2005年 第22卷 第2期
2005, 22(2): 1-5,26.
摘要:
根据广义坐标法原理,以拉伸弹簧和滑移弹簧来模拟混凝土翼板和工字钢梁之间交界面的脱离和滑移效应,通过给定其广义坐标,推出了组合梁约束扭转分析的微分方程组。编制了有关主程序,借助于常微分方程(ODEs)求解器COLSYS 可方便地进行求解。最后给出了计算实例, 予以说明。
根据广义坐标法原理,以拉伸弹簧和滑移弹簧来模拟混凝土翼板和工字钢梁之间交界面的脱离和滑移效应,通过给定其广义坐标,推出了组合梁约束扭转分析的微分方程组。编制了有关主程序,借助于常微分方程(ODEs)求解器COLSYS 可方便地进行求解。最后给出了计算实例, 予以说明。
2005, 22(2): 6-10.
摘要:
在介绍30CrMnSiNi2A 钢的力学性能和试验条件基础上,根据金属材料疲劳裂纹扩展的统计分析方法,求出了其P-a-N 和P-da/dN-k 曲线,并对不同应力比条件下的试验数据进行了分析和比较,探讨了中值da/dN-Δk曲线和99.9%可靠度da/dN-Δk 曲线的变化规律,研究结果表明,P-da/dN-Δk 曲线与应力比有很强的相关性,随着应力比增强,裂纹扩展速率增加。当可靠度要求增加时,这种趋势更明显。
在介绍30CrMnSiNi2A 钢的力学性能和试验条件基础上,根据金属材料疲劳裂纹扩展的统计分析方法,求出了其P-a-N 和P-da/dN-k 曲线,并对不同应力比条件下的试验数据进行了分析和比较,探讨了中值da/dN-Δk曲线和99.9%可靠度da/dN-Δk 曲线的变化规律,研究结果表明,P-da/dN-Δk 曲线与应力比有很强的相关性,随着应力比增强,裂纹扩展速率增加。当可靠度要求增加时,这种趋势更明显。
2005, 22(2): 11-15.
摘要:
建立了求解规则波中任意形状三维物体绕射问题的边界元模型。设置辐射面将流场分为内、外场,外场中的绕射势用特征函数展开式解析表达,内场则由边界积分方程求解,所取的Green 函数为简单的1/r 形式。内场边界采用四边形面元和轴对称面元混合布置的划分方式,轴对称面元上奇点强度沿周向为Fourier 级数展开的高次分布,提高了求解三维绕射问题的精度和效率。经与直立圆柱绕射的线性理论解比较,验证了数值方法的可靠性。利用谱分析原理,将规则波中的结果拓展,得到多向不规则波中绕射物体所受波浪力的统计特性。
建立了求解规则波中任意形状三维物体绕射问题的边界元模型。设置辐射面将流场分为内、外场,外场中的绕射势用特征函数展开式解析表达,内场则由边界积分方程求解,所取的Green 函数为简单的1/r 形式。内场边界采用四边形面元和轴对称面元混合布置的划分方式,轴对称面元上奇点强度沿周向为Fourier 级数展开的高次分布,提高了求解三维绕射问题的精度和效率。经与直立圆柱绕射的线性理论解比较,验证了数值方法的可靠性。利用谱分析原理,将规则波中的结果拓展,得到多向不规则波中绕射物体所受波浪力的统计特性。
2005, 22(2): 16-21.
摘要:
把典型的平面弹性杂交应力元-Pian-Sumihara 元-转化为板弯曲单元,从而初步探讨了将平面弹性杂交元转化为板弯曲单元的方法。应用板弯曲多类变量变分原理和弯矩函数空间中的Pian-Sumihara 列式,再通过基于平面弹性-板弯曲相似性的单元转化过程,得到一个四节点八自由度板弯曲位移元。该单元为显式单元,计算量少。数值结果表明该单元能通过常曲率分片试验,收敛稳定并具有较好的精度。
把典型的平面弹性杂交应力元-Pian-Sumihara 元-转化为板弯曲单元,从而初步探讨了将平面弹性杂交元转化为板弯曲单元的方法。应用板弯曲多类变量变分原理和弯矩函数空间中的Pian-Sumihara 列式,再通过基于平面弹性-板弯曲相似性的单元转化过程,得到一个四节点八自由度板弯曲位移元。该单元为显式单元,计算量少。数值结果表明该单元能通过常曲率分片试验,收敛稳定并具有较好的精度。
2005, 22(2): 22-26.
摘要:
索穹顶结构是美国工程师Geiger 根据Fuller 的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构。现有的索穹顶结构形式主要有肋环型和联方型两种,并应用在不同的工程中。针对现有索穹顶结构形式存在的缺点提出了几种新型的索穹顶结构形式,并运用整体可行预应力概念对结构初始预应力进行了计算。算例分析表明杆件的正确分组是得到索穹顶结构整体平衡预应力分布的关键。本文的工作可以为该类结构的初始选型和设计提供依据。
索穹顶结构是美国工程师Geiger 根据Fuller 的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构。现有的索穹顶结构形式主要有肋环型和联方型两种,并应用在不同的工程中。针对现有索穹顶结构形式存在的缺点提出了几种新型的索穹顶结构形式,并运用整体可行预应力概念对结构初始预应力进行了计算。算例分析表明杆件的正确分组是得到索穹顶结构整体平衡预应力分布的关键。本文的工作可以为该类结构的初始选型和设计提供依据。
2005, 22(2): 27-32.
摘要:
采用接触单元方法,结合初应力法,对于具有表面微观粗糙度和有液态介质存在于轮轨接触表面的弹塑性接触问题进行了研究,获得了轮轨表面接触压力分布、应力分布等结果。结果表明,它们都存在不同程度的峰值,且这些峰值比Hertzian 接触压力大许多,这是由于有表面微观粗糙度的存在,接触过程中凸出的部分进入了接触,而凹下的部分还未进入接触所致。对于法向接触压力,总的来说弹性计算结果的峰值比弹塑性计算结果的峰值要大。而且轮轨接触表面无液态介质存在时的弹塑性计算结果的接触压力峰值比有液态介质存在下的弹塑性计算结果的峰值要大,这是由于接触表面有液态介质存在时,在凹下的部位液态介质不易自由流动和不可压缩特性,引起了液态介质承受了压力所致。
采用接触单元方法,结合初应力法,对于具有表面微观粗糙度和有液态介质存在于轮轨接触表面的弹塑性接触问题进行了研究,获得了轮轨表面接触压力分布、应力分布等结果。结果表明,它们都存在不同程度的峰值,且这些峰值比Hertzian 接触压力大许多,这是由于有表面微观粗糙度的存在,接触过程中凸出的部分进入了接触,而凹下的部分还未进入接触所致。对于法向接触压力,总的来说弹性计算结果的峰值比弹塑性计算结果的峰值要大。而且轮轨接触表面无液态介质存在时的弹塑性计算结果的接触压力峰值比有液态介质存在下的弹塑性计算结果的峰值要大,这是由于接触表面有液态介质存在时,在凹下的部位液态介质不易自由流动和不可压缩特性,引起了液态介质承受了压力所致。
2005, 22(2): 33-37,3.
摘要:
针对索膜结构裁剪分析中的测地线生成提出了一种全新的非线性有限元法。首先根据最小势能原理证明了两端固定的几何非线性等张力索在膜面上自由滑动时的静力平衡位置,即为膜面上两个固定点之间的短程线-测地线;其次提出了在每个索单元节点处添加垂直膜面的足够长度的几何非线性二力杆来保证等张力索能够在膜面上自由滑动,采用非线性有限单元法求解其静力平衡位置。提出的方法具有思路明确,收敛稳定,计算速度快和易于实现等特点。
针对索膜结构裁剪分析中的测地线生成提出了一种全新的非线性有限元法。首先根据最小势能原理证明了两端固定的几何非线性等张力索在膜面上自由滑动时的静力平衡位置,即为膜面上两个固定点之间的短程线-测地线;其次提出了在每个索单元节点处添加垂直膜面的足够长度的几何非线性二力杆来保证等张力索能够在膜面上自由滑动,采用非线性有限单元法求解其静力平衡位置。提出的方法具有思路明确,收敛稳定,计算速度快和易于实现等特点。
2005, 22(2): 38-42.
摘要:
基于Benthien_Gurtin 给出的拉普拉斯空间上相应的最小转换能原理,将拉普拉斯空间上的泛函恢复到原空间后给出一个只含单重卷积形式的泛函。对此泛函相继进行空间和时间域离散分别给出了新的泛函。采用含非时间步参数的三次Hermite 插值函数逼近节点位移,给出了一种用于动力响应分析的无条件稳定逐步积分算法。通过对算法的稳定性研究,选取了参数的合适值。精度分析和数值算例表明提出的方法是一种可以应用于工程实际并具有较高精度的方法。
基于Benthien_Gurtin 给出的拉普拉斯空间上相应的最小转换能原理,将拉普拉斯空间上的泛函恢复到原空间后给出一个只含单重卷积形式的泛函。对此泛函相继进行空间和时间域离散分别给出了新的泛函。采用含非时间步参数的三次Hermite 插值函数逼近节点位移,给出了一种用于动力响应分析的无条件稳定逐步积分算法。通过对算法的稳定性研究,选取了参数的合适值。精度分析和数值算例表明提出的方法是一种可以应用于工程实际并具有较高精度的方法。
2005, 22(2): 43-49.
摘要:
局部减薄是一种压力管道表面常见的体积型缺陷,它不仅会降低管道的承载能力,而且还可能引起管道破坏,导致严重的事故。采用数值分析方法,对内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头的极限载荷进行了研究,分析了载荷组合、缺陷形状、位置、尺寸对弯头极限承载能力的影响,讨论了导致弯头破坏的典型失效模式。计算结果为含缺陷弯头的安全评定提供了一定的理论依据。
局部减薄是一种压力管道表面常见的体积型缺陷,它不仅会降低管道的承载能力,而且还可能引起管道破坏,导致严重的事故。采用数值分析方法,对内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头的极限载荷进行了研究,分析了载荷组合、缺陷形状、位置、尺寸对弯头极限承载能力的影响,讨论了导致弯头破坏的典型失效模式。计算结果为含缺陷弯头的安全评定提供了一定的理论依据。
2005, 22(2): 50-55.
摘要:
在几何精确梁理论的基础上,通过引入压电材料的力-电耦合效应,建立了一种几何精确的动态二维压电层合梁有限元格式。通过对这种几何精确有限元格式的分析和实现,得到了一个分析在空间做大尺度运动的压电柔性梁结构的方法。最后通过几个数值算例验证了这种格式的正确性,并且给出了这种方法在分析压电结构时的可能用途。
在几何精确梁理论的基础上,通过引入压电材料的力-电耦合效应,建立了一种几何精确的动态二维压电层合梁有限元格式。通过对这种几何精确有限元格式的分析和实现,得到了一个分析在空间做大尺度运动的压电柔性梁结构的方法。最后通过几个数值算例验证了这种格式的正确性,并且给出了这种方法在分析压电结构时的可能用途。
2005, 22(2): 56-61.
摘要:
基于损伤力学和脆性理论,将砌体看成是由块体、砂浆、粘结带组成的三相材料,考虑砌体组成材料的非均匀性特点,提出了新的砌体开裂过程数值分析方法,利用材料破裂过程分析系统(MFPA2D),从细观力学层次上数值模拟了砌体试件在水平剪切荷载作用下从损伤到开裂破坏过程,模拟结果与试验结果较为吻合。验证了该数值分析方法的正确性和模型的合理性,同时为砌体开裂破坏预测预报基础理论的研究提供新的分析方法。
基于损伤力学和脆性理论,将砌体看成是由块体、砂浆、粘结带组成的三相材料,考虑砌体组成材料的非均匀性特点,提出了新的砌体开裂过程数值分析方法,利用材料破裂过程分析系统(MFPA2D),从细观力学层次上数值模拟了砌体试件在水平剪切荷载作用下从损伤到开裂破坏过程,模拟结果与试验结果较为吻合。验证了该数值分析方法的正确性和模型的合理性,同时为砌体开裂破坏预测预报基础理论的研究提供新的分析方法。
2005, 22(2): 62-66.
摘要:
结合现有材料裂纹体断裂参量的表达式,详细讨论了均匀材料裂纹体的J~Q 双参数准则,并对该准则中各参量的计算方法进行了简化。为了工程应用方便,进一步分析了Q 参量有限元数值解的分布规律,并曲线拟合得到了该参量的工程化计算方法,最后对工程化Q 参量计算方法在断裂参量计算中的有效性进行了讨论。
结合现有材料裂纹体断裂参量的表达式,详细讨论了均匀材料裂纹体的J~Q 双参数准则,并对该准则中各参量的计算方法进行了简化。为了工程应用方便,进一步分析了Q 参量有限元数值解的分布规律,并曲线拟合得到了该参量的工程化计算方法,最后对工程化Q 参量计算方法在断裂参量计算中的有效性进行了讨论。
2005, 22(2): 67-72.
摘要:
基于小挠度薄板的近似理论,采用有限差分法分析了4 点支承带孔玻璃板位移和应力的分布规律,并通过对点支承处进行特殊处理,建立了奇点模型,同时提供了孔边应力的计算公式。该计算模型描绘了点支玻璃板中应力分布的特点,直观、理论性强且操作简便,且计算结果与现行规程、有限元计算的结果较好的吻合。孔边应力的计算方法可为规程的补充提供必要理论依据。
基于小挠度薄板的近似理论,采用有限差分法分析了4 点支承带孔玻璃板位移和应力的分布规律,并通过对点支承处进行特殊处理,建立了奇点模型,同时提供了孔边应力的计算公式。该计算模型描绘了点支玻璃板中应力分布的特点,直观、理论性强且操作简便,且计算结果与现行规程、有限元计算的结果较好的吻合。孔边应力的计算方法可为规程的补充提供必要理论依据。
2005, 22(2): 73-78.
摘要:
提出了一种基于二类变量广义变分原理的多变量小波有限元方法。首先构造了便于边界条件处理的插值小波基,应用乘积型二元插值小波基来构造中厚板的广义变量场函数,通过二类变量广义变分原理建立了多变量小波有限元模型。在计算各种变量时,不需要利用其物理关系,也不必求导,可直接计算其结果,因而各种变量均有足够的精度。
提出了一种基于二类变量广义变分原理的多变量小波有限元方法。首先构造了便于边界条件处理的插值小波基,应用乘积型二元插值小波基来构造中厚板的广义变量场函数,通过二类变量广义变分原理建立了多变量小波有限元模型。在计算各种变量时,不需要利用其物理关系,也不必求导,可直接计算其结果,因而各种变量均有足够的精度。
2005, 22(2): 79-83.
摘要:
根据薄壁箱梁的实际支承特点,设置支承坐标系并在支承坐标系中建立变形协调的相容条件,针对任意非对称断面薄壁箱梁,导出了考虑拉(压)弯扭翘空间耦合分析的单元刚度矩阵及等效节点力公式。此外,提出了通过设置具有线刚度、转动刚度、扭翘刚度的假想弹簧单元,对薄壁箱梁的复杂约束条件进行处理的一般方法。所得到的刚度矩阵表明,只有当忽略翘曲变形对截面转角的影响时,轴向拉压才只与水平弯曲及竖向弯曲相耦合,而与约束扭转不再耦合。算例结果表明了分析方法的有效性。
根据薄壁箱梁的实际支承特点,设置支承坐标系并在支承坐标系中建立变形协调的相容条件,针对任意非对称断面薄壁箱梁,导出了考虑拉(压)弯扭翘空间耦合分析的单元刚度矩阵及等效节点力公式。此外,提出了通过设置具有线刚度、转动刚度、扭翘刚度的假想弹簧单元,对薄壁箱梁的复杂约束条件进行处理的一般方法。所得到的刚度矩阵表明,只有当忽略翘曲变形对截面转角的影响时,轴向拉压才只与水平弯曲及竖向弯曲相耦合,而与约束扭转不再耦合。算例结果表明了分析方法的有效性。
2005, 22(2): 84-88,4.
摘要:
基于有限元基本思想,根据微元体与平面桁架单元或空间桁架单元应力、应变等效原则构造出一种更为简单适用的等效铰结桁架单元,理论分析和计算结果表明,用此模型来等效分析计算平面或空间应力问题是可行的,它能达到减少计算工作量,易于分析程序编制,方便数据后处理等目的,并能满足工程精度要求。
基于有限元基本思想,根据微元体与平面桁架单元或空间桁架单元应力、应变等效原则构造出一种更为简单适用的等效铰结桁架单元,理论分析和计算结果表明,用此模型来等效分析计算平面或空间应力问题是可行的,它能达到减少计算工作量,易于分析程序编制,方便数据后处理等目的,并能满足工程精度要求。
2005, 22(2): 89-95.
摘要:
进行了8 根钢管混凝土哑铃形短柱的偏压试验。试验参数为偏心率。试验结果表明,钢管混凝土哑铃形偏压短柱受力性能与单圆钢管混凝土偏压柱的有相似之处。对极限承载力的计算表明,现有的折算面积法偏于保守而格构式算法又偏于不安全。提出的修正的格构式算法与试验结果吻合良好且偏于安全,可供工程应用参考。
进行了8 根钢管混凝土哑铃形短柱的偏压试验。试验参数为偏心率。试验结果表明,钢管混凝土哑铃形偏压短柱受力性能与单圆钢管混凝土偏压柱的有相似之处。对极限承载力的计算表明,现有的折算面积法偏于保守而格构式算法又偏于不安全。提出的修正的格构式算法与试验结果吻合良好且偏于安全,可供工程应用参考。
2005, 22(2): 96-103.
摘要:
通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。
通过在Newmark 模型中引入(1)描述横向非均匀分布的纵向位移的翘曲形函数和(2)描述钢梁腹板剪切变形的Timoshenko 梁假定,建立了一个能考虑滑移、剪力滞后和剪切变形的钢-混凝土组合梁模型,并推导了均布荷载作用下的解析解。最后通过4 个算例验证了模型和解析解的正确性和适用性,并显示了考虑组合梁剪切变形的必要性。另外,算例还表明,在组合梁的三维有限元建模中采用Timoshenko 梁单元来考虑钢梁的剪切变形会导致显著的误差。
2005, 22(2): 104-109.
摘要:
组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能。同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略。根据最小势能原理和变分法,建立了同时考虑滑移效应和剪切变形双重作用的挠度滑移控制微分方程,分析了滑移引起挠度增大的原因,求得了集中荷载和均布荷载作用下的挠度和滑移的解析表达式。该方法物理意义明确,推导过程简单,计算结果与实测结果吻合良好。推导了不同荷载作用下的滑移效应附加弯矩,利用附加弯矩表达公式,可直接利用结构力学挠度计算公式计算滑移对挠度的影响。
组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能。同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略。根据最小势能原理和变分法,建立了同时考虑滑移效应和剪切变形双重作用的挠度滑移控制微分方程,分析了滑移引起挠度增大的原因,求得了集中荷载和均布荷载作用下的挠度和滑移的解析表达式。该方法物理意义明确,推导过程简单,计算结果与实测结果吻合良好。推导了不同荷载作用下的滑移效应附加弯矩,利用附加弯矩表达公式,可直接利用结构力学挠度计算公式计算滑移对挠度的影响。
2005, 22(2): 110-115.
摘要:
在现有离心钢管混凝土本构关系分析的基础上,将离心钢管混凝土简化为同一尺度的横观各向同性体,利用在弹性状态下应变能相等原理和弹塑性状态时应力—应变呈二次抛物线变化的假定,提出了离心钢管混凝土这种组合结构新的等效本构关系。实例分析表明,模型与试验结果吻合较好,且该本构关系能客观地反映了离心钢管混凝土构件的物理力学关系,为离心钢管混凝土结构进行数值分析奠定了基础。
在现有离心钢管混凝土本构关系分析的基础上,将离心钢管混凝土简化为同一尺度的横观各向同性体,利用在弹性状态下应变能相等原理和弹塑性状态时应力—应变呈二次抛物线变化的假定,提出了离心钢管混凝土这种组合结构新的等效本构关系。实例分析表明,模型与试验结果吻合较好,且该本构关系能客观地反映了离心钢管混凝土构件的物理力学关系,为离心钢管混凝土结构进行数值分析奠定了基础。
2005, 22(2): 116-119,.
摘要:
利用一级轻气炮对混凝土靶板进行冲击压缩试验,测量出不同冲击速度下的压力-时间信号曲线。采用拉氏分析方法对实验数据进行分析,得到了流场中各力学量沿时-空的分布规律,从而得到混凝土材料应力-应变试验曲线。在试验研究及拉氏分析的基础上,分析混凝土材料在强冲击载荷下的动态本构特性。最后,结合损伤率型演化和粘弹性理论,建立了混凝土材料的损伤型粘弹性本构方程。数值拟合表明理论预示与试验吻合良好。
利用一级轻气炮对混凝土靶板进行冲击压缩试验,测量出不同冲击速度下的压力-时间信号曲线。采用拉氏分析方法对实验数据进行分析,得到了流场中各力学量沿时-空的分布规律,从而得到混凝土材料应力-应变试验曲线。在试验研究及拉氏分析的基础上,分析混凝土材料在强冲击载荷下的动态本构特性。最后,结合损伤率型演化和粘弹性理论,建立了混凝土材料的损伤型粘弹性本构方程。数值拟合表明理论预示与试验吻合良好。
2005, 22(2): 120-123,.
摘要:
采用有限子层剪滞模型,并结合线弹性断裂力学,研究了带裂缝钢纤维混凝土试样的拉伸破坏问题,求得了与实验结果较吻合的拉伸破坏强度,证实了该分析方法的正确性和可靠性,可为钢纤维混凝土的破坏分析提供一种新的研究途径。
采用有限子层剪滞模型,并结合线弹性断裂力学,研究了带裂缝钢纤维混凝土试样的拉伸破坏问题,求得了与实验结果较吻合的拉伸破坏强度,证实了该分析方法的正确性和可靠性,可为钢纤维混凝土的破坏分析提供一种新的研究途径。
2005, 22(2): 124-131.
摘要:
研究在地震激励下,环形调液阻尼器(CTLCD)对结构扭转反应的振动控制作用。首先建立起环形调液阻尼器在地震作用下的运动方程,采用随机振动理论,导出了在地震作用下环形调液阻尼器振动控制的最优参数。对结构纯扭转的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对控制后结构等效阻尼比的影响。对结构扭转耦联的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对结构平移等效阻尼比和扭转等效阻尼比的影响。结果表明,环形调液阻尼器是一种有效的扭转振动控制装置。
研究在地震激励下,环形调液阻尼器(CTLCD)对结构扭转反应的振动控制作用。首先建立起环形调液阻尼器在地震作用下的运动方程,采用随机振动理论,导出了在地震作用下环形调液阻尼器振动控制的最优参数。对结构纯扭转的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对控制后结构等效阻尼比的影响。对结构扭转耦联的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对结构平移等效阻尼比和扭转等效阻尼比的影响。结果表明,环形调液阻尼器是一种有效的扭转振动控制装置。
2005, 22(2): 132-136.
摘要:
提出的隔震换能控制系统是由隔震层和换能装置构成的,该系统可以实现将地震时地面输给上部结构的部分能量转换为液压能,储存于蓄能器中,该能量可进一步用作主动控制能源。建立了该系统的理论分析模型,并对其换能效率和结构振动控制效果进行了深入研究,应用Matlab 的Simulink 对一个框架隔震换能结构体系实例进行了仿真计算。结果表明,该系统换能效率高,并且隔震层的阻尼越小,换能效率越高;地震输入强度对换能效率影响较大,当输入地震动加速度峰值较大时,换能效率可达70-80%;与普通隔震相比,采用隔震换能系统时,隔震效果接近,但隔震层位移可降低一半。
提出的隔震换能控制系统是由隔震层和换能装置构成的,该系统可以实现将地震时地面输给上部结构的部分能量转换为液压能,储存于蓄能器中,该能量可进一步用作主动控制能源。建立了该系统的理论分析模型,并对其换能效率和结构振动控制效果进行了深入研究,应用Matlab 的Simulink 对一个框架隔震换能结构体系实例进行了仿真计算。结果表明,该系统换能效率高,并且隔震层的阻尼越小,换能效率越高;地震输入强度对换能效率影响较大,当输入地震动加速度峰值较大时,换能效率可达70-80%;与普通隔震相比,采用隔震换能系统时,隔震效果接近,但隔震层位移可降低一半。
2005, 22(2): 137-143.
摘要:
能量和标准贯入击数是用于液化评价的两个综合性指标。以经过持时修正的能量函数和经过粘粒及上覆压力修正的标贯击数为控制变量,以振动孔隙水压力增长为状态变量, 根据液化的物理意义、室内试验所得到的孔压发展曲线的特点和国内外实测液化资料,建立了基于修正Zeeman 突变方程的孔压发展模型。与目前广泛使用的传统尖点突变模型相比,修正模型增加了一项和三个系数,这样做既保留了原方程中状态变量与其中一个控制变量成线性关系这一优良性质,又能够适应于准确模拟孔压与液化发展。在此基础上,利用液化资料,基于统计学中控制“弃真”概率的方法,运用Matlab 逐步逼近确定了所有的六个待定未知量, 确定了分叉曲线和新旧坐标之间的转换关系。检验结果表明了所建议模型的合理性。
能量和标准贯入击数是用于液化评价的两个综合性指标。以经过持时修正的能量函数和经过粘粒及上覆压力修正的标贯击数为控制变量,以振动孔隙水压力增长为状态变量, 根据液化的物理意义、室内试验所得到的孔压发展曲线的特点和国内外实测液化资料,建立了基于修正Zeeman 突变方程的孔压发展模型。与目前广泛使用的传统尖点突变模型相比,修正模型增加了一项和三个系数,这样做既保留了原方程中状态变量与其中一个控制变量成线性关系这一优良性质,又能够适应于准确模拟孔压与液化发展。在此基础上,利用液化资料,基于统计学中控制“弃真”概率的方法,运用Matlab 逐步逼近确定了所有的六个待定未知量, 确定了分叉曲线和新旧坐标之间的转换关系。检验结果表明了所建议模型的合理性。
2005, 22(2): 144-148.
摘要:
磁流变阻尼器是应用于建筑结构中的新型减震控制装置,其性能受外加磁场和温度等因素的影响。目前国内外关于磁流变阻尼器的性能试验和计算模型方面的研究已有不少,但现有的计算模型却不能同时体现磁流变阻尼器的静摩擦现象、惯性效应和振动过程中温升效应。基于流体能量守恒原理推导并提出磁流变阻尼器带质量元素的温度唯象模型,通过实例分析可以得出:该模型不仅可以体现温度对磁流变阻尼器力学性能的影响,而且可以体现磁流变阻尼器的力—位移和力—速度非线性关系,能很好地模拟磁流变阻尼器的静摩擦现象、惯性效应和低速区时的力衰减性能。
磁流变阻尼器是应用于建筑结构中的新型减震控制装置,其性能受外加磁场和温度等因素的影响。目前国内外关于磁流变阻尼器的性能试验和计算模型方面的研究已有不少,但现有的计算模型却不能同时体现磁流变阻尼器的静摩擦现象、惯性效应和振动过程中温升效应。基于流体能量守恒原理推导并提出磁流变阻尼器带质量元素的温度唯象模型,通过实例分析可以得出:该模型不仅可以体现温度对磁流变阻尼器力学性能的影响,而且可以体现磁流变阻尼器的力—位移和力—速度非线性关系,能很好地模拟磁流变阻尼器的静摩擦现象、惯性效应和低速区时的力衰减性能。
2005, 22(2): 149-154.
摘要:
为了设计具有竖向耗能能力的抗倾覆装置,介绍了一种钢铅组合耗能器。通过对其静力、动力、电液伺服动静万能试验机实验结果的分析,表明该阻尼器能够使钢铅两种材料协同工作、共同耗能,具有制作工艺简单,能够满足位移小、阻尼大,耗能稳定的要求。通过分析还给出了耗能器的力学性能和恢复力模型。对大高宽比隔震结构的仿真计算分析表明,安装钢铅组合耗能器的抗倾覆装置具有一定的耗能能力,并能够避免结构倾覆。
为了设计具有竖向耗能能力的抗倾覆装置,介绍了一种钢铅组合耗能器。通过对其静力、动力、电液伺服动静万能试验机实验结果的分析,表明该阻尼器能够使钢铅两种材料协同工作、共同耗能,具有制作工艺简单,能够满足位移小、阻尼大,耗能稳定的要求。通过分析还给出了耗能器的力学性能和恢复力模型。对大高宽比隔震结构的仿真计算分析表明,安装钢铅组合耗能器的抗倾覆装置具有一定的耗能能力,并能够避免结构倾覆。
2005, 22(2): 155-161.
摘要:
以我国《混凝土结构设计规范》规定的8 度区二级抗震等级平面框架为例,采用大小不同的柱弯矩增强系数进行框架设计,利用杆系非弹性动力反应分析程序PL-AFJD 对这些框架进行多波输入下的地震反应分析,识别柱弯矩增强系数取值对框架在强震下形成的塑性铰机构的控制效果,并分析达到不同控制效果的主要原因。研究结果对我国结构设计规范优化柱弯矩增强系数取值有一定参考价值。
以我国《混凝土结构设计规范》规定的8 度区二级抗震等级平面框架为例,采用大小不同的柱弯矩增强系数进行框架设计,利用杆系非弹性动力反应分析程序PL-AFJD 对这些框架进行多波输入下的地震反应分析,识别柱弯矩增强系数取值对框架在强震下形成的塑性铰机构的控制效果,并分析达到不同控制效果的主要原因。研究结果对我国结构设计规范优化柱弯矩增强系数取值有一定参考价值。
2005, 22(2): 162-167.
摘要:
建立了一个双跨转子实验台,转轴两端均由滑动轴承支撑并由柔性联轴节相连。一跨转轴附带质量相等的两个圆盘,另一跨转轴附带质量不相等的两个圆盘。首先针对该实验模型建立了非稳态运动力学模型并进行数值计算;其后分别在单跨(双轴承支撑)和双跨(四轴承支撑)转子系统上进行了对比实验研究,揭示升速过程中的油膜失稳现象。计算和实验发现,柔性联结后的两跨转子,其失稳运动存在强烈的相互影响,实验发现了以前未见文献报道的双低频现象。
建立了一个双跨转子实验台,转轴两端均由滑动轴承支撑并由柔性联轴节相连。一跨转轴附带质量相等的两个圆盘,另一跨转轴附带质量不相等的两个圆盘。首先针对该实验模型建立了非稳态运动力学模型并进行数值计算;其后分别在单跨(双轴承支撑)和双跨(四轴承支撑)转子系统上进行了对比实验研究,揭示升速过程中的油膜失稳现象。计算和实验发现,柔性联结后的两跨转子,其失稳运动存在强烈的相互影响,实验发现了以前未见文献报道的双低频现象。
2005, 22(2): 168-173.
摘要:
考虑轴的自重的影响,研究轴的质量中心分布线与旋转中心线不重合时的扭/弯耦合振动情况。研究中,基于轴的基本理论建立了轴的扭/弯耦合振动的方程组,并根据振型叠加法以及模态的正交性进行了耦合方程组的求解。对简支轴仅考虑自重情况下轴的扭/弯耦合振动进行了自由振动和强迫振动的研究,对与理论研究条件相同的实际简支轴进行了耦合振动响应的实测研究。研究结果表明:第一、三、五…阶弯曲振动是跟第二、四、六…阶扭转振动相耦合的,而第二、四、六…阶弯曲振动则是跟第一、三、五…阶扭转振动相耦合。
考虑轴的自重的影响,研究轴的质量中心分布线与旋转中心线不重合时的扭/弯耦合振动情况。研究中,基于轴的基本理论建立了轴的扭/弯耦合振动的方程组,并根据振型叠加法以及模态的正交性进行了耦合方程组的求解。对简支轴仅考虑自重情况下轴的扭/弯耦合振动进行了自由振动和强迫振动的研究,对与理论研究条件相同的实际简支轴进行了耦合振动响应的实测研究。研究结果表明:第一、三、五…阶弯曲振动是跟第二、四、六…阶扭转振动相耦合的,而第二、四、六…阶弯曲振动则是跟第一、三、五…阶扭转振动相耦合。
2005, 22(2): 174-178.
摘要:
对刚性基底上非加载边弹性约束矩形板在固支边均匀面内压力作用下的屈曲行为进行了分析研究。用里兹能量变分法建立确定板屈曲强度的本征值问题,利用满足边界条件的屈曲位移函数导出板屈曲系数计算公式。将该方法用于矩形钢管混凝土钢板局部屈曲的分析和计算,提出了目标板边界约束系数计算公式。试验结果表明,方形钢管混凝土柱钢板局部屈曲强度计算值与试验值吻合良好,钢板边界弹性约束的处理和约束系数的计算方法是有效的。
对刚性基底上非加载边弹性约束矩形板在固支边均匀面内压力作用下的屈曲行为进行了分析研究。用里兹能量变分法建立确定板屈曲强度的本征值问题,利用满足边界条件的屈曲位移函数导出板屈曲系数计算公式。将该方法用于矩形钢管混凝土钢板局部屈曲的分析和计算,提出了目标板边界约束系数计算公式。试验结果表明,方形钢管混凝土柱钢板局部屈曲强度计算值与试验值吻合良好,钢板边界弹性约束的处理和约束系数的计算方法是有效的。
2005, 22(2): 179-183.
摘要:
为考查时域分析方法用于桥梁抖振分析的可行性和可靠性,基于相同的分析参数,分别采用时域和频域分析方法对一斜拉桥的抖振响应进行分析,并从结构振动型态、抖振响应均方根及抖振响应功率谱密度函数三个方面对时域和频域分析结果的一致性进行了较详细的比较。时域抖振响应分析中,采用谱解法模拟了斜拉桥的脉动风场,抖振力采用准定常表达形式,自激力采用Y.K. Lin 表达形式。由于自激力的存在,结构的运动方程为非线性,提出了一种迭代方法来考虑自激力引起的非线性。采用Newmark-β方法进行积分计算。频域抖振分析采用多模态耦合分析方法。时域及频域抖振响应分析结果的一致性较好,这表明了大跨度斜拉桥时域抖振响应分析的可行性和可靠性。
为考查时域分析方法用于桥梁抖振分析的可行性和可靠性,基于相同的分析参数,分别采用时域和频域分析方法对一斜拉桥的抖振响应进行分析,并从结构振动型态、抖振响应均方根及抖振响应功率谱密度函数三个方面对时域和频域分析结果的一致性进行了较详细的比较。时域抖振响应分析中,采用谱解法模拟了斜拉桥的脉动风场,抖振力采用准定常表达形式,自激力采用Y.K. Lin 表达形式。由于自激力的存在,结构的运动方程为非线性,提出了一种迭代方法来考虑自激力引起的非线性。采用Newmark-β方法进行积分计算。频域抖振分析采用多模态耦合分析方法。时域及频域抖振响应分析结果的一致性较好,这表明了大跨度斜拉桥时域抖振响应分析的可行性和可靠性。
2005, 22(2): 184-188,.
摘要:
利用McDowell 模型对1070 钢比例和非比例循环加载条件下的棘轮效应进行了预测,通过对McDowell模型的修正,为McDowell 模型中的单轴参数Ai引入了与塑性应变累积相关的演化方程,改进后的McDowell 模型能精确的预测具有拉压平均应力的单轴棘轮效应,具有平均应力的拉扭比例加载,常轴向应力的扭转循环,非比例循环载荷以及多重步骤加载条件下单轴平均应力变化的棘轮效应,改进的模型对较大循环数的棘轮效应也能给予较好的描述。
利用McDowell 模型对1070 钢比例和非比例循环加载条件下的棘轮效应进行了预测,通过对McDowell模型的修正,为McDowell 模型中的单轴参数Ai引入了与塑性应变累积相关的演化方程,改进后的McDowell 模型能精确的预测具有拉压平均应力的单轴棘轮效应,具有平均应力的拉扭比例加载,常轴向应力的扭转循环,非比例循环载荷以及多重步骤加载条件下单轴平均应力变化的棘轮效应,改进的模型对较大循环数的棘轮效应也能给予较好的描述。
2005, 22(2): 189-194.
摘要:
采用正交各向异性叠层复合材料加筋圆锥壳模型,对大型汽轮发电机定子端部绕组整体结构的固有振动问题进行了研究。首先,建立了复合材料加筋圆锥壳体的基本运动方程,以及用位移形式表示的定子端部绕组固有振动控制方程,并采用复合材料理论给出了确定单根绕组及整体结构弹性常数的计算表达式。然后,采用伽辽金积分法推得了确定端部绕组固有振动频率的广义特征值方程。最后,通过算例分析,得到了在不同支架支承条件下发电机端部绕组整体固有振动的频率值及变化规律,并与实测结果进行了比较。
采用正交各向异性叠层复合材料加筋圆锥壳模型,对大型汽轮发电机定子端部绕组整体结构的固有振动问题进行了研究。首先,建立了复合材料加筋圆锥壳体的基本运动方程,以及用位移形式表示的定子端部绕组固有振动控制方程,并采用复合材料理论给出了确定单根绕组及整体结构弹性常数的计算表达式。然后,采用伽辽金积分法推得了确定端部绕组固有振动频率的广义特征值方程。最后,通过算例分析,得到了在不同支架支承条件下发电机端部绕组整体固有振动的频率值及变化规律,并与实测结果进行了比较。
2005, 22(2): 195-199,.
摘要:
为了用测斜数据描述井孔轴线的几何特性,以便于对下套管作业中的摩擦阻力进行预测,以微分几何理论为基础,建立了井孔轴线上的井斜角、方位角与自然坐标系各单位矢量的几何关系,得到了用井斜角和方位角的变化率表示的曲率和扭率,并提出了对测斜数据进行插值和光顺化处理的方法。另一方面,考察了井孔内具有抗弯刚度套管微元的平衡状态,建立了套管微元所应满足的控制微分方程及其差分格式。通过对控制方程的求解可以得到套管上各点的约束反力和摩擦阻力。
为了用测斜数据描述井孔轴线的几何特性,以便于对下套管作业中的摩擦阻力进行预测,以微分几何理论为基础,建立了井孔轴线上的井斜角、方位角与自然坐标系各单位矢量的几何关系,得到了用井斜角和方位角的变化率表示的曲率和扭率,并提出了对测斜数据进行插值和光顺化处理的方法。另一方面,考察了井孔内具有抗弯刚度套管微元的平衡状态,建立了套管微元所应满足的控制微分方程及其差分格式。通过对控制方程的求解可以得到套管上各点的约束反力和摩擦阻力。
2005, 22(2): 200-205.
摘要:
研究了LZ50 车轴钢疲劳Stress-Life(以下简称S-N)关系的概率模型。同时考虑了S-N 关系的分散性规律和样本数量对概率评价的影响,包括P(存活概率)-S-N 曲线、C(置信度)-S-N 曲线和P-C-S-N 曲线。这些曲线由称之为“广义极大似然法”的方法测定。方法考虑了整体试验S-N 数据的随机性,避免了常规方法从考虑局部数据随机性角度的缺陷。LZ50 车轴钢试验数据的分析结果,说明了模型和方法的合理性和有效性。
研究了LZ50 车轴钢疲劳Stress-Life(以下简称S-N)关系的概率模型。同时考虑了S-N 关系的分散性规律和样本数量对概率评价的影响,包括P(存活概率)-S-N 曲线、C(置信度)-S-N 曲线和P-C-S-N 曲线。这些曲线由称之为“广义极大似然法”的方法测定。方法考虑了整体试验S-N 数据的随机性,避免了常规方法从考虑局部数据随机性角度的缺陷。LZ50 车轴钢试验数据的分析结果,说明了模型和方法的合理性和有效性。
2005, 22(2): 206-211.
摘要:
在实验分析结果的基础上,对循环稳定材料的室温单轴和非比例多轴循环棘轮行为进行了本构描述,建立了一个简单而合理的、便于工程应用的粘塑性循环棘轮本构模型。给出了模型参数的确定方法,并根据实验获得的单拉应力-非弹性应变关系曲线确定了针对U71Mn 轨道钢材料的参数值。在此基础上,通过对该材料棘轮行为的本构模拟检验了发展模型的预言能力。结果表明,模型具有很好的预测效果,模拟结果与对应的实验结果符合得很好。
在实验分析结果的基础上,对循环稳定材料的室温单轴和非比例多轴循环棘轮行为进行了本构描述,建立了一个简单而合理的、便于工程应用的粘塑性循环棘轮本构模型。给出了模型参数的确定方法,并根据实验获得的单拉应力-非弹性应变关系曲线确定了针对U71Mn 轨道钢材料的参数值。在此基础上,通过对该材料棘轮行为的本构模拟检验了发展模型的预言能力。结果表明,模型具有很好的预测效果,模拟结果与对应的实验结果符合得很好。
2005, 22(2): 212-217.
摘要:
圆形隧洞是土木工程中常见的结构。但是,以往分析无限大均匀介质中轴对称圆形隧洞应力变形和屈服区的公式,是在Mohr-Coulomb 屈服条件中的第一主应力为径向应力的情况下导出的,这样做还不够全面。根据不同的工况和不同的地应力条件,正确选择Mohr-Coulomb 屈服条件中的第一主应力,导出衬砌和围岩的屈服范围和应力计算公式,提出第一和第二临界压力的概念,并根据临界压力给出屈服区和应力计算公式的适用范围。最后用算例比较了该方法和以往传统方法的不同。
圆形隧洞是土木工程中常见的结构。但是,以往分析无限大均匀介质中轴对称圆形隧洞应力变形和屈服区的公式,是在Mohr-Coulomb 屈服条件中的第一主应力为径向应力的情况下导出的,这样做还不够全面。根据不同的工况和不同的地应力条件,正确选择Mohr-Coulomb 屈服条件中的第一主应力,导出衬砌和围岩的屈服范围和应力计算公式,提出第一和第二临界压力的概念,并根据临界压力给出屈服区和应力计算公式的适用范围。最后用算例比较了该方法和以往传统方法的不同。
2005, 22(2): 218-223.
摘要:
裂隙岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。为此利用位错模型法、叠加原理和伪力的Lengdre 多项式展开研究了加载情况下裂隙间的相互作用问题。利用该方法可以计算弯折裂纹和平行排列的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹相互作用对应变的影响。给出了许多复杂的算例,对单一断裂和X 断裂问题,计算结果表明单一断裂比X 型断裂更不稳定;对平行排列的弯折裂纹,应变依赖于裂隙的几何形状、几何和物理参数。含单一断裂岩体的应力应变曲线和裂隙的几何和物理参数有关。
裂隙岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。为此利用位错模型法、叠加原理和伪力的Lengdre 多项式展开研究了加载情况下裂隙间的相互作用问题。利用该方法可以计算弯折裂纹和平行排列的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹相互作用对应变的影响。给出了许多复杂的算例,对单一断裂和X 断裂问题,计算结果表明单一断裂比X 型断裂更不稳定;对平行排列的弯折裂纹,应变依赖于裂隙的几何形状、几何和物理参数。含单一断裂岩体的应力应变曲线和裂隙的几何和物理参数有关。
2005, 22(2): 224-231.
摘要:
针对复杂地基极限承载力计算的关键难点,应用土体极限平衡分析中的条分法,建立了一个比较精确的基于一般滑动面的复杂地基极限承载力的数值模拟方法;在数学力学分析的基础上将问题归结为一个优化数值分析模型,然后导入著名的模拟退火算法并结合随机搜索法建立了一种有效的耦合算法,编制了相应的计算程序;通过与现场试验的对比分析证实了方法的有效性,从而为复杂地基极限承载力的计算和分析提供了一条有效的途径。
针对复杂地基极限承载力计算的关键难点,应用土体极限平衡分析中的条分法,建立了一个比较精确的基于一般滑动面的复杂地基极限承载力的数值模拟方法;在数学力学分析的基础上将问题归结为一个优化数值分析模型,然后导入著名的模拟退火算法并结合随机搜索法建立了一种有效的耦合算法,编制了相应的计算程序;通过与现场试验的对比分析证实了方法的有效性,从而为复杂地基极限承载力的计算和分析提供了一条有效的途径。
2005, 22(2): 232-235,.
摘要:
基于理想结构单元法的基本思想,用加筋板单元模拟拉伸/压缩载荷作用下船体的屈曲/塑性破坏行为,并将其应用于船舶结构极限强度的计算,建立了一种面向船舶结构设计的新的极限强度计算方法,为船舶结构设计载荷的确定和安全性评估提供了一种快速可靠的方法。
基于理想结构单元法的基本思想,用加筋板单元模拟拉伸/压缩载荷作用下船体的屈曲/塑性破坏行为,并将其应用于船舶结构极限强度的计算,建立了一种面向船舶结构设计的新的极限强度计算方法,为船舶结构设计载荷的确定和安全性评估提供了一种快速可靠的方法。
2005, 22(2): 236-240.
摘要:
为保证大型天线结构的形状精度,传统的方法是使结构具有足够的刚度。当采用自适应结构控制天线形变规律的时候,可以大大降低结构的重量并使结构具有更高的形状精度。针对嵌入压电作动器的自适应抛物面天线结构,建立了以天线反射面最佳吻合抛物面的精度和作动器能耗为综合目标的多目标优化控制模型,模型以结构强度和作动器性态作为约束条件,并用线性加权和法转化为单目标二次规划问题。算例表明,可以用较少的作动器,实现大型天线结构的高精度控制。
为保证大型天线结构的形状精度,传统的方法是使结构具有足够的刚度。当采用自适应结构控制天线形变规律的时候,可以大大降低结构的重量并使结构具有更高的形状精度。针对嵌入压电作动器的自适应抛物面天线结构,建立了以天线反射面最佳吻合抛物面的精度和作动器能耗为综合目标的多目标优化控制模型,模型以结构强度和作动器性态作为约束条件,并用线性加权和法转化为单目标二次规划问题。算例表明,可以用较少的作动器,实现大型天线结构的高精度控制。
