留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2015年  第32卷  第7期

综述
超长复杂隔震结构施工力学及全过程监测研究
杜永峰, 赵丽洁, 张韬, 郑文智, 李万润
2015, 32(7): 1-10. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.ST10
摘要:
隔震结构的基础对上部结构的水平位移和抗转动约束力较弱,施工建造阶段的受力性能具有特殊性。对超长复杂隔震钢筋混凝土结构体系而言,叠层橡胶隔震支座在施工阶段出现了较大侧向位移的现象。施工方案考虑不周全时,隔震层大梁在施工阶段混凝土甚至会出现裂缝。该文介绍了课题组针对平面不规则超长复杂隔震结构建造过程施工力学分析。将施工过程中的时变结构体系分析问题采用离散性的时间冻结来近似处理,将它当作一序列物性时不变、拓扑关系在各个预定的时间点上变化的结构体系分析。数值分析表明,SCS方式是一种宜用于隔震结构的安全经济的施工方式;隔震层大梁出现裂缝主要是由施工荷载、温度剧烈变化、混凝土收缩及过早拆模等综合因素引起的;分析了由施工建造引起的非载荷变形对隔震支座变形位移、底板的变形和内力的影响;分析了最不利温差作用下的隔震支座位移及施工阶段梁挠度的变化规律,初步给出了后浇带的合理布置方案。通过对实际隔震工程的施工期及服役期的现场监测,验证了超长隔震结构的非载荷变形特征与环境荷载的相关性。
基本方法
一维变分不等式问题的自适应有限元分析新探
袁驷, 刘泽洲, 邢沁妍
2015, 32(7): 11-16. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.ST05
摘要:
结构工程中的弹性薄膜接触和杆件弹塑性扭转等问题是典型的变分不等式问题,对其高效精确求解,特别是满足给定精度要求下的自适应求解,是挑战性课题。该文作者新近成功实现了一维变分不等式问题的自适应有限元分析,该文对此进展作一报道。对于变分不等式的有限元求解,该文提出区域二分法和C检验技术,极大提升了松弛迭代的收敛速度,一般4次~5次线性解即可得到收敛的有限元解答,进而采用作者提出的EEP(单元能量投影)超收敛公式计算超收敛解答,用其检验误差并指导网格细分,逐步得到堪称为数值精确解的解答,亦即得到按照最大模度量逐点满足精度要求的解答。该文给出的数值算例表明所提出的算法具有高效、可靠、精确的优良特性。
锚杆支护圆形隧洞弹塑性解
孟强, 赵洪波, 茹忠亮, 李东利
2015, 32(7): 17-25. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1057
摘要:
该文推导了锚杆支护前后圆形隧洞的应力、位移和塑性区半径表达式。首先考虑静水压力状态下,岩石表现为弹脆塑性材料模型,采用Mohr-Coulomb线性屈服准则以及非关联流动法则,推导了无支护状态下圆形隧洞的弹塑性解析新解。在此基础上,通过均匀化方法,从宏观尺度将锚杆高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀连续、强度参数增强的等效材料,定义能够反映隧洞支护参数的锚杆密度因子,推导出等效弹性模量,等效粘聚力和等效内摩擦角的表达式,然后通过该文得到的隧洞在无支护状态下的解析解可以得到锚杆支护圆形隧洞解析解。最后将该文结果与前人研究结果及数值结果进行了比较分析,对比了锚杆支护前后圆形隧洞的塑性区半径、塑性区位移和塑性区应力,结果表明锚杆支护对隧洞的加固效果明显,该文结果可为地下工程中圆形隧洞的稳定性分析提供参考。
基于仿生观念的多层薄壁结构承载热防护一体化分析设计
曹小建, 王跃方, 王琦
2015, 32(7): 26-31. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1230
摘要:
受仿生观念启发,通过对力学与传热性能的表征和优化分析,研究了多层薄壁结构的承载和热防护的一体化设计问题。以生活在印度洋底的蜗牛壳结构为原型,构造了分层薄壁结构受力和传热的概念性模型,开展了热防护和承载性能的表征与分析。通过三维气动加热算例和基于遗传算法的优化设计,验证了仿生结构具有最佳的材料参数的排布,是综合热防护和承载性能于一体的优越结构形式。
基于载荷损伤分散的严重谱选取方法初探
贺小帆, 刘家曦, 王强, 刘文珽
2015, 32(7): 32-37. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0755
摘要:
在飞机结构设计定型阶段,要综合考虑结构的差异和载荷的分散性评定机群的安全寿命。美国空海军联合规范指南JSSG-2006、标准MIL-STD-1530C和我国国军标GJB67.6A-2008提出采用90%谱(严重谱)进行飞机结构耐久性分析和试验,但并未给出严重谱严重程度的选取准则。该文以机群载荷损伤分散描述机群载荷分散,初步探讨了载荷谱严重程度的选取方法。假定指定谱下的结构寿命和机群载荷损伤均服从对数正态分布,在综合载荷损伤和结构分散性的寿命分布基础上,分析了严重谱下的寿命可靠度。按机群安全寿命满足99.9%的可靠度要求,以载荷损伤覆盖概率描述载荷谱严重程度,给出了载荷谱严重程度的表示形式,并针对典型的飞机结构分散和载荷损伤分散性参数,给出了典型的载荷损伤覆盖概率取值。分析表明严重谱的严重程度与载荷损伤分散性和结构分散性均有关,基于损伤的90%严重谱可以保证机群内超过99%飞机的使用安全。
土木工程学科
近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析
丁幼亮, 谢辉, 耿方方, 宋建永, 李万恒, 王玉倩
2015, 32(7): 38-46. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.03.0269
摘要:
以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明:1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。
耗能梁段与带楼板RC框架梁连接节点的滞回性能研究
孙国华, 邵寅, 于安林, 赵宝成, 盛邵山
2015, 32(7): 47-55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0390
摘要:
通过对5个足尺耗能梁段与带楼板RC框架梁连接节点的低周往复加载试验,研究了此类节点的传力机理、破坏模式等,分析了连接节点的滞回性能、承载力、变形及延性、刚度退化及耗能等性能,并通过ABAQUS有限元程序对试验试件的滞回性能进行模拟。研究结果表明:U型外包钢连接节点构造简单、传力可靠。考虑楼板作用可显著提高耗能梁段与RC梁连接节点的承载力及后期变形能力。耗能梁段端板同RC梁顶面之间的分离导致滞回曲线中部捏缩,滞回性能劣化,耗能能力一般。
再生混凝土三轴受压力学性能试验研究
陈宗平, 李玲, 陈宇良, 应武挡
2015, 32(7): 56-63. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0493
摘要:
为了研究再生混凝土在三轴应力状态下的力学性能,以再生骨料取代率和围压值为变化参数,设计了36个圆柱体试件,采用位移控制的加载方式进行常规三轴试验。通过试验观察了试件的破坏形态,获取试件受力破坏全过程应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变等特征参数,分析了再生骨料取代率和围压值对再生混凝土三轴受压力学性能的影响,提出了侧向围压值与初始弹性模量、竖向峰值应力、峰值应变之间的关系公式。研究结果表明:取代率对三轴受力再生混凝土的峰值应力和峰值应变影响不大,与天然混凝土相比,其变化分别在5%和2%的范围内波动,而取代率对再生混凝土的初始弹性模量有较大的影响,与天然混凝土相比,三轴受力再生混凝土的弹性模量提高了20%左右;侧向围压值对三轴受力再生混凝土的各项性能指标影响显著,增大围压值能有效提高再生混凝土的弹性模量、承载能力和变形性能。研究结果为再生混凝土的进一步科学研究和推广应用提供参考。
钢管混凝土单圆管拱结构罕遇地震作用动台阵试验研究
黄福云, 陈宝春, 李建中, 程浩德
2015, 32(7): 64-73. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.08.0801
摘要:
对缩尺比例为1∶10的钢管混凝土单圆管拱结构模型进行了罕遇地震作用下振动台台阵试验研究。试验结果表明:罕遇地震作用下该模型拱结构各主要截面的应变均超过了材料的弹性极限应变,结构进入了非线性弹塑性阶段;不过,由于套箍作用,模型拱结构的刚度并没有显著的下降,模型拱钢管表面也未出现开裂和破坏现象,钢管混凝土拱结构表现出了良好的抗震性能。试验还表明:输入的地震波反应谱不同,结构的地震响应也不同,其放大效应与输入波形反应谱的起始卓越频率、范围及结构特性相关,最大响应则与反应谱峰值大小相关;拱结构横桥向激励产生的响应一般要远大于纵桥向的,尤以拱顶处最为明显;相对于拱结构静力分析时一般是考虑截面的上、下缘应变来说,地震作用下左、右缘应变更大、更为不利,尤以拱脚截面处最显著。
扩底楔形桩抗压承载力理论计算分析
孔纲强, 周航, 丁选明, 杨庆
2015, 32(7): 74-80. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.09.0848
摘要:
扩底楔形桩是一种可以有效发挥桩侧摩阻力和桩端承载力,提高单位材料承载力的新型桩;然而针对其竖向抗压承载力理论机理及计算方法的研究相对较少。在小倾角范围内(<5°),基于Randolph和Wroth荷载传递理论模型,建立考虑楔形角对荷载传递机理影响的扩底楔形桩桩侧摩阻力、桩端承载力计算方法;通过与数值计算模型和模型试验实测结果的对比分析,验证该文所建立的理论计算模型的准确性与可靠性;续而开展楔形角、扩大头直径以及桩体强度等因素对扩底楔形桩抗压承载力特性的影响分析。研究结果表明:该文所建立的扩底楔形桩理论计算方法可以准确、有效地计算其竖向抗压承载力;同等地质条件下,扩大头直径比楔形角对基桩竖向抗压承载力的影响更明显。
单层网壳结构冲击响应模式及临界冲击动能研究
王秀丽, 王昊, 施刚, 赵丽洁
2015, 32(7): 81-87. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1125
摘要:
采用ANSYS/LS-DYNA对60m跨度的K-6型单层球面网壳建立有限元模型,通过大量参数分析得出K-6网壳的4种冲击响应模式及其变化规律,考虑材料屈服强度、弹性模量及杆件截面积对网壳冲击响应模式及其分布规律的影响,提取网壳在冲击作用下发生局部倒塌和整体倒塌时的临界冲击动能,比较材料特性及截面特性对网壳抗冲击性能的影响,拟合了临界冲击动能的计算公式,并与有限元结果进行了对比。结果表明,K6网壳的冲击响应模式随冲击物携带动能的改变呈规律性变化。在杆件的截面特性和材料特性中,杆件的截面积对网壳的抗冲击性能影响较大,提高杆件的截面积可以大幅度提高网壳抵抗冲击荷载的能力。网壳的临界冲击动能可以利用公式进行计算。该结果对于网壳结构的抗冲击设计具有实际意义。
底部加强型工字形截面钢管混凝土柱抗震性能数值分析
惠存, 曹万林, 王元清, 王斌
2015, 32(7): 88-94. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1138
摘要:
为深入研究工字形截面压弯构件的工作机理,进一步分析其各项抗震性能指标,提出了一种在底部区域外侧贴焊钢板的底部加强型工字形截面钢管混凝土柱。在试验基础上,分析了承载力的影响因素,采用ABAQUS软件对不同轴压比、不同混凝土强度等级、不同底部加强钢板高度和厚度的试件进行了有限元数值模拟,并与试验结果进行了对比。研究表明:随着轴压比的增大试件承载力和延性逐步下降;随着混凝土强度等级的提高,试件的承载力提高,但下降段变陡,延性降低;随着加强钢板高度的增加,试件承载力稳步增大,耗能能力提高,延性近似相等;随着加强钢板厚度的增加,承载力提高幅度有限。在满足构造要求下,底部加强型工字形截面钢管混凝土柱结构具有良好的综合抗震耗能能力,可用于高层建筑结构抗震设计。
预应力混凝土箱梁开裂后的刚度损伤评估
徐向锋, 张峰, 韦成龙
2015, 32(7): 95-102. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1161
摘要:
箱梁容易在支座、1/4跨及跨中位置出现裂缝,箱梁开裂病害与箱梁过量下挠相互耦合,其作用机理较为复杂,评估箱梁过量下挠的难点在于箱梁裂后的刚度分布特性研究。为了有效评估箱梁裂后刚度,制作了大比例尺预应力混凝土连续箱梁模型,开展了反复荷载作用下的箱梁破坏性试验,分别采用两种方法开展了箱梁裂后刚度分布特性研究。第一种方法,结合试验数据,基于Levenberg-Marquardt优化算法,对已测试得到的不同开裂程度下的挠度进行刚度分布反演;第二种方法,基于模型试验测试的荷载挠度曲线直接建立刚度折减评估参数,对开裂后箱梁的刚度损伤分布进行统计分析。对比分析了两种方法计算得到的箱梁裂后刚度纵向分布特征,验证了评估结果的有效性。研究结果表明:箱梁裂后开裂区域的刚度折减系数以加载位置为参考点,其余部位的刚度损伤沿箱梁纵向呈线性分布。提出了箱梁裂后刚度损伤计算方法。该研究可对开裂后箱梁的服役性能评估提供了理论参考。
单层网壳结构稳定性分析方法研究
蔡健, 贺盛, 姜正荣, 刘齐齐, 张郁林
2015, 32(7): 103-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1191
摘要:
为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。
温度与荷载耦合下农村公路混凝土路面板结构尺寸优化
魏亚, 梁思明, 和昆, 封基良
2015, 32(7): 111-117. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1197
摘要:
为优化农村公路混凝土路面板结构设计以减小路面板厚度和节约成本,对板尺寸和板厚进行研究,分析正负温度梯度下交通荷载的最不利位置,建立文克尔地基上的板模型进行计算。研究结果表明:相比于板厚,板平面尺寸对板中最大拉应力的影响更大,因此可通过减小板尺寸来减小板厚;将只承受轮载作用的板称为小尺寸板,其临界板尺寸为2.0 m×2.0 m;路基反应模量对小尺寸路面板的板中最大拉应力影响不大;考虑疲劳损伤的小尺寸板在正、负温度梯度(15℃和-15℃)下的临界板厚分别为19 cm和16 cm。研究结果可以为节约成本为目的农村公路路面板结构尺寸优化设计提供参考。
钢板剪力墙结构基于性能的塑性设计方法研究
郝际平, 袁昌鲁, 樊春雷, 田黎敏
2015, 32(7): 118-127. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1207
摘要:
依据现行设计规范设计的钢板剪力墙结构,在罕遇地震作用下的非弹性性能是难以预测和控制的。为满足对高效可靠设计的需求,该文提出了钢板剪力墙结构基于性能的塑性设计方法,并通过修正楼层剪力考虑结构的P-Δ效应。选用预定的目标位移和破坏模式作为结构的两个关键性能指标。根据能量守恒原理,计算结构在给定地震作用下的设计基底剪力;采用能够反映结构在罕遇地震下楼层剪力分布状态且考虑高阶振型影响的侧向力分布模式,确定楼层剪力;采用塑性设计方法设计内嵌钢板以便达到预期的破坏模式和性能。为验证方法的有效性,采用此方法对一栋10层钢板剪力墙结构进行了设计,并采用静力非线性分析法和动力弹塑性方法对结构进行分析,为钢板剪力墙结构基于性能的塑性抗震设计提供一定依据。
考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形分析
朱绩超, 王响, 张勤
2015, 32(7): 128-135. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1219
摘要:
钢筋混凝土柱在地震作用下发生弯剪破坏或剪切破坏,是结构丧失轴向承载能力甚至突然倒塌的重要原因。大量的试验研究显示钢筋混凝土柱总侧向变形由弯曲变形、粘结-滑移变形、剪切变形三种变形分量组成,这三种分量的共同作用决定了钢筋混凝土柱的受力变形反应。该文基于对构件变形分量研究,提出考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形的宏单元模型。该模型模拟了静力反复荷载下的3个钢筋混凝土柱的试验模型,并对构件受力过程中各变形分量的变化以及各分量在总变形中的贡献进行了分析。结果表明该模型可以较准确的模拟水平荷载作用下剪切控制构件的受力变形反应全过程。
风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究
彭文春, 邓宗伟, 高乾丰, 董辉
2015, 32(7): 136-142. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1229
摘要:
为研究大型风力机塔筒在随机风荷载下的受力和变形特性,用AR法模拟脉动风,基于ABAQUS协同仿真平台对风力机进行流固耦合分析,得到了塔筒的内力和变形,并与常规静力计算结果和实测结果做了相关对比。分析表明:塔筒最大应力出现在底、中段塔筒的连接部位,门洞因洞轴线与主风向垂直并设有门框,其周围未出现明显应力集中;忽略塔身风荷载会对塔筒最大应力控制点的位置造成偏差,考虑脉动风的流固耦合分析所得结果与实测结果接近,可较真实地反映塔筒内力和变形随时间的变化特性。
圆管刚性法兰加劲肋角焊缝受力特性及强度计算理论
王宇强, 张大长, 李步辉, 孙铭泽
2015, 32(7): 143-148. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1238
摘要:
该文针对圆钢管刚性法兰角焊缝在轴拉荷载作用下的受力性能开展了非线性有限元分析,研究了法兰竖向、横向和环向角焊缝在不同荷载水平下的应力发展规律,指出了法兰在轴拉荷载下三道焊缝的传力分配,进行了不同加劲肋高宽比对竖向焊缝受力影响的研究,提出了更加科学合理的角焊缝计算公式,并通过刚性法兰节点轴拉静力试验证实了所提出的计算公式的合理性。结合有限元分析及试验研究结果得到如下结论:圆钢管刚性法兰竖向角焊缝在轴拉荷载下的焊喉截面正应力呈上大下小的非对称分布,竖向焊缝的拉压分界线位于焊缝长度 约1/5处;角焊缝落弧端存在应力集中;在允许焊缝部分进入塑性的情况下,结构依然是安全的;修正后的角焊缝强度计算公式可应用于圆钢管结构刚性法兰的连接设计。
基于节点冲切破坏的板柱结构连续倒塌可靠性分析
易伟建, 水淼
2015, 32(7): 149-155. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0001
摘要:
从结构体系可靠度的角度认识钢筋混凝土板柱结构的抗连续倒塌性能,用Monte-Carlo连续成组抽样方法对以节点冲切破坏为主的板柱结构连续倒塌进行可靠度分析。在建立板柱节点功能函数的基础上,推演了抗冲切承载力分布及荷载基本变量分布和荷载效应组合的方法。通过计算初始条件下任意一个板柱节点失效的概率和一个节点失效条件下其他节点失效的条件概率,分析了不同位置板柱节点在抗连续倒塌中的重要性以及板柱结构的抗连续倒塌鲁棒性指标。结果表明:底层中柱节点冲切失效最容易引起其他节点的连续性破坏及倒塌,按我国规范设定了柱顶贯通受压钢筋的板柱结构鲁棒性指标比较高。
基于静动力凝聚及扩展卡尔曼滤波的连续梁桥损伤识别
何浩祥, 吕永伟, 韩恩圳
2015, 32(7): 156-163. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0005
摘要:
以卡尔曼滤波算法为代表的物理参数识别方法在结构损伤识别方面得到广泛应用,但限于状态方程的复杂性,大部分应用集中在具有平动自由度的剪切型建筑结构模型,且一般需要较完备的激励和响应信息。利用静力凝聚方法消去转动自由度以建立力学模型,并提出考虑Rayleigh阻尼的动力凝聚方法,实现了较复杂连续梁桥有限元模型的等效简化。针对桥梁检测及健康监测需求,提出了利用锤击产生自由振动的激励方式进行连续梁桥扩展卡尔曼滤波在线损伤识别方法,从而克服了传统方法需要复杂激励信号的不足。以一座三跨连续梁桥为例进行了仿真分析,识别出了不同位置的刚度和阻尼物理参数,参数识别结果具有较高精度和抗噪性,收敛速度快,证明该方法有效可行。
抗剪加固FRP与混凝土界面粘结性能的试验研究
陈光明, 刘迪, 李云雷, 李世伟, 陈建飞, 许浩彬
2015, 32(7): 164-175. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0341
摘要:
为了深入理解抗剪加固FRP与混凝土界面的粘结性能,该文对侧面粘贴FRP的21根预置裂缝小梁进行了试验研究。试验设计考虑了FRP粘结长度、宽度、厚度及FRP纤维方向与裂缝张开方向的角度(简称“FRP纤维受拉角度”,用θ表示)对FRP与混凝土界面粘结性能的影响。试验结果表明:1) 所用的预置裂缝小梁可以有效对FRP与混凝土的界面粘结性能进行试验研究;2) FRP粘结长度、宽度、厚度及纤维受拉角度等因素对粘结强度有明显影响;3) FRP应变沿宽度方向的分布是不均匀的,这主要是由于裂缝不均匀开展导致FRP在裂缝开展快的一边先剥离。
一种考虑尺寸效应的颗粒材料流变模型及其验证
夏明锬, 徐远杰, 楚锡华
2015, 32(7): 176-183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.0615
摘要:
经典连续介质理论的粘塑性本构关系缺乏材料尺度的相关性,难以表征颗粒材料流变的尺寸效应,而Cosserat连续体中的内禀特征长度为刻画材料的尺寸效应提供了一种可能途径。该文旨在Cosserat连续体的理论框架下发展Perzyna粘塑性模型,以探讨颗粒材料流变的尺寸效应与影响机制。首先基于Drucker-Prager屈服准则导出了Cosserat连续体粘塑性模型的一致性算法,获得了过应力本构方程积分算法与一致切向模量的封闭形式,并在ABAQUS二次平台上采用用户自定义单元(UEL)予以程序实现。有限元数值算例模拟了软岩试样的三轴压缩蠕变和两种堆石料试样在常规三轴条件下的蠕变和应力松弛,数值预测结果与相应试验结果具有较好的一致性,表明该流变模型的适应性。同时,将颗粒的球型指数、圆度和平均粒径作为表征颗粒材料内禀特征长度的一种度量,以反映颗粒材料的试样尺寸及其颗粒粒径与形状对流变过程中的轴向应变、偏应变和偏应力的影响关系,表明所发展的流变模型可以捕捉颗粒材料流变行为的压力相关性和尺寸效应。
机械工程学科
基于齿根动应力的船用人字齿轮疲劳分析与优化
王峰, 方宗德, 李声晋, 蒋进科
2015, 32(7): 184-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0683
摘要:
为了合理预估人字齿轮齿根动应力疲劳寿命,利用考虑啮合刚度激励、啮合冲击激励和齿面摩擦激励的十二自由度人字齿轮弯-扭-轴耦合动力学模型,同时考虑了参与啮合齿对之间的齿根应力关联性,并由此合理有效地计算出了人字齿轮齿根受拉侧的动应力变化趋势。通过对轮齿疲劳寿命机理分析,选取三种常用载荷工况下小轮齿根中点受拉侧动应力作为疲劳寿命计算对象,采用考虑应力幅值和应力均值双参数的雨流计数法,结合Miner线性累积损伤理论对人字齿轮受拉侧齿根弯曲疲劳寿命进行了预估。同时比较了考察啮合轮齿在进入啮合前其它齿对产生的反向压缩应力对疲劳寿命的影响。通过三维修形技术,对人字齿轮齿面进行了以综合载荷工况下齿根动应力疲劳寿命为目标的优化设计,优化结果表明修形后齿根动应力变化趋势平缓,疲劳寿命增加25%。
管-杆伸出式弹芯垂直侵彻半无限靶机理研究
董玉财, 杜忠华, 刘杰
2015, 32(7): 190-196. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1232
摘要:
基于管-杆伸出式弹芯材料满足刚-塑性本构关系及该弹芯在侵彻过程中视为准定常运动等假设,通过分别对头部、管体、管与杆重合部及杆体等不同侵彻阶段的理论分析与推导,建立起该弹芯垂直侵彻半无限靶的简化模型。在1300 m/s~1500 m/s的速度范围内,对该弹芯进行了数值模拟与验证试验研究。通过对模型计算、数值模拟及试验结果之间的对比,表明简化模型及数值模拟方法的可靠性,得出了该弹芯垂直侵彻靶板所产生弹坑的形貌特征与形成机制,以及该弹芯在侵彻中的相对优势情况与侵彻深度随速度的变化规律。
薄壁管材连续矫直压扁量力学模型研究
张子骞, 颜云辉, 杨会林
2015, 32(7): 197-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0003
摘要:
针对薄壁管材在连续矫直过程中大弯曲变形产生的截面扁化,需对管材截面进行压扁矫圆。在分析压扁矫圆变形过程和成形机理的基础上,结合薄壳弹塑性理论及其相关假设,确定了变形区的周向应变模型,进而完成了周向弯曲力矩的解析,运用经典卸载规律建立了薄壁管材截面矫圆的压扁量数学模型方程。通过有限元仿真分析证明了该模型的正确性和有效性,同时得到用初始截面径向最大位移量的2倍近似估算压扁量的方法,为继续深入研究矫直相关工艺参数的合理设置、完善薄壁管材矫直理论体系奠定基础。
聚碳酸酯的单轴棘轮行为研究
黄婧依, 谷军杰, 张建伟, 蒋晗, 康国政
2015, 32(7): 204-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.05.0458
摘要:
在常温常湿下,对聚碳酸酯(PC)材料进行了一系列单轴应变循环和非对称应力循环实验。讨论了PC材料在不同加载水平、加载历史、应力率和峰值保持时间下的循环变形特征。结果表明:PC材料在应变循环过程中体现出了一定程度的循环软化特性,其响应应力幅值在应变循环中随着循环周次的增加而下降,但不是很明显;PC材料在非对称应力循环加载过程中产生明显的棘轮行为,棘轮应变随着平均应力和应力幅值的增加而增加,并且平均应力的影响大于应力幅值的影响;加载历史对于棘轮变形行为的影响较为明显,但对应变循环特性影响不大;PC材料的棘轮变形随着应力率的减小和峰值保持时间的增加而增加,体现明显的时相关性。
含机构位移起重机主副臂组合臂架结构几何非线性分析
王刚, 齐朝晖, 孔宪超
2015, 32(7): 210-218. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1176
摘要:
工程中很多起重机械含有控制吊重位置的机构,这些附加机构约束了起重机臂架结构承载变形后的位置。机构的作用可以等效为施加到结构上的广义外力,这些外力与结构位移和机构自由度是高度耦合的。对臂架结构按长度方向划分了多个子结构,将子结构的内部位移凝聚到了左右端面上。基于共旋坐标法,建立了随子结构一起运动的随动坐标系,推导了子结构单元的广义节点内力。以履带式起重机的主副臂组合臂架结构为例,考虑到臂架需要通过变幅机构进行约束和控制,给出了机构位移附加在臂架上的广义节点外力及其导数。最后,通过起重机的副臂工况算例,给出了在不同载荷下臂架结构位移以及约束机构位移,验证了分析方法的正确性和合理性。
其他工程学科
大尺度刚柔组合飞艇结构的静动态力学性能分析
李高胜, 柳占立, 林三春, 庄茁
2015, 32(7): 219-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1215
摘要:
刚柔组合体的大变形行为和复杂连接接触给飞艇大尺度结构的力学分析、设计和制造带来了挑战。该文选择德国先进的Zeppelin NT飞艇作为研究对象,飞艇结构由内部骨架与外部蒙皮连接而成,是典型的刚柔组合体结构。飞艇骨架的主要结构单元为桁架梁,若采用精细化模型,建模工作量大,因此通过对代表性桁架梁进行精细化分析,得出梁的截面力学参数,建立了等效简化梁模型,使得计算成本大为降低。为了验证有限元方法对柔性结构模态分析的适用性,推导了无限长圆柱形膜结构的二维振动模态频率理论解,并与有限元模拟得到的数值结果进行比较,两者误差较小。将蒙皮振动引起周围空气运动的附加质量引入有限元分析模型,得到蒙皮与骨架结构合理的模态振动频率。该文建立了大尺度刚柔组合飞艇结构的力学分析方法,并验证了方法的可行性。
高强轨道钢双轴压-扭棘轮行为的实验和模拟
邱博, 阚前华, 刘宇杰, 张旭, 谢瑞丽
2015, 32(7): 229-235. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1068
摘要:
在室温下对高强轨道钢进行了单轴和非比例双轴压-扭循环变形行为的实验,讨论了不同加载路径对轨道钢棘轮变形行为的影响。结果显示:该轨道钢呈现出明显的循环软化效应和压缩方向的棘轮行为,且棘轮行为的演化表现出强烈的加载路径相关性;在椭圆路径下,棘轮应变较其他四种路径更小。进而建立了基于Abdel Karim-Ohno非线性随动硬化律的非比例多轴循环棘轮本构模型,并通过在随动硬化和各向同性软化律中引入非比例因子来考虑非比例路径对双轴压-扭棘轮行为的影响。实验结果和模拟结果的对比表明:该本构模型能够较好地模拟高强度轨道钢的非比例双轴压-扭棘轮行为。
水工闸门垂直水动力计算方法
高仕赵, 徐国宾
2015, 32(7): 236-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1234
摘要:
为了解决水工闸门在启闭过程中垂直水动力的计算方法问题,将垂直水动力分为闸门开启过程中的下吸力和关闭过程中的上托力。首先,在闸门开启过程中,闸门底缘水流的压力能会转化为动能,而在同一开度下流过闸孔的流量又是常量,这就造成了过水断面在闸门底缘处的收缩,流体与闸门底缘分离,当外界补气不充足时,在闸门底缘部位将形成一定真空度,这部分真空度则是造成下吸力的主要原因。其次,在闸门关闭过程中,闸门对水流的阻断以及闸门底缘对水流流向的改变是导致上托力产生的主要原因。最后,该文应用下吸力和上托力的作用原理并结合水流的能量和动量方程提出了闸门启闭过程中下吸力和上托力的计算方法。同时,利用经积石峡水电站试验数据验证后的数值模型进行仿真分析,结果表明:下吸力和上托力计算方法所得结果与仿真结果吻合较好。
复合材料蜂窝夹层结构T型接头拉伸性能研究
徐云研, 程小全, 张纪奎, 郦正能
2015, 32(7): 243-248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.12.1236
摘要:
通过试验测量了复合材料蜂窝夹层结构T型整体接头的拉伸性能,得到其拉伸强度与破坏模式。建立了接头结构有限元模型,利用分类损伤判据、失效准则与刚度退化准则对结构的损伤情况进行模拟,研究了接头的拉伸破坏行为。有限元分析结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,结构的薄弱点位于腹板内靠近蒙皮的位置。蜂窝在此处发生面外拉伸破坏,从而导致结构的最终破坏。腹板上的拉伸载荷主要通过过渡区填料传递给蒙皮,腹板与蒙皮间的搭接段对载荷传递的贡献较小。参数研究表明,对于复合材料蜂窝夹层结构T型接头,搭接段长度对结构的强度几乎没有影响,而增大蒙皮蜂窝的高度或采用低模量蜂窝可以提高结构强度。
非均匀载荷作用下偏心磨损套管稳定性准则
屈展, 王小增, 窦益华, 马文海
2015, 32(7): 249-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.0573
摘要:
采用小参数摄动法建立了非均匀载荷作用下具有初始椭圆度的磨损套管稳定性准则,根据计算得到的磨损套管相对应变及其临界值之间的关系确定磨损套管是否发生挤毁失效。分析了磨损套管相对应变及其临界值与套管外径、壁厚、磨损深度、载荷非均匀度、初始椭圆度之间的关系。套管外径增加导致失稳临界应变减少,磨损套管保持其稳定的壁厚也随之增加。非均匀载荷作用下磨损套管相对应变与初始椭圆度之间是线性关系,套管初始椭圆度越大,相对应变越大。相对应变与载荷非均匀性之间是抛物线关系。磨损套管载荷非均匀性越大,相对应变越大。非均匀载荷作用下磨损套管的相对应变随磨损深度线性增加。该准则能够用于评价非均匀载荷作用下含磨损缺陷套管的井筒的完整性。