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2015年  第32卷  第9期

综述
斜拉桥斜拉索的风荷载、风致振动与控制
刘庆宽, 郑云飞, 刘小兵, 马文勇
2015, 32(9): 1-8. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.ST04
摘要:
斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,其承受的风荷载占大桥总体风荷载的很大比例,准确掌握其风荷载对设计具有重要意义;同时,由于斜拉索的风致振动发生频繁,危害严重,其风致振动的机理是研究热点和难点问题,振动控制措施是设计中需要重点考虑的问题。该文全面总结了斜拉索风荷载计算方法、风致振动的种类和相关机理,介绍了利用气动措施进行振动控制的最新研究成果,为相关的机理研究和斜拉索的振动控制设计工作提供参考。
超高层结构设计的经济性及相关问题的研究
周建龙, 包联进, 钱鹏
2015, 32(9): 9-15. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.ST12
摘要:
提高超高层结构设计的经济性可从三方面入手:降低结构所受的水平荷载、提高结构体系的抗侧效率和选择合理的设计指标。首先,为了降低结构所受的水平荷载,可通过选择合理的建筑体型和设置减振装置来降低结构所受的风荷载和采用消能减震的方法以及选用比强度、比刚度大的材料来降低结构所受的地震作用。其次,为了提高结构体系的抗侧效率,应尽可能使结构布置支撑化、周边化、巨型化和伸臂桁架化。最后,建议对超高层设计中的一些规定指标作进一步研究,在满足安全性的前提下进一步提高结构设计的经济性。
基本方法
一维C1有限元EEP超收敛位移计算简约格式的误差估计
袁驷, 邢沁妍, 叶康生
2015, 32(9): 16-19. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0695
摘要:
该文对一维C1有限元后处理超收敛计算的EEP(单元能量投影)法简约格式中的位移解给出误差估计的数学证明,即对足够光滑问题的m(>3)次单元的有限元解答,采用EEP法简约格式得到的单元内任一点位移超收敛解均可以达到hm+2的收敛阶,比常规有限元位移解的收敛阶至少高一阶。
无限地基相互作用力时域求解的阻尼溶剂逐步抽取法
尹训强, 李建波, 林皋
2015, 32(9): 20-26. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0107
摘要:
无限地基相互作用力时域求解的精度及效率是面向实际工程结构动力分析的关键问题。基于阻尼抽取法模拟地基无限域动力特性的思想,从数值实现中的误差源出发,提出了一种施加较大附加人工阻尼再分步依次移频抽取的阻尼溶剂逐步抽取法,并给出了具体实现公式。该方法可以最大限度地消除反射波波动能量及抽取人工高阻尼的影响,提高了算法的精度,降低了人工高阻尼与地基区域大小的相互制约性,并能适应地基有限区域表面几何结构复杂多变的情况,具有较高的工程实用价值。最后,通过对典型三维半无限空间问题的动力反应分析,将计算结果与精确解,阻尼抽取法模型和粘弹性人工边界模型进行对比研究,证明了该方法具有良好的精度和计算效率,并对不规则地基有限域模型进行分析,验证其良好的工程适用性。
基于欧拉插值的最小二乘混合配点法在弹性力学平面问题中的应用
王志芬, 李春光, 刘丰, 郑宏
2015, 32(9): 27-33,48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0063
摘要:
由于常规配点型无网格法存在求解不稳定、精度差和求解高阶导数等问题,提出了基于欧拉插值的最小二乘混合配点法。该方法同时以位移和应变作为未知量,通过欧拉插值将未知变量的导数表达出来,同时在插值中引入高斯权函数,并代入微分方程,从而形成以位移和应变为未知数的超定方程组,然后形成最小二乘意义下的法方程,法方程和相应的位移边界条件、应力边界条件一起形成定解体系。该方法不需要域积分,是一种真正的无网格法。一些典型的弹性力学平面问题表明本文方法具有良好的精度。
基于不可逆内变量热力学的岩石材料粘弹-粘塑性本构方程
张泷, 刘耀儒, 杨强, 吕庆超
2015, 32(9): 34-41. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0120
摘要:
岩石材料的粘弹性和粘塑性变形是与时间相关的能量耗散行为。在Rice不可逆内变量热力学框架下,引入两组内变量分别用来描述在粘弹性和粘塑性变形过程中材料的内部结构调整。通过给定比余能的具体形式和内变量的演化方程,推导出内变量粘弹-粘塑性本构方程。粘弹性本构方程具有普遍性,能涵盖Kelvin-Voigt和Poynting-Thomson在内的经典粘弹性模型的本构方程。并指出热力学力与应力呈线性关系是组合元件模型为线性模型的根本原因。粘塑性本构方程能较好地刻画岩石材料在粘塑性变形过程中的硬化现象。对模拟岩石的模型相似材料进行单轴加卸载蠕变试验,将蠕变过程中的粘弹性和粘塑性变形分离并根据试验数据对本构方程的材料参数进行辨识。试验数据和理论曲线对比结果表明该文提出的本构方程能很好地模拟材料的蠕变行为。该类型的本构方程能为岩石工程的长期稳定性的预测、评价以及加固分析提供基础。
三维实体结构NURBS等几何分析
过斌, 葛建立, 杨国来, 吕加
2015, 32(9): 42-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0124
摘要:
等几何分析是近年来在有限元法基础上发展起来的一种新的数值方法,它消除了有限元的几何误差,具有高阶连续性。该文研究了三维结构等几何分析中NURBS几何体的表示方式及载荷、约束的施加方法,分别从计算精度和仿真效率两个方面对比了等几何分析的计算结果与有限元法一阶单元和二阶单元的计算结果,展示了等几何分析相对于标准有限元法的优势,并以厚壁圆筒模型算例验证了等几何分析的实用性。将NURBS单元应用于几何形状精度要求高的齿轮和变截面圆筒,数值结果表明三维NURBS等几何分析方法在复杂三维结构的仿真计算中具有较好的灵活性和适用性,可得到连续的应力场,有望在工程中得到广泛应用。
土木工程学科
局部集中质量接触单元法在梁式桥梁体与桥台碰撞问题模拟中的应用
彭天波, 唐伟亚, 韩磊
2015, 32(9): 49-57. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0189
摘要:
近年来,模拟碰撞问题的接触单元法已经广泛运用于桥梁碰撞问题当中。其中集中参数接触单元法把碰撞两物体各自简化成质点,无法表达出碰撞应力波的传播现象;另一类Watanabe和Kawashima接触单元法,其碰撞单元的刚度是一种仅为满足精确模拟碰撞过程而采用的虚拟刚度,并无物理意义。针对梁式桥梁体与桥台的碰撞问题,该文首先提出一种新的碰撞问题模拟方法—局部集中质量接触单元法,然后详细地介绍了其在梁式桥梁体与桥台碰撞问题模拟中的应用,并通过试验验证了该方法模拟梁体与桥台碰撞的合理性。最后将该方法与两种接触单元法进行了比较,说明了该方法在模拟梁体与桥台碰撞问题中的优势。
箱梁颤振的数值模拟及气动能量分析
刘祖军, 杨詠昕, 葛耀君, 张伟
2015, 32(9): 58-67. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0669
摘要:
通过风洞试验测试了箱梁的颤振性能,根据流固弱耦合的计算策略并结合动网格技术模拟了箱梁的颤振过程。针对固体模型在流场中的运动受网格尺寸限制且易造成网格变形过大导致计算失败的问题提出了动网格弹簧系数分层设置的解决办法。给出了气流输入到振动模型的气动能量计算公式和模型表面区域气动能量比的定义,并从能量平衡的观点给出了颤振稳定判据。通过对振动模型气动能量特性的研究发现箱梁迎风侧风嘴是气动能量的主要输入部位,并且在一个完整的振动周期内气流输入到振动系统的能量不断增加,从而造成箱梁振动稳定性的丧失。将数值模拟获得的振动断面周围的流场采用了相位平均的方法进行了处理,分析了箱梁颤振状态下尾部旋涡的演化规律。应用本征正交分解技术(POD)分析了箱梁表面压力的空间分布特征。研究结果表明箱梁颤振过程中表面压力的主要组成部分向模型迎风侧的风嘴漂移。
双层组合厚壁圆筒弹脆塑性极限内压统一解
朱倩, 赵均海, 张常光, 张冬芳, 王苏
2015, 32(9): 68-75. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.07.0627
摘要:
基于三剪统一强度准则和弹脆塑性软化模型,考虑材料的脆性软化和中间主应力效应,推导了双层组合厚壁圆筒弹脆塑性极限内压统一解,探讨了粘聚力、内摩擦角、半径比、强度理论参数和中间主应力系数的影响特性,克服了以往基于Tresca屈服准则、Mises屈服准则或双剪强度理论的理想弹塑性解的不足。研究结果表明:中间主应力、材料模型和脆性软化对厚壁圆筒的极限内压均有显著影响。该文所得统一解具有广泛的适用性和理论意义,不但可退化为现有公式,而且还能得到系列化的新解答,对组合厚壁圆筒的设计及工程应用有重要参考价值。
爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型
李忠献, 何振锋, 师燕超, 丁阳
2015, 32(9): 76-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.10.0950
摘要:
目前常用于爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的精细化模型,建模复杂、计算效率低,难以在大规模计算中应用。该文研究了纤维模型在模拟爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应和破坏的缺陷,针对该缺陷在纤维模型的基础上引入弹簧单元,建立了爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型,并给出了模型参数的确定方法。最后以某典型钢筋混凝土柱为例,分别通过精细化模型和宏观模型对其在不同爆炸工况下的动态响应和破坏进行对比分析,结果表明,提出的宏观模型在计算效率高的同时,能够明显弥补纤维模型的缺陷,达到和精细化模型相近的分析结果。
焊接箱形截面不锈钢柱相关稳定性能分析
袁焕鑫, 王元清, 石永久, 朱一锋, GARDNER Leroy
2015, 32(9): 84-91. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0110
摘要:
采用有限元法对焊接箱形截面不锈钢柱的局部与整体相关稳定性能进行分析,研究利用板件的屈曲后强度,以实现更为经济合理的构件截面设计。建立了可以准确模拟不锈钢非线性材料力学性能、截面焊接残余应力和构件的局部与整体几何初始缺陷等因素的精确有限元数值模型,并依据试验结果对模型的可靠性进行了验证。基于验证可靠的有限元模型,开展了系统参数分析,同时补充了大量的数值计算数据点。根据得到的试验和有限计算结果,对相关稳定承载力的理论计算方法进行了比较分析,表明现有的方法应用较为复杂,而且可能高估构件的相关稳定承载力。针对奥氏体型和双相型两类不锈钢提出了通用的计算修正系数,给出了新的直接强度法计算公式,经试验与有限元计算结果验证,表明其能够准确计算焊接箱形截面不锈钢柱的相关稳定承载力。
单轴多级循环加载岩石声发射分形特性试验研究
李庶林, 林朝阳, 毛建喜, 黄玉仁, 胡静云
2015, 32(9): 92-99. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0094
摘要:
通过对三种岩石试样进行单轴循环加载试验,获得岩石试样加载过程中声发射事件率、能量率和空间位置分布数据。运用相空间重构理论直接从时间序列上通过G-P算法求得事件率和能量率关联分维,根据柱覆盖法求解得到声发射事件源空间分布关联分维。研究结果表明,声发射事件率、能量率和空间分布都具有分形特性,且声发射源空间分布分形特性最为显著。相空间的选取对关联维数有一定影响,相空间取值为4时能够较好地计算关联维数。将不同加卸载循环声发射源空间分布的变化趋势和声发射源空间分布关联维数变化趋势进行对比发现,声发射关联维数能够很好地反映岩石内部损伤破坏的发展。在等压加卸载条件下,声发射源空间分布关联维数显著突增。随着加卸载循环应力的增加,关联维数总体呈下降趋势,在达到较高应力时,关联维数则在较小区间内波动或下降趋势变得极其缓慢。该特点可以作为矿山地压微震监测预警的参考依据。
连续桥面简支梁桥静动力特性的理论分析方法研究
丁勇, 黄奇, 黄剑源
2015, 32(9): 100-110. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0096
摘要:
简支梁桥多跨连续布置带来大量伸缩缝,对行车舒适性和结构维护造成不利影响,因此用连续桥面板代替伸缩缝正成为改进该类桥梁性能的一种处理方式。但是对这种部分连续的桥梁结构,其力学分析理论尚不完善,阻碍了相关的工程应用和优化。因此,针对连续桥面简支梁桥,提出了一种带边界转动弹簧的简支梁模型,弹簧刚度通过对连续桥面和相邻简支梁的拉压、弯曲和剪切分析得到。基于该模型,可以用类似于传统简支梁的分析方法,对这种非传统的桥梁结构进行静力和动力特性分析,获得该类桥梁静力变形、内力、自振频率与模态的计算公式。实例计算表明,由理论公式得到的边界转动弹簧刚度与三维有限元分析结果吻合;采用考虑边界转动弹簧的模型后,桥梁静力挠度、应变、自振频率的计算值接近实桥测试值,优于普通简支梁计算结果,因此可以用于连续桥面简支梁桥的力学分析。
基于解析刚度模型的钢筋混凝土框架结构二阶效应分析
许晶, 贡金鑫, 蒋秀根
2015, 32(9): 111-118. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0105
摘要:
考虑材料非线性和几何非线性对钢筋混凝土框架进行了结构承载力分析。在结构承载力分析过程中,考虑混凝土的拉伸硬化作用,根据欧洲规范等效曲率公式提出了解析刚度计算模型;根据变形协调条件,考虑框架结构P-Δ效应和杆件P-δ 效应得到杆件的侧向变形计算公式。该文利用提出的解析刚度计算模型和框架结构侧向变形公式实现了框架弯矩重分布。将该文提出的方法的计算结果与已有的试验结果对比表明:该方法可行,框架弯矩和侧向挠曲变形随荷载增大呈现明显的非线性。
硫酸盐侵蚀下水泥净浆膨胀应变计算
殷光吉, 左晓宝, 孙伟, 汤玉娟
2015, 32(9): 119-125. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0108
摘要:
针对硫酸盐侵蚀过程中水泥净浆体积膨胀问题,运用微孔力学理论,建立了水泥净浆基体与其孔隙内钙矾石晶体相互作用的代表性体积单元(RVE)及其力学分析模型;分析了一定钙矾石生成量下的RVE内膨胀应变在微观尺度上的空间分布规律;通过均匀化方法,将微观尺度上的RVE内膨胀应变转化为宏观尺度上RVE所在位置点的等效应变,分析了该等效应变随钙矾石生成量的变化规律。分析结果表明:微观尺度上,孔隙率为0.1的RVE内钙矾石晶体和侵蚀溶液组成的内球体各向为拉应变,水泥净浆外球壳径向为压应变、环向为拉应变;宏观尺度上,孔隙率为0.1的RVE所在位置点的径向等效应变为压应变,且随钙矾石生成量的增加而增大,而环向等效应变为拉应变,且随钙矾石的生成量的增加而增大。
RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法
岳健广, 钱江
2015, 32(9): 126-134. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0112
摘要:
为掌握地震作用下结构在破坏过程中由材料至整体结构不同层次的非线性状态,基于单元耦合技术、多层次损伤性能水准、多层次地震损伤模型,提出了RC框架结构多层次地震损伤演化分析方法。根据耦合界面上能量平衡原理建立的单元耦合技术,能够同时准确计算结构整体力学性能和局部破坏细节,可用以结构多层次损伤数值模拟。按照“材料、截面、构件、楼层、结构”不同层次的破坏特征,提出了作为损伤性能评价标准的多层次损伤性能水准,且统一定义为五个水准。基于变形等价原理和广义力-变形曲线,建立了多层次地震损伤模型,其在各层次上具有一致的力学意义。以某原型RC框架结构试验为分析对象,详细阐述了结构多层次地震损伤演化分析方法。
基于能量的局部火灾引起钢结构连续倒塌简化分析方法
田相凯, 陈适才, 张磊, 李易, 闫维明
2015, 32(9): 135-140,148. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0118
摘要:
为研究局部火灾引起多高层钢结构倒塌的破坏机理以及多高层钢结构在火灾下的抗倒塌性能,基于结构初始倒塌破坏机制,建立了单柱受火的火灾引起多高层钢结构倒塌分析的单自由度简化分析模型,模型将受火柱上部结构简化为三折线弹塑性弹簧模型,将受火柱简化为集中塑性铰模型,并推导了基于能量的结构反应计算公式,建立了能量的计算方法。最后通过整体结构的数值对比分析,验证了此方法用于火灾引起钢结构连续倒塌分析与计算的合理性与可行性。
设置纵向大型液体粘滞阻尼器的大跨斜拉桥主梁纵向运动阻尼水平研究
聂利英, 郭其远, 李建中
2015, 32(9): 141-148. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0119
摘要:
大跨斜拉桥减震耗能的一种典型应用是塔梁间设置纵向大型液体粘滞阻尼器,其参数选取以有效率的限制地震荷载作用下的主梁纵向位移以及改善主要构件地震力为目标。大跨斜拉桥的一阶纵飘振型处于长周期,远离场地卓越周期,此时主梁纵向位移响应对阻尼水平的增加不敏感。此种设计思路很可能导致阻尼器设计参数过大,从而为主梁纵向运动提供过大的阻尼水平。基于现有研究,采用单自由度评价模型及相应的等效阻尼比为评价参数。以某大型斜拉桥为典型工程实例,以全桥模型有限元分析与单自由度评价模型地震反应分析对比验证评价模型的可靠性,并以等效阻尼比和主梁纵向自由振动揭示塔梁间设置大型FVD为主梁纵向运动提供了超高水平阻尼比的现象。此种应用突破了FVD常规应用中的附加阻尼比界限,也改变了主梁的动力边界条件。
连接Maxwell模型的两相邻结构非线性地震反应分析
吴巧云, 朱宏平, 陈楚龙
2015, 32(9): 149-157. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0138
摘要:
对连接Maxwell模型的两相邻高层钢筋混凝土结构进行了大震作用下的非线性地震反应分析,相邻结构的本构模型采用三线型刚度退化模型,推导了连接Maxwell型阻尼器的相邻结构的运动方程,研究了Maxwell阻尼器优化参数理论表达式在结构进入非线性阶段的适用性,并研究了碰撞对相邻结构地震响应的影响,提出了不同地震波激励下阻尼器的优化参数值。分析结果表明:相邻结构进入非线性阶段时需要连接具有更强阻尼耗能能力的阻尼器以控制两结构的地震响应;即便在较小的防震缝宽度下,连接了控制装置后的相邻结构在大震作用下发生碰撞的可能性亦较小。
大直径超长钢管桩溜桩机理及计算方法研究
闫澍旺, 贾沼霖, 孙立强, 张孝卫
2015, 32(9): 158-164. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0161
摘要:
海洋桩基平台经常采用大直径超长桩,因为桩和锤的重量很大,在沉桩过程中经常发生溜桩现象。为了便于打桩控制,判断溜桩的深度是非常必要的。该文结合实际工程对溜桩的过程和发生机理进行了探讨;提出了在溜桩状态下土阻力的计算方法:采用土的重塑指标计算桩侧摩阻力,采用别列柴策夫模式来计算砂土对桩端部环状基础的地基极限承载力;在此基础上,建立了判断溜桩范围的分析计算方法。针对南海某平台桩基沉桩过程中的溜桩问题进行了分析计算,验证了所提出的方法的合理性可供桩基设计以及沉桩施工参考。
节点区柱钢管非连续式方钢管混凝土柱-梁节点受剪性能研究
何岸, 蔡健, 陈庆军, 汤序霖, 左志亮
2015, 32(9): 165-173. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0167
摘要:
为研究节点区柱钢管非连续式钢管混凝土柱-梁节点的受剪性能,对5个柱-梁中节点试件进行低周反复荷载试验。对节点的破坏形态和骨架曲线进行分析,结果表明随着节点面积增大系数(节点面积/柱面积)和相对配筋系数(节点体积配筋率/梁配筋率)的增大,节点的受剪承载力和延性逐渐改善。基于修正斜压场(MCFT)的基本理论,并对节点的受力边界进行简化,建立该节点在剪、压复合作用下的抗剪承载力计算方法;采用该文的简化方法计算得到的节点峰值剪应力与试验结果进行对比,二者吻合良好。
基于应用程序交互访问技术的桥梁有限元模型修正研究
蒋运忠, 周云, 谢利民
2015, 32(9): 174-182. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0177
摘要:
传统的有限元模型修正方法对于具有复杂多自由体系的大型桥梁结构显得束手无策,其中一个重要的原因是大型桥梁结构体系很难用有限元编程精确地表达,难以建立完整的或者缩聚的质量矩阵和刚度矩阵。该文开发了基于应用程序交互访问的有限元模型修正模式,首先在Strand7软件中建立初始的有限元模型,然后利用MATLAB建立迭代程序并调用Strand7软件,通过读写Strand7中的物理参数来更新模型,实现了大型桥梁结构有限元模型修正。该文对一座实桥进行多参考点脉冲锤击法模态试验和静载试验,基于获得的静动力试验数据和Strand7有限元模型分析结果,引入损伤函数的概念识别得到了该桥各梁的分段刚度,成功地实现了单元层次的参数识别。
考虑梁柱节点模型的钢筋混凝土框架地震易损性研究
宁超列, 王丽萍
2015, 32(9): 183-190,199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0184
摘要:
钢筋混凝土框架结构的梁柱节点对结构抗震力学性能具有显著的影响。基于刚性节点假定和宏观柔性模型的节点模拟方式,一直缺乏有关其适用范围的研究。地震易损性分析方法的引入,能够从概率意义上定量地刻画这两种节点模型对钢筋混凝土框架结构抗震力学性能的影响,获得的结论可望为钢筋混凝土框架结构梁柱节点的处理提供理论的依据与支撑。因此,该文基于OpenSees平台,考虑地震动输入的随机性,通过采用双频率段控制选波方法,并采用增量动力分析理论,定义4个不同的抗震性能水准,对三榀不同层数的钢筋混凝土框架结构分别采用刚性节点假定和宏观柔性模型进行了地震易损性研究。获得的结论表明:基于我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构,在多遇地震作用下,采用刚性节点假定对结构进行抗震性能评估是合理的,否则需要考虑梁柱节点变形对整个框架结构抗震性能的影响。
斜拉桥钢-混凝土结合梁的受力性能试验研究
李小珍, 王聪, 肖林, 卫星, 徐勋
2015, 32(9): 191-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0550
摘要:
斜拉桥钢-混凝土结合主梁的受力特点与常规结合梁有所不同。针对江津观音岩长江大桥钢-混凝土结合梁,设计并制作了1∶2大比例试验模型,对其进行了单项荷载与承载力极限状态荷载组合的加载试验,测试了试验模型主要断面的应变分布情况;结合有限元分析,对斜拉桥钢-混凝土结合梁的受力性能进行了研究。结果表明:斜拉桥结合梁承受较大弯矩时,截面上的应变并非线性分布,不满足平截面假定;轴力作用的加入能够有效抑制斜拉桥结合梁在弯矩作用下的滑移趋势,相比于常规结合梁,其钢与混凝土交界面的相对滑移量会更小;有限元分析结果与模型试验结果吻合较好,具有足够的工程精度;在该文所研究的斜拉桥主梁中,轴力主要由混凝土板承担,弯矩主要由钢梁承担。
索形优化后的双向张弦梁索力静载试验设计与研究
吴捷, 舒赣平
2015, 32(9): 200-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.07.0618
摘要:
基于平衡荷载值确定双向张弦实腹梁结构的形状,设计了一个索形优化后的双向张弦梁整体结构索力静载试验。用万向节模拟撑杆与上弦钢梁节点,用特制花篮螺丝和改装的U型绳卡模拟拉索张拉端和锚固端,采用多点分配梁杠杆集中加载与跨中直接吊挂加载相结合的加载方案。试验结果显示,经过索网形状优化之后,竖向荷载增大到设计平衡荷载值时,双向各索索力值相近,分布均匀,明显改善受荷阶段结构中的索力分布。双向张弦梁下弦索对非对称活载尤其是二分之一跨分布形式较为敏感,可能出现边跨索力超过同级全跨荷载下的现象。
机械工程学科
地铁扣件III型弹条失效有限元分析
尚红霞, 温泽峰, 吴磊, 李伟, 张树峰, 金学松
2015, 32(9): 210-215. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0126
摘要:
为了分析地铁扣件III型弹条的断裂原因,建立了详细的扣件系统有限元模型,研究了Ⅲ型弹条不同安装状态和弹程对其扣压力和应力的影响。结果表明,弹条中肢插入铁垫板孔长度在69 mm~76 mm时,对弹条的扣压力影响很小,但对弹条最大等效应力影响比较大;同时,随着弹条中肢插入铁垫板插孔长度的增加,弹条后端与铁垫板的接触状态由线接触转化为多点接触,使得弹条后端圆弧与铁垫板端部发生挤压,产生局部应力集中。随着列车的反复通过,弹条在应力集中处容易萌生裂纹,最终裂纹扩展导致弹条发生疲劳断裂。数值分析结果与现场多数弹条断裂破坏位置相吻合。在线路运营维护中,应将弹条后端圆弧与铁垫板端部的距离严格控制在8 mm~10 mm内。
复合材料螺旋弹簧刚度及其影响因素分析
熊志远, 宋瑞祥, 康钟绪, 刘磊, 刘强
2015, 32(9): 216-221,228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.06.0576
摘要:
该研究制备了一种与中空圆截面簧丝轴线成±45°铺层的新型复合材料圆柱螺旋压缩弹簧,并对该弹簧进行准静态压缩试验。将纤维复合材料平板的剪切模量等效替代各向同性材料弹簧刚度表达式中的剪切模量,从而理论导出该类复合材料弹簧的刚度表达式。针对该表达式分析影响弹簧刚度的各种因素及其影响程度。结果表明:弹簧的刚度系数随着纤维弹性模量、纤维体积分数、簧丝外直径的增加而急剧增加,随它们的下降而显著下降;基体弹性模量与复合材料泊松比对弹簧刚度的影响十分微小;簧丝内直径在一定范围内变化时对弹簧刚度的影响几乎可以不计,但却能显著降低弹簧质量,超出该范围后,弹簧刚度随内直径增加而急剧下降;刚度系数随弹簧有效圈数和弹簧圈平均直径的增加而剧烈下降,随着它们的下降而急剧增加。
基于拉格朗日方法的非定常空化流动研究
赵宇, 王国玉, 黄彪, 吴钦, 王复峰
2015, 32(9): 222-228. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0122
摘要:
采用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数、拉格朗日拟序结构和粒子追踪方法对绕水翼典型非定常云状空化流场进行研究。采用计算流体动力学方法获得空化流场数据数值,湍流模型采用经典大涡模拟方法,空化相变过程采用基于相间质量传输的Zwart模型进行处理。根据有限时间李雅普诺夫指数分布在空化核心区域定义了前缘拟序结构和尾缘拟序结构。在不同的空化发展阶段,两种拟序结构相互作用并呈现不同的分布规律,揭示不同空化发展阶段的典型流场结构。
基于精确数值建模方法的自适应底座优化设计研究
仲健林, 任杰, 马大为, 王玺
2015, 32(9): 229-235,249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0371
摘要:
建立自适应底座的精确数值模型,对底座进行优化设计研究。推导了帘线拉伸模量修正公式,给出了橡胶材料Mooney-Rivilin模型相关参数计算方法;建立了底座精确数值模型,得到附加载荷数值解并与试验对比验证;推导了附加载荷的积分表达式,获得了影响附加载荷的4个主要参数;以4个主要参数为设计变量,定义附加载荷匹配弹重为优化目标,基于试验设计方法(DOE)和神经网络算法(RBF),建立了底座数学近似模型,结合多岛遗传算法(MIGA)获得了底座的优化设计方案。结果表明:优化后底座的附加载荷峰值与弹重差值减小至原差值的9.1%,导弹俯仰、偏航方向角位移分别下降了8.2%、15.8%。
其他工程学科
疲劳裂纹扩展试验载荷谱加重方法研究
张海英, 牛智奇, 董登科, 陈莉
2015, 32(9): 236-242. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0098
摘要:
为探索缩短疲劳裂纹扩展试验周期的载荷谱处理方法,对多种裂纹扩展模型进行了综述,概括出一种通用的裂纹扩展预测模型表达式。提出了一种将峰谷值同时等比例放大的载荷谱加重方法,并推导出加重前后裂纹扩展寿命的转换关系。用一种随机谱和两种块谱的基准谱及对应四种比例加重谱进行了LY12CZ中心裂纹板裂纹扩展试验,用常幅载荷谱及其1.1倍加重谱进行了典型机身壁板结构裂纹扩展试验。试验结果表明载荷谱等比例加重方法可以有效缩短疲劳裂纹扩展试验周期而不改变结构破坏模式,而分析结果表明由该方法预测的裂纹扩展寿命与试验结果的误差在15%以内,满足工程精度要求。
FAST索网疲劳评估及高疲劳性能钢索研制
姜鹏, 朱万旭, 刘飞, 王启明, 岳友岭, 钱磊, 南仁东, 朱忠义, 郭正兴, 黄颖, 罗斌
2015, 32(9): 243-249. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0142
摘要:
500 m口径射电望远镜(FAST)采用柔性索网作为主要支承结构,变位观测过程中索网将长期承受高达500MPa的疲劳载荷,约为目前相关标准规范规定值的两倍。索网结构将是该望远镜系统的关键易损部件,故该文主要开展如下工作:1) 根据望远镜的科学目标,估算未来30年望远镜的观测轨迹,评估望远镜运行观测对索网结构疲劳性能的要求;2) 结合环氧涂层技术和改进挤压锚固工艺研制高疲劳性能钢索结构,并通过实验验证该种钢索结构可以满足该望远镜对索网结构的技术要求。
基于自由涡尾迹方法的大型风力机动态响应和尾迹研究
曹九发, 王同光, 柯世堂
2015, 32(9): 250-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0439
摘要:
针对大型风力机,在当作柔性和刚性风力机时,可以通过气动和结构耦合动力学用来研究两者尾迹和载荷的区别。在设计和校核阶段,需要考虑风力机结构载荷影响的动态特性和气动性能变化。采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,分析了叶片挥舞和摆振动态响应。采用模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且进行数值求解该方程。结果表明:风力机考虑柔性变形后,对尾迹形状、动态响应和气动性能产生一定影响。这种柔性和刚体风力机的差异表明气动结构耦合效应对风力机的设计和性能计算具有重要意义。