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2014年  第31卷  第7期

基本方法
基于多边形比例边界有限元的 复合材料裂纹扩展模拟
施明光, 徐艳杰, 钟红, 张楚汉
2014, 31(7): 1-7. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0027
摘要:
该文采用近年提出的多边形比例边界有限元(Polygon Scaled Boundary Finite Elements, PSBFE),结合基于拓扑的局部网格重剖分方法,首次模拟了层状复合材料交界面、不同弹性模量的圆形夹杂对复合材料裂纹扩展的影响。结果表明,该文方法可以有效模拟复合材料的裂纹扩展,算例的结果同现有文献的实验数据和数值模拟结果吻合良好,采用不同网格密度和不同裂纹扩展步长对计算结果影响不大。基于SBFEM的PSBFE可以半解析求解裂纹尖端应力奇异性,具有比FEM更高的精度。另一方面,同现有基于SBFEM的裂纹扩展方法相比,基于拓扑的局部网格重剖分的PSBFE可以处理任意复杂的二维模型,具有更好的通用性。
往复荷载作用下的改进动接触力方法
张立红, 刘天云, 李庆斌, 陈滔
2014, 31(7): 8-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0082
摘要:
该文基于与中心差分显式时间积分法相结合的动接触力方法,引入主、从节点的相对速度作为判断接触状态转变的标准,提出了一种能够适用于求解往复荷载作用的改进动接触力方法。改进方法能够准确地模拟分离、静接触、滑动接触以及反向滑动四种不同接触状态间的转变,为地震等往复荷载作用下结构动力分析提供了有力工具。数值算例验证了该文方法的正确性。
一种基于四边形面积坐标的四结点平面参变量单元
李根, 黄林冲
2014, 31(7): 15-22. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0056
摘要:
基于四边形面积坐标和广义协调原理,通过投影技术,并引入0~1区间上可连续变化的罚因子,构造了一款具有统一格式的四结点平面参变量单元AQGβ6-I。通过4组数值算例测试了单元性能,并将计算结果与许多著名单元对比表明:时,单元退化为原始格式,具有原始单元的全部优良性能;时,单元可以精确通过强分片检验,此时性能与许多著名单元基本相当,显著优于传统平面四结点等参单元(Q4);时,单元兼具较好的抗网格畸变能力和收敛速度。单元的构造方式对缓解一个有限元难题(通过常分片检验的四结点单元在弯曲问题中表现欠佳,而在弯曲问题中表现非常好的单元无法通过强分片检验)提供了有益思路。
倾斜坡体中圆孔扩张的弹性应力分析
张亚国, 李镜培, 饶平平
2014, 31(7): 23-28. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0087
摘要:
针对实际工程中遇到的斜坡边界下圆形孔扩张问题,提出了相应的计算方法。在考虑坡体自重应力的情况下,通过坐标变换将其转为水平边界半无限体中圆孔扩张,采用复变函数共形映射的方法得到应力解析。当圆形孔埋置较深时,将问题简化为无限体中圆孔的扩张,通过弹性力学的基本叠加得到最终应力解答。以一斜坡边界下圆形孔洞扩张为例,求解了圆孔周围径向正应力、环向正应力与切应力的分布。计算结果表明:斜坡倾角对坡体中应力分布影响显著,某点应力随距圆心距离的增大而减小,超过约4倍圆孔半径远处逐渐趋于稳定,其值接近于初始地应力场。当圆孔为深埋的情况时,与简化为无限平面的情况进行了对比,两种方法计算结果接近,距圆心2.5R远处岩体径向正应力和环向正应力均为负值,而切应力正负值间隔分布,各应力极值分布与斜坡倾向呈一定的相关性。
土木工程学科
面外支撑非均匀布置的 箱型与圆管截面拱平面外弹性屈曲
郭彦林, 赵思远, 窦超
2014, 31(7): 29-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.06.0545
摘要:
在面外设置离散支撑,是建筑与桥梁工程设计中提高钢拱面外稳定性采用的有效措施。该文研究了面外支撑沿拱轴线非均匀布置时,箱型与圆管截面两铰拱的平面外弹性屈曲性能。该文首先将拱段间的相互约束作用等效为拱段两端的约束弹簧,采用数值拟合法获得了被约束拱段的平面外弹性屈曲荷载;此后借鉴压弯直构件端部弯矩与转角关系,提出了支撑间拱段的相互约束作用计算方法,并由此得到了面外支撑非均匀布置时,钢拱的平面外弹性屈曲荷载迭代计算步骤。根据该文提出的方法所获得的离散支撑钢拱的平面外弹性屈曲荷载与有限元计算结果吻合较好。
强震作用下附设粘滞阻尼器RC框架结构的 耗能机制与抗倒塌性能研究
缪志伟, 宋前恩, 裘赵云
2014, 31(7): 36-44,53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0929
摘要:
大量震害调查结果表明强震作用下普通RC框架结构很难避免出现薄弱层的累积耗能集中,以致结构倒塌。作为一种已推广应用的耗能装置,粘滞流体阻尼器可在不改变原有结构体系刚度分布的前提下有效耗散地震输入能量,提高结构抗倒塌性能。根据中国现行抗震规范设计了三组不同高度的RC框架结构,并分别进行了附设粘滞阻尼器的消能减震设计。采用弹塑性时程分析方法对各结构进行了地震响应计算,对比了减震前后结构的累积滞回耗能分布模式和耗能机制,并且采用基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了各结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备。结果表明,附设粘滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制,降低主结构构件的损伤程度,有效提高结构的抗倒塌性能。
考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型应用研究
王宇航, 聂建国, 樊健生
2014, 31(7): 45-53. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0829
摘要:
在已有研究的基础上,采用考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型,建立了曲线组合梁桥的杆系有限元分析模型,并同时建立了“壳-实体”精细有限元模型,多尺度有限元模型和传统纤维梁模型进行对比。对不同输入方向的四条地震波作用下的有限元模型的计算结果进行了全面的对比,包括自振特性、墩顶位移、墩柱扭转角,墩柱内力等。结果表明:采用考虑扭转效应的纤维梁模型分析曲线组合梁桥在地震作用下的受力反应,能够获得较高的精度以及较快的建模速度和求解效率,可对曲线钢-混凝土组合梁桥在纵向地震作用下的扭转效应做出准确的评估。
风雨激振时水膜形态与拉索振动间的双向耦合
毕继红, 王剑, 邵倩, 逯鹏
2014, 31(7): 54-60,77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.11.0909
摘要:
风雨激振是指斜拉索在特定风雨条件下的一种低频大幅度振动。该文应用滑移理论并结合单自由度振动理论建立耦合的水膜运动方程和拉索运动方程,应用计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和摩擦系数,通过数值求解方程组来研究水膜形态变化、拉索升力及其振动响应之间的联系,以揭示风雨激振的产生机理。结果表明:拉索表面水膜形态的周期性变化导致拉索升力的周期性变化,从而引起拉索的大幅度振动;水线与拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。
钢斜撑+钢桁架+钢筋混凝土管柱竖向混合结构 抗震性能试验研究
代慧娟, 白国良, 王博, 刘林
2014, 31(7): 61-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.1001
摘要:
传统钢桁架+钢筋混凝土管柱形式的空冷支架结构体系在地震高烈度区已不能满足百万千瓦机组火电厂对结构使用性能的要求。该文提出钢斜撑+钢桁架+钢筋混凝土管柱的新型空冷支架结构体系,并对其抗震性能进行试验研究。选取原型结构的1/4,并按照1/8缩尺比制作试验模型,进行动力特性测试、拟动力试验与拟静力试验,探讨该结构体系的滞回性能、变形性能以及破坏模式等。结果表明:钢斜撑+钢桁架+钢筋混凝土管柱空冷支架结构体系的荷载-位移滞回曲线饱满,结构的耗能能力与变形能力较强,能够满足高烈度区大容量机组的抗震要求。
钢箱梁桥海量应变监测数据分析与 疲劳评估方法研究
邓扬, 李爱群, 丁幼亮
2014, 31(7): 69-77. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0008
摘要:
海量监测数据的分析与应用是桥梁结构健康监测研究中的重要问题之一,以润扬大桥钢箱梁的长期应变监测数据为研究对象,研究了海量应变监测数据分析与疲劳评估方法。首先,基于Eurocode3规范的S-N曲线和Palmgren-Miner准则建立了焊缝疲劳损伤分析及寿命预测方法。其次,研究了应力循环的快速提取及应变数据中随机干扰成分的剔除方法。在此基础上,讨论了对公路钢箱梁桥开展长期持续疲劳监测的必要性,并给出了润扬大桥钢箱梁焊缝的疲劳寿命预测值。研究发现,采用MATLAB与C语言联合编程的雨流计数法可快速处理海量应变监测数据;根据对焊缝疲劳损伤的贡献可确定有效应力循环阀值,从而剔除由随机干扰引起的数量极多但幅值较小的应力循环;焊缝疲劳损伤在一年内会发生大幅度的变化,短期应变监测数据可能导致焊缝疲劳寿命评估值出现较大的偏差。
隧道初期支护结构受力特性及适用性研究
张顶立, 陈峰宾, 房倩
2014, 31(7): 78-84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0010
摘要:
复合衬砌是目前隧道支护结构的基本形式,即由初期支护与模筑混凝土二次衬砌结构复合而成。按照新奥法原理进行设计和施工时,在围岩稳定性较差的条件下,初期支护通常采用由喷射混凝土与型钢钢架或格栅钢架及锚杆组成的组合结构,但在采用型钢钢架还是格栅钢架支护问题上一直存在不同的观点,其争论的焦点是对其支护结构性能及其适应性的认识,核心则是“支护-围岩”作用体系中支护结构的作用及其演化过程特点,而在不同围岩及工程尺度条件下其作用效果也有所不同。为此,该文首先通过型钢钢架和格栅钢架的室内性能试验,对两种支护结构的受力特性、破坏过程及演化特征、极限承载力及变形量等进行了系统的研究;然后通过有限元组合结构进一步分析了型钢钢架和格栅钢架的受力特性、极限承载力和变形特性;最后结合京沪高铁金牛山隧道现场试验,取得了两种支护类型下围岩荷载释放规律和压力分布特点,并分别给出了型钢钢架与格栅钢架的特点和最佳适用条件。该成果对于澄清支护作用机制以及隧道初期支护设计和施工具有重要的理论价值和指导作用。
焊钉连接件抗剪刚度计算方法研究
蔺钊飞, 刘玉擎, 贺君
2014, 31(7): 85-90. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0034
摘要:
为建立组合结构桥梁常用的焊钉连接件抗剪刚度计算方法,通过共计40个焊钉抗剪承载性能模型试验,分析了焊钉在混凝土中的变形特点和受力机理,建立了焊钉连接件抗剪刚度计算式。研究结果表明:以剪力-滑移曲线对应滑移量为0.2mm处的割线模量作为抗剪刚度,所对应的剪力约为最大剪力的45%,并近似位于剪力-滑移曲线线性与非线性分界处;抗剪刚度计算式反映了焊钉直径、弹性模量及混凝土弹性模量的影响,物理意义明确,与试验数据具有较高的吻合度。
纤维编织网增强混凝土补强隧道衬砌力学性能研究
刘德军, 黄宏伟, 薛亚东, 王明卓
2014, 31(7): 91-98,111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0041
摘要:
纤维编织网增强混凝土(TRC)是一种新型高性能纤维增强水泥基复合材料,用它补强隧道衬砌可以有效地克服粘贴碳纤维布法的缺点。该文提出了纤维编织网增强混凝土补强隧道衬砌正截面受力全过程分析方法,并开展了验证试验。在此基础上,分析了衬砌截面偏心距、配网率、前期受力历史、钢筋和混凝土强度对纤维编织网增强混凝土补强隧道衬砌正截面承载性能的影响,最后探讨了纤维编织网补强隧道衬砌的破坏模式并给出了合理配网率区间。研究结果表明:衬砌截面偏心距、配网率和混凝土强度越大,前期受力历史和钢筋强度越小,补强效果越明显。
基于健康监测系统的大跨多荷载桥梁的 疲劳可靠度评估
陈志为
2014, 31(7): 99-105. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0043
摘要:
考虑到火车、汽车与风荷载的长期作用以及多荷载的随机性,评估大跨多荷载桥梁的疲劳可靠度是一项富有挑战的任务。该研究基于健康监测系统提出了大跨多荷载悬索桥的疲劳可靠度分析框架,并应用到香港青马大桥。首先,定义了疲劳可靠度的极限状态函数,基于监测数据建立火车、汽车与风荷载的概率模型。基于概率模型和蒙特卡洛模拟方法,利用疲劳关键位置上多荷载的每日随机应力响应,估计每日应力幅m次方之和的概率分布。假设交通保持不变,可确定在给定时段内应力幅m次方之和的概率分布。最终得到桥梁不同疲劳关键位置不同时间点的疲劳失效概率。结果表明,在目前的交通状态下,青马大桥的疲劳健康状况可保持良好。
空间桁架梁固有振动的能量变分解析解
张文福, 杜娟, 刘迎春, 计静, 任亚文
2014, 31(7): 106-111. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0064
摘要:
目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。
考虑加载路径影响的改进Park-Ang损伤模型
罗文文, 李英民, 韩军
2014, 31(7): 112-118,128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0070
摘要:
合理准确地评价结构和构件在地震作用下的损伤程度是地震工程研究领域中的重要课题。Park-Ang损伤模型具有良好的试验基础,近似考虑了首次超越和塑性累积损伤综合作用的破坏机理,在地震工程研究领域应用广泛。该文针对Park-Ang损伤模型不能考虑加载路径的影响、单调加载时损伤指标大于1等问题,根据低周疲劳理论和Miner准则,结合国内外相关试验结果,提出了能考虑加载路径影响的改进模型。利用Kunnath完成的尺寸和配筋构造完全相同仅加载路径不同的系列试验的结果对改进模型进行了验证。结果表明,改进模型能比较准确地评价加载位移幅值较小时试件产生的低周疲劳损伤破坏,且对于不同的加载路径,改进模型减小了构件破坏时损伤指标的离散性,提高了损伤评估的准确性。
预留孔道活性粉末混凝土局压性能与承载力分析
周威, 胡海波
2014, 31(7): 119-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0071
摘要:
以端部局压下预留贯通圆形孔道活性粉末混凝土块体模拟后张预应力活性粉末混凝土结构的锚固区,进行了9个轴心局压试验。发现其开裂与破坏有明显的突然性与一定的脆性:初裂为近似贯穿全高的“中宽端细”侧面纵向裂缝,破坏前裂缝充分发展且不断掉块,破坏时试件劈裂,为先裂后坏的破坏模式。对比试验表明,预留孔道对承压板下楔形体的削弱作用显著,致使局压区侧表面开裂延迟,局压承载力降低。基于试验结果,考虑局压面积比、孔道直径与局压边长比等关键参数影响,提出了预留孔道活性粉末混凝土局部受压承载力实用计算方法。
含格构化体系柱RC框架的鲁棒性分析
陈永亮, 黄靓, 易宏伟, 何东升
2014, 31(7): 129-136,155. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0072
摘要:
为了对含格构化体系柱RC框架进行鲁棒性研究,该文提出了一种基于抗力利用率的构件易损性系数量化方法,并改进了结构鲁棒性系数的计算。分析比较了4个含不同格构化体系柱RC框架的构件重要性系数、构件易损性系数以及结构鲁棒性系数。分析结果表明:支撑能够降低框架的构件重要性系数和易损性系数,从而提高结构的鲁棒性,且鲁棒性系数受支撑强度的影响,当支撑为易损构件时,支撑越强,结构鲁棒性越大。最后提出了3种提高结构鲁棒性的有效方法:减小结构中构件的重要性系数、减小构件易损性系数以及降低结构重要构件和易损构件的重合率。分析表明在体系柱中加支撑是提高含格构化体系柱RC框架鲁棒性的有效途径。
剪力墙非线性分析单元MFBFE的理论及开发
杜轲, 孙景江, 刘琛, 刘仲伟
2014, 31(7): 137-145. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0074
摘要:
纤维单元以其单元自身的优点被广泛使用于梁柱构件的非线性分析中,对于剪力墙构件,由于纤维单元采用平截面假定,忽略单元的截面剪切变形,会造成很大的误差。该文对基于力插值的纤维单元进行修正,将其引入到剪力墙构件的分析中,介绍了考虑截面剪切变形的修正基于力插值纤维单元(MFBFE)和材料单轴本构的形成,给出单元在OpenSees平台上的开发过程,特别是迭代过程中的非线性分析算法和OpenSees框架下单元和材料本构的实现方式。通过实例分析对MFBFE的应用效果进行检验,得到了两组6片剪力墙的水平低周往复模拟数据,与试验结果对比,可以认为试件模拟结果中各项抗震性能指标均与试验值相接近,单元分析精度较高。
基于应力三轴度的钢框架循环加载损伤分析
周天华, 李文超, 管宇, 白亮
2014, 31(7): 146-155. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0090
摘要:
为了研究在低周大应变循环作用下钢材损伤对钢构件及钢框架抗震性能的影响,该文在Bao-Wierzbicki的等效塑性应变与应力三轴度路径的基础上,提出了符合钢材微观机制的应力三轴度起始损伤准则。随后通过10组Q235钢板拉伸试验确定了钢材的损伤演化准则。为了验证这些准则在描述钢构件及框架损伤破坏方面的正确性与适用性,该文采用有限元软件ABAQUS对一组型钢梁、钢框架梁柱节点及一榀钢框架的典型循环加载试验进行了损伤模拟分析。分析结果显示,考虑损伤准则的有限元曲线与试验曲线吻合一致,能较为准确的描述钢构件及钢框架在循环加载下承载力与刚度退化的现象,并能直观地模拟各结构的损伤部位及损伤程度。该文研究为分析钢构件及钢框架在低周大应变循环作用下的性能退化提供较为便捷的方法。
非完全粘结下饱和土中桩扭转振动的解析解
闻敏杰, 徐金明
2014, 31(7): 156-161. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0094
摘要:
采用解析方法研究了桩土界面非完全粘结条件下饱和土中端承桩的扭转振动问题。利用Kelvin模型模拟饱和土层和端承桩接触面的相对滑移,与以往桩土界面连续性模型进行了对比。根据Biot波动原理,采用Novak薄层法推导了饱和土层对扭转振动桩的动力阻抗。将端承桩等效为Euler-Bernoulli杆模型,给出了桩顶动刚度因子和等效阻尼随激励频率的响应。通过算例分析了相对滑移和连续性两种模型条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的差异。结果表明:当外荷载激励频率较大时,完全粘结条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅小于滑移条件下桩顶动刚度和动阻尼的振幅。因此,采用非完全粘结条件模拟桩土接触面更为合理。
变速移动质量作用下轨道动力响应解析解研究
李克飞, 刘维宁, 吴宗臻
2014, 31(7): 162-169. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0096
摘要:
列车进出站的振动及噪声问题不容忽视,然而目前关于列车变速移动问题的研究相对较少。为了研究进出站列车对周围环境的振动影响,在轨道结构频域周期性解析模型基础上,求解了单个及系列移动质量、移动质量系统变速移动下轨道结构的动力响应。通过求解变速移动质量下简支梁的动力响应,与已有算例进行对比,验证了计算模型的正确性。研究结果表明:移动质量作用下轨道动力响应远大于移动力作用下的动力响应;由于移动质量和轨道结构间的相互作用,轨道的动力响应中包含了较多的振荡成分;随着移动加速度的增大,轨道动力响应略有增大。
延性纤维混凝土剪力墙抗震性能试验研究
邓明科, 寇佳亮, 梁兴文, 秦萌
2014, 31(7): 170-177. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0099
摘要:
该文为改善高性能混凝土剪力墙的抗震性能,提出在剪力墙塑性铰区采用延性纤维混凝土(DFRC),设计了4片剪跨比为2.1的剪力墙试件,并进行了拟静力试验。通过改变DFRC区高度、轴压比和约束箍筋数量,研究其破坏机理、耗能能力及变形性能。结果表明:1) 塑性铰区采用DFRC的剪力墙试件弹性阶段变长,剪力墙屈服后承载力降低缓慢;2) DFRC可有效控制剪力墙塑性铰区的弯剪斜裂缝的宽度,防止塑性铰区发生剪切破坏;3) DFRC区高度增大,剪力墙的变形和耗能能力明显提高,DFRC区约束箍筋数量增加,试件变形和耗能能力提高;4) 塑性铰区采用DFRC的剪力墙试件,塑性铰区损伤程度明显降低,对减轻剪力墙的地震破坏程度具有重要作用。
力法非线性梁柱单元的合理单元长度划分
赫中营, 叶爱君
2014, 31(7): 178-184,189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0117
摘要:
针对目前结构非线性分析中最常用的力法非线性梁柱单元模型,从理论上分析出了能消除其计算失真问题的合理单元长度及对应积分点数量。然后基于OpenSees有限元程序,使用该理论分析结果建立了一组单墩循环推倒试验的数值分析模型,通过加载点力-位移滞回曲线的对比分析和墩底截面曲率滞回曲线的对比分析验证了理论结果的正确性。结果表明:使用力法非线性梁柱单元模型进行结构的非线性数值分析时,其单元长度划分应根据积分点数量确定,确定原则应基于使单元屈服后变形增长的分布长度与塑性铰长度相等进行计算;在实际使用中,可利用等效塑性铰长度计算积分点数量与单元长度的关系,初步确定单元划分的合理长度;在保证单元长度与积分点数量的对应关系前提下,力法非线性单元的积分点数量越多,计算结果越稳定。
基于等概率近似变换的 向量型层递响应面法分析结构可靠度
杨绿峰, 袁彦华, 余波
2014, 31(7): 185-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0124
摘要:
基于正交变换和等概率近似变换,研究建立了随机变量为非高斯互相关的工程结构可靠度分析的向量型层递响应面法。首先利用正交变换将非高斯互相关随机变量变换为互不相关的非高斯标准随机变量,建立结构总体刚度矩阵和荷载列阵,据此定义预处理器并形成预处理随机Krylov子空间,进而利用该空间的层递基向量将结构总体节点位移向量近似展开,建立关于互不相关非高斯标准随机变量的层递响应面;然后根据等概率近似变换,将独立标准正态空间的样本点转换为层递响应面在非高斯空间中的概率配点;最后通过回归分析确定层递响应面待定系数,并利用层递响应面建立极限状态方程求解结构可靠度。分析表明:该文提出的等概率近似变换方法不仅成功地将层递响应面法拓展到非高斯互相关随机变量下的结构可靠度分析,而且方法简便、适用范围广、计算精度和效率较高,具有良好的全域性。
机械工程学科
基于变形及固有频率测量的纤维增强复合材料 风机叶片等效弹性参数反求方法
马源, 曾攀, 赵加清, 陆红亚
2014, 31(7): 192-198. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0122
摘要:
该文建立了一种基于变形及固有频率测量的风机叶片等效弹性参数反求方法。该反求方法通过构造偏差方程将弹性参数反求工作转化为函数优化问题。运用了数字图像相关算法测试叶片在静载及冲击载荷下的位移信息,并采用基于可变容限技术的遗传算法优化偏差函数,求解等效弹性参数。计算的等效弹性参数得到了叶片结构静载试验数据的验证,该弹性参数用于计算叶轮组的模态信息,该模态信息与单叶片的模态相对应。
基于细观损伤力学的耐火材料单轴压缩 非线性力学行为研究
杨康, 王志刚, 刘昌明
2014, 31(7): 199-202. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0052
摘要:
在单轴压缩实验的基础上,分析材料细观损伤机理,结合广义自洽模型,通过构建基质相弹性模量关于外载荷的损伤函数来表征细观损伤演化过程,建立材料受载状态下的微损伤模型,实现材料非线性力学行为的定量描述。以镁碳质耐火材料为例,对材料在受压载荷下的损伤演化过程进行了模拟,结果表明,运用此方法对耐火材料的受压损伤过程进行表征,其结果与材料试验结果可以较好地吻合。
时变侧风下双层客车的流固耦合数值模拟
沈沉, 杨志刚
2014, 31(7): 203-207. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0066
摘要:
流固耦合效应会影响行驶安全性。利用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法对某型客车1︰1模型实施时变侧风下的流固耦合数值模拟。其中车辆使用系统六自由度动力学模型简化,并选取了三种典型的侧风工况(线性、伪阶跃、正弦)分别模拟。对于各类工况,通过耦合与非耦合计算的比较,得到流固耦合效应对气动升力和俯仰力矩影响较显著。其机理在于流固耦合效应造成的流场结构的变化。有助于量化了解流固耦合效应对各个气动力的影响,为更精细地模拟车辆行驶状态提供计算方法上的参考。
航空发动机支承不同心转子系统力学模型研究
张振波, 马艳红, 李骏, 洪杰
2014, 31(7): 208-214,228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0079
摘要:
针对实际的航空发动机低压转子系统中的支承不同心问题,在对其结构特征及受力变形情况进行分析的基础上,建立了多支点、柔性转子系统的动力学模型,利用Lagrange方法分别获得了不同结构下的转子系统运动微分方程。结果表明,对于多支点的柔性转子系统,支承不同心所带来的动力学影响因转子的结构特征而异,一方面会使连接结构的刚度呈现非线性,另一方面又有可能给系统带来附加的2倍频激振力,从而使响应出现1倍频以外的其他频率分量。
考虑剪切变形旋转运动复合材料薄壁梁的 动力学特性
任勇生, 代其义
2014, 31(7): 215-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0093
摘要:
研究考虑横向剪切的旋转运动复合材料薄壁梁的动力学特性。采用变分渐进法描述位移和应变并且引入横向剪切变形的影响,由Hamilton原理推导出Timoshenko梁的动力学模型,采用Galerkin法对薄壁梁进行自由振动分析,并且将计算结果与现有的有限元计算结果进行对比,验证了该文动力学模型的有效性。进一步针对周向均匀刚度配置(CUS)的箱型和翼型薄壁梁进行固有频率的计算,揭示了纤维铺层角、转速和结构参数对薄壁梁动力学特性的影响。
双层微梁固有特性的尺寸效应
李安庆, 周慎杰, 周莎莎
2014, 31(7): 223-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0107
摘要:
微尺寸梁存在明显尺寸效应,应变梯度理论可以描述这种尺寸效应。该文基于修正偶应力理论,应用双层梁与单层梁的等效关系,给出了双层微梁的动力学模型,具体求解了简支双层微梁的固有频率,并分析了微梁特征尺寸及双材料参数对双层微梁固有特性的影响规律。结果表明,当双层微梁的厚度接近材料内秉特征尺寸参数时,其固有频率值明显大于传统理论下的值;当双层微梁的厚度远大于材料内秉特征尺寸时,其固有频率值与传统理论下的值基本一致。双层微梁无量纲固有频率表现出明显尺寸效应,并随双材料参数的改变表现出一定的差异。当一层梁厚度远大于另一层厚度时,双层微梁可简化为单层微梁。
其他工程学科
超细晶粒对纳晶材料断裂韧性的影响
周剑秋, 韩雪平
2014, 31(7): 229-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.09.0667
摘要:
为了研究纳米晶体材料的断裂韧性,该文建立了一个包含两种晶粒的材料模型:超细晶粒(2nm~4nm)和普通纳晶晶粒(20nm~100nm)。超细晶粒可以看作普通纳晶晶粒三晶交的组成部分,并称包含超细晶粒的三晶交为超级三晶交,且均匀地分布在普通纳晶的基体中。裂纹尖端的应力集中会引起晶间滑移,晶间滑移又会导致超级三晶交处刃型位错的产生。该文研究了超级三晶交处的位错对临界应力强度因子的影响,结果表明超细晶粒的存在有效地提高了纳米晶体材料的断裂韧性。
弹性支承输流管道在分布随从力作用下的稳定性
许锋, 郭长青, 黄建红
2014, 31(7): 234-238,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0763
摘要:
以两端弹性支承梁的振型函数为试函数,采用Galerkin法对在流动流体和分布随从力共同作用下管道的运动微分方程进行离散。通过求特征值,研究了两端弹性支承输流管道在分布随从力作用下复频率的变化以及失稳时的临界流速。分析了支承刚度、分布随从力、流速、质量比对输流管道振动与稳定性的影响。数值计算结果表明,支承刚度的变化对临界流速有较大的影响,支承刚度的变化和分布随从力的大小及方向会影响输流管道失稳类型。
横观各向同性板拉深板厚增量与 织构系数的定量关联
岳文霞
2014, 31(7): 239-244. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0014
摘要:
板材在拉深过程中,常出现杯壁被拉裂的现象。以前的学者针对这一问题主要致力于改变压边力来防治拉裂的研究。该文首先引入织构系数,然后利用弹塑性力学的相关知识和Hill屈服准则中材料常数与织构系数的关系,推导出板材拉深过程中织构系数与厚度增量的关系式。并经过算例验证该公式的可行性,得出可以通过改变板材的织构系数来降低板材拉深产生破裂的可能性。
软硬交错金属空心球泡沫动力学性能研究
吴鹤翔, 刘颖, 祝瑛
2014, 31(7): 245-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0029
摘要:
通过控制点阵结构中不同阵点位置空心球的软硬程度建立了交错金属空心球泡沫模型。在此基础上,对比研究了不同冲击条件下,均匀和各种交错金属空心球泡沫的动力学响应特性。重点分析了软硬空心球排布方式对金属空心球泡沫动力学性能的影响。研究结果表明,通过对软硬空心球排布方式的控制,材料可以在一定范围内根据外载条件进行自主调节,以控制金属空心球泡沫内的应力分布,提高了金属空心球泡沫的能量吸收效率。软硬交错空心球模型的建立为实现金属空心球泡沫的自适应设计提供了新的思路。
基于传递阻抗能量的无基准Lamb波裂纹检测
何志全, 周丽, 孙虎
2014, 31(7): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0113
摘要:
该文提出了一种获取压电陶瓷(PZT)传感器间Lamb波传递阻抗的方法,以实现对板结构裂纹的无基准快速检测。该方法从两组并排的PZT元件间提取包含Lamb波转换模式的损伤特征信号,对特征信号进行分类并求出其传递阻抗,通过比较传递阻抗的能量差异来判断裂纹是否存在。首先通过有限元仿真研究了裂纹导致的Lamb波模式转换现象以及PZT极化特性对各模式之间相对相位的影响,分析了所提出的方法的可行性;进一步通过在铝板上的实验验证了该方法的有效性。研究表明该文所提出的方法无需选择最优的激励频率和采样时间即可实现对裂纹的快速检测,具有较强的鲁棒性和适用性。