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2015年  第32卷  第6期

基本方法
考虑瞬态响应的薄板结构阻尼材料层拓扑优化
王睿, 张晓鹏, 吴良武, 亢战
2015, 32(6): 1-7,14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1128
摘要:
讨论了敷设阻尼材料的薄板结构考虑瞬态响应时阻尼材料层的最优布局问题。基于SIMP方法构造人工阻尼材料惩罚模型和结构拓扑优化模型,以阻尼材料的相对密度作为设计变量,在给定阻尼材料用量的条件下,最小化结构瞬态位移响应的时间积分。由于结构整体呈现非比例阻尼特性,采用逐步积分法对结构的振动方程进行求解。通过伴随变量法得到目标函数对设计变量的灵敏度表达式,在此基础上采用基于梯度的移动渐近线方法求解。数值算例验证了优化模型与算法的合理性和有效性。
索杆张力结构最不利预张力偏差的近似解析方法
夏巨伟, 邓华
2015, 32(6): 8-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1129
摘要:
索杆张力结构需依靠预张力来获得初始刚度和维持稳定性,但实际工程中索长误差等因素所引起的预张力偏差不可忽视。分别以单元绝对和相对预张力偏差平方和作为结构预张力偏差的评价指标,建立了两类指标与索长误差间的二次型解析表达式。利用其中二次型矩阵Rayleigh商的极性解释了结构最不利预张力偏差的有界性。进一步对二次型矩阵进行谱分解,将结构最不利预张力偏差表示为以该矩阵特征值为权重、以索长误差在特征向量上的投影值为因子的加权平方和形式。发现二次型矩阵的特征值衰减迅速,故近似采用其一阶特征值和特征向量便能有效估计结构的最不利预张力偏差大小以及对应的索长误差分布。采用该文方法对一个实际索杆张力结构的最不利预张力偏差进行求解,并与两种常规优化算法的计算结果进行对比考察了该方法的计算精度和有效性。
新型协同转动3节点三边形壳单元
向宇, 李忠学, 张传杰
2015, 32(6): 15-21,40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1143
摘要:
发展了一种新型3节点三边形壳单元。计算单元在局部坐标系下的节点变量时,通过采用协同转动法,预先扣除节点整体变量中的刚体转动成分,从而简化了单元的计算公式。不同于现有的其他协同转动单元,在该单元中采用了增量可以直接累加的矢量型转动变量,单元的切线刚度矩阵可以通过直接计算能量泛函对节点变量的二阶偏微分得到,且对节点变量的偏微分次序是可以互换的,因而在局部和整体坐标系下都得到了对称的单元切线刚度矩阵。为消除单元中可能出现的闭锁现象,引入了MacNeal提出的线积分法,分别用沿单元边线方向的膜应变和剪切应变构造新的假定应变场。最后,通过对几个产生了大位移与大转角变形的板壳问题进行分析,检验了该单元的可靠性、计算精度和计算效率。
CSM在基于Lamb波的结构损伤检测中的应用
张宇, 闫云聚, 余龙, 袭著有
2015, 32(6): 22-27. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1159
摘要:
在基于Lamb波的结构损伤检测中往往不可避免地遇到结构中多个损伤引起的反射波信号相干问题而对检测精度造成影响。考虑到阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,尤其是在信号的波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计上的优越性,将其应用于基于Lamb波的结构损伤检测中以获得准确的结构损伤信息。于是,该文采用空间谱估计中相干信号子空间方法(Coherent Signal Subspace Method, CSM)解决了相干信号问题。以一个损伤结构的仿真分析为例,验证了CSM方法在基于Lamb波的结构损伤检测中处理相干信号的可行性。结果表明,无论是结构损伤和边界反射引起的信号相干或两个结构损伤引起的信号相干,依然可以通过该方法获得准确的结构损伤信息。
集中载荷下四边固支正交各向异性矩形板的线性弯曲问题
肖闪闪, 陈普会
2015, 32(6): 28-32. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1178
摘要:
采用载荷叠加法将集中载荷下四边固支正交各向异性矩形板线性弯曲的挠度分为3个部分:集中载荷下四边简支板的挠度、上下边简支左右边受弯矩的板的挠度、左右边简支上下边受弯矩的板的挠度,3个挠度之和在满足固支边界条件的情况下即为所要求的挠度的解。采用MATLAB软件编写程序进行计算,并将相同长宽的板在4种不同的厚度和载荷情况下的挠度计算结果与有限元分析结果进行比较,验证了解析解的正确性。最后讨论了经典的Kirchhoff薄板假设对于集中载荷的适用性问题。
土木工程学科
荷载作用下饱和水泥浆体中氯离子扩散性能研究
金浏, 杜修力, 张仁波
2015, 32(6): 33-40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1163
摘要:
混凝土类水泥浆复合材料中各种尺度的孔隙,如凝胶孔、毛细孔、掺入的气体气泡以及微裂纹等影响着氯离子的扩散性能。孔隙结构参数(如孔隙率)在外荷载作用下会产生变化,进而影响了水泥浆体中氯离子扩散性能。外荷载作用对氯离子扩散行为的影响,可以等效为外荷载所引起的孔隙率的改变对氯离子扩散性能的影响。从微观角度出发,将饱和水泥浆体看作由水泥浆体基质(其孔隙率为零)和孔隙水夹杂相所组成的两相复合材料介质。基于弹性力学理论推导并获得了饱和水泥浆体达到其强度前(即未产生新裂纹前)当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系,得到了水泥浆体中氯离子扩散系数与这些参数的定量关系。基于Fick第二定律分析了外荷载(体应变)和孔隙率变化对氯离子扩散性能的影响。研究表明:氯离子在饱和砂浆中的扩散系数随孔隙率增大而显著增大;氯离子在砂浆中的扩散系数随压缩体应变的增大而减小,随拉应变增大而增大。
双矩管装配式防屈曲支撑设计理论研究
姜子钦, 郭彦林, 张博浩, 王小安
2015, 32(6): 41-51,61. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0502
摘要:
装配式防屈曲支撑的外围约束构件主要通过高强螺栓连接。由于连系螺栓布置呈一定离散性,因此需要对各外围约束构件形成的整体约束刚度进行一定程度的折减;此外,螺栓的离散布置使得螺栓间外围分肢构件的局部受力影响更为突出,此二者均应在装配式防屈曲支撑设计方法中予以考虑。为此,该文首先对传统铰接防屈曲支撑设计理论进行介绍,而后对双矩管装配式防屈曲支撑约束刚度折减系数的求解思路及方法进行论述,最后结合装配式防屈曲支撑所特有的受力特点,考虑多波变形时挤压力的局部影响,提出了一整套适用于双矩管装配式防屈曲支撑的设计方法,并采用数值分析验证了2个支撑设计算例的可靠性。在理论推导中考虑了内外核之间的间隙、铰接接头长度、内核外伸段长度、外围构件长度、强度、刚度及初始缺陷、螺栓尺寸及布置等诸多设计参数的影响。
中美高层钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震设计对比
李梦珂, 卢啸, 陆新征, 叶列平
2015, 32(6): 52-61. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1206
摘要:
为综合对比中美抗震设计规范体系的总体效果,根据美国太平洋地震工程研究中心(PEER)给出的典型高层钢筋混凝土框架-核心筒结构案例的设计结果,采用中国规范对其进行了对比设计研究,详细分析了按照中、美规范设计得到的结构构件尺寸、动力特性、设计地震作用和材料用量。并建立了中美两个结构的弹塑性有限元模型,初步研究了二者的抗震性能。通过研究发现,中美抗震设计方法存在较大差异。该研究中,在相同地震危险性情况下,我国规范反应谱的设计地震作用较大,并且我国规范对结构层间位移角的限制比较严格,二者使得按照中国规范设计的结构其设计地震作用以及材料用量均显著高于美方设计结果。但中美设计方案在不同强度地震作用下的抗震性能基本相当。该文对比结果可供我国高层建筑抗震设计研究参考。
基于向量式有限元的T单元及其在张拉索膜结构中的应用
向新岸, 董石麟, 冯远, 刘宜丰
2015, 32(6): 62-68. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1110
摘要:
T单元是张拉索膜结构中的特殊单元,可使索和膜独立划分单元,并解决边界锯齿状问题。推导了基于向量式有限元的T单元。基于边界单元侧向刚度无穷大的假设,给出了质点质量分配和中间节点坐标插值的方法,通过虚拟逆向运动求解单元内力,并进行节点力的分配。编制了计算程序,并以一个简单算例验证了所推导的T单元静力计算的准确性。通过上海世博轴张拉索膜结构的断索算例验证了所推导T单元在结构与机构耦合动力计算中的正确性,分析结果表明数值计算结果与实际试验结果相符。
工厂加工制作的特殊构造梁柱节点抗震性能有限元分析
胡方鑫, 施刚, 石永久, 蔡建光, 厉亚宁, 孙毅, 王海涛
2015, 32(6): 69-75,98. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1117
摘要:
为研究工业用途的某特种钢结构的抗震性能,该文在3个特殊构造梁柱节点的循环加载试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS中的C3D8R实体单元建立模型,对该特殊构造梁柱节点的滞回性能进行了模拟分析,模型考虑了材料非线性、几何非线性的影响。通过有限元分析与试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,提取有限元模拟的局部分析结果,包括螺栓拉力的变化与节点组件的损伤指数,进一步为试验研究的最终破坏形态提供微观的力学解释。结果表明,试件I螺栓端板连接中梁翼缘两侧的螺栓拉力基本相同;试件I和试件II中柱强轴方向连接构造的断裂最可能发生在连接界面处的梁下翼缘中心,试件II和试件III中柱弱轴方向连接构造的断裂最可能发生在柱翼缘端部的盖板。研究结果可为此类特殊构造梁柱节点的各个组件力学行为分析以及相关的设计方法提供一定的参考。
基于等损伤的钢框架结构抗震性能优化
白久林, 杨乐, 欧进萍
2015, 32(6): 76-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1181
摘要:
等损伤设计是指在地震作用下结构所有构件(楼层)发生同等程度的损伤而形成均匀的侧向变形,使所有结构构件的性能均能充分发挥。该文采用优化准则法发展了基于OpenSees平台的钢框架结构等损伤抗震设计方法。通过提取结构在强震下的构件损伤指数来获得损伤指数比列阵,进而定量地对损伤严重部位进行加强、对损伤较轻部位进行削弱;基于材料总造价恒定和体系约束条件,对所有构件进行重新调整。以一个8层钢框架结构作为原始结构,采用规范反应谱拟合的一条人工地震动作为输入,探讨了不同超松弛因子对优化结果的影响;通过大样本时程分析,对比了结构优化前后的层间位移角分布、整体损伤指标、楼层损伤分布和整体抗震能力,结果表明该文的优化方法能有效的提高结构的抗震能力。
水工混凝土弥散型裂缝数值模型中开裂判据的研究
顾嘉丰, 任青文
2015, 32(6): 84-91. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1141
摘要:
重大水利工程中,混凝土结构多处于高水压环境,坝体或多或少存在着裂缝,然而大部分开裂的混凝土坝仍能够安全运行,从而引申出是否可以允许混凝土结构出现裂缝,多大的裂缝才不至于引起破坏,以及用怎样一个合理的指标来对混凝土开裂程度进行描述评判的问题。该文以等效塑性应变表征混凝土弥散型裂缝模型数值模拟中的开裂破坏,通过混凝土单轴拉伸数值模拟,并根据试验资料及相关文献,建立了等效塑性应变与主拉应变、裂缝宽度之间的关系,得到对应于“有害裂缝”的等效塑性应变值。将方法和成果运用到混凝土重力坝的开裂研究中,具有较好的实际工程意义。
离散-连续多尺度桥域耦合动力分析方法
李明广, 禹海涛, 王建华, 袁勇, 陈锦剑
2015, 32(6): 92-98. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1103
摘要:
基于离散介质理论和连续介质理论,提出离散-连续多尺度动力耦合分析方法,不需要任何附加的过滤和阻尼就能有效地消除高频波的虚假反射。根据实际需求将计算模型划分为连续介质域和离散介质域,其中连续介质域采用有限差分网格模拟;离散介质域采用离散元颗粒模拟。为保证网格与颗粒两种不同介质之间的能量协调,引入拉格朗日乘子将离散元模型和有限差分模型之间的约束关系,通过能量势函数隐含到动力方程中,推导出多尺度域的动力控制方程。基于动力显式算法求解所建立的离散-连续多尺度动力耦合体系,在通用的离散元(PFC)和有限差分法(FLAC)软件中二次开发编制计算程序,从而实现离散-连续多尺度动力耦合算法。通过算例验证,计算结果与分别采用离散元和有限差分法所得结果一致,说明了该多尺度方法可以有效地消除高频波在离散-连续介质界面上的虚假反射现象。
不同构造五边形钢管混凝土巨型柱轴压性能计算分析
曹万林, 徐萌萌, 董宏英, 武海鹏, 王立长
2015, 32(6): 99-108,123. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1111
摘要:
基于某超高层建筑五边形钢管混凝土巨型柱,研究了不同截面构造五边形钢管混凝土巨型柱的轴压性能。进行了3个五边形钢管混凝土巨型柱试件的单向重复轴压性能试验,试件分别为设钢筋笼单腔体截面、无钢筋笼四腔体截面和设钢筋笼四腔体截面。得到了轴力-位移骨架曲线,分析了损伤破坏过程、残余变形和弹塑性耗能性能,提出了适用的极限承载力计算方法。用ABAQUS软件进行了有限元模拟,分析了截面构造参数(腔体数、有无钢筋笼)对试件受力性能的影响,计算结果与试验符合较好。研究表明:四腔体截面试件与单腔体截面试件相比,承载力和延性明显提高,残余变形较小,耗能能力较强;四腔体试件中腔体内设钢筋笼的试件与不设钢筋笼的试件相比,承载力、延性、耗能能力进一步提高,残余变形减小。四腔体设钢筋笼的五边形钢管混凝土巨型柱综合抗压性能良好,可用于超高层结构设计。
索杆结构中索滑移行为分析的有限质点法
俞锋, 罗尧治
2015, 32(6): 109-116. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1126
摘要:
索杆结构成形过程中,连续索在一些节点处能够相对滑移,索与节点间的连接不能按铰接简单处理,传统有限元对此类问题的求解多有不便。针对索在节点处的滑移问题,该文采用一种新型分析方法—有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点运动满足牛顿第二定律,索的滑移行为通过质点的运动来描述。该文推导了滑移索单元内力求解公式,提出了滑移索单元的判定方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了滑移索单元的正确性和合理性。
几何非线性与徐变共同作用下三维杆系结构有限元分析
邓继华, 邵旭东, 谭平
2015, 32(6): 117-123. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1127
摘要:
几何非线性与徐变均为大跨或高耸柔性混凝土结构分析中必须考虑的重要因素,而现有计算方法通常只单独考虑,而未考虑两者的共同作用。基于几何非线性分析的随转坐标法和徐变效应分析的初应变法,该文首先建立三维梁元在随转坐标系下计入初应变效应的几何非线性平衡方程;再利用静力平衡原则,导出三维梁元在结构坐标系下同时考虑几何非线性与徐变的平衡方程,提供了详细的分析流程,编制了相应的非线性计算程序。以某大跨径混合梁斜拉桥混凝土桥塔为例,进行了考虑混凝土徐变效应的几何非线性分析;结果表明,无论是几何非线性还是徐变,单独考虑时得到的内力和位移结果均小于考虑两者共同作用得到的结果,因此在大跨或高耸柔性混凝土结构分析中考虑几何非线性与徐变共同作用是很有必要的。
桥上CRTSII型道岔板砂浆离缝影响特性研究
齐少轩, 任娟娟, 刘学毅
2015, 32(6): 124-132. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1135
摘要:
水泥乳化沥青砂浆离缝是桥上纵连板式无砟轨道主要伤损型式之一。参考18号无砟道岔的结构形式,简化建立桥梁-纵连板式道岔垂向耦合静力和动力分析模型,应用有限单元法,计算分析了不同程度的道岔板下砂浆离缝对道岔结构变形及受力影响。研究表明,板下砂浆层发生离缝,对道岔板及钢轨的影响较底座板更明显。不同离缝形式对结构的影响程度不同,当离缝发生在板端时,道岔结构受力与变形最不利;发生在板中时,道岔板的翘曲位移变化不明显。依据计算结果得出板底砂浆离缝尺寸对道岔结构的影响规律,同时从无砟轨道稳定性角度出发,初步提出砂浆离缝尺寸限值,道岔板下砂浆离缝垂向高度低于1.8mm,沿线路纵向离缝长度小于0.7mm。
差动和波浪力激励下海床-桩-墩-桥的地震弹塑性:原理、方法、程序与智能建模
柳国环, 练继建, 燕翔
2015, 32(6): 133-140. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1148
摘要:
跨海大跨桥梁体系在地震作用下的弹塑性数值模拟涉及四个问题:1) 海床(地基)-桩-墩-桥建立整体模型的合理性便捷性;2) 地下地基位置多点地震动反演途径的有效性;3) 波浪力和水动附加质量;4) 无限域地基被有限域地基代替后,粘弹性人工透射边界及其多源性。首先,阐述并指出了有无粘弹性人工透射边界下,土-结构体系地震差动输入模型的激励输入模式的本质区别;然后,提出了一种有效的地基位置具有空间变异性的地震差动反演途径,并据此成功开发了可视化程序MEMS_c(Multiple Earthquake Motions Simulation_c);进而,根据小尺度结构的波浪力及其频谱特性,开发了波浪力可视化计算程序WFS(Wave Force Simulation);最后,提出了弹性人工边界条件-地基-桩-墩-结构一体化的智能快速建模途径,并开发了可视化建模工具Foundation V2013.6,给出了图解说明。该文内容具有理论基础和实用性,为后续直接服务于工程提供了具体准备。
混凝土循环加卸载动态损伤特性研究
胡海蛟, 彭刚, 谢玖杨, 王敏
2015, 32(6): 141-145. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1152
摘要:
利用大型多功能动静力三轴仪对混凝土试件进行了5种应变速率下的动态循环加卸载压缩试验。对混凝土的物理力学参数的变化规律进行了统计分析。结果表明:峰值应力和弹性模量随加载速率的提高而增大,但峰值应变随加载速率的变化表现出较大的离散性。在此基础上,进一步研究了混凝土在不同加载速率下的刚度退化规律。最后,选用基于Weibull统计理论的分段式动态损伤本构模型对试验数据进行拟合。经验证,此模型能够较好的模拟混凝土材料的本构特性。
方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙边框柱刚度研究
王先铁, 马尤苏夫, 苏明周
2015, 32(6): 146-154,170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1162
摘要:
钢框架-薄钢板剪力墙竖向边缘构件刚度限值源于经典薄腹梁理论,其仅适用于钢框架,对于方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙,该刚度限值公式不再适用。该文基于薄腹梁理论,提出了方钢管混凝土竖向边缘构件的刚度限值计算公式。构建了不同宽高比和宽厚比分析模型,进行了非线性数值分析,研究了不同柱刚度对方钢管混凝土框架-薄钢板剪力墙力学性能、边框变形和破坏机制的影响。结果表明,按照该文公式设计的方钢管混凝土竖向边缘构件可充分发挥薄钢板剪力墙的结构性能,实现理想的破坏机制。
基于实测频响函数列的地铁环境振动响应预测方法
吴宗臻, 刘维宁, 马龙祥, 王文斌
2015, 32(6): 155-161. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1166
摘要:
针对地铁环境振动预测评价体系的施工设计阶段的预测,提出了一种通过隧道内脉冲激励实测地表系列频响函数的预测方法。将地铁环境振动预测问题转化为两部分:构建高精度车轨耦合解析模型求解作用于基底的频率力;隧道内进行脉冲激励实测隧道-土层系统的地表频响函数列。将两部分在频域内进行叠加运算求得地铁列车引起的环境振动响应,并形成科学的预测流程通过MATLAB程序实现。在18m埋深的隧道内部进行锤击实测地表频响函数带入预测流程进行地表振动响应预测,选取15号线类似条件地点的地表加速度实测数据进行对比验证,结果表明:预测结果和现场实测时域峰值均为0.02m/s2,振动主频均为30Hz~80Hz,1/3倍频程及Z振级也非常相近,预测精度及频谱特性良好。
考虑主材节点刚域影响的钢管输电塔变截面梁单元有限元模型
刘海锋, 杨靖波, 韩军科, 胡晓光, 党会学
2015, 32(6): 162-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1174
摘要:
为了准确、快捷地计算加劲板和连接板形成的主材节点刚域对输电塔受力的影响,将考虑节点刚域影响的主材视为若干段段不同截面梁单元的组合。首先,推导了主材两端节点刚域横截面转动惯量和面积的公式;然后,根据能量原理,推导了变截面梁单元的单元刚度矩阵,并采用C++语言将它引入开源有限元软件OpenSees;最后,将主材及节点刚域采用变截面梁单元,常截面梁单元,变弹性模量梁单元及壳单元离散的有限元模型计算结果和塔架试验的实测结果进行对比。结果表明:常截面梁单元会低估主材的弯矩和最大正应力,而变弹性模量梁单元会低估输电塔的挠度,均会使设计偏于不安全;变截面梁单元和壳单元的计算结果均实测结果很接近,但前者计算量远小于后者。可见:变截面梁单元有限元模型兼顾了计算效率和精度。
冲击载荷作用下夹芯板的后屈曲研究
邓磊, 王安稳
2015, 32(6): 171-176,191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1169
摘要:
利用ABAQUS有限元软件,对SHPB作用下的夹芯板的变形特性进行了分析,将有限元计算结果和实验测量结果作对比。在冲击载荷时间历程内,着重从芯板的位移和应力以及应变这3个方面对芯板的后屈曲问题进行了分析,研究了夹芯板中弹塑性压缩波的传播过程,芯板在压缩波作用下的动力屈曲产生、传播特性,压缩波与屈曲变形的相互作用以及塑性后屈曲大变形的发展规律。
矩形截面高层建筑扭转向脉动风荷载数学模型
李永贵, 李秋胜, 戴益民
2015, 32(6): 177-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1105
摘要:
在边界层风洞中完成了一系列矩形截面高层建筑刚性模型的同步测压试验,研究了根方差扭矩系数和基底扭矩功率谱的基本特性。结果表明,层根方差扭矩系数沿高度呈抛物线分布,基底根方差扭矩系数随厚宽比的增大而增大。厚宽比小于1时,基底扭矩功率谱有一个明显的窄带谱峰;厚宽比大于1时,出现两个谱峰,随着厚宽比的增大,两个谱峰逐渐靠近。以厚宽比为自变量,拟合得到了根方差扭矩系数和基底扭矩功率谱的计算公式。
考虑膜材各向异性的膜结构褶皱分析
于磊, 赵阳, 王震
2015, 32(6): 183-191. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1180
摘要:
推导了应用于向量式有限元三角形膜单元的各向异性膜材本构矩阵;进一步推导了各向异性膜材褶皱状态下的修正本构矩阵,并提出更为合理的主偏夹角计算方法。在此基础上编制了考虑膜材各向异性的膜结构荷载分析与褶皱分析程序,并进行了算例验证。算例分析表明,所编制的向量式有限元程序可以很好地完成各向异性膜结构的荷载分析与褶皱分析,验证了理论推导的正确性和分析程序的可靠性。分析结果还表明膜材的各向异性与褶皱效应会对膜结构的受力性能产生显著影响。
Rayleigh阻尼系数解法比较及对结构地震反应影响
潘旦光, 高莉莉
2015, 32(6): 192-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1190
摘要:
Rayleigh阻尼是一种广泛采用的正交阻尼模型。针对一个直径90m,高15m的穹顶结构,分析比较了四种方法(传统方法、最小二乘法、基于多参考振型的加权最小二乘法和基于结构位移峰值误差优化法)所得Rayleigh阻尼系数对结构地震反应计算精度的影响。四条地震波的分析结果表明:基于结构位移峰值误差的优化方法对于结构位移等以低阶模态控制的动力反应量计算精度最高;传统方法存在选择合适第二阶参考频率的难题;而最小二乘法不是计算Rayleigh阻尼系数的合理方法。当结构的显著贡献模态多且不同动力反应相关显著贡献模态的频率有巨大差异时,Rayleigh阻尼模型将无法构造兼顾低阶模态和高阶模态计算精度的阻尼矩阵,此时需要采用更多阶模态的阻尼比等于精确值的阻尼矩阵构造方法。
高雷诺数下高质量比圆柱涡致振动的数值模拟
卞正宁, 罗建辉
2015, 32(6): 200-206,230. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0380
摘要:
圆柱的涡致振动一直是研究者们关注的问题,但是以往的研究大多雷诺数不高,或者质量比较低。该文以高质量比圆柱为研究对象,采用质量-弹簧-阻尼系统,基于SST湍流模型,对结构在高雷诺数下发生涡致振动的过程进行了数值模拟和分析。通过流固耦合数值计算,模拟了圆柱涡致振动的高幅分支试验现象,计算所得的最大振幅比随速度比的变化曲线与试验吻合较好。研究结果验证了流固耦合计算方法的正确性,表明SST模型适合于由强逆压梯度引起的边界层分离流动问题。数值模拟显示在高雷诺数下,高质量比的圆柱涡致振动会出现高幅分支。该文的数值分析方法可以为高雷诺数下结构涡致振动问题的研究提供参考。
机械工程学科
板结构-声场耦合分析的有限元-径向插值/有限元法
尹辉, 于德介, 陈宁, 夏百战
2015, 32(6): 207-214. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1102
摘要:
为提高板结构-声场耦合分析的计算精度,将有限元-径向点插值法(Finite Element-Radial Point Interpolation,FE-RPIM)推广到板结构-声场耦合问题的结构域分析中,推导了FE-RPIM/FEM法分析板结构-声场耦合问题的计算公式。板结构-声场耦合分析的FE-RPIM/FEM法在流体域中采用标准的有限元插值函数;在结构域中采用有限元-径向点插值法,其形函数由等参单元形函数和径向点插值函数相结合构成,继承了有限元法的单元兼容性和径向点插值法的Kronecker性质,提高了插值精度。以六面体声场-结构耦合模型为研究对象进行分析,结果表明,与板结构-声场耦合问题分析的有限元/有限元法(Finite element method/Finite element method, FEM/FEM)和光滑有限元/有限元法(Smoothed Finite Element Method/Finite Element Method, SFEM/FEM)相比,FE-RPIM/FEM在分析板结构-声场耦合问题时具有更高的精度。
交叉式桁架臂弦杆单肢屈曲长度系数研究
成凯, 赵二飞, 周振平, 孙武和
2015, 32(6): 215-221. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1165
摘要:
该文针对起重机一种常用的交叉式桁架结构提出了一个简化的屈曲分析模型。考虑腹杆对弦杆的限制作用,利用梁柱理论,建立简化的力学模型,利用MATLAB软件求解弦杆的屈曲载荷。通过和实际结构有限元分析得到的屈曲载荷的比较,验证了所提模型的正确性和可靠性。然后对2组腹杆的影响程度分别进行了分析,确定了起主要作用和次要作用的腹杆。忽略起次要作用的腹杆,重新推导力学模型,并对结果进行了深入的研究,实现了一种简单的确定弦杆长度系数的方法,极大的方便了工程实际的应用。
混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究
郭涛, 张立翔
2015, 32(6): 222-230. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0179
摘要:
为准确捕捉小开度流动的瞬态湍流特性,充分了解流场结构,采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到混流式水轮机全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了活动导叶周围独特的流动形式和叶道涡的时空演化。计算结果表明:当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,加强了导叶后尾迹涡的相互影响,致使流道中发生更为剧烈和复杂的漩涡、脱流等各种水力不稳定现象。从蜗壳到转轮室的压力脉动均以低频为主,主要的频率能量成分基本相同,说明小开度低频异常振动与压力波的传递有关。叶道涡是致使叶片疲劳破坏的主要因素。
高转速对电主轴系统动力学特性的影响分析
汪博, 孙伟, 闻邦椿
2015, 32(6): 231-237,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1192
摘要:
高速切削的加工质量、加工效率与高速主轴系统的动力学特性密切相关,而转速对主轴系统的动力学特性有着明显的影响。该文首先确定了由高转速所诱发的主轴系统动力学特性影响因素,包括离心力、陀螺力矩以及轴承刚度软化等,并列举了围绕上述影响因素的相关研究成果。在此基础上,基于有限元法构建了考虑转速的主轴-轴承的通用有限元模型。以某电主轴为例,分别定性或定量分析了离心力、陀螺效应、轴承的径向刚度以及上述因素的耦合对高速主轴动力学特性的影响。该文的研究表明,主轴在高速运转状态下,轴承径向刚度、离心力和陀螺效应对主轴系统动力学特性都有较显著的影响,在对高速运转状态下的主轴系统动力学建模时,必须考虑上述影响因素。
温度场中输流碳纳米管的热弹性参数振动稳定性分析
梁峰, 包日东
2015, 32(6): 238-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0984
摘要:
应用非局部粘弹性欧拉梁模型研究不同温度场中输送脉动流碳纳米管的热弹性参数振动稳定性问题。包含有小尺度项和热效应项的控制方程通过Galerkin法离散后,用平均法对其进行求解,得到了管道稳定性边界的解析表达式。利用数值算例分析各参数对稳定性边界的影响发现:纳米管在高温温度场中的参数振动稳定性要比低温场中降低很多;提高温度变化量和非局部参数值,在低温场中可以增强系统稳定性,而在高温场中却会降低系统稳定性;不论在高温还是低温场中,提高纳米管粘弹性系数都会增强系统稳定性,但在高温场中,管材粘弹性的这种作用会比在低温场中降低很多。该文结论可为输流纳米机械的结构设计和热弹性振动分析提供理论 基础。
其他工程学科
平流层飞艇的多目标优化与决策
孙晓颖, 李天娥, 陆正争, 武岳, 王长国
2015, 32(6): 243-250. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1106
摘要:
该文建立了以平流层飞艇阻力最小、自重最轻、极限承载力最大及刚度最大为优化目标的多目标优化模型;采用强度Pareto进化算法(SPEA)进行了多目标优化设计;基于优化所得的Pareto解集,采用基于信噪比的决策方法选择满足实际需要的最终方案。结果表明:采用的SPEA算法是合理有效的,可以得到非劣解分布较均匀的Pareto曲面;通过基于信噪比的决策方法,可从非劣解集中获得满足实际要求的最稳健设计方案。
TSV转接板组装工艺对微凸点可靠性的影响
陈思, 秦飞, 夏国峰
2015, 32(6): 251-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1119
摘要:
TSV转接板组装工艺过程引起的封装结构翘曲和应力对微凸点可靠性有重要影响。该文采用有限元方法,分析了TSV转接板封装自上至下和自下至上两种组装工艺流程,通过比较工艺应力/应变和翘曲得到较优工艺流程;针对优选工艺流程,分析了不同工艺步微凸点的力学行为,重点关注封装结构中微凸点定位对微凸点可靠性的影响。结果表明:自上至下组装工艺流程较优;微凸点位置设计应尽量避开下填料边缘,当微凸点正好位于TSV上方时,微凸点阵列塑性功密度最低,且分布均匀,微凸点的这种定位设计最为合理。