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2015年  第32卷  第1期

基本方法
基于特征正交分解的三维壁板非线性颤振分析
谢丹, 徐敏
2015, 32(1): 1-9. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0667
摘要:
基于von Karman 大变形理论及活塞理论建立超音速流中壁板的气动弹性方程。采用特征正交分解法 (POD)结合向伽辽金法(Galerkin)的映射这样一种半解析法建立降阶模型(ROM)求解三维壁板的非线性气动弹性问题,并与传统的Galerkin法对比。发现并证明了POD数值模态与伽辽金法简谐基函数之间转换矩阵的正交性,从而简化了POD降阶模型的建立过程。通过数值算例考察了POD法的准确性、收敛性及高效性。结果表明POD降阶模型能够以更少的模态,更高的计算效率达到与Galerkin法同样的精度。以长宽比4为例,POD法以2个模态,3s的时间计算了壁板的振动响应;而Galerkin法需要16个模态,900s的时间。
功能梯度Levinson圆板弯曲解的均匀化和经典化表示
万泽青, 李世荣, 李秋全
2015, 32(1): 10-16,35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0697
摘要:
基于Levinson三阶剪切变形理论,研究了材料性质沿厚度任意连续变化的功能梯度材料圆板的轴对称弯曲问题。首先,建立了功能梯度材料圆板在Levinson板理论下轴对称弯曲问题位移形式的控制微分方程,其中考虑了拉-弯耦合和三阶剪切变形效应。然后,利用载荷等效关系以及均匀板的经典理论控制微分方程,导出功能梯度圆板在Levinson剪切变形理论下弯曲解与经典理论下均匀圆板的挠度之间的解析转换关系,给出了转换系数的计算公式。由此,可将功能梯度材料圆板在Levinson三阶剪切理论下的弯曲问题转化为相应均匀薄圆板在经典理论下的弯曲问题求解,以及转换系数的计算问题。
土木工程学科
双轴压弯作用下RC桥墩矩形空心截面性能评价
许紫刚, 贾俊峰, 韩强, 杜修力
2015, 32(1): 17-25. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0714
摘要:
针对双轴压弯作用下钢筋混凝土(RC)空心截面性能评价问题,该文根据双轴压弯作用下RC矩形空心截面中和轴布置的不同形式,推导了双轴压弯作用下其承载力计算公式和曲率计算公式。对双轴压弯作用下轴压比、配筋率和配箍率不同的3个RC矩形空心截面试件体桥墩的墩底控制截面,进行了承载力和转动延性分析,得出其在给定轴力作用下的Mx-My曲线和弯矩-曲率曲线,并通过其双轴压弯循环荷载试验,验证了分析结果的正确性和精确性。在此基础上,对一连续刚构桥梁的RC矩形空心桥墩的承载能力、截面转动延性以及相关参数进行了分析。结果表明,双轴压弯作用下两主轴方向弯矩耦合作用降低了截面的极限承载能力,单轴压弯作用的截面设计对结构是偏于不安全的;随中和轴与某轴夹角的增大,该轴极限弯矩和曲率逐渐减小,而沿另一主轴方向的极限弯矩和曲率逐渐增大,但均小于其强轴方向的极限弯矩和转动曲率,该文的结论可为RC矩心空心截面桥墩的抗震设计和性能评价提供参考。
分离式防屈曲支撑及其弹性屈曲荷载的Ritz解
郭彦林, 张博浩, 姜子钦, 赵思远
2015, 32(1): 26-35. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0086
摘要:
针对传统防屈曲支撑自重较大、加工运输安装不便等问题,该文提出几种新型的分离式防屈曲支撑构件,其由两个传统的单内核防屈曲支撑构件作为分肢,通过连续的钢腹板连成整体。分离式截面可增大防屈曲支撑的整体抗弯刚度,最大效率地提高支撑的承载效率,因此特别适合大吨位防屈曲支撑构件的设计。在此基础上,利用能量法中的Ritz法推导了两端铰接的分离式防屈曲支撑的弹性屈曲荷载计算公式,可直接用于计算防屈曲支撑设计中的重要参数即约束比,并用有限元弹性屈曲分析进行了验证。该文研究为这几种新型防屈曲支撑的弹塑性性能和设计方法等后续研究提供了基础。
拉格朗日方法在风雪运动模拟中的应用
周晅毅, 刘长卿, 顾明, 谭敏海
2015, 32(1): 36-42. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0607
摘要:
采用拉格朗日方法,模拟空旷场地中雪颗粒从开始运动至整个流域达到平衡状态的过程。分析了雪颗粒的运动特性,结合文献中的击溅函数,追踪每个跃移雪颗粒的运动状态,同时考虑了跃移雪颗粒对风场的修正作用。考察了在风雪流发展过程中跃移雪颗粒的数目、质量传输率和摩擦速度的变化规律,以及流域达到平衡状态后跃移雪颗粒质量通量沿高度的分布。同时将数值模拟结果与文献中的实测结果进行了详细的对比,两者吻合 较好。
CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土梁短期挠度计算方法
徐礼华, 许锋, 黄乐
2015, 32(1): 43-49. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0647
摘要:
通过静力试验和理论分析,研究CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土梁在短期荷载作用下的使用性能,探讨短期挠度计算方法。结果表明,CFRP筋体外预应力加固梁的荷载-跨中挠度曲线呈三折线变化;跨中截面混凝土和CFRP筋的平均应变在梁体开裂之前沿截面高度基本呈线性变化,开裂后,CFRP筋的平均应变明显小于梁底混凝土的应变。基于试验结果,计算开裂刚度折减系数和CFRP筋粘结特征系数,考虑二次效应的影响,运用有效惯性矩法建立了CFRP筋体外预应力加固T形截面混凝土梁的短期挠度计算公式,可供实际工程设计 参考。
雪荷载规范比较与风致雪漂移风洞试验方法研究
刘庆宽, 赵善博, 孟绍军, 李宗益, 马文勇, 刘小兵
2015, 32(1): 50-56. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.06.0524
摘要:
风致雪飘移在复杂屋面上产生的不均匀雪荷载是多雪地区结构设计中需要重点考虑的问题之一。该研究对比了我国和美国、加拿大、欧洲四本关于雪荷载的规范,比较了雪荷载的计算表达式、屋面形式等内容,通过风洞试验,采用食用盐、硅砂、明矾、干松木屑等材料,对雪飘移问题进行了试验研究。结果发现:四本规范中都是将基本雪压与各种系数的乘积作为雪荷载;相对其他三本规范,我国规范对影响雪荷载的各种环境参数考虑相对较少;明矾因为颗粒间作用力较大,在风洞试验中不易产生连续的漂移运动;干松木屑因为密度太小,模拟效果也不佳;大密度的食用盐颗粒和硅砂的模拟效果相对较好;为了在实际工程中应用风洞试验的方法,需要进行多参数的现场观测、收集完整的气象资料、研究试验的相似关系和试验参数。
矩形RC桥墩变形能力概率模型
卓卫东, 曾武华
2015, 32(1): 57-63,71. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0632
摘要:
桥墩是桥梁抗侧力体系中的关键构件。为实现基于概率和性能的桥梁抗震设计的多级性能目标,有必要给出桥墩在不同性能极限状态下的概率能力。基于已有研究工作,将RC桥墩的抗震性能水平划分为五个等级,并定义了相应的性能极限状态。采用等效集中塑性铰理论,推导并建立了各性能极限状态下RC墩柱变形能力的确定性计算公式;基于183个矩形RC墩柱试件的拟静力试验结果,通过多元回归分析,确定了各计算公式中与轴压比、长细比和配箍特征值等设计参数相关的待定系数。基于确定性计算模型和拟静力试验结果,考虑认知不确定性,建立了矩形RC墩柱变形能力的概率模型。通过实例分析,表明该模型可用于基于概率和性能的桥梁抗震设计和抗震 评估。
时间自适应在海洋平台桩靴上拔模拟中的应用
张西文, 唐小微, 渦岡良介, 白旭, 胡记磊
2015, 32(1): 64-71. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0635
摘要:
该文通过模型试验和时间自适应有限元分析的方法模拟了海洋平台桩靴的上拔过程。在有限元数值分析中引入了启发式和基于误差评估的两种时间自适应方法,有效解决了因时间步长的选取而引起的不收敛和计算效率低等问题。启发式算法通过控制收敛速度调整时间步长,有效预防了不收敛或收敛过慢,但时步调整较为粗糙。基于误差评估的时间自适应有效控制了计算误差,能够平滑地调整时间步长,相比于启发式算法更具有精确性和稳定性。通过试验和数值方法得出海洋平台在上拔桩靴时需克服海床土体吸附力,采用时间自适应方法可以高效模拟桩靴位移时程的非线性问题。
ECC修复震损剪力墙抗震性能试验研究
张远淼, 余江滔, 陆洲导, 张锐
2015, 32(1): 72-80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0642
摘要:
该文采用拟静力试验研究了采用高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)修复后的震损钢筋混凝土剪力墙的抗震性能。先对剪力墙进行了初次拟静力试验,剪力墙呈现剪切破坏,混凝土压溃,脚部钢筋压弯、屈服甚至断裂,然后采用ECC对震损的钢筋混凝土剪力墙进行了修复,随后进行了再次拟静力试验。通过对比分析前后两次试验结果,从剪力墙破坏模式、承载能力、延性、耗能能力、刚度退化、钢筋效用发挥等方面的差异,综合评价ECC用于修复震损剪力墙的有效性。试验结果表明:a) 剪力墙的承载能力基本得到恢复;b) 在保证承载能力的前提下,剪力墙的延性得到提高,改变剪力墙的破坏模式,由脆性破坏转化为延性破坏;c) 提高墙体的耗能能力;d) 避免剪力墙墙脚混凝土的压溃和钢筋的屈曲,依靠ECC与钢筋良好的变形协调性,提高脚部钢筋的利用率。
型钢再生混凝土柱正截面承载力试验及数值模拟
刘祖强, 薛建阳, 马辉, 陈宗平
2015, 32(1): 81-87,95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0649
摘要:
为研究型钢再生混凝土柱的正截面承载力,对7个试件进行低周反复加载试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了试件的承载力和弯矩-转角滞回曲线,分析了再生粗骨料取代率、轴压比和体积配箍率对试件正截面承载力的影响。在试验研究的基础上,利用数值积分法编写型钢再生混凝土柱的正截面承载力分析程序,得到构件的N-M相关曲线及正截面极限承载力,计算结果与试验结果吻合较好。利用数值模拟程序对构件的N-M相关曲线进行参数分析,获得了混凝土强度等级、型钢强度、配钢率和加载角度的影响规律。
港珠澳大桥桥梁钢管复合桩设计方法研究
孟凡超, 吴伟胜, 刘明虎, 马建林, 邓科
2015, 32(1): 88-95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0656
摘要:
介绍了港珠澳大桥项目概况及桥梁钢管复合桩工程设计方案。通过现场调研、资料收集、理论计算、数值模拟、室内外物理模型试验等手段,开展了大直径钢管复合桩受力性能试验和理论分析研究。详细分析了钢管与混凝土桩体的共同作用机理与协同工作性能,提出了钢管复合桩抗压刚度、抗弯刚度、竖向和水平承载能力计算方法,并验证了所提出的设计方法的正确性。研究成果对于完善钢管复合桩设计计算理论、优化施工工艺、相关规范修订、拓宽应用范围等提供了技术支持及实践依据。
环氧沥青混凝土裂纹起裂与失稳扩展的临界特征
钱振东, 王江洋
2015, 32(1): 96-103. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0666
摘要:
为了获取环氧沥青混凝土的裂纹起裂与失稳扩展临界点,重构了环氧沥青混凝土非均质(集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构三维虚拟试件,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟三点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,分析了裂缝发展过程中裂缝尖端张开位移(CTOD)和裂缝口张开位移(CMOD)之间的变化关系。研究结果表明:裂尖张开位移δ25参数的使用为理解实际流入断裂带用于裂缝扩展的那部分能量开辟了一条新思路;裂缝尖端张开位移和裂缝口张开位移关系曲线的两个转折点描述了裂缝起裂和临界失稳扩展状态,环氧沥青混凝土断裂过程中裂缝的扩展经历了起裂、稳定扩展和失稳扩展3个阶段;δ25-CMOD曲线分析法可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段。
双重网格的动态应力差分法及其应用
曾利刚, 朱哲明, 付杨成
2015, 32(1): 104-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0678
摘要:
针对任意四边形网格模型,提出了双重网格动态应力差分法,结合Green公式,导出了在双重网格下基于应力为基本量的差分公式。然后考虑积分沙漏、静态阻尼的情况,使用VB.NET语言编写了动态应力差分法的底层函数,最后编写了相应的应力有限差分法DMFD程序。利用DMFD程序模拟了有限长岩柱中纵波的传播规律,得到了和理论解十分相符的结果,证明了该算法及DMFD程序的有效性。最后使用DMFD程序模拟了牛头山水电站的现场爆破实验,其结果与现场爆破实验结果相吻合,比UDEC的模拟结果更接近现场测试结果。
基于PPP-BOTDA技术的PBL剪力键群应变测试研究
汪维安, 李乔, 赵灿晖, 庄卫林
2015, 32(1): 111-119. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0682
摘要:
为研究混合结构PBL剪力键群各剪力键的剪力传递,在开孔板界面摩擦效应测试中引入了光纤传感测试技术。阐述了PPP-BOTDA (Pulse-PrePump Brillouin Optical Time Domain Analysis)技术的测量原理,根据多中间层的剪滞理论,建立了基体-光纤间的应变传递模型,推导了表贴式光纤的应变传递公式,基于4个四排PBL剪力键群试件的静载破坏试验,实现了对PBL剪力键开孔钢板及混凝土应变的空间分布式测量,并对分布式传感光纤的应变传递进行了敏感性分析。测试结果及分析表明:在仪器的空间分辨率一定时,传感光纤的粘贴宽度、光纤护套的厚度对应变传递影响显著,粘结层胶体的剪切模量对应变传递影响不甚明显;对比剪力键试验中应变片与分布式光纤的应变数据,试验采用的两种光纤均具有良好的应变测量精度,试验结果与理论敏感性分析较为一致;基于PPP-BOTDA的分布式光纤测试方法,克服了传统应变片测试中的不足,在既定的光纤铺设工艺下,适用于结构的大应变、高精度、分布式测量。
移动分布荷载下层状粘弹性体系的动力响应分析
李皓玉, 杨绍普, 刘进, 司春棣
2015, 32(1): 120-127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0688
摘要:
以粘弹性Burgers模型模拟沥青面层,建立了路面结构层状粘弹性体系模型。利用积分变换和传递矩阵法,并结合广义Duhamel积分,推导出了移动分布荷载作用下层状粘弹性体系动力响应的解析解。利用样条插值函数开发了计算奇异、振荡函数多重无穷积分的计算程序,完成了动力响应从波数-频率域到时间-空间域的转化,与已有文献数据和有限元结果进行了比较,显示出了较好的一致性。结合算例分析了移动分布荷载作用下层状粘弹性体系的振动特性。结果表明,粘弹性解大于弹性解,Burgers模型能反映沥青路面变形的滞后现象,层状粘弹性体系的垂向位移随行车速度和Burgers模型材料参数的增加而减小。
大断面隧道模型试验水压模拟加载方法
何本国, 张志强, 马腾飞
2015, 32(1): 128-136. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0689
摘要:
首先采用结构力学方法确定隧道拱部、仰拱部分不等值环箍力模拟水荷载,研制了马蹄形断面隧道模型试验的全周密闭非均匀水压加载装置,实现“灯泡型”水压模拟加载。在此基础上进行模型试验,所得结论与数值模拟在关键部位受力结果相吻合,从而验证了水压模拟加载方法的正确性,成功解决了隧道结构试验中水压模拟加载“瓶颈”问题。在水压作用下,衬砌底部弯矩大于拱部,仰拱向内和墙脚向外弯矩最大,处于大偏心受拉截面,成为高水压隧道衬砌关键控制部位。确定了高速铁路双线隧道衬砌水压极限承载力,墙脚先发生压剪破坏,接着仰拱出现压弯破坏。研究成果可为高水压隧道主体结构设计、施工提供参考。
考虑弹性边界曲梁模型的覆冰输电线舞动分析
霍涛, 晏致涛, 李正良, 颜志淼
2015, 32(1): 137-144. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0692
摘要:
采用解析法求解覆冰输电线考虑弹性边界的曲梁舞动模型有助于深入理解舞动发生机理。根据扭转向频率特性将三自由度舞动模型简化成更加适用于解析法求解的两自由度舞动模型,然后利用多尺度法分别推导出了1∶1和2∶1内共振情况下的简化幅值方程。接着考察了自由度缩减方法差异引起的轴向模态函数变化和弹性边界对舞动分岔和稳定、舞动幅值和临界风速的影响。结果显示,轴向模态函数的变化对1∶1内共振情况下分岔和稳定、舞动幅值和临界风速的影响较小,对2∶1内共振情况下相应值影响较大。当考虑截面偏心时,1∶1内共振条件下,弹性边界使发生不稳定舞动的风速范围减小。覆冰导线在弹性边界条件下的位移幅值相应减小,下临界风速增大,上临界风速相应减小,舞动风速范围减小。
足尺钢框架中连续板格火灾实验研究
李兵, 董毓利, 娄永杰, 万乐
2015, 32(1): 145-153. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0694
摘要:
利用自制火灾试验炉及相关试验装置对足尺钢框架中6块(23)连续板格的受火行为进行了试验研究。简要介绍了整体结构模型、试验炉设计与试验方案情况,描述了相关试验现象及破坏特征,并对炉温、板格沿截面的温度梯度以及板格平面外与平面内位移、梁截面的温度梯度及竖向挠度等试验数据进行了分析。相关结论如下:升温阶段受火板格沿截面存在着显著的温度梯度并在降温阶段存在温度滞后现象;受火钢梁截面在升温阶段初期存在较大的温度梯度,在降温阶段趋于一致,并由于周边约束未发生断裂或局部屈曲,对比标准受火试验,抗火性能显著增强;不同位置的板格由于约束程度的差别,在火灾中的变形性能也不同;由于受火钢梁的反拱效应,受火板格的部分挠度曲线存在平稳段;对比相关文献结果,发现板格的裂缝特征与其受火强度和边界约束密切相关,与周围钢梁是否受火关系不大。
多自由度结构动力可靠度分析的小波方法
孔凡, 李书进, 孙涛
2015, 32(1): 154-162. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0703
摘要:
该文发展了基于小波分析的局部平稳法在多自由度结构动力可靠度中的应用。首先,基于广义谐和小波和随机过程的局部平稳小波模型,发展了线性多自由度结构系统在各时间-频率子域上激励功率谱与响应功率谱之间的关系,并计算得到了在一般随机动力激励下结构随机动力响应功率谱密度和各阶谱矩。随后,根据随机动力激励和响应的高斯假定及超越过程的Markov假定,得到了线性多自由度结构在均匀/非均匀调制随机激励下层间位移的动力可靠度指标。结构动力可靠度的Monte Carlo模拟显示了所提方法的可靠性与计算高效性。
等强残余位移系数谱研究
胡晓斌, 贺慧高
2015, 32(1): 163-167. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0704
摘要:
针对双线性单自由度体系定义了残余位移系数,然后选取100条地震波,通过弹塑性动力时程分析,建立了等强残余位移系数谱,分析了其影响因素,并建立了拟合公式,最后对残余位移和最大位移之间的关系进行了研究。结果表明:在总体上,结构周期越小,强度越低,屈服后刚度系数越小,其残余位移系数越大;结构周期较大时,残余位移系数和周期之间关系不大;结构周期越小,结构强度对残余位移系数的影响越大;残余位移和最大位移基本呈线性关系。
钢管混凝土框架柱计算长度研究
王凤, 王文达, 史艳莉
2015, 32(1): 168-175,191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0707
摘要:
钢管混凝土框架柱计算长度是合理正确计算其承载力的重要参数,是进行钢管混凝土结构内力分析和设计必不可少的参数,因缺乏系统研究,现行钢管混凝土框架柱计算长度暂参照钢框架柱取值,由于两种结构体系受力特性的差异会导致结果不合理。该文基于ABAQUS软件,通过合理选取钢管混凝土框架的稳定简化模型,同时考虑几何非线性和材料非线性的影响对框架体系进行非线性屈曲分析,从而求解有侧移和无侧移钢管混凝土框架柱计算长度。在此基础上通过大量参数分析,分别得到了有侧移和无侧移钢管混凝土框架柱计算长度系数表,并回归了简化计算公式。为比较不同方法计算结果的差异,选取某四层四跨钢管混凝土框架典型算例进行比较,结果表明:该文考虑初始缺陷和非线性行为所得到的计算长度系数取值方法比现行按采用钢框架柱计算方法的结果偏大,无侧移框架柱变化范围为0.97%~4.05%,有侧移框架柱变化范围为9.95%~27.17%,可见材性差异及初始缺陷对计算长度系数影响较大,不可忽视。
桥梁拉索用CFRP线材阻尼特性试验研究和理论分析
李晓章, 谢旭, 张鹤
2015, 32(1): 176-183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0724
摘要:
为获得用于桥梁的CFRP拉索的阻尼特性,用自由衰减振动试验方法测试了CFRP线材(CFRP丝)和高强度钢丝的阻尼值,根据应变能比例阻尼理论分析了其弯曲变形的能量损失系数。通过不同振动频率条件下的测试结果比较了CFRP丝和钢丝的阻尼特性及其与振幅之间的相关性。结果表明,两种材料的振动阻尼均随应变幅值的增加而单调增加,但两者的变化趋势有差异。在同一应变幅值条件下,CFRP丝的实测阻尼值比高强钢丝的小。高强钢丝的能量损失系数与振幅无关,验证了能量损失理论对高强钢丝材料的阻尼计算的适用性。但CFRP丝的能量损失系数实测结果较离散,且与振幅有一定相关性,在特定振幅范围内可采用能量损失理论计算CFRP丝的阻尼。
冷弯型钢组合截面T形节点抗震性能研究
陈明, 马晓飞, 赵根田
2015, 32(1): 184-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0012
摘要:
冷弯型钢在低层住宅结构中应用广泛,国内已有相应规范出版,但对冷弯型钢组合截面缺少相关设计规定。该文选择双肢冷弯C型钢背靠背带垫板的截面形式,对其抗弯节点进行抗震性能研究,采用试验与有限元分析相结合的方法,研究了节点板厚度、螺栓间距、C型钢厚度和腹板高度等参数对节点抗震性能的影响,发现该类节点的破坏特征符合抗震设计要求,滞回曲线饱满,承载力退化稳定、初始刚度大、刚度退化较为严重、耗能性能和延性较好。在相关参数中节点板厚度和螺栓间距对节点抗震性能的影响最大。C型钢厚度和腹板高度增加能明显提高节点的极限承载力。螺栓间距的增加会使节点承载力略有提高,但节点的耗能性能变差。
机械工程学科
隔膜压缩机膜片破裂理论分析
李霁阳, 陈嘉豪, 赵海龙, 王世宇, 贾晓晗
2015, 32(1): 192-197. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0452
摘要:
隔膜压缩机膜片裂纹通常产生在支板最外圈环槽边沿及中间处,且裂纹呈周向分布,因此径向应力过大是导致膜片破裂的主要原因。隔膜压缩机中柱塞泵不稳定工作会导致油缸内油量不足,在此情况下当活塞运动到下止点时膜片会紧贴支板,环槽处膜片承受贴合支板引起的大挠度变形径向应力及环槽处附加变形引起的小挠度变形径向应力。该文利用薄板大挠度及小挠度理论对两种应力进行了求解,计算结果表明:当进气压力为1.7MPa,最外圈环槽两边沿处及中间处膜片总径向应力为272.6MPa、275.7MPa、220.4MPa,大于膜片许用径向应力170MPa,其中小挠度变形径向应力为140.1MPa、138.2MPa、107.4MPa,因此附加变形对膜片寿命影响很大。
基于相场函数的压电复合材料俘能器拓扑优化设计
林哲祺, 王炫盛
2015, 32(1): 198-204. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0665
摘要:
提出了一种基于相场函数的压电俘能器拓扑优化设计方法,通过设计俘能器的材料分布提高其工作效率。其中,利用相场函数描述俘能器上压电材料与基体材料(环氧基树脂)的分布,并建立以相场函数节点值为设计变量,以特定频率激励下俘能器的能量转换因子最大化为目标的拓扑优化模型。该文给出了目标函数和约束函数的灵敏度分析,并采用移动渐近线方法对优化问题进行求解。数值算例验证了所提出的数学模型与设计方法的可行性和有效性。
考虑温变效应的热物性参数RBF辨识方法
何成, 何欢, 裴锦华, 陈国平
2015, 32(1): 205-212. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0677
摘要:
在稳态温度环境下,针对温变系统的参数识别问题进行了研究,提出了两种基于代理模型的热物性参数辨识方法:多目标全域法和分段等效法。前者在整个分析域内构建多种温度分布形式,将参数识别问题转化为多目标优化问题,引入代理模型与快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行求解,在提高识别效率的基础上有效地保证了该方法的鲁棒性。后者通过将材料热物性参数按温度区间分段,建立了温度均方根残差和在区间段内代理模型,识别出每个子区间内的等效物性参数,并采用回归分析获得热物性参数随温度变化规律。通过典型算例对两种方法进行了验证,研究结果表明:两种识别方法都具有较好的识别精度,相对而言,全域识别方法具有更优的抗噪性,而分段识别则更便于实际操作。
负载谐波诱发轧机主传动机电耦合扭振仿真研究
张义方, 闫晓强, 凌启辉
2015, 32(1): 213-217,225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.09.0873
摘要:
现场测试发现:轧机在轧制过程中由于负载谐波频率与轧机机械传动系统固有频率接近时使得主传动系统发生强烈扭振。该文结合现场参数,通过计算机仿真,得出负载谐波力矩会引发电机转速振荡,而在机电耦合作用下电机转速振荡会激发电机输出相同频率的电磁力矩,当含有与机械系统固有频率相接近频率的谐波力矩和电磁力矩作用在轧机主传动系统两端时,主传动系统将会出现强烈的扭振。仿真结果验证了存在这种振动,为抑振措施提供理论基础。
其他工程学科
强化辐射对工业炉内传热过程影响的耦合模拟
张志诚, 刘丰合, 杜建蓉, 王士敏
2015, 32(1): 218-225. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0623
摘要:
该文以乙烯裂解炉为例研究强化辐射对工业加热炉内传热过程的影响,应用计算流体力学方法对裂解炉辐射室内的传热过程进行了耦合数值模拟,得到了裂解炉炉膛内烟气的流场、燃料燃烧和烟气温度场。计算模型中,采用了标准k-ε湍流模型,漩涡耗散/有限速率燃烧反应模型和离散传递辐射模型等计算模型。结果表明,在保持燃料量不变的情况下,通过安装热辐射元件强化炉壁的辐射传热,可以显著提高炉膛烟气的平均温度和传热效率;在保持炉管内介质吸热量不变的条件下,强化炉壁的辐射传热后可以减少10%的燃料量。
圆形静压油腔流场特性的PIV实验与数值模拟研究
申峰, 陈从连, 刘赵淼
2015, 32(1): 226-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0629
摘要:
利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)和计算流体动力学(CFD)方法,研究了高档数控机床液体静压支承系统中油腔内部的流场特性,包括入口雷诺数(Re)、油腔深度(H)和封油边间隙(h)对油腔内部流场的涡胞结构、壁面压强及剪应力分布等的影响。研究结果表明:实验结果与数值模拟结果相一致;油腔内部存在复杂的涡胞结构;随Re(70~1400)的增大,涡胞数量由1个增加为3个,涡胞尺寸和位置也不断变化;随着油腔深度H从6mm增大到18mm,涡胞尺寸逐渐增大,但涡胞数量减小;随封油边间隙h的增大,涡胞尺寸明显增大;相同条件下,增大入口雷诺数Re或减小封油边高度h都会增大承载面压强和剪应力。该结论为提高数控机床静压油腔的稳定性和承载力提供理论依据。
基于统一强度理论的厚壁套管柱三轴抗拉强度
李艳, 赵均海, 李楠, 王娟, 吴赛
2015, 32(1): 234-240. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0646
摘要:
为了研究油气井厚壁套管柱的力学性能,基于统一强度理论,合理考虑中间主应力和材料拉压比的影响,推导了厚壁套管柱三轴抗拉强度的计算公式,分析了内外压比、材料的拉压比、中间主应力和径厚比等因素对不同工况下套管柱三轴抗拉强度的影响特性。研究结果表明:强度准则的选用对套管柱的三轴抗拉强度具有显著影响;材料拉压强度不等特性(SD效应)对套管柱的三轴抗拉强度也具有显著影响,当内外压比小于或等于1时,套管柱的三轴抗拉强度随材料拉压比的增大近似线性提高,当内外压比大于1时,材料SD效应的影响与外荷载有关;考虑中间主应力效应可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,提高套管柱的三轴抗拉强度,具有一定的经济效益;内外压比和径厚比对套管柱的三轴抗拉强度也具有一定的影响。该文计算公式适用于具有SD效应和中间主应力效应的材料,并将多种屈服准则下套管柱三轴抗拉强度的表达式统一起来,具有广泛的适用性,可为油气井厚壁套管柱的设计提供借鉴。
基于拓扑优化技术的升力面结构颤振抑制设计
侯政, 刘仙名, 吴炜, 何辉
2015, 32(1): 241-246,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0660
摘要:
导弹在高速飞行的过程中,会出现升力面颤振问题,可在短时间内导致导弹结构破坏甚至解体。为了改善升力面颤振特性,并让设计过程更加科学和高效,结合拓扑优化技术,开发了相应的优化程序应用于导弹升力面结构颤振抑制设计,获得比原始设计方案拥有更大颤振临界速度的升力面结构。所设计的方法具有如下优点:相比传统的配重等方法,从拓扑优化的新思路高效、准确地获得新构型;将拓扑优化的前沿技术应用到改善飞行器升力面颤振特性的实际工程问题上;将颤振这种复杂的流固耦合问题从结构动力学问题逐步简化为静力学模型,用拓扑优化方法解决。
水下耐压结构拓扑优化设计方法探究
王存福, 赵敏, 葛彤
2015, 32(1): 247-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0705
摘要:
探究了拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用。与固定载荷作用下结构的优化设计相比,此类问题需要正确地确定压力作用面。在拓扑优化过程中,利用变密度法得到的中间结构拓扑实际上可以看成是灰度图。基于此,提出了基于图像分割技术的压力加载面搜索方法,并利用距离正规化水平集方法(DRLSE)检测图像边界。利用数值算例验证了方法的有效性,并研究了静水压力作用下结构的拓扑优化设计问题。在给定材料约束的前提下,研究了不同边界条件下耐压壳体的最小柔顺度及最优结构拓扑形式。优化结果说明了该方法在多球交接耐压壳结构形式优化设计及复杂边界条件下耐压结构新形式探索中的工程应用价值。