载下网壳的冲击失效特点, 定义了网壳结构的3类失效模式(结构局部凹陷、结构整体倒塌、结构冲切破坏)。为揭示网壳结构的冲击失效机理并提出防护建议做了基础性工作。
钢筋混凝土框架核心筒结构层间耗能分布研究
史庆轩, 李坤, 田建勃, 王朋, 王秋维
2014, 31(5): 190-196. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0951
摘要:
该文通过对5个不同结构特性的钢筋混凝土框架-核心筒结构, 选用一定数量的地震波进行时程分析, 研究了此类结构在水平地震作用下的滞回耗能与结构动力特性以及地震动参数的关系, 以及滞回耗能在构件及层间的分布规律。研究表明:结构自振周期与地震波卓越周期比和地震动加速度幅值对结构滞回耗能影响较大, 刚度特征值影响外框架与内筒之间滞回耗能分配, 内核心筒中连梁和剪力墙的线刚度比与两者之间耗能分配比例呈线性关系;结构滞回耗能主要集中于底层剪力墙和中部连梁处。通过参数分析及回归拟合的方法得到能够反映结构刚度特征值、连梁与剪力墙线刚度比和结构周期等因素的滞回耗能层间分布规律的简化计算公式。
组合索塔锚固区钢牛腿-塔壁作用机理分析
郑双杰, 刘玉擎, 徐海军
2014, 31(5): 197-202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0954
摘要:
为揭示钢锚梁式组合索塔锚固区受力机理, 基于连续弹性介质层法, 推导了钢牛腿壁板-混凝土塔壁连接件作用剪力的理论计算式;通过三维弹簧元模拟焊钉连接件的作用, 对实桥索塔锚固区进行混合元分析, 验证了理论计算式的合理性。研究结果表明:由上节段钢锚梁累加竖向压力引起的钢壁板-塔壁连接件作用剪力在最底节段达到80kN;钢壁板上、下节段全连接时, 与上、下节段全分离及三节段一联比较, 底节段连接件作用较大集中剪力;各节段连接件作用剪力随钢壁板厚度、连接件抗剪刚度增加而增大。
预应力型钢超高强混凝土梁抗弯性能试验研究
孟刚, 贾金青, 朱伟庆
2014, 31(5): 203-210. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0913
摘要:
预应力型钢超高强混凝土梁是融合了超高强混凝土材料、钢结构和预应力技术所形成的一种新型组合构件。为了研究预应力型钢超高强混凝土梁的抗弯性能, 进行了14根预应力型钢超高强混凝土简支梁在竖向静力荷载作用下的受弯性能试验, 分析了试件受力过程、破坏形态、裂缝开展与分布规律等相关试验数据。结果表明:超高强混凝土脆性破坏显著, 导致预应力型钢超高强混凝土梁极限状态后承载力骤降, 但内置型钢有效提高了试验梁极限状态后的持载能力;预应力型钢超高强混凝土梁以普通受拉纵筋屈服作为试验梁进入屈服阶段的标志, 以受压区混凝土崩裂作为试验梁达到极限状态的标志;荷载达到0.9之前, 试验梁跨中控制截面基本符合平截面假定。在不考虑型钢与混凝土粘结滑移的基础上, 采用ANSYS有限元程序对预应力型钢超高强混凝土梁进行数值模拟计算, 试验梁开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载的计算值与试验值吻合较好, 验证了有限元模型的正确性。
冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖静力挠度及振动性能试验研究
周绪红, 高婷婷, 石宇
2014, 31(5): 211-217. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0969
摘要:
对冷弯薄壁型钢梁-OSB板组合楼盖足尺模型进行改变边界条件的振动试验, 研究组合楼盖在四边支撑和梁端简支、四边支撑和梁端固结、两边支撑和梁端简支、两边支撑和梁端固结四种不同边界条件时静力荷载下的挠度及人沿平行和垂直楼盖梁方向行走、脚跟冲击、沙袋从空中落下、激励锤冲击不同动力荷载工况下的自振频率。研究表明:边界条件的变化会引起组合楼盖挠度和自振频率的变化, 可以通过改变边界条件来提高组合楼盖的振动性能;边界条件不同时组合楼盖在1kN集中荷载作用下跨中挠度均小于2mm, 在动力荷载作用下除个别情况外自振频率均高于15Hz, 建议组合楼盖在1kN集中荷载作用下跨中挠度限值设为2mm, 振动舒适度要求较高时自振频率限值设为15Hz。另外, 采用等效刚度法提出的理论公式能较好地预测不同边界条件时组合楼盖在静力荷载下的挠度及动力荷载下的自振频率。
高轴压比双层钢板-高强混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究
马恺泽, 刘伯权, 鄢红良, 张巧巧
2014, 31(5): 218-224. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.06.0536
摘要:
为研究高轴压比下双层钢板-高强混凝土组合剪力墙的抗震性能, 对4个剪跨比为2.5的试件进行了拟静力加载试验。通过改变约束拉杆和加劲肋的间距, 研究其在往复水平荷载作用下的破坏机理、滞回性能、变形能力以及耗能能力。试验结果表明, 这种剪力墙的破坏形态为墙底部截面钢板被压曲、核心混凝土被压碎的弯曲型破坏;试件的滞回曲线饱满, 没有明显的捏缩现象;位移延性系数在3.11~4.37, 等效粘滞阻尼比在0.158~0.291, 延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。在轴压比相同条件下, 设置加劲肋试件的抗震性能优于设置约束拉杆的试件, 随着约束拉杆和加劲肋间距的减小, 试件的变形能力增加, 表现出较好的耗能能力。
机械工程学科
高压储氢气瓶的长径比和进气口直径对其快充温升及温度分布的影响
王光绪, 周剑秋, 胡淑娟, 李乾峰
2014, 31(5): 225-232. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0907
摘要:
在储氢气瓶快充引起温升的理论基础上, 考虑到真实气体充气的复杂性, 基于真实气体的k-ε湍流模型, 建立高压储氢气瓶快速充气温度变化的高精度数值计算模型。用计算流体力学软件Fluent13.0模拟35MPa, 120L纤维缠绕铝内胆复合气瓶快速充气情况。为了研究气瓶的长径比和进气口直径对温升和温度分布的影响, 分别对长径比为3.6、2.0, 进气口直径为16mm、40mm、64mm的气瓶的充气情况进行模拟。数值模拟的结果表明在相同的充气条件下, 长径比越小气瓶内最高充气温度越低, 瓶内的温度分布也相对越均匀;进气口直径越小瓶内最高充气温度的升幅越小。
其他工程学科
大深度载人潜器耐压壳极限强度的简化算法
熊志鑫
2014, 31(5): 233-237. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0891
摘要:
深潜器耐压壳极限强度分析是设计深海载人潜水器的关键技术。基于切线模量理论, 引入切线模量因子的参数并结合材料的力学性能试验数据, 可以建立工程常用的多种合金材料的切线模量因子曲线。观察材料曲线的特性, 推导出计算耐压壳极限强度的简化数学表达式。利用该表达式计算深海载人潜水器常用的某种钛合金耐压球壳和TC4合金试验球壳的极限强度, 并将计算结果与有限元数值计算结果, 以及实验结果进行比较, 发现该简化方法具有良好的适用性。应用表明, 该方法简便实用, 可以作为耐压壳极限承载力的简化算法, 在初步设计阶段使用。
变量相关情况下方差贡献的参数影响分析
吴丹清, 吕震宙, 郝文锐
2014, 31(5): 238-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0934
摘要:
为控制输出方差需进行输入变量对输出方差的贡献分析, 而输入变量对输出方差的贡献由其分布参数决定, 因此研究输入变量的分布参数对方差贡献的影响具有重要意义。该文针对二次不含交叉项的多项式, 将相关变量按照一定的次序变换成独立的变量, 推导了各变量对输出方差主贡献和总贡献对分布参数的灵敏度的解析解, 得到了基本正态相关变量的分布参数对方差贡献的影响的一般规律, 并对这些规律进行了分析解释, 指出了所得规律的应用价值。最后应用数值算例和工程算例验证了所推得解析解的正确性和合理性。
基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计
任毅如, 向锦武
2014, 31(5): 244-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0941
摘要:
提出了一种基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计方法。采用了有限元方法计算直升机旋翼桨叶剖面刚度特性, 截面考虑了剪切和翘曲变形, 并消除了翘曲位移和刚体位移之间的耦合作用。基于SIMP拓扑优化算法, 以旋翼桨叶平均柔度或者剖面刚度为设计目标, 桨叶重量为约束函数, 建立了旋翼桨叶拓扑优化模型。提出的敏度求解算法具有较高的计算精度, 采用序列线性规划算法对旋翼桨叶剖面进行优化设计。结果表明在展长较小并且承受均布升力载荷情况下, Ⅱ型截面梁的柔度最小, 而当展长增大时, 工字梁截面具有最小的柔度。此外, 旋翼桨叶外载荷等对优化结果也有较大的影响。提出的拓扑优化方法适合于概念设计阶段的直升机旋翼桨叶剖面设计。
非理想界面功能梯度压电/压磁层状半空间结构中的SH波
赵星, 田若萌, 赵存宝, 刘金喜
2014, 31(5): 251-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0221
摘要:
研究非理想界面下功能梯度压电/压磁层状半空间结构中SH波的传播特性。界面性能由“弹簧”模型表征, 假设功能梯度压电层材料性能沿层厚度方向指数变化, 其表面为电学开路。推导了频散方程, 并结合数值算例分析了界面性能、功能梯度压电层的梯度变化和厚度对相速度的影响。研究结果对功能梯度压电/压磁复合材料在声波器件中的应用提供了理论依据。