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2018年  第35卷  第3期

综述
传统纤维模型的一些新发展
陶慕轩, 丁然, 潘文豪, 许立言, 周萌, 聂建国
2018, 35(3): 1-21. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.ST02
摘要:
纤维模型是结构体系模拟技术发展中的重要里程碑,它具有简单、高效、通用的特点,近年来得到了广泛应用,但其基本假定决定了其在许多结构体系关键效应的模拟方面存在显著缺陷。该文综述了研究团队近7年来针对若干体系计算的关键难点对传统纤维模型进行的大量改进和发展工作。首先在通用有限元程序MSC.MARC平台上开发完成了传统纤维模型并将其拓展至组合框架结构的模拟。随后针对四个体系模拟的关键难点,包括组合框架的楼板空间组合作用、核心筒连梁的非线性剪切和滑移效应、构件端部锚固纵筋滑移效应和钢筋混凝土梁柱构件开裂全过程行为,在对机理和规律充分研究的基础上,分别提出了考虑楼板空间组合作用的纤维模型、考虑剪切和滑移非线性的连梁纤维模型、考虑端部锚固纵筋滑移效应的纤维模型和裂缝宽度全过程定量预测的纤维模型等四个新型纤维模型。这些模型既保持了传统纤维模型的优点,同时能够较准确地考虑上述复杂效应,模拟结果得到了大量试验数据和精细有限元的充分验证。基于上述成果,团队同时开发了一套涵盖钢筋混凝土结构、钢结构以及组合结构等工程常用结构形式的非线性分析程序COMPONA-MARC,为结构体系的精细化模拟提供了强大的平台和工具。
基本方法
多自由度实时子结构试验系统稳定性分析方法
唐贞云, 郭珺, 洪越, 李易, 李振宝
2018, 35(3): 22-29. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.02.0144
摘要:
实时子结构试验将数值模拟和物理试验相结合,充分发挥各自优点,为工程结构研究提供了一种新的试验手段。系统稳定性是保证实时子结构试验成功实现的前提,但现有研究成果主要针对单自由度结构,多自由度系统稳定性评价方法所需参数相对复杂、稳定性指标物理意义不够明确。该文结合振型叠加法和增益裕度概念发展了多自由度稳定性分析方法,通过试验验证了该方法的有效性。同时运用该方法就时滞补偿下实时子结构试验系统稳定性进行了评估,并阐述了时滞补偿对实时子结构试验系统稳定性的影响机理。研究结果表明该方法能准确评价多自由度子结构试验系统稳定性,时滞补偿对子结构稳定性可能产生有利也可能产生不利影响。
岩石三维强度准则的研究
黄景琦, 杜修力, 马超, 赵密, 刘晶波, 金浏
2018, 35(3): 30-40. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.03.0216
摘要:
结合非线性统一强度理论与Hoek-Brown强度准则,以Hoek-Brown强度准则构建子午面上的强度曲线,以非线性统一强度理论构建偏平面上的强度曲线,通过应力空间变化方法将子午面上强度曲线与偏平面上强度曲线进行结合,从而建立一种新的岩石三维强度准则。建立的强度准则在子午面上为非线性,考虑岩石材料的静水压力效应;在偏平面上强度线涵盖了从上限Drucker-Prager圆到下限Matsuoka-Nakai曲线之间的所有区域,可较好模拟岩石材料的中间主应力效应。强度面光滑、外凸,可用于建立岩石的屈服函数。强度准则共有3个材料参数mtσcmi,各参数可通过岩石试验数据确定且具有明确的物理意义。另外,该文提出一种mt的近似求解公式,总的参数可退化为σcmi,与Hoek-Brown准则基本参数一致,可由岩石常规三轴压缩试验按Hoek-Brown提出的回归公式确定。与国内外学者已开展的岩石材料三轴试验结果进行对比,建立的强度准则与试验数据吻合良好,可合理描述岩石材料的非线性强度特性。其次,通过引入地质强度指标GSI,建立的强度准则可应用于较为完整的岩体(GSI>25),对于较为破碎岩体(GSI<25)需做进一步的研究。
岩石类材料裂隙形成和扩展的相场方法模拟
李鹏飞, 朱其志, 顾水涛, 倪涛
2018, 35(3): 41-48. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0899
摘要:
相场方法通过定义一个连续分布函数来近似表示自由不连续裂纹,在此基础上建立最小能量变分框架,从而得到描述裂纹发展的控制方程。不需要提前设定裂纹的形状、尺寸和方向,相场方法就能很好地描述裂纹的形成和扩展,为利用数值方法模拟裂纹扩展提供了一个严谨准确的理论框架。该文首次将相场方法用于模拟岩石裂隙扩展问题,预测包含不同岩桥倾角的预制双裂隙岩石类材料在单轴压缩作用下的损伤和破坏过程,并与室内试验结果进行对比。结果表明相场方法非常适合模拟岩石类材料内部复杂裂隙的萌生、扩展和连接过程,在岩体工程稳定性分析领域具有广阔的应用前景。
土木工程学科
三维各向异性砂土UH模型
姚仰平, 田雨, 刘林
2018, 35(3): 49-55. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.ST12
摘要:
为了全面地描述砂土在三维空间不同方向上的本构特性,应当综合考虑各向异性和中主应力的影响。该文在砂土UH(统一硬化)模型的基础上,采用各向异性的变换应力方法,发展了三维各向异性砂土UH模型。该方法通过调整不同方向应力分量的相对大小,将各向异性砂土等效为各向同性砂土,并且在变换应力空间将偏平面上的破坏或屈服包线变成圆形。用各向异性的变换应力张量代替真实应力张量,能够方便地得到同时考虑各向异性和中主应力影响的砂土UH模型。与试验数据的对比表明,三维各向异性UH模型能够合理地预测真三轴应力状态下各向异性砂土的应力-应变关系。
基于空腔辐射效应的钢索截面温度场分析
孙树华, 杜咏, 李国强
2018, 35(3): 56-64. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0844
摘要:
该文基于传热学基本理论及ABAQUS数值传热分析平台,以圆柱壁的截面径向导热热阻和空腔热阻代替平壁导热热阻,分别建立了四面受火工况下具有空腔几何特征的钢索截面升温理论及数值传热模型,得到考虑空腔辐射传热效应的无防火保护钢索截面升温历程,将其与具有等效截面圆钢的升温历程比较,研究表明:截面尺寸和空腔辐射效应对钢索截面升温历程有显著影响,空腔辐射效应在火灾升温初期加快了钢索截面的升温速率;最终在钢索热传导理论分析及数值模拟基础上,建议了钢索截面升温计算式,从而准确确定火灾升温历程中钢索材料性能衰减程度,正确评估预应力张拉结构中钢索的抗火承载力。
单向面内约束混凝土双向板抗火性能试验研究及数值分析
王勇, 段亚昆, 张亚军, 袁广林, 王腾焱, 吕俊利
2018, 35(3): 65-78. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0845
摘要:
为了分析简支板受到单向面内约束作用下的火灾行为,对两块足尺混凝土双向板进行了面内荷载和竖向荷载共同作用下的火灾试验。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土温度场分布规律、钢筋温度、板平面内外变形以及板角平面外约束力变化规律,并与相关试验进行对比。在此基础上,基于EC2和ASCE本构模型,编程对试验板温度场、变形行为和力学机理进行了数值分析。结果表明:当板受到单向面内约束作用时,其裂缝模式及变形规律与四边简支板明显不同,且易出现完整性破坏;板角裂缝分布情况对板角约束力有重要影响;本构模型对火灾下约束板的力学机理影响较大。
大跨度斜拉桥气弹模型对结构静风响应的反应能力的数值研究
李珂, 葛耀君, 赵林, 夏锦林
2018, 35(3): 79-85. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0849
摘要:
通过有限元方法探讨了全桥气动弹性模型主梁轴向刚度失真和主梁初内力失真的问题,以及它们对大跨度斜拉桥风致静力响应的反应能力。分析发现,两个失真因素均会较明显地导致实际结构的风致静力响应被低估,但两者对试验结果准确性的影响趋势可能相反而相互抵消。当两个失真因素同时作用时,风洞试验会低估实际结构主梁竖向风致静力位移10%左右,主梁侧向和扭转风致静力位移3%左右。由于斜拉桥风致静力失稳现象主要表现为主梁扭转发散,基于全桥气动弹性模型的风洞试验对大跨度斜拉桥风致静力响应的模拟结果在可接受的精度范围之内。
管片衬砌配合陶粒可压缩层的支护结构与围岩相互作用模型
胡雄玉, 何川, 杨清浩, 吴迪
2018, 35(3): 86-95. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0851
摘要:
提出了一种适用于深部蠕变地层TBM工法隧道的管片衬砌配合陶粒可压缩层的让压支护技术。通过模型试验研究了陶粒可压缩层的让压效果,在此基础上针对围岩蠕变特性和陶粒可压缩性建立了围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用的理论模型,得到了不同隧道埋深和不同厚度的陶粒填充层时围岩变形和管片衬砌支护应力随时间的变化规律,确定了深部蠕变地层确保管片衬砌长期安全的陶粒可压缩层最小填充厚度的计算方法。研究结果表明:陶粒内部蜂窝状孔隙构造使其具有高可压缩层性,可以有效地吸收围岩蠕变变形,消减管片衬砌支护压力,改善其受力特性;理论模型可以有效地分析围岩、陶粒可压缩层和管片衬砌三者间相互作用关系,对于管片衬砌壁后填充陶粒可压缩层的厚度设计具有指导作用。研究结果对未来TBM工法在深部蠕变地层修建隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。
基于剪力比的防屈曲支撑-RC框架抗震设计方法研究
潘毅, 阎勋章, 易路行, 白久林
2018, 35(3): 96-105. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0854
摘要:
该文提出了基于剪力比的防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构抗震设计方法。根据不同的剪力比α设置不同参数的防屈曲支撑并进行了多个不同层数结构的抗震设计;基于大震弹塑性时程分析,研究了不同剪力比结构的最大层间位移角和防屈曲支撑滞回耗能比随剪力比α的关系曲线,并得出剪力比α的合理取值范围为0.3 < α < 0.5。在剪力比合理的取值基础上研究了层间位移角最大值随不同刚度主体框架的变化规律,并建议了主体混凝土框架最大层间位移角的设计取值。该文所提方法简便、实用,为防屈曲支撑耗能减震结构的设计提供了一种新的思路。
桥梁地震需求中随机参数的重要性分析方法研究
宋帅, 钱永久, 钱聪
2018, 35(3): 106-114. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0856
摘要:
桥梁结构的地震需求不仅受地震动随机性的影响,而且受结构中随机参数的影响。为了分析各随机参数对结构地震需求的影响水平,提出采用重要性分析方法对各随机参数进行重要性排序。以常见的简支梁桥及连续梁桥为例,基于结构的非线性动力时程分析,分别采用Monte-Carlo数值模拟方法及核密度估计方法计算得到各随机参数基于方差的重要性测度指标及矩独立重要性测度指标。结果表明,对于中小跨径梁桥,针对桥墩、桥台及支座等不同构件的地震需求,随机参数的重要性排序并不完全相同,但是支座剪切模量、上部结构质量及阻尼比等参数对各构件地震需求的影响水平均排在前列;和Tornado图形法等局部敏感性分析方法相比,重要性分析方法在研究某个参数的重要性时能够考虑其他随机参数的影响,其应用更加合理。
大跨度单层空间网格结构连续性倒塌动力效应分析及简化模拟方法研究
田黎敏, 魏建鹏, 郝际平
2018, 35(3): 115-124. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0857
摘要:
为评估大跨度单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应,并确定此类结构静力分析时所采用的荷载动力放大系数,构建了单层空间网格结构抗连续性倒塌的单自由度子结构模型,推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理,通过数值算例分析验证了其正确性。提出适用于单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应简化模拟方法,通过算例验证后给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。研究表明:不考虑初始状态时,弹性阶段下的位移动力放大系数、荷载动力放大系数趋势保持一致;弹塑性阶段下,随着塑性的发展,荷载动力放大系数逐渐减小,位移动力放大系数逐渐增大。考虑初始状态后,虽然两个动力放大系数的变化趋势未发生改变,但值均显著减小,与理论分析结论一致,因此必须考虑初始状态的影响。此外,对于单层网壳结构,当DCR<0.7时,建议荷载动力放大系数取1.7~1.9;当DCR>0.9时,建议取1.4~1.6。
板桁梁抗扭惯性矩的计算方法
李永乐, 王磊, 向活跃, 陈新中
2018, 35(3): 125-131. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0860
摘要:
抗扭惯性矩是考察大跨度板桁梁受力性能的重要参数,但板桁梁精细化的有限元建模分析较复杂,结构模型试验成本较高,简洁可靠的计算分析方法是更好的选择。首先,针对桁架结构,基于剪切刚度相等原则,提出了考虑弦杆框架效应的桁架等效板厚度的解析表达式。其次,考虑桥面板与U肋在水平方向剪切变形的一致性,改进了正交异性板的等效板厚度的计算公式,给出了板桁梁扭转惯性矩的解析公式。最后,以实际板桁梁为例,采用精细化的有限元模型验证了该文计算方法的正确性。结果表明,提出的板桁梁抗扭惯性矩的计算方法具有较高的精度。
基于地震损失风险钢筋混凝土框架结构弯矩增大系数评估
王树和, 张举兵
2018, 35(3): 132-140. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0865
摘要:
损失是表征结构性能的综合指标。为了从损失风险的角度评估现行抗震规范钢筋混凝土框架弯矩增大系数的取值,基于地震风险评估框架FEMA P-58,给出了基于结构整体易损性分析的地震损失计算方法。设计了4个弯矩增大系数分别为1.1、1.3、1.5、1.7的钢筋混凝土框架结构,采用增量动力时程分析方法,得出了结构的易损性曲线和易损性矩阵,按照地震烈度概率模型,给出了所在场地各种烈度地震发生的概率,计算了每个结构在50年和1年内的经济损失和人员伤亡损失。结果表明,地震损失风险随强柱弱梁系数增大而减小,50年总经济损失比介于0.08~0.12,人员损伤率介于4.85×10-4~1.12×10-3。按照目前规范取值设计的结构地震损失风险处于可接受范围内。
高温下内配圆管的方钢管混凝土柱轴压力学性能
王卫华, 张伟, 白杨, 谭清华
2018, 35(3): 141-150. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0884
摘要:
为了研究高温下内配圆管的方钢管混凝土柱力学性能,该文在修正高温下核心混凝土材料本构关系的基础上,建立钢管混凝土柱的非线性有限元模型,并利用相关试验实测数据对数值模型进行了验证。基于建立的有限元模型,对不同参数下外方内圆钢管混凝土柱的耐火性能进行分析,阐述了受火过程中圆钢管和混凝土轴向承载力的贡献变化规律,并对火灾下钢管混凝土柱的典型变形曲线进行分析。研究结果表明:钢管混凝土柱的耐火极限可比普通钢管混凝土提高2倍以上;随内钢管直径与外钢管边长比增大,耐火极限先增大后减小;圆钢管的约束效应系数增大,耐火极限明显提高。通过合理设计,复合钢管混凝土柱在不设置防火保护层的情况下,可满足抗火设计规范的耐火需求。
防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架的实用设计方法
张家广, 吴斌, 赵俊贤
2018, 35(3): 151-158. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0887
摘要:
防屈曲支撑可以显著减小地震作用下钢筋混凝土框架的层间变形需求,该文提出一种新的防屈曲支撑加固钢筋混凝土框架实用设计方法,以实现在增设防屈曲支撑的同时避免对构造措施不满足现行抗震设计规范要求的主体结构构件逐个进行局部加固这一抗震加固目标。首先提出层间承载力最薄弱柱和层间最弱塑性铰抗震思路来分别解决小震下结构构件承载力设计问题和大震下结构层间变形验算问题;然后给出了设计方法的具体设计流程;最后,将设计方法应用于一栋图书馆阅览楼抗震加固设计中,分析结果表明防屈曲支撑加固框架结构的承载力和层间变形均满足现行抗震规范要求,验证了提出的结构实用设计方法的有效性。研究成果可为防屈曲支撑加固钢筋混凝土结构的初步设计提供参考。
高延性混凝土加固钢筋混凝土柱抗剪承载力计算
邓明科, 张阳玺, 胡红波
2018, 35(3): 159-166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0888
摘要:
设计了8个RC柱,采用高延性混凝土(HDC)和灌浆料进行加固,通过低周反复荷载试验,主要研究其破坏形态、加固层作用机理及抗剪承载力计算方法。试验结果表明:HDC加固层可对核心区混凝土形成良好的约束作用,破坏形态由脆性破坏向延性破坏转变,试件承载力和变形能力都得到显著提高;对HDC加固柱的加固层作用机理进行了分析;基于桁架-拱模型对试件受力进行了分析,推导出加固柱的抗剪承载力计算方法,计算结果与试验值吻合较好。
扭弯比对SRC柱抗震性能影响的试验研究与分析
袁书强, 陈适才, 田岳, 闫维明
2018, 35(3): 167-177. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0908
摘要:
为研究扭弯比对弯曲和扭转复合作用下型钢混凝土组合(SRC)柱的受力及变形性能影响,以扭弯比为主要控制参数对7个SRC柱进行了弯矩和扭矩成比例加载的低周往复试验,研究分析了扭弯比对SRC柱的破坏特征、滞回性能、承载力以及变形等特征的影响规律,并建立了SRC柱在弯扭复合作用下的抗弯、抗扭承载能力及变形计算方法。研究结果表明:扭弯比是影响SRC柱抗震性能的主要参数,扭弯比参数决定了SRC柱的破坏类型;弯扭复合作用降低了SRC柱的抗弯、抗扭承载能力,但扭弯比对弯曲和扭转存在相反的影响;弯矩与扭矩成比例往复加载相比定扭矩弯矩往复加载,抗弯和抗扭承载力的相互影响程度减小且偏于安全。
新型多维形状记忆合金阻尼器的试验研究
孙彤, 李宏男
2018, 35(3): 178-185. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0928
摘要:
利用形状记忆合金设计了一种新型多维SMA阻尼器,该阻尼器能够将扭转运动转化为阻尼丝拉伸,从而提供拉压及扭转方向阻尼,该文详细介绍了该装置的构造及工作原理。试验研究了加载幅值、加载频率和初始应变对该阻尼器力学性能的影响,并采用改进的Graesser-Cozzarelli模型建立了阻尼器的理论模型,分别对其拉伸和扭转力学性能进行了数值模拟。结果表明,不同工况下的数值模拟结果与试验结果均吻合较好,验证了理论模型的有效性。
阻尼器对悬索桥双吊索减振效果的理论研究
李寿英, 曾庆宇, 王世峰, 邹国栋, 陈政清
2018, 35(3): 186-192,226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.12.0945
摘要:
多座悬索桥吊索发生大幅振动,需提出有效措施对其进行控制。采用理论分析方法,研究阻尼器对悬索桥吊索的减振效果。首先,考虑双索股吊索的面内振动,忽略吊索的弯曲刚度影响,推导了双索股之间安装阻尼器时的运动微分方程;然后,采用有限差分法,对吊索-阻尼器结构体系的运动微分方程进行数值求解,得到了该结构体系的振动频率、振型和阻尼比;以西堠门大桥的典型吊索为工程背景,研究了索股之间安装单个和多个阻尼器的动力特性变化规律。研究结果表明:在索股间安装阻尼器,不能提高索股同向振动模态的阻尼比,减振效果不佳;在吊索之间等间距安装多个阻尼器,且确保阻尼器阻尼系数较大时,可使两根索股成为整体,缩短单根索股的有效长度,提高单根索股的刚度,对抑制风致振动有利。不建议采取该方法进行吊索振动控制。从西堠门大桥的振动控制经验来看,在索股之间安装刚性分隔架能起到更好的控制效果。
考虑混凝土损伤的隔震连续梁桥碰撞响应分析
沙奔, 王浩, 陶天友, 吴宜峰, 李爱群
2018, 35(3): 193-199. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.12.0956
摘要:
针对隔震连续梁桥纵桥向主梁与桥台碰撞问题,以一联三跨混凝土隔震连续梁桥作为算例,采用ABAQUS建立了考虑混凝土材料损伤及三维接触碰撞的有限元模型。在此基础上,应用显式积分算法分析了纵桥向地震作用下隔震连续梁桥的碰撞响应,探究了伸缩缝间隙以及支座屈服位移对碰撞响应的影响。研究结果表明:采用三维有限元模型计算得到的碰撞持时与应力波理论得到的结果吻合较好;随着碰撞的发生,混凝土材料损伤积累,碰撞持时有增加的趋势。增大伸缩缝间隙将减小碰撞次数的发生,但对最大碰撞力的影响趋势不明显;随着支座屈服位移的增加,碰撞次数显著减小,但最大碰撞力变化不大。
不同赋存深度新疆天湖花岗岩的动态拉伸力学特性研究
满轲, 刘晓丽, 宫凤强, 马洪素, 王驹
2018, 35(3): 200-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.12.0959
摘要:
基于SHPB装置,进行了高放废物地质处置新疆预选区天湖地段花岗岩的动态拉伸力学特性试验,试验所用岩芯均取自于同一钻孔的不同深度处(深度范围为350 m~580 m)。测试结果显示:该花岗岩在加载率处于105 MPa/s这一中高等加载率下,其动态拉伸强度一般在15 MPa~35 MPa。并且随着加载率的提高,无论哪一赋存深度的花岗岩样品,其动态拉伸强度均随之增大,这说明了花岗岩的率相关加载效应特性。此外,对该花岗岩冲击破坏后的形态进行了观测,发现其加载破坏模式呈现拉伸破坏,与静态拉伸加载下的劈裂破坏特征基本一致。进一步分析试验数据,认识到花岗岩样品其动态拉伸强度之所以随着深度会产生增大或者减小的现象,是因为深部岩石其自身的物理特性已经发生了变化,从而造成了岩石力学特性随之发生改变。其密度、孔隙度等均不相同,正是这些物性的差异导致了其力学特性的差别。该研究的试验数据与理论可支撑于深部地下工程的爆破开挖及高放废物的深地质处置。
岩石非定常Burgers蠕变模型及其参数识别
韩阳, 谭跃虎, 李二兵, 段建立, 濮仕坤
2018, 35(3): 210-217. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.01.0025
摘要:
针对岩石蠕变的非线性特征,提出了一种非线性黏壶元件,并分别替换Burgers模型中的两个线性黏壶元件,从而建立了一种非定常参数Burgers模型。推导了非定常Burgers模型的一维蠕变方程,分析模型参数λ1λ2取值范围对蠕变方程的影响,从理论上确定了非定常模型能够描述蠕变的3个阶段。在此基础上,将非定常Burgers模型的蠕变方程推广至三维应力状态下,并基于Levenberg-Marquardt算法对向家坝岩石的三轴压缩蠕变试验曲线进行拟合及参数识别。通过对比定常与非定常Burgers模型的拟合曲线与相关系数,可以发现非定常Burgers模型拟合效果更好,且能够准确描述包括加速蠕变在内的岩石三阶段蠕变特性,验证了所构建非线性模型的适用性与合理性。
机械工程学科
正交各向异性空心圆柱体中的纵向导波
宋国荣, 刘明坤, 吕炎, 刘宏业, 吴斌, 何存富
2018, 35(3): 218-226. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0841
摘要:
基于三维线弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了正交各向异性材料中纵向导波的耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解。首先,为确定方法的适用性和准确性,利用Disperse软件求解各向同性空心圆柱体中纵向导波的频散曲线,并将其与勒让德正交多项式展开法求解结果相对比,二者结果完全一致。然后,讨论了勒让德正交多项式截止值对轴对称导波频散曲线收敛性的影响,并从数值计算的角度分析了产生影响的原因。最后,针对碳纤维缠绕的复合材料空心圆柱体,分别求解纵向、扭转和弯曲三种不同模态纵向导波的相速度频散曲线。计算了不同径厚比下的弯曲模态相速度频散曲线,分析径厚比的变化对频散曲线的影响。
硅晶圆磨削减薄工艺的磨削力模型
孙敬龙, 陈沛, 秦飞, 安彤, 宇慧平
2018, 35(3): 227-234. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0859
摘要:
硅晶圆磨削减薄是一种有别于传统磨削的材料加工方式。磨削减薄过程中,硅晶圆和砂轮同时绕旋转轴旋转,砂轮沿垂直方向连续进给去除材料,其中磨削力是磨削质量的决定性因素。目前,尚缺少一个用于硅晶圆磨削减薄工艺的磨削力预测模型。为了得到磨削力模型,分析了磨削减薄过程中的硅晶圆材料去除机理,将磨削力分为摩擦力和切屑力,考虑了磨粒运动轨迹,分别计算了单颗磨粒在法向和切向上的摩擦力和切屑力,最后基于有效磨粒总数建立了总磨削力模型。模型综合考虑了磨削参数、砂轮和硅晶圆的几何参数和材料性质对磨削力的影响。讨论了砂轮进给速度、晶圆转速和砂轮转速三个主要磨削参数对磨削力的影响,讨论了硅晶圆上晶向对磨削力的影响,给出了磨削力在硅晶圆面上沿径向的分布情况。
谐波噪声下的试验模态分析
夏遵平, 王彤
2018, 35(3): 235-241. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0867
摘要:
试验模态分析中通常使用平均方法处理由实验环境引起的随机噪声。当测试环境中含有周期噪声时,很难通过平均方法去除,在频响函数中会产生虚假共振峰,影响结构参数识别精度。该文提出了基于增强概率统计的谐波响应检测方法,将物理坐标下的响应信号变换到模态坐标中,并根据谐波信号的统计特性检测出谐波成分。提出了一种基于谐波分解与重构的谐波去除方法,用于消除谐波成分对结构参数识别的影响。通过平面刚架的仿真算例和GARTEUR飞机模型实测算例阐明了提出方法的实现过程,验证了其可靠性。
其他工程学科
船舶动力装置高温高压管道破前漏分析
白凡, 林原胜, 代路, 柳勇, 肖颀
2018, 35(3): 242-248. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0923
摘要:
将破前漏(LBB)方法运用于船舶动力装置高温高压管道的安全分析。探讨由于水下冲击、摇摆、温度和内压变化引起的管道载荷特性。以典型π型管道为研究对象,统计出疲劳应力谱。基于断裂力学理论和有限元方法,预测管道表面裂纹疲劳扩展行为,确保管道在运行期间不发生泄漏。采用J积分撕裂模量汇交法计算管道穿透裂纹的临界裂纹尺寸,并与最小可监测裂纹尺寸比较,确保即使发生泄漏,也有足够的安全余量在裂纹被发现前不发生失稳断裂。研究表明:尽管摇摆产生的管道交变应力幅较小,但循环次数高,对裂纹扩展的影响不可忽略;在水下冲击载荷作用下,管道承受最大应力,最有可能导致裂纹失稳扩展。
盘绕式伸展臂收纳过程理论分析与数值模拟
樊鹏玄, 陈务军, 赵兵
2018, 35(3): 249-256. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2016.12.0970
摘要:
盘绕式伸展臂在收纳过程中的力学行为决定其展开性能,收纳过程是否顺利是工程设计的关键问题,这取决于纵杆和三角框的刚度关系。盘绕臂收纳过程中纵杆和三角框均体现出大转动、大变形的特性,三角框还体现大挠度后屈曲特性。该文采用势能驻值原理及几何精确理论建立三角框的后屈曲列式,计算出三角框的后屈曲刚度,基于势能驻值原理推导出盘绕臂收纳过程中通长纵杆的平衡方程以及保证稳定平衡的最小三角框屈曲后刚度,并得出盘绕臂设计使用的参考公式;为验证参考公式的正确性以及对收纳全程进行精确计算,采用自适应弧长迭代,基于增量有限元法模拟了盘绕臂收纳全过程,得到收纳过程中结构应力-应变及能量变化;通过对解析解和数值解在平衡方程、自由端高度、最小三角框刚度、能量守恒等关键参数的计算结果进行对比来相互论证计算的正确性。该文推导的解析公式与增量有限元法的精确模拟可相互补充,共同服务于盘绕臂设计中的参数选定和收展控制。