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2014年  第31卷  第8期

综述
结构复杂行为分析的有限质点法研究综述
罗尧治, 郑延丰, 杨超, 喻莹, 俞锋, 张鹏飞
2014, 31(8): 1-7,23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.ST14
摘要:
有限质点法是一种结构分析的新方法,它以向量力学理论和数值计算为基础,以点值描述和途径单元为基本概念,以清晰的物理模型和质点运动控制方程描述结构行为。该方法的计算不需组集单元的刚度矩阵,也不需迭代求解控制方程式。与传统方法相比,在结构的动力、几何非线性、材料非线性、屈曲或褶皱失效、机构运动、接触和碰撞等复杂行为分析中有较大的优势。该文首先介绍有限质点法的基本理论,在此基础上着重阐述这种新的数值分析方法在空间结构复杂行为研究领域的优势及应用,并对该方法的发展趋势作出展望。
基本方法
采用峰值荷载法确定全级配水工混凝土断裂参数
管俊峰, 李庆斌, 吴智敏
2014, 31(8): 8-13. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0205
摘要:
该文采用峰值荷载法研究了全级配水工混凝土试件的断裂参数。通过有限元方法,得到了适用于全级配水工混凝土的非标准楔入劈拉试件的应力强度因子K、裂缝嘴张开口位移CMOD计算公式以及裂缝张开位移CODCMOD比值COD/CMOD的相关曲线。基于相关断裂试验,通过该文所提公式得到了全级配水工混凝土的等效断裂韧度与临界裂缝尖端张开口位移CTODc等断裂参数。研究结果表明:峰值荷载法可应用于截面尺寸不同而缝高比相同的全级配水工混凝土试件,峰值荷载法只需实测各试件的峰值荷载,就可方便确定全级配水工混凝土的断裂参数。
有限元实时耦联动力试验的时滞稳定性研究
周孟夏, 王进廷, 迟福东, 桂耀, 金峰
2014, 31(8): 14-23. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0210
摘要:
该文针对数值子结构使用有限元模型的实时耦联动力试验(FE-RTDHT)系统,建立了考虑加载体系时滞及其补偿的动力分析模型。采用根轨迹方法,进行了FE-RTDHT算例的时滞稳定特性分析,并对稳定性分析结果进行了数值仿真验证。研究结果表明:时滞明显改变了FE-RTDHT系统固有模态的动力特性,使得试验子结构质量必须小于某一临界值才能保证试验系统的稳定;三阶多项式预测补偿可以明显改善系统固有模态的动力特性,但是对系统稳定性的影响与系统失稳机理相关。
飞艇大攻角绕流气动特性模拟及湍流模型与参数影响研究
吴小翠, 王一伟, 黄晨光, 杜特专, 于娴娴, 廖丽涓
2014, 31(8): 24-31,69. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0140
摘要:
飞艇大攻角绕流作为一种典型的分离与漩涡流动,相关研究具有较高难度和十分重要的意义。该文基于数值模拟方法,研究了飞艇大攻角绕流条件下的气动特性,分析了湍流模型选择和湍流强度设置等关键因素对模拟结果的影响。气动力、压力系数、流场显示细节等结果表明:SST 模型和Realizable 均能较准确地模拟飞艇周边流体流动现象,计算得到的气动参数和实验结果吻合良好,而S-A模型和实验存在较大差异;同时发现湍流强度对飞艇气动力存在较大影响,升阻力系数在湍流强度I > 0.5%时随之线性增长。进一步引入了等效雷诺数的概念,证明与原始雷诺数类似,等效雷诺数对气动力影响存在相应的敏感区间,在计算和实验中值得加以注意。
基于Copula函数的并联结构系统可靠度分析
李典庆, 唐小松, 周创兵, 方国光
2014, 31(8): 32-40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0144
摘要:
不完备概率信息条件下变量联合分布函数的确定及其对结构系统可靠度的影响还缺少系统地研究,该文目的在于研究表征变量间相关性的Copula函数对结构系统可靠度的影响规律。首先,简要介绍了变量联合分布函数构造的Copula函数方法。其次,提出了并联系统失效概率计算方法,并推导了相应的计算公式。最后以几种典型Copula函数为例研究了Copula函数类型对结构并联系统可靠度的影响规律。结果表明:表征变量间相关性的Copula函数类型对结构系统可靠度具有明显的影响,不同Copula函数计算的系统失效概率存在明显的差别,这种差别随构件失效概率的减小而增大。当并联系统的失效区域位于Copula函数尾部时,Copula函数的尾部相关性对系统可靠度有明显的影响,计算的失效概率比没有尾部相关性的Copula函数的失效概率大。当组成并联系统的两构件功能函数间正相关时,系统失效概率随相关系数的增大而增加;当构件功能函数间负相关时,系统失效概率随相关系数的增大而减小。此外,无论构件失效概率和变量间相关系数如何变化,Copula函数计算的失效概率都位于系统失效概率的上下限内。
等横截面无限声学水域的连分式公式
李上明
2014, 31(8): 41-45. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0167
摘要:
基于比例边界有限元法连分式理论,提出了等横截面无限声学水域的连分式公式,推导了高频连分式公式与双渐近连分式公式,比较了连分式公式与动态质量矩阵模拟等截面无限水域的计算效率,发现前者效率优于后者。利用该公式分析了等截面无限声学水域在顺河向激励下的瞬态响应。数值模拟结果表明高频连分式公式的稳定性与收敛性有待改进,而双渐近连分式则具有更好的稳定性和收敛性,能正确模拟等截面无限水域。
水的状态方程对水下爆炸影响的研究
李晓杰, 张程娇, 王小红, 闫鸿浩
2014, 31(8): 46-52. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0180
摘要:
该文从Mie-Grüneisen方程出发推导了一般形式的水状态方程,并归纳了水的常用状态方程。通过与推导的状态方程作比较,获得了归纳的各状态方程的冲击Hugoniot压力关系和Grüneisen系数。将各状态方程的Hugoniot关系与LASL提供的实验数据进行了比较,分析了Grüneisen系数对冲击波后声速影响,根据比较和分析的结果可以最终确定水的各状态方程的使用范围。此外,根据推导的冲击波后声速的关系式可以确定冲击波后声速的上下限。而后,依照各状态方程的使用范围,采用一维非均熵流的特征线程序分别对各状态方程的TNT球型装药的水下爆炸问题进行数值计算。根据计算结果,绘制了各状态方程的冲击波峰值压力与比例距离(R/R0)的关系曲线,比较了各状态方程的冲击波峰值压力的关系,分析了计算误差的产生原因。
基于块体砌筑技术的大岗山高拱坝地质力学模型试验研究
张泷, 刘耀儒, 杨强, 杨若琼
2014, 31(8): 53-62. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03-0196
摘要:
地质力学模型试验因能真实地模拟复杂地质构造,直观地反映破坏过程而成为研究地基及其上部结构稳定性和安全性的重要方法,广泛应用于高拱坝整体稳定和加固分析。采用块体砌筑技术不仅可以模拟裂隙岩体的变形和强度,而且能模拟坝基不连续结构面、坝体构造以及加固措施。将块体砌筑技术应用于基础处理的大岗山拱坝地质力学模型试验,结合加载和测量监测设备,得到拱坝坝体位移和应力的分布规律、坝体和坝基岩体的破坏机理及破坏过程。采用3个特征超载安全系数K1 (起裂安全系数),K2 (非线性变形安全系数)和K3 (破坏安全系数)对大岗山拱坝整体稳定性进行了评价。通过与国内主要高拱坝模型试验的稳定性结果对比分析,说明大岗山拱坝整体稳定性和安全性均较高。通过与基础未处理的大岗山拱坝模型试验结果对比分析,说明基础处理措施具有明显的加固效果。
基于有限元与宽频快速多极边界元的二维流固耦合声场分析
陈磊磊, 陈海波, 郑昌军, 徐延明
2014, 31(8): 63-69. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0200
摘要:
采用有限元/快速多极边界元法进行水下弹性结构的辐射和散射声场分析。Burton-Miller法用于解决传统单Helmholtz边界积分方程在求解外边界值问题时出现的非唯一解的问题。该文采用GMRES和快速多极算法加速求解系统方程。针对传统快速算法在高频处效率低和对角式快速算法在低频处不稳定这一问题,该文通过结合这两种快速算法形成宽频快速算法来克服。同时该文通过观察不同参数条件设置下,宽频快速多极法得到的数值结果在计算精度和计算时间上的变化,得到最优的参数组合值。最后通过数值算例验证该文算法的正确性和有效性。
正交各向异性复合柱圆弧型循环对称界面裂纹
时朋朋, 李星
2014, 31(8): 70-76,107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0214
摘要:
讨论反平面载荷作用下空心复合柱的循环对称圆弧型裂纹问题。复合柱由两极正交各向异性功能梯度弹性层粘接而成。采用分离变量将这个混合边值问题转化为Cauchy核奇异积分方程,并用Lobatto-Chebyshev求积法对积分方程进行数值求解,得到了应力强度因子的数值解。分析了梯度非均匀参数,几何与材料参数变动等对应力强度因子的影响。
弹性介质中任意形状细长曲梁的Cosserat模型
刘延柱
2014, 31(8): 77-82. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0141
摘要:
Kirchhoff动力学比拟理论使动力学的概念和方法进入弹性杆力学的研究领域。Cosserat弹性杆模型考虑Kirchhoff模型所忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布载荷等因素,更适合工程中大变形细长梁的动力学建模。该文以弹性介质中任意形状中心线的圆截面细长曲梁为对象,基于Cosserat模型建立以截面的姿态角和挠度为未知变量的精确动力学方程。其直梁小变形特例为弹性介质中的Timoshenko梁。将Lyapunov运动稳定性理论的时间变量置换为空间变量,可用于判断梁的平衡稳定性。以弹性介质中轴向受压Timoshenko梁为例,讨论梁平衡状态的Lyapunov稳定性与欧拉失稳传统概念之间的区别和相互联系。导致梁屈曲的欧拉载荷可利用满足Lyapunov稳定性梁的受扰挠性线和端部约束条件导出。在一次近似条件下证明空间域内的Lyapunov 稳定性和欧拉稳定性是时间域内的Lyapunov稳定性的必要条件。
土木工程学科
高强钢焊接构件工字形横截面残余应力试验及统一分布模型研究
班慧勇, 施刚, 石永久
2014, 31(8): 83-91. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.12.0915
摘要:
为研究不同强度等级高强钢焊接工字形截面残余应力的变化规律,采用分割法对960MPa钢材试件进行测量,得到了残余应力分布。将试验结果与大量其他强度等级(包括235MPa、345MPa、460MPa以及690MPa)钢材焊接工字形截面的残余应力进行对比分析,研究了残余拉应力和残余压应力随钢材强度的变化规律。研究结果表明,焊缝和翼缘焰切边附近残余拉应力与截面几何尺寸无明显相关性,且呈现随钢材强度增大而增大的变化规律,并始终低于钢材强度;翼缘和腹板的残余压应力与钢材强度无明显关系,但随板件宽厚比及板厚的增大而明显减小。基于这一规律及大量试验数据,提出了不同强度等级钢材焊接工字形截面残余拉应力和压应力的计算方法,确定了分布范围,制定了统一分布模型,为不同强度等级高强钢结构的研究提供了基础条件。
CFRP加固火灾后混凝土短柱抗震性能的试验研究
徐玉野, 林燕卿, 杨清文, 林碧兰
2014, 31(8): 92-100. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0230
摘要:
进行了1根未受火混凝土短柱、1根火灾后混凝土短柱、1根CFRP加固未受火混凝土短柱和3根CFRP加固火灾后混凝土短柱的拟静力试验,考察了CFRP的加固量和加固方式对火灾后混凝土短柱抗震加固效果的影响情况,建议了CFRP加固火灾后混凝土柱抗剪承载力的实用计算方法。研究结果表明:外包CFRP加固可将未受火混凝土短柱的抗剪承载力提高21.8%、可将火灾后混凝土短柱的抗剪承载力提升至未受火试件的111.2%~117.1%、可提高受火前后短柱的极限变形能力和累积滞回耗能。与未受火试件相比,外包CFRP不会提高火灾后加固混凝土短柱的割线刚度。对于相同的加固量,全包CFRP柱的抗剪承载力略优于条带包裹柱。受火前、后和外包CFRP加固前、后混凝土短柱的滞回规则均类似。
变增量扫频法求解结构随机风振响应
张志田, 谢先浩
2014, 31(8): 101-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.01.0137
摘要:
结构耦合抖振响应有限元分析的完全二次组合(CQC)频域方法在数值积分过程中,一般都采用等增量扫频。大型结构的实际频响函数一般只有在共振频率附近才有较大的数值,而在其他远离共振频率点的区域频响函数值都很小。基于此,该文提出结构抖振响应变增量扫频的频域分析法。采用基于完全二次组合的CQC法编制结构抖振响应变增量扫频计算程序,该程序在做数值积分的时候采用变增量扫频的方式,在结构共振频率点附近自动加密计算点,而在其他的频率区则间采用较大的增量步长。以某大桥为例,对等增量扫频法和变增量扫频法得到的结果进行比较,证实了变增量扫频法在保证求解精度的前提下能大大的缩短求解的时间,提高效率。
超大型结构物受波浪力作用的数值模拟
康啊真, 祝兵, 邢帆, 韩兴
2014, 31(8): 108-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0151
摘要:
为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。
用外贴BRB减震框架加固既有混凝土结构的研究
高向宇, 李自强, 李建勤, 黄海涛, 武娜, 任洁
2014, 31(8): 116-125,153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0152
摘要:
采用外贴BRB减震框架对按TJ11-78设计的混凝土结构进行了加固设计,对比计算了原结构和减震加固结构的抗震性能,包括地震作用、位移、轴压比、层间剪力等,进行了非线性推覆分析和动力时程分析,对比了塑性铰状态、铰分布规律、内力包络等。研究了用此法加固时可减轻既有框架负担,改变原有框架存在的底部轴压比大、剪力大、层间侧移角大的先天不足规律的机理。此法可充分发挥消能减震技术的优越性,得到更好的抗震性能和结构性态。通过静力反复加载试验,验证了减轻主体结构震害、转移塑性铰布局规律的效果。建议的加固方法还可减少或避免室内作业,为用户和施工者提供便利条件。
预应力型钢超高强混凝土梁受剪承载力试验研究
贾金青, 姚大立, 余芳
2014, 31(8): 126-133. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0155
摘要:
基于12榀预应力型钢超高强混凝土简支梁和2榀预应力型钢普通强度混凝土简支梁的受剪试验,揭示了影响试验梁受剪性能的主要因素,探讨了剪跨比、箍筋间距、腹板厚度、混凝土强度和预应力度对试验梁的破坏形态、荷载-挠度曲线、斜截面开裂荷载和受剪承载力的影响规律。试验结果表明:预应力型钢超高强混凝土梁具有更好的受剪承载力和剪切延性,以及更大的刚度;基于试验结果建立了预应力型钢超高强混凝土梁的受剪承载力建议计算公式,计算结果与试验结果吻合较好,表明了该文提出的计算公式具有较高的精度。研究成果将为预应力型钢超高强混凝土梁的设计计算和工程应用提供理论依据。
考虑剪切效应三维纤维梁单元的几何非线性增量有限元分析
胡郑州, 吴明儿
2014, 31(8): 134-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0170
摘要:
该文以三维连续介质力学和虚功原理为基础,推导了增量U.L.有限元列式,该列式保留了大位移刚度矩阵项,并对该刚度矩阵进行修正使其成为对称矩阵。根据增量U.L.列式,推导了三维纤维梁单元的刚度矩阵。该单元采用平截面假定,以轴向节点位移表示截面上任意一点的位移,并结合Timoshenko梁理论来考虑剪切效应。以上原理编制分析程序,通过几个算例分析,证明了该方法的精确性、通用性。
基于装配式技术加固的砌体墙片的力学性能研究
王涛, 张永群, 陈曦, 李文峰
2014, 31(8): 144-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0171
摘要:
基于装配式技术的砌体结构加固方案可以有效提高结构的抗震能力。采用预制钢筋混凝土墙板对原有的砌体墙片进行双面外贴加固,并用销键、灌浆、后浇带等连接方式保证砌体墙片与预制钢筋混凝土墙板的共同工作。该文通过非线性有限元模型分析了未加固砌体及加固砌体结构在循环往复加载下的力学行为,探讨混凝土墙板和砌体砖墙之间的传力途径,验证加固方法和三种连接措施的有效性。分析证明:采用预制钢筋混凝土贴墙墙板的加固方案可以显著提高砌体结构的抗震性能,强度提高3倍~4倍,刚度提高2倍~3倍,满足现行抗震规范的要求。三种连接方式中,后浇带最有效,在弹性阶段传递了70%的荷载,在后期传递了80%的荷载。
确定受压柱计算长度的通用图表
耿旭阳, 周东华, 陈旭, 姚凯程, 王月玥
2014, 31(8): 154-160,174. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0187
摘要:
计算长度系数法仍是结构稳定验算的最常用的方法,用该法可避免复杂的整体结构的稳定计算,该法的核心是确定受压柱的计算长度,对此《钢结构设计规范》给出了一些相应的计算公式和表格,但这些公式和表格由于一些特定的假定有一定的适用范围,不适用于特殊情况下的柱的计算长度确定(不通用),对此该文对单根柱在各种不同约束情况下的计算长度系数进行了推导,并绘制成图表,这些图表不仅涵盖了规范公式和表格能求解的规则情况,而且还能确定非规则情况下柱的计算长度系数,图表使用方便、快速和直观。
高强箍筋高强混凝土柱抗震性能试验研究
史庆轩, 王朋, 田园, 王南
2014, 31(8): 161-167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0206
摘要:
通过6根复合箍筋约束高强混凝土柱在高轴压力低周往复荷载作用下的加载试验,研究了其破坏过程、破坏形态、滞回特性、延性性能及耗能性能,分析了箍筋的应力水平。高强箍筋试件与普通箍筋试件的对比分析结果表明:提高箍筋强度不能提高试件水平承载力,但可以显著提高其变形能力和耗能能力;试件达到极限位移时,高强箍筋约束核心混凝土未见明显压碎,箍筋未屈服,依然对核心混凝土有较高的约束作用;在同等配箍率下,密配细直径箍筋比疏配粗直径箍筋对提高构件抗震性能更为有效。
基于PIV技术的沉桩过程土体位移场模型试验研究
曹兆虎, 孔纲强, 刘汉龙, 周航
2014, 31(8): 168-174. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0217
摘要:
基于粒子图像测速(PIV)技术,利用自行设计的静压桩自动沉桩模型试验系统,对沉桩过程中桩周土体位移场进行测量。在沉桩过程中,利用CCD(charge coupled device)高速工业相机连续拍摄试验观测面上桩周土体变形的灰度图像,然后对初始点和峰值点进行分析,得到位移场分布。研究了不同沉桩深度、桩-土摩擦系数和桩尖形式情况下沉桩对周围土体位移场的影响规律;相应试验结果与圆孔扩张理论解进行对比分析,其径向位移变形的规律基本一致,验证了模型试验的可靠性。相对常规试验方法,该试验操作简便,对环境要求不高,可以进行非插入式全场测量。研究结果表明:在该文试验条件下,对于平底圆桩,沉桩过程对桩侧土体位移影响范围在8R附近,对桩端底部土体影响范围在4R附近;桩身摩擦的存在使得桩侧向土体位移影响范围增大2R左右,对桩端底部土体位移基本没有影响。当桩尖角度由0°变化为45°时,桩侧的水平和竖向位移均增大,桩端底部的竖向位移明显减小;而桩身摩擦对其水平位移和竖向位移影响不大。
钢板剪力墙边缘构件的计算方法研究
王先铁, 马尤苏夫, 郝际平, 白连平, 刘天龙
2014, 31(8): 175-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0224
摘要:
基于钢框架-钢板剪力墙的理想破坏机制,根据梁、柱塑性铰位置,推导了钢板剪力墙边缘构件的计算公式,给出了钢板剪力墙、梁和柱之间的强度关系。设计了一榀单跨五层钢框架-钢板剪力墙全尺寸分析模型,采用大型通用非线性有限元软件ABAQUS 6.10对其进行了非线性数值分析。结果表明:顶梁能为单侧拉力场提供足够的抗弯承载力,防止顶梁跨中形成塑性铰;各层钢板剪力墙承担的侧向荷载基本相同。表明按上述计算公式确定的边缘构件能够为钢板剪力墙提供足够的锚固强度,有效控制受压柱的塑性铰位置,防止柱中部形成塑性铰,使钢框架-钢板剪力墙实现理想的破坏机制,即“弱板强框架,强柱弱梁”,达到双重抗震设防的目的。
水泥混凝土路面板湿度梯度模拟与分析
高翔, 魏亚
2014, 31(8): 183-188. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0225
摘要:
水泥混凝土路面板在湿度梯度影响下会发生翘曲变形,若与荷载耦合会导致早期结构性断裂。由于缺乏对混凝土路面板内部湿度梯度分布进行量化分析的有效方法,在路面设计中往往不考虑湿度梯度的影响,从而忽略了引起板早期破坏的一个重要因素。该文基于板内湿度分布是外界环境影响和混凝土内部自干燥的耦合作用结果,考虑水灰比、环境湿度和混凝土内部水分传输性质等影响因素,提出了混凝土板内湿度梯度定量分析方法,对典型情况下板内湿度梯度进行模拟,并与实测湿度数据比较。采用等效温度梯度ΔTe定量比拟湿度梯度,以分析其对板翘曲变形和应力的影响。研究结果可以为设计、铺筑长寿命路面提供参考依据。
高温后大理岩力学性质及其破坏规律研究
陈国飞, 杨圣奇
2014, 31(8): 189-196. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0485
摘要:
基于大理岩在常温至高温800℃后的力学试验结果,分析了高温后大理岩峰值强度、峰值应变、弹性模量、变形模量以及应力-应变全过程曲线等随温度的变化规律,同时采用岩石声发射仪与扫描电镜试验仪,对高温后大理岩破坏规律进行了探讨。结果表明:高温后大理岩试样高度和直径将变大,质量和密度减小,但在200℃时变化不明显;在常温至高温200℃后,大理岩的力学性质变化不大;高温400℃~800℃,大理岩峰值强度、弹性模量和变形模量随着温度的升高而减小,而峰值应变则变大,并且随着温度的升高,变化越明显;声发射试验得到的振铃计数与应力-时间曲线具有较好地对应关系,充分反映了岩石在不同阶段内的破裂演化规律;温度对大理岩的破坏规律有着显著影响,温度升高使大理岩由脆性破坏向延性破坏的方向发展。
考虑粘结滑移的SRC梁柱单元宏观模型建模理论及方法研究
郑山锁, 商效瑀, 李龙, 王维
2014, 31(8): 197-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0504
摘要:
基于型钢混凝土组合结构粘结滑移机理,将型钢混凝土梁柱单元积分段中型钢纤维的轴向变形分为型钢的轴向变形和粘结滑移两部分,依据平截面假定,以此来描述型钢和混凝土变形的差异,从而反映粘结滑移效应。通过将粘结滑移本构引入到既有的型钢单轴本构模型中,推导出考虑粘结滑移效应型钢本构模型,并提出纤维状态的确定方法。利用OpenSEES有限元平台,将建立的材料本构模型植入到软件中,并应用该材料对SRC框架柱进行数值模拟分析。通过模拟结果与试验结果的对比,验证新材料的合理性和准确性。
机械工程学科
三自由度柔性机构的柔度分析与计算
李春霞, 赖磊捷, 朱利民
2014, 31(8): 204-208,222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0156
摘要:
针对目前具有三自由度变形特点的柔性机构缺少定量理论分析的情况,以基于直角柔性铰链的三自由度柔性机构为对象,提出了一种整体柔度公式的分析建模方法,推导出整体柔度矩阵中各柔度单元的闭环解析公式,并利用有限元和实验的方法对柔度公式进行校验。结果表明,有限元法和实验方法与闭环解析式结果基本一致。借助于闭环解析公式,分析了柔性铰链结构参数对机构柔度性能的影响关系。整体柔度公式为三自由度柔性机构的设计与分析提供了有效准确的理论方法,对柔性机构在微纳制造装备等工程中应用具有较大的实际意义。
压电与导体双材料界面端的奇异性研究
周一波, 李晓叶, 王效贵
2014, 31(8): 209-216. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0181
摘要:
提出了一种求解平面应变条件下横观各向同性压电与导体双材料界面端的应力及电位移奇异性的特征值法。基于横观各向同性压电材料的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和电势函数,导出了关于应力和电位移奇异性指数的奇异性特征方程。求解由无网格法离散的特征方程,即可得到应力和电位移的各阶奇异性指数,同时还可得到相应的应力和电位移角函数。数值计算结果与文献中给出的结果非常吻合,表明该方法具有很高的精度和效率。
其他工程学科
翼型绕流分离的微楔控制
薛大文, 陈志华, 孙晓晖, 陈耀慧
2014, 31(8): 217-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.02.0131
摘要:
基于大涡模拟(LES, Large Eddy Simulation),结合3阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式与沉浸边界法(IBM, Immersed Boundary Method),对NACA0012翼型在来流马赫数为Ma=0.5以及10°攻角下,有无微型三角楔涡流发生器作用的三维绕流进行了数值模拟,对比了两者的流场结构变化。数值结果表明,微楔能显著改变翼型绕流的尾涡结构,并能缩小其表面边界层的分离,提高升力,并对微型三角楔涡流发生器的流体分离抑制机理进行了讨论。
具有初应力的多层空心圆柱体中的导波
张小明, 薛铜龙
2014, 31(8): 223-229. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0165
摘要:
基于“增量变形力学”理论,研究了轴向初应力和径向初应力对多层空心圆柱体中导波传播特性的影响,应用Legendre多项式方法求解了耦合波动方程,并通过数值算例讨论了该方法的收敛性,分析了初应力对纵向波和扭转波的影响,数值分析结果表明初应力对两者的影响是非常不同的。此外,轴向初应力对频散曲线的影响与径向初应力的影响也非常不同。
调质42CrMo钢的弯曲微动疲劳实验研究
丁俊, 康国政, 彭金方, 朱旻昊
2014, 31(8): 230-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0194
摘要:
针对循环软化材料调质42CrMo钢进行了常规弯曲疲劳实验和弯曲微动疲劳实验,分析了常规弯曲疲劳和弯曲微动疲劳之间的差异,并讨论了循环弯曲载荷对疲劳寿命的影响。通过分析不同弯曲载荷下弯曲微动疲劳试样断口的形貌和不同循环次数下微动损伤的情况,揭示调质42CrMo钢弯曲微动疲劳过程中的损伤特性。研究结果表明:同一循环载荷作用下,弯曲微动疲劳的寿命明显低于常规弯曲疲劳的寿命;随着循环弯曲载荷的增大,弯曲微动疲劳的寿命降低更明显;微动引起的局部接触疲劳和局部塑形变形促进了弯曲微动疲劳裂纹的萌生和进一步扩展。
基于爆轰波碰撞形成LEFP的研究
刘杰, 杜忠华, 王锋, 董玉财
2014, 31(8): 235-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0198
摘要:
采用圆缺型药型罩线性装药结构,设定线性装药两端面中心同时起爆,该文对两端同时起爆条件下基于爆轰波碰撞形成的LEFP(Linear Explosively Formed Penetrators)进行了研究。首先开展爆轰波碰撞的理论压力计算,探究了形成LEFP的压力条件,然后利用LS-DYNA软件对LEFP进行数值模拟,同时结合脉冲X光捕捉LEFP的成型实验和在不同炸高下LEFP的侵彻实验,详细阐明了LEFP的成型机理。理论分析、数值模拟和实验结果三者表明:基于爆轰波碰撞条件下圆缺型药型罩线性装药结构可形成具有较大长径比的LEFP。
具有初始翘曲缺陷冷轧薄带钢板形瓢曲变形行为研究
张清东, 卢兴福, 张晓峰
2014, 31(8): 243-249,249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.04.0340
摘要:
针对薄带钢冷轧生产过程中出现的翘曲复合瓢曲板形缺陷,应用扁壳理论和伽辽金虚位移原理,建立了非均匀载荷作用下屈曲变形解析计算模型,求解获得了具有初始翘曲缺陷的带钢再发生瓢曲变形的屈曲临界载荷和临界波长,讨论分析了初始翘曲对瓢曲变形的影响规律。计算结果表明,随着带钢翘曲程度的增大,瓢曲变形的屈曲临界载荷增大,即越难出现瓢曲缺陷;当翘曲为C翘缺陷时,中浪型瓢曲的屈曲临界波长随翘曲值的增大而增大,边浪型瓢曲的屈曲波长则随翘曲值的增大而减小;当翘曲为L翘和四角翘时,中浪和边浪型瓢曲的临界波长随着翘曲值的增大而减小。在实验轧机上进行轧制实验研究,通过设计工况在铝板轧制中获得了翘曲复合瓢曲的板形缺陷模态,验证了解析计算方法的正确性。同时,运用ANSYS有限元法对实验轧制工况进行仿真分析,获得了与实验结果基本一致的翘曲复合瓢曲的板形缺陷模态,和与解析计算结果吻合良好的屈曲临界条件,进一步证明了解析计算结果的准确性。
基于静动力的在役钻机井架承载性能研究
刘金梅, 周国强
2014, 31(8): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0999
摘要:
井架作为石油钻机的重要承载设备,其承载性能直接关系到整套钻机系统的安全运行。为了准确预测安全承载能力,综合考虑静动力学特性,提出了联合静动力的分层次模型修正方法。在灵敏度分析和工程经验的基础上,以反映结构性能参数的残差最小作为目标函数,构建优化修正模型,利用一阶搜索优化算法实现模型修正问题的求解。以某在役海洋钻井平台使用的井架为例进行分析,结果表明修正后的模型能全面、正确地反映结构的静动力特性,验证了该方法的可行性和必要性。基于此,利用修正后的模型动态模拟钻井加载工况、分析多遇地震响应以及进行偶遇极端工况下的双重非线性分析,从而预测了井架的失稳状态、破坏形式和极限承载能力。为在役钻机井架的安全承载能力预测和和抵抗突发恶劣工况的预报提供一个新思路,具有一定的实用价值。