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2016年  第33卷  第7期

基本方法
一种新的结构修改算法及其在工程设计中的应用
宋琦, 杨任, 陈璞
2016, 33(7): 1-6. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.07.ST13
摘要:
作者在之前的研究中利用刚度的二叉树填充元优化算法的结果,在指出结构局部修改在刚度矩阵三角分解因子中的影响沿二叉树回溯至根的基础上,提出了一种全新的结构修改算法。这一算法与现在标准的有限元稀疏矩阵求解器兼容,在不改变求解精度的前提下,可以广泛地用于结构修改的各个领域。与传统的Sherman-Morrison-Woodbury (SMW)公式(秩m修正)或其他的直接重分析方法相比,新的方法可以方便与高效地在结构的任何位置修改大量的单元。但是当结构的修改量较少时,这种方法的计算效率可能不及SMW公式。该文在已有研究成果的基础上进一步研究修改后刚度矩阵三角分解的更新步骤,发现更改一些矩阵元素的消元方式可以有效的减少计算量,提高结构重分析的效率。数值算例表明,与之前的重分析算法相比,至多可节约30%的计算量。
比例边界等几何方法在断裂力学中的应用
庞林, 林皋, 钟红
2016, 33(7): 7-14. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1085
摘要:
该文将比例边界等几何方法(SBIGA)应用在断裂力学中,并就应力强度因子(SIFs)计算精度和收敛速度与传统比例边界有限元(SBFEM)进行了比较。与SBFEM不同,SBIGA采用非均匀有理B样条(NURBS)作为造型和离散的工具。主要包括了以下两个特点:一方面,有限元模型可直接继承于CAD系统,即节约划分网格的时间也避免了几何近似。另一方面,因为不需要进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分,二维问题中自适应分析策略的实施十分方便。算例表明,SBIGA方法可以给出较SBFEM更为精确的结果和更快的收敛速度。其原因不仅得益于对曲边几何形状的精确描述,还来源于NURBS高阶的连续性。
基于T4单元的体积不可压缩线弹性问题的光滑有限元分析
王思照, 张仪萍
2016, 33(7): 15-22. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1012
摘要:
提出了一种4节点的三角形单元(T4),并将无网格法的面积权重应变光滑法和光滑有限元法应用于此三角形单元,提出了两种用于解决体积不可压缩线弹性体的算法:基于边的面积权重应变光滑法(T4-EAW)和选择性面积权重应变光滑模型(T4-pEAW/NAW)。数值算例显示,两种计算模型均能较精确地解决体积锁定问题,T4-pEAW/NAW模型可通过面积因子p调节偏斜应变能以达到提高解的准确性的目的。相比于传统采用3节点三角形单元的光滑有限元法,该文所提基于T4单元的两种计算模型均能解决体积锁定引起的棋盘式压力波动。
高超声速激波/边界层干扰及MVG阵列流动控制研究
董祥瑞, 陈耀慧, 董刚, 刘怡昕
2016, 33(7): 23-30. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1029
摘要:
高超声速飞行器流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。该文采用湍流分离涡(DES)方法、结合有限体积离散方法对来流马赫数为7流场中SWBLI诱导的分离气泡进行数值研究,模拟结果清晰地显示了分离气泡从产生到充分发展的具体过程,揭示了分离气泡的产生机理。利用微型涡流发生器(MVG)阵列对其进行控制,讨论了流场结构、壁面静压力、壁面剪切力及总压损失等参数变化对SWBLI控制效果的影响。结果表明:MVG阵列可显著改变高超声速流体边界层,使得分离气泡尺寸减小,分离激波强度减弱,分离气泡内及其下游流体的流向速度梯度增加,总压损失降低可达1.9%。
基于分数阶热弹性理论的含有球型空腔无限大体的热冲击动态响应
马永斌, 何天虎
2016, 33(7): 31-38. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1062
摘要:
基于新近提出的分数阶广义热弹性理论,研究了含有球型空腔的无限大体受热冲击作用时的动态响应。该文给出分数阶广义热弹性理论下的控制方程,通过拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解,得到了带有球型空腔无限大体中的无量纲温度、位移、径向应力和环向应力等物理量的分布规律。计算中重点研究了分数阶参数对各物理量的影响效应。结果表明:含有球腔的无限大体内由于热冲击而出现了热弹耦合效应;分数阶参数显著地影响各物理量的分布规律。
一种基于变尺度积分滑动平均的载荷识别方法
高伟, 于开平, 盖晓男
2016, 33(7): 39-47. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1071
摘要:
首先,基于积分滑动平均思想构造了变尺度加权积分函数,提出了最小二乘意义下加权积分滑动平均最佳近似响应函数模型。其次,利用形函数方法构造最佳近似载荷模型,组合近似载荷及响应得到实际情况下的Duhamel积分方程,对Duhamel积分离散化得到用于载荷识别的离散线性系统方程。再次,使用正则化方法进行载荷识别。利用正则化方法中最小二乘解构造以正则化参数为自变量的函数,提出了一种选取最优正则化参数的新方法。最后,数值仿真及试验验证将该文提出方法与传统方法进行了比较,结果说明新方法能够得到精度较好的近似稳定解,并且具有较好的抗噪性。
直角域中椭圆形夹杂对SH波的散射与地震动
丁晓浩, 齐辉, 赵元博
2016, 33(7): 48-54,83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1053
摘要:
利用复变函数法和保角映射法研究了SH波入射到含有椭圆形夹杂的直角域中时的散射问题。首先,利用"镜像"叠加原理构造出满足直角域两个直线边界应力自由条件的等效入射及反射波场,通过将椭圆形夹杂的外域映射为单位圆外域构造出满足直角域自由表面应力自由条件的椭圆形夹杂的散射波场。其次,利用椭圆形夹杂边界处的应力和位移连续条件建立求解未知系数的积分方程组,并通过截断有限项求解。最后,给出了在不同参数条件下直角域水平边界处的地表位移幅值。通过算例可以看出:入射波数、入射角度、夹杂位置、介质参数等参数均对地表位移幅值有影响。
基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法
张浮平, 曹子君, 唐小松, 李典庆
2016, 33(7): 55-64. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.02.0108
摘要:
传统的蒙特卡罗模拟方法在分析由于参数不确定性修正而引起的可靠度修正问题时效率较低。为此,提出了一种基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法,该方法主要包括2个关键步骤:1)根据参数初始分布利用蒙特卡罗模拟方法计算边坡的失效概率,并输出蒙特卡罗模拟的失效样本;2)利用参数统计特征值修正后的联合概率密度函数和蒙特卡罗模拟失效样本计算修正后边坡的失效概率。以两个边坡问题为例说明了所提方法的有效性。结果表明:所提出的方法在计算修正的失效概率过程中无需重新执行蒙特卡罗模拟,计算过程简单、计算效率高。此外,所提方法能够适用于隐式表达功能函数的边坡可靠度修正问题,并能够有效地解决单变量和多变量修正的边坡可靠度修正问题。
土木工程学科
钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究
李冬, 金浏, 杜修力, 卢爱贞
2016, 33(7): 65-72. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0391
摘要:
钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。
型钢混凝土异形柱框架滞回性能分析
刘祖强, 薛建阳, 赵鸿铁
2016, 33(7): 73-83. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.06.0528
摘要:
为研究型钢混凝土(SRC)异形柱框架的滞回性能,对3榀框架模型进行低周反复加载试验,结果表明:SRC异形柱框架的滞回曲线饱满对称,耗能能力较强;实腹式配钢框架的抗震性能比空腹式更为优越。基于OpenSees系统对SRC异形柱框架的滞回性能进行有限元分析,计算结果与试验结果符合较好。根据试验及有限元模拟结果,得到SRC异形柱框架的骨架曲线模型和卸载刚度退化规律,进而建立其恢复力模型,为该新型结构体系的弹塑性分析提供参考。
基于非线性强度准则的土工结构安全系数有限元计算
孙玉进, 宋二祥, 杨军
2016, 33(7): 84-91. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1024
摘要:
将幂律型广义非线性强度准则应用到土工结构安全系数计算中,令土体强度逐渐降低,直至结构破坏,得到最终的安全系数,并开发了基于幂律型广义非线性强度准则的有限元强度折减法程序。该方法不需事先假设滑裂面,计算方便可靠,能适用于各种复杂地质条件。作为算例,该文分别采用线性和非线性两套指标计算了一常见高土石坝和一机场高填方边坡的安全系数。在线性指标下该文方法与PLAXIS内置有限元强度折减法计算结果一致,相对非线性指标,线性指标计算的滑裂面偏浅,计算的安全系数大小随线性参数的确定方法不同而不同。建议使用非线性强度指标计算高围压下土工结构的安全系数。
新型高阻尼黏弹性阻尼器性能试验研究
周云, 松本達治, 田中和宏, 林绍明, 吴从晓, 张亚军, 阎崇兵
2016, 33(7): 92-99,115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.08.0732
摘要:
设计制作3个高阻尼黏弹性阻尼器,对其进行变形相关性和频率相关性的性能试验、疲劳性能试验及老化性能试验,以最大剪应力、存储剪切模量和等效黏滞阻尼比为指标研究阻尼器的性能规律,采用通用Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满、力学性能稳定,具有较强的耗能性能和大变形能力,抗疲劳性能和抗老化性能良好。变形对该新型高阻尼黏弹性阻尼器力学性能指标的影响明显,加载频率对其影响较小。Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果吻合良好。
二维矩形柱体表面风压频域特性的雷诺数效应研究
王新荣, 顾明, 全涌
2016, 33(7): 100-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.10.0889
摘要:
在低紊流度的均匀流场中分别对截面宽厚比B/D(B为模型的顺风向宽度,D为迎风面厚度)为2、2.5、3、3.5和4的二维矩形柱体模型进行了测压试验,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105。分析了各模型表面的三个典型测点的脉动风压系数的功率谱特性,研究了各模型侧面的风压相关性。研究结果表明气流再附于模型侧面会影响模型侧面和背风面典型测点的风压系数功率谱,且B/D=4模型的三个典型测点的风压系数功率谱随雷诺数变化明显。B/D=2模型侧面的风压相关性较好,但B/D=2.5、3和3.5模型的侧面靠近前边缘的测点与气流再附区的测点的风压相关性较强,侧面中部区域的测点与侧面前后部区域的测点的风压相关性较差。B/D=4模型侧面的风压相关性受雷诺数影响明显,在雷诺数Re=6.8×105时出现了明显的突变。
钢筋混凝土结构材料本构模型参数的在线识别
梅竹, 吴斌, 杨格
2016, 33(7): 108-115. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1033
摘要:
为保证子结构拟动力试验中数值子结构的可靠性,模型参数在线识别与更新方法逐渐受到关注。对于钢筋混凝土结构,当采用纤维模型建立数值子结构时,混凝土材料本构模型参数的选择具有较大不确定性。因此,该文提出了基于隐性卡尔曼滤波器在线识别混凝土材料本构模型参数的方法。首先,对材料本构模型参数进行分类,定义了本构参数与非本构参数,提出了约束混凝土与非约束混凝土的一致本构方程。然后,针对观测量为混凝土应力的情况进行数值仿真分析,验证了此方法的可行性。最后,通过修改OpenSees源代码,实现了此方法在观测量为构件恢复力情况下的应用。研究结果表明该文提出的方法具有较好的稳定性与较高的精度,从而在很大程度上提高了数值模型的可靠性。
初始应力线和原状土的修正Mohr-Coulomb准则
李顺群, 夏锦红, 张培印
2016, 33(7): 116-122. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.06.0521
摘要:
原状土与重塑土在力学性质方面存在显著差别的原因,本质上在于建立在初始应力状态之上的结构性。重塑土一般是各向同性的,故在三维应力空间中其屈服曲面以等倾线为轴线。原状土由于在形成过程中一直处于三向不等压状态,故理论上讲其屈服曲面不能再以等倾线为轴线而应以初始应力线为轴线。该文以某真三轴试验为例,首先研究了特定八面体应变对应的广义剪应力随加载角的变化特征。随后,基于广义塑性力学和原状土的初始应力状态,提出了初始应力线的概念,并研究了初始应力线与等倾线的关系。进一步给出了三个适用于原状土的修正Mohr-Coulomb屈服准则,即平移模式、缩移模式和旋转模式。其中平移模式、缩移模式的屈服迹线仍然位于π平面上,而旋转模式的屈服迹线位于与初始应力线垂直的χ平面上。前两种模式可以通过等p真三轴试验结果直接对原状土的结构性进行评估;最后一种模式可以通过σ1+K0σ2+K0σ3=c真三轴试验或等p真三轴试验数据在χ平面上的映射对原状土的结构性和各向异性进行研究。文献资料的验证表明,旋转模式修正Mohr-Coulomb屈服准则更能反映原状土的结构性,且物理意义清晰明确。
饱和岩土介质地埋群管传热特性分析
李西斌, 李晓星, 赵石娆, 张正威
2016, 33(7): 123-128. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.08.0736
摘要:
该文利用格林函数法建立了半无限岩土介质传热计算模型,讨论了介质内过余温度场分布。结果表明:半无限热源作用下介质内温度响应在孔壁处最大,随离孔壁距离的增加呈指数衰减;随时间的增加而增大,并向周围岩土体扩散,热作用半径逐渐增大;地埋群管情形下,钻孔间距对孔壁温度影响明显,钻孔的布置形式对孔壁温度影响不明显,建议了最佳孔距的计算方法。提出了地表最大影响深度计算公式,计算表明地表仅影响其临近区域的温度分布,离地表较远处影响很小,地表的影响深度随时间增加而增大。但小于20 m,对地表下恒温层影响不大。
酸性大气环境下锈蚀钢框架柱双参数地震损伤模型研究
郑山锁, 王晓飞, 韩言召
2016, 33(7): 129-135,143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0796
摘要:
基于12榀酸性大气环境下锈蚀钢框架柱低周反复加载试验结果,进一步分析其损伤演变特性。充分考虑加载制度、加载路径、循环次数对锈蚀钢框架柱抗震性能的影响,提出了适用于酸性大气环境下锈蚀钢框架柱的双参数地震损伤模型,该模型可以体现出锈蚀钢框架柱的塑性变形损伤及累积损伤。利用部分试验结果,拟合得到损伤模型中的试验常数与轴压比、失重率之间的关系式。结合试验结果,对损伤模型的有效性进行了验证。研究结果表明:该模型可以较为合理地描述酸性大气环境下锈蚀钢框架柱地震损伤的产生及其演化过程。
T型钢连接梁柱节点抗火性能试验研究
舒赣平, 杜二峰, 张欣欣, 杨占兴, 顾荣勇, 范圣刚
2016, 33(7): 136-143. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0930
摘要:
为研究T型钢连接梁柱节点的抗火性能及破坏模式,使用垂直抗火试验炉,采用恒载升温方式,对4个十字形足尺钢框架T型钢半刚性节点进行抗火试验。试验主要考察T型钢厚度、高强螺栓直径和楼板等因素对节点抗火性能的影响。试验过程中对节点的温度发展和变形情况进行测量,并对钢梁的位移-时间曲线进行分析。结果表明:火灾下T型钢节点的破坏模式主要取决于T型钢和高强螺栓间的相对承载力,承载力相对弱的部分将先发生破坏;混凝土楼板可以较大幅度地提高节点的抗火性能,高强螺栓直径和T型钢壁厚对节点的抗火性能影响不显著;T型钢节点刚度和抗弯承载力在温度升高到500℃~650℃之前无明显变化,之后迅速下降。
纤维增强水泥基复合材料的动力拉伸性能研究
杨惠贤, 黄炎生, 李静
2016, 33(7): 144-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0997
摘要:
采用分离式霍普金森杆对聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PRCC)、基体材料、不同相对掺量的钢纤维和PVA纤维混合增强水泥基复合材料(HFRCC)进行了四种不同应变率下的动态劈拉试验,通过对材料的劈拉强度、能量吸收和破坏形态等方面的对比分析,探讨了三种材料的动力拉伸性能,结果表明材料表现出应变率敏感性,随着应变率的提高,动态劈拉强度和能量吸收能力相应增加。HFRCC对基体材料的劈拉强度提高可达到34%,而PRCC材料提高约20%。PVA纤维对材料的耗能能力的影响比钢纤维具有更强的应变率敏感性。钢纤维掺量占总纤维掺量25%的HFRCC材料耗能能力比PRCC略低5%,而钢纤维掺量达到总纤维掺量的62.5%时,HFRCC材料的耗能能力比PRCC的耗能能力显著提高。HFRCC在动态劈拉强度和能量吸收能力方面更加均衡,具有更好抵抗冲击的能力。
钢筋混凝土柱二阶弹塑性计算的图解法
陈旭, 周东华, 廖文远
2016, 33(7): 151-158. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1013
摘要:
对于钢筋混凝土柱的材料和几何非线性问题,基于正弦曲线的变形假设推导了钢筋混凝土柱二阶弹塑性极限荷载计算的图解法。通过分析钢筋混凝土截面弯矩-曲率关系曲线的切线特征,该法以柱子长细比和一阶偏心距为未知量,不对弯矩-曲率关系简化,直接将截面上弯矩-曲率关系曲线上的每一点作为极限承载力。采用分级加荷载的图解方法,能够同时得到荷载-挠度曲线的上升段和下降段。计算结果与试验值符合良好。结果表明:细长柱也可能出现材料强度破坏,其二阶极限承载力近似等于截面极限承载力。
港湾振荡下港内低频波浪的数值研究
高俊亮, 马小舟, 董国海, 陈洪洲
2016, 33(7): 159-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1047
摘要:
该文采用完全非线性Boussinesq模型模拟了由双色波群诱发的狭长型矩形港内的二阶长波共振现象。基于一个港内低频波浪的分离方法,系统研究了港湾处于最低的四个共振模态下入射短波的波长和波幅对港内锁相长波和自由长波的波幅以及它们的相对成分的影响。研究表明:在该文所研究的特定港口和短波频率、波幅范围内,锁相长波和自由长波波幅均随着短波波长的增大而增大,并且第一共振模态下的锁相长波与自由长波的振幅比往往要大于其他三个模态下的值。在各共振模态下,锁相长波与自由长波的波幅均随入射短波波幅成平方关系变化,但它们的振幅比却几乎不受入射短波波幅的影响。
钢筋网约束矩形钢管混凝土柱-混凝土梁节点的核心区受压极限承载力研究
汤序霖, 陈庆军, 蔡健, 张津, 左志亮
2016, 33(7): 167-175,183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1052
摘要:
为研究钢筋网约束矩形钢管混凝土柱-梁节点的核心区受压极限承载力,对8个带上下短柱的弱节点试件进行了加载试验,探讨节点区的破坏形态、峰值承载力以及节点内钢筋的应变特点。试验结果表明:轴压和偏压试件的节点区破坏形态不同;随着初始偏心与节点高度的增大,试件的峰值承载力明显降低,但节点宽度对极限承载力影响不明显。在规范配筋混凝土局压承载力计算公式的基础上,引入节点高度影响系数,并考虑荷载的偏心作用,建立节点区受压承载力计算公式。该公式与试验结果较为符合。
带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能分析方法与试验验证
谢文, 孙利民
2016, 33(7): 176-183. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1056
摘要:
在带剪切连梁的双柱式桥墩拟静力试验研究基础上,该文建立了带剪切连梁的双柱式桥墩的集中塑性铰和纤维单元分析方法并进行了抗震性能分析,比较分析了各模型的墩柱剪力-位移滞回曲线及其骨架曲线与耗能能力、剪切连梁滞回曲线及其耗能能力等性能参数。结果表明:采用集中塑性铰和纤维单元分析方法预测的抗震性能与试验结果吻合较好,且两种分析方法能合理反映桥墩最大荷载后的强度下降、刚度退化和耗能水平下降等现象,表明该方法是分析带剪切连梁的双柱式桥墩抗震性能的有效可靠方法。
三种建筑钢筋材料高应变率下拉伸力学性能研究
黄晓莹, 陶俊林
2016, 33(7): 184-189. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1064
摘要:
钢筋混凝土结构除承受静载荷外,在恐怖袭击、燃气管道爆炸等特殊情况下还会承受动态载荷的作用,因此,研究其组成材料之一的钢筋材料在动态载荷作用下的力学性能,对于研究钢筋混凝土结构整体在动态载荷作用下的力学响应有重要意义。该文首先利用旋转盘冲击拉伸试验系统对3种常用建筑钢筋材料(HPB235、HRB335和HRB400)在400 s-1~2000 s-1应变率范围内的动态拉伸力学性能进行试验研究,然后根据试验数据,分析应变率对屈服强度的影响规律,并对常用的Johnson-Cook本构模型进行修正,以获得可以更好描述这3种钢筋材料动态拉伸应力-应变关系的本构模型及相关的材料参数。研究结果表明:3种钢筋材料的屈服应力均随应变率的增大而增大,而静载屈服应力越低的钢筋对应变率越敏感;修正后的Johnson-Cook本构模型能较好地描述3种钢筋材料的动态拉伸应力-应变关系。
孔洞形状对砂岩强度及破坏特征的影响
杜明瑞, 靖洪文, 苏海健, 朱谭谭
2016, 33(7): 190-196,219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1066
摘要:
岩石内部富含形态各异的缺陷,对其力学特性有影响显著。通过对含单一预制孔洞砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了孔洞几何形状对砂岩试样强度特征及破坏模式的影响规律,并利用RFPA2D数值模拟软件,对试样强度变化特征的力学机制进行探讨。研究表明:含孔洞砂岩试样的承载能力和弹性模量较完整岩样发生显著劣化,其中含正方形孔洞岩样的承载能力最弱,而含菱形孔洞岩样承载能力最强;试样最终失稳破坏主要由拉应力引起,且最大拉应力随孔洞几何形状不同而各异,其最终破坏模式主要有剪切破坏、张拉破坏和拉剪混合破坏3种;孔洞缺陷的结构效应对砂岩试样峰值强度和裂纹扩展特征也有影响。
深水桥梁墩水耦合振动试验研究与数值计算
李乔, 刘浪, 杨万理
2016, 33(7): 197-203. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.03.0151
摘要:
为研究深水桥墩动力特性以及动水压力分布规律,开展了本次墩水耦合振动台试验。通过比较试验结果与ANSYS-CFX计算结果验证了试验数据的有效性。通过数值拟合得到了动水压力沿桥墩截面周边以及水深的变化规律。提出附加刚度法对有水桥墩弹性振动问题进行数值模拟,结果表明:附加刚度法计算结果与试验结果相符,且能较好的解释实验原理;桥墩基频会随着水深的增加而增大,桥墩的响应随着水深的增加而减小;附加刚度法能较好地模拟深水桥梁墩水耦合弹性振动行为。
非线性粘滞阻尼器系统的刚性性质与动力时程分析
陈建兵, 曾小树, 彭勇波
2016, 33(7): 204-211. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.09.0800
摘要:
粘滞阻尼器在工程中得到了日益广泛的应用,其出力存在分数指数律的非线性关系。工程中常用的阻尼指数为0.3~0.5,在此情况下,传统的非线性时程分析方法如Newmark积分及新近发展的KR-α方法等,均可能出现不稳定或数值脉冲现象,而经典的能量等效线性化方法则存在迭代求解及精度不高等问题。该文首次分析了该类粘滞阻尼器系统的刚性特征。在此基础上引入向后差分格式,并与耗能等效格式、Newmark积分格式和KR-α方法在精度、稳定性和计算效率等方面进行了对比分析。数值分析结果表明,向后差分法格式既能保证算法的稳定性、又具有足够的精度和效率。
机械工程学科
未硫化橡胶非线性粘弹性本构模型研究
冯希金, 危银涛, 李志超, KALISKE Michael
2016, 33(7): 212-219. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1031
摘要:
建立一种新的未硫化橡胶力学行为的描述方法。为了充分研究未硫化橡胶在不同变形模式下复杂的应力-应变行为,设计了3种不同的力学特性实验:单轴拉伸、压缩与剪切试验。发现未硫化橡胶的应力-应变关系表现出很强的非线性和率相关性。提出结合Yeoh应变能函数的广义Maxwell粘超弹性模型,拟合分析表明试验结果与模拟结果一致性较好。发现与硫化橡胶一样,必须采用多工况下的实验数据才能得到变形协调的粘弹性本构模型。实验结果和建立的本构模型有助于工程师更好的理解未硫化橡胶的力学行为,为橡胶的制造过程仿真提供理论基础。
采用应力场强法对某型航空发动机压气机轮盘的疲劳寿命评估及试验研究
李岩, 李旭东, 夏天翔, 岳宁, 宫綦, 文放
2016, 33(7): 220-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1058
摘要:
采用应力场强法对某型航空发动机压气机轮盘疲劳寿命进行了评估,对如何确定场径的大小、应力场拟合,以及应力场强因子计算等步骤进行了详细的讨论。基于该轮盘的全尺寸件开展了疲劳寿命试验。试验结果显示,采用应力场强法进行疲劳寿命评估的结果具有较高的精度,相对于传统的名义应力法具有显著的优越性。
其他工程学科
微涡流发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制
薛大文, 陈志华, 孙晓晖
2016, 33(7): 227-233. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.09.0800
摘要:
基于大涡模拟(Large Eddy Simulation)方法,结合高阶TCD/WENO混合格式,对2.5Ma超声速激波/边界层干扰诱导的微楔和微叶片两种微涡流发生器控制进行了数值模拟。数值结果表明:从边界层厚度与分离区大小及结构变化均说明两种涡流发生器对激波边界层分离起到明显抑制作用。对于微楔式涡流发生器,入射激波对微楔尾涡压缩作用明显,使流向涡对的卷吸加强,从而增加边界层内外流体能量交换。微叶片式涡流发生器的控制机理与微楔相似,但其涡对在尾部较远处易破裂,会影响内外流体之间的能量交换。
全动垂直尾翼的抖振主动控制方法研究
孙杰, 李敏
2016, 33(7): 234-243. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.11.0996
摘要:
全动垂尾结构不同于铰接方向舵的垂直安定面结构。该文深入研究了全动垂尾抖振响应的压电驱动控制、垂尾旋转控制以及混合压电控制和垂尾旋转控制的三种主动控制方法。使用压电驱动的载荷比拟方法对压电纤维复合材料(MFC)驱动器进行建模,利用偶极子格网法计算随体空气动力。采用线性二次型高斯最优控制(LQG)方法分别设计三种模型的控制律。分析三种控制模型的抖振响应,研究其控制效果的差异,并进行比较。结果表明:压电控制因受控制电压和压电功放所限,控制效果有限;垂尾旋转控制由于受限于控制频率,对高频激励控制效果不明显;混合控制方法兼具垂尾旋转控制和压电控制两种方法的优点,能同时降低低阶模态和高阶模态上的能量,从而扩大了控制频率的范围,因此其控制效果最好;最后,通过具有不同结构参数的全动垂尾模型的算例,验证了混合抖振控制方法的可行性和有效性。
倾转旋翼机外吊挂飞行平衡性研究
张东方, 曹义华
2016, 33(7): 244-248,256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1017
摘要:
通过考虑旋翼滑流对机翼、平尾和垂尾的气动干扰,结合叶素理论及动量理论,建立带外吊挂载荷的倾转旋翼机飞行动力学模型。在此基础上,以倾转旋翼机XV-15为例,在MATLAB平台上采用Levenberg-Marquardt算法对模型进行定常直飞状态配平计算,并将结果与NASA数据对比,验证了模型的正确性,分析了在不同飞行速度及飞行模式下外吊挂物对其飞行操纵量和姿态角的影响。计算结果显示:在直升机模式下,外吊挂对总距影响较大,对俯仰角的影响随着速度的增加而逐渐减小,这与传统直升机相比有所不同;在过渡阶段,外吊挂可有效减缓俯仰角的减小,并且减小纵向操纵量;在固定翼模式下,不建议使用外吊挂模式飞行。
基于沥青混合料各组分密度的内部结构均匀性分析
郭乃胜, 王聪, 赵颖华, 谭忆秋, 尤占平
2016, 33(7): 249-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.12.1060
摘要:
为了有效地测试和评价沥青混合料内部结构均匀性,应用X-ray CT技术和数字图像处理方法,考虑粗集料、砂浆和空隙各组分的作用,提出了一种基于沥青混合料各组分密度的内部结构均匀性识别方法,选用4组不同油石比的沥青混合料试件,利用该方法对其内部结构均匀性进行了分析。结果表明:基于该方法提出的均匀性评价参数可以识别单一或一组沥青混合料试件的内部结构均匀性,并且通过分析计算得到沥青混合料的最佳油石比与室内试验获得的相差0.21%,这表明均匀性识别方法的有效性。