2015年 第32卷 第5期
2015, 32(5): 1-5,27.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1014
摘要：
针对稳态热传导问题,以结构散热弱度最小为目标,建立了连续体传热结构的拓扑优化模型和方法,给出了相应的算例。优化方法中分别建立了设计相关载荷和非相关载荷的灵敏度列式,采用Rational Approximation of Material Properties (RAMP)方法对材料密度进行惩罚,利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应。算例的结果直观显示了设计相关载荷和非设计相关载荷以及复合载荷对结构拓扑构型的影响规律,表明了该文考虑设计相关载荷的稳态热传导结构拓扑优化方法的合理性。
针对稳态热传导问题,以结构散热弱度最小为目标,建立了连续体传热结构的拓扑优化模型和方法,给出了相应的算例。优化方法中分别建立了设计相关载荷和非相关载荷的灵敏度列式,采用Rational Approximation of Material Properties (RAMP)方法对材料密度进行惩罚,利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应。算例的结果直观显示了设计相关载荷和非设计相关载荷以及复合载荷对结构拓扑构型的影响规律,表明了该文考虑设计相关载荷的稳态热传导结构拓扑优化方法的合理性。
2015, 32(5): 6-7.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1034
摘要：
求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。
求解方程的稠密矩阵特征极大削弱了传统边界元法在求解大规模实际工程问题中的优势。为此,结合快速多极子展开技术,发展一种新的高精度快速间接边界元方法,用于求解大尺度或高频弹性波二维散射问题。以全空间孔洞周围SH波散射为例,给出了具体求解步骤。算例分析表明该方法具有很高的计算精度和求解效率,同时能够大幅度降低计算存储量,可在目前主流计算机上实现上百万自由度弹性波散射问题的快速求解。最后以半空间中凹陷场地对SH波的高频散射为例,讨论了凹陷周围高频波散射的基本特征,可为峡谷地形中大型工程抗震设计提供部分理论依据。
2015, 32(5): 13-18.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1099
摘要：
以S-型游动鱼作为对象,采用不可压缩Neo-Hookean材料描述鱼游动过程中的柔性变形及其与流体相互作用产生推力的自主游动特性。基于浸入边界法(IBM)的有限单元(FEM)离散模型,模拟了考虑鱼体肌肉作用力效应的柔性鱼在不可压缩粘性流体中自主游动的动力学过程,分析了流固耦合柔性鱼的游动机制及柔性变形的水弹性动力学特性。研究发现：随着鱼尾部不断呈S-型往复摆动,鱼体运动速度也呈波动形状,且受流固耦合的水动力学特性控制,并与鱼体的刚度密切相关。游动过程中,在鱼头的部位首先有涡旋形成,随着鱼向前游动,这些涡旋附着在鱼体表面向后滑移,并在鱼尾末端脱落形成S-型状的尾流。S-型状尾流直接影响鱼游动的速度及稳 定性。
以S-型游动鱼作为对象,采用不可压缩Neo-Hookean材料描述鱼游动过程中的柔性变形及其与流体相互作用产生推力的自主游动特性。基于浸入边界法(IBM)的有限单元(FEM)离散模型,模拟了考虑鱼体肌肉作用力效应的柔性鱼在不可压缩粘性流体中自主游动的动力学过程,分析了流固耦合柔性鱼的游动机制及柔性变形的水弹性动力学特性。研究发现：随着鱼尾部不断呈S-型往复摆动,鱼体运动速度也呈波动形状,且受流固耦合的水动力学特性控制,并与鱼体的刚度密切相关。游动过程中,在鱼头的部位首先有涡旋形成,随着鱼向前游动,这些涡旋附着在鱼体表面向后滑移,并在鱼尾末端脱落形成S-型状的尾流。S-型状尾流直接影响鱼游动的速度及稳 定性。
2015, 32(5): 19-27.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0435
摘要：
火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为,其主要特点是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化,进而引起结构体系内的内力重分布。目前,针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展,而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型,对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应,比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最后,采用Pushdown方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。
火灾是高层建筑安全的主要威胁之一。建筑物在火灾作用下的力学响应是整体结构的行为,其主要特点是结构系统内受火区域子结构的刚度和承载力随火灾的发展而变化,进而引起结构体系内的内力重分布。目前,针对高层结构构件的抗火性能已有相关研究开展,而对于高层混凝土结构的整体抗火性能方面的研究还并不多见。该文采用考虑高温作用的纤维梁和分层壳模型,对某超高层建筑结构进行了整体结构的抗火分析。通过模拟超高层结构不同部位在标准升温曲线作用下的整体结构响应,比较分析了火灾作用下超高层结构的抗火性能。最后,采用Pushdown方法分析了火灾作用下结构的抗倒塌性能。
2015, 32(5): 28-36,50.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0313
摘要：
剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。
剪跨比较小或配箍不足的钢筋混凝土桥墩易发生剪切破坏,而现有的纤维单元模型忽略了剪切变形,不能合理评估弯剪或剪切破坏桥墩的抗震能力。为有效模拟剪切作用影响下钢筋混凝土桥墩的抗震性能,以36个剪切及弯剪破坏圆形截面钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,建立了墩柱剪切破坏时墩底转角的计算公式。利用OpenSees分析平台,建立了基于非线性纤维梁柱单元和零长度剪切弹簧单元的数值分析模型,以此来考虑弯曲和剪切效应的耦合作用。以数值模型中墩底转角来监测试件剪切破坏的发生,剪切破坏发生前模型以纤维梁柱单元模拟的弯曲变形为主;此后,桥墩地震反应以剪切弹簧单元控制,以模拟试件由于剪切破坏导致的强度和刚度退化等行为。通过对12个剪切及弯剪破坏圆形截面桥墩抗震拟静力试验的模拟结果表明,模拟的滞回曲线与试验结果吻合较好,并且能很好地模拟钢筋混凝土结构由于剪切作用引起的刚度与强度的退化现象,验证了模型的合理性。
2015, 32(5): 37-50.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1088
摘要：
为预测钢结构焊接节点在地震作用下的延性断裂,开展了微观机理断裂模型的标定和验证工作。空穴扩张模型VGM和应力修正临界应变模型SMCS,将延性断裂的微观机理(空穴形核、扩张和聚合)与宏观的应力-应变场结合了起来。利用已有的缺口圆棒拉伸试验,辅以有限元分析,标定了Q345钢材母材、焊缝和热影响区3种材料的VGM和SMCS模型参数。进行了7个梁柱节点局部焊接试件的拉伸试验,测得了试件的断裂伸长量。建立了试件的精细实体有限元模型,分别采用断裂力学J积分方法和VGM、SMCS模型预测试件的断裂伸长量,并与试验结果进行比较。结果表明,VGM和SMCS模型预测焊接节点延性启裂的准确性较好,而J积分方法过于保守。该文为钢结构焊接节点的延性断裂预测提供了一种仅依赖于材料属性的普适性方法。
为预测钢结构焊接节点在地震作用下的延性断裂,开展了微观机理断裂模型的标定和验证工作。空穴扩张模型VGM和应力修正临界应变模型SMCS,将延性断裂的微观机理(空穴形核、扩张和聚合)与宏观的应力-应变场结合了起来。利用已有的缺口圆棒拉伸试验,辅以有限元分析,标定了Q345钢材母材、焊缝和热影响区3种材料的VGM和SMCS模型参数。进行了7个梁柱节点局部焊接试件的拉伸试验,测得了试件的断裂伸长量。建立了试件的精细实体有限元模型,分别采用断裂力学J积分方法和VGM、SMCS模型预测试件的断裂伸长量,并与试验结果进行比较。结果表明,VGM和SMCS模型预测焊接节点延性启裂的准确性较好,而J积分方法过于保守。该文为钢结构焊接节点的延性断裂预测提供了一种仅依赖于材料属性的普适性方法。
2015, 32(5): 51-56.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1021
摘要：
在再生粗骨料取代率为100%的情况下,以再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量为主要变量,进行自保温再生混凝土导热系数的试验研究,再生细骨料取代率为0%、50%、100%,玻化微珠掺量占混凝土总体积比为60%~120%,揭示了自保温再生混凝土多因素的影响规律并得出综合性能优化的配合比。在此基础上,进行了自保温再生混凝土空心砌块墙体的热工性能研究,结合理论计算和数值模拟分析,对自保温再生混凝土空心砌块和普通混凝土空心砌块的保温性能进行了对比分析,结果表明：自保温再生混凝土空心砌块的热阻值比同强度普通混凝土的对应值增大41.9%,在室内外温差23℃的条件下,1h后普通混凝土空心砌块墙体的室内温升较自保温再生混凝土空心砌块墙体高44.9%,当墙体内外各采用一层20mm厚保温砂浆粉刷时,自保温再生混凝土空心砌块墙体可达到节能65%的要求。
在再生粗骨料取代率为100%的情况下,以再生细骨料取代率和玻化微珠体积掺量为主要变量,进行自保温再生混凝土导热系数的试验研究,再生细骨料取代率为0%、50%、100%,玻化微珠掺量占混凝土总体积比为60%~120%,揭示了自保温再生混凝土多因素的影响规律并得出综合性能优化的配合比。在此基础上,进行了自保温再生混凝土空心砌块墙体的热工性能研究,结合理论计算和数值模拟分析,对自保温再生混凝土空心砌块和普通混凝土空心砌块的保温性能进行了对比分析,结果表明：自保温再生混凝土空心砌块的热阻值比同强度普通混凝土的对应值增大41.9%,在室内外温差23℃的条件下,1h后普通混凝土空心砌块墙体的室内温升较自保温再生混凝土空心砌块墙体高44.9%,当墙体内外各采用一层20mm厚保温砂浆粉刷时,自保温再生混凝土空心砌块墙体可达到节能65%的要求。
2015, 32(5): 57-63.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1027
摘要：
为研究船闸软土基坑边坡中桥梁双桩基础的桩土相互作用复杂力学行为,计及渗流作用、滑坡推力、桩侧摩阻力、轴力效应及桩间土等因数影响,采用“m”法模拟桩土相互作用,根据力和力矩平衡条件建立桩基础控制微分方程,建立微分方程的二阶精度差分方程组,数值模拟基桩位移及内力。理论桩顶位移与现场监测桩顶位移吻合较好,验证了该文中理论分析方法的有效性,该理论分析方法可做实际工程设计与研究参考方法。
为研究船闸软土基坑边坡中桥梁双桩基础的桩土相互作用复杂力学行为,计及渗流作用、滑坡推力、桩侧摩阻力、轴力效应及桩间土等因数影响,采用“m”法模拟桩土相互作用,根据力和力矩平衡条件建立桩基础控制微分方程,建立微分方程的二阶精度差分方程组,数值模拟基桩位移及内力。理论桩顶位移与现场监测桩顶位移吻合较好,验证了该文中理论分析方法的有效性,该理论分析方法可做实际工程设计与研究参考方法。
2015, 32(5): 64-75,83.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1029
摘要：
铁路道床由尺寸和形状各异的道砟颗粒组成,道砟颗粒的形状对道床的强度、变形等力学特性具有显著影响,反映颗粒单一方向尺寸分布特征的级配曲线难以全面描述形状不规则的道砟颗粒的几何特征。该文利用计算机视觉成像技术获得道砟颗粒在三个相互垂直方向的投影图,提取投影图轮廓并计算其几何特征参数;基于颗粒三视图重建与真实道砟颗粒具备相同几何特征的三维模型,引入到自行开发的三维块体离散元数值模拟程序中,建立了真实道砟颗粒料的三维离散元分析模型。通过与多种竖向压力作用下的室内直剪试验结果进行对比,验证了该方法可靠性;并在此基础上对道砟颗粒料在直剪试验中的变形和细观力学特性进行了深入详细的分析。
铁路道床由尺寸和形状各异的道砟颗粒组成,道砟颗粒的形状对道床的强度、变形等力学特性具有显著影响,反映颗粒单一方向尺寸分布特征的级配曲线难以全面描述形状不规则的道砟颗粒的几何特征。该文利用计算机视觉成像技术获得道砟颗粒在三个相互垂直方向的投影图,提取投影图轮廓并计算其几何特征参数;基于颗粒三视图重建与真实道砟颗粒具备相同几何特征的三维模型,引入到自行开发的三维块体离散元数值模拟程序中,建立了真实道砟颗粒料的三维离散元分析模型。通过与多种竖向压力作用下的室内直剪试验结果进行对比,验证了该方法可靠性;并在此基础上对道砟颗粒料在直剪试验中的变形和细观力学特性进行了深入详细的分析。
2015, 32(5): 76-83.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1041
摘要：
沉管隧道纵向地震响应分析是沉管隧道抗震设计的关键。根据沉管隧道结构的几何特征和结构特点,基于合理假设建立了沉管隧道的多刚体-弹性阻尼铰-阻尼铰动力学模型,并运用多体动力学理论中的离散时间传递矩阵法(MS-DT-TMM)推导出了其数学模型及表达式。通过算例进行了沉管隧道纵向地震响应的时程分析,并将该方法与传统有限元方法的计算结果进行了对比,结果表明了MS-DT-TMM法的可行性和有效性,为快速实现沉管隧道抗震计算分析提供了新的手段。
沉管隧道纵向地震响应分析是沉管隧道抗震设计的关键。根据沉管隧道结构的几何特征和结构特点,基于合理假设建立了沉管隧道的多刚体-弹性阻尼铰-阻尼铰动力学模型,并运用多体动力学理论中的离散时间传递矩阵法(MS-DT-TMM)推导出了其数学模型及表达式。通过算例进行了沉管隧道纵向地震响应的时程分析,并将该方法与传统有限元方法的计算结果进行了对比,结果表明了MS-DT-TMM法的可行性和有效性,为快速实现沉管隧道抗震计算分析提供了新的手段。
2015, 32(5): 84-93.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1043
摘要：
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2015, 32(5): 94-101,154.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1045
摘要：
为分析复合材料层合板壳结构,提出了一种协同转动六节点三边形复合材料曲壳单元。不同于现有的其它协同转动有限单元：1) 该单元中采用了增量可加的矢量型转动变量,因而在非线性增量求解过程中更新节点转动变量非常简单;2) 在计算应变能对局部节点变量的二阶偏微分时,微分的次序是可以交换的,并且通过链式微分计算应变能对整体节点变量的二阶偏微分时,微分的次序也是可以交换的,因此,得到的局部和整体坐标系下的切线刚度矩阵都是对称的;3) 在此有限单元公式中引入了混合公式法,以减轻膜闭锁和剪切闭锁的不利影响。对4个典型算例进行了分析,并与其他文献的结果进行对比,该文提出的单元的可靠性和计算效率得到了验证。
为分析复合材料层合板壳结构,提出了一种协同转动六节点三边形复合材料曲壳单元。不同于现有的其它协同转动有限单元：1) 该单元中采用了增量可加的矢量型转动变量,因而在非线性增量求解过程中更新节点转动变量非常简单;2) 在计算应变能对局部节点变量的二阶偏微分时,微分的次序是可以交换的,并且通过链式微分计算应变能对整体节点变量的二阶偏微分时,微分的次序也是可以交换的,因此,得到的局部和整体坐标系下的切线刚度矩阵都是对称的;3) 在此有限单元公式中引入了混合公式法,以减轻膜闭锁和剪切闭锁的不利影响。对4个典型算例进行了分析,并与其他文献的结果进行对比,该文提出的单元的可靠性和计算效率得到了验证。
2015, 32(5): 102-110.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1051
摘要：
为研究高混凝土梁柱节点的抗震性能,进行了4个高强箍筋混凝土节点和1个普通箍筋混凝土节点的低周往复荷载加载试验,研究了高强混凝土节点的破坏形态、滞回特性、耗能能力、受剪性能及箍筋的应力水平,分析了箍筋强度、体积配箍率和箍筋形式对节点承载力、延性、耗能和剪切变形的影响。结果表明：高强箍筋节点的破坏过程与普通箍筋节点类似;提高箍筋屈服强度对节点的承载力提高效果有限,但可有效提高位移延性和耗能能力,同时限制了节点核心区的剪切变形;试件达到极限位移时,普通箍筋试件箍筋已屈服,复合高强箍筋试件箍筋强度发挥比较充分,表现出较好的抗震性能。
为研究高混凝土梁柱节点的抗震性能,进行了4个高强箍筋混凝土节点和1个普通箍筋混凝土节点的低周往复荷载加载试验,研究了高强混凝土节点的破坏形态、滞回特性、耗能能力、受剪性能及箍筋的应力水平,分析了箍筋强度、体积配箍率和箍筋形式对节点承载力、延性、耗能和剪切变形的影响。结果表明：高强箍筋节点的破坏过程与普通箍筋节点类似;提高箍筋屈服强度对节点的承载力提高效果有限,但可有效提高位移延性和耗能能力,同时限制了节点核心区的剪切变形;试件达到极限位移时,普通箍筋试件箍筋已屈服,复合高强箍筋试件箍筋强度发挥比较充分,表现出较好的抗震性能。
2015, 32(5): 111-119.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1053
摘要：
为将格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)用于桥梁气动导数的识别,该文将壁面自适应局部(Wall-Adapting Local Eddy, WALE)涡黏性模型引入到多松弛时间格式(Multiple Relaxation Time,MRT)的LBM中,构造了一种能够有效模拟桥梁结构高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-WALE。采用MRT-LBM-WALE和动边界技术驱动主梁断面在流场中做正弦竖向或扭转振动,在虚拟风洞中实现了强迫振动法识别气动导数的LBM仿真。利用方柱非定常绕流问题验证MRT-LBM-WALE的可靠性后,对理想平板和Great Belt东桥的气动导数进行了计算。研究证明MRT-LBM-WALE能够得到近壁面上真实的亚格子涡黏性,可以准确地预测湍流流动的发展。同时,研究表明气动导数的MRT-LBM-WALE仿真值与理论解或试验值吻合较好。
为将格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)用于桥梁气动导数的识别,该文将壁面自适应局部(Wall-Adapting Local Eddy, WALE)涡黏性模型引入到多松弛时间格式(Multiple Relaxation Time,MRT)的LBM中,构造了一种能够有效模拟桥梁结构高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-WALE。采用MRT-LBM-WALE和动边界技术驱动主梁断面在流场中做正弦竖向或扭转振动,在虚拟风洞中实现了强迫振动法识别气动导数的LBM仿真。利用方柱非定常绕流问题验证MRT-LBM-WALE的可靠性后,对理想平板和Great Belt东桥的气动导数进行了计算。研究证明MRT-LBM-WALE能够得到近壁面上真实的亚格子涡黏性,可以准确地预测湍流流动的发展。同时,研究表明气动导数的MRT-LBM-WALE仿真值与理论解或试验值吻合较好。
2015, 32(5): 120-130.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1078
摘要：
宽翼缘钢-混凝土组合梁结构中剪滞效应的存在将导致混凝土翼板、钢梁底板及腹板发生纵向翘曲变形,对组合梁截面应力和变形产生重要影响。为了深入分析其作用机理,该文基于最小势能原理,忽略界面滑移效应,在假定混凝土翼板、钢梁底板纵向变形沿板宽度方向呈近似抛物线分布的前提下,推导了宽翼缘双箱钢-混凝土组合梁结构考虑剪滞效应的控制微分方程。并求得在两端简支约束条件和集中荷载作用下的应力和变形解析表达式。通过数值算例,结合组合梁试验、有限元模拟三者相互比较分析,表明该文提出的方法为分析组合梁结构关于剪滞效应问题提供了理论基础,对工程应用具有一定的指导作用和参考价值。
宽翼缘钢-混凝土组合梁结构中剪滞效应的存在将导致混凝土翼板、钢梁底板及腹板发生纵向翘曲变形,对组合梁截面应力和变形产生重要影响。为了深入分析其作用机理,该文基于最小势能原理,忽略界面滑移效应,在假定混凝土翼板、钢梁底板纵向变形沿板宽度方向呈近似抛物线分布的前提下,推导了宽翼缘双箱钢-混凝土组合梁结构考虑剪滞效应的控制微分方程。并求得在两端简支约束条件和集中荷载作用下的应力和变形解析表达式。通过数值算例,结合组合梁试验、有限元模拟三者相互比较分析,表明该文提出的方法为分析组合梁结构关于剪滞效应问题提供了理论基础,对工程应用具有一定的指导作用和参考价值。
2015, 32(5): 131-137.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1082
摘要：
为改善叠合式地下室外墙板基础顶部的受力情况,提出了嵌入式基础。设计制作了两组共4个试件,并施加模拟侧向土压力的平面外荷载进行了静力加载试验。结果表明：墙板嵌入深度对受力性能有较大影响,嵌入深度较大的第1组试件基础基本保持完好,破坏模式为墙板底部在剪力和弯矩共同作用下发生斜拉破坏;对于嵌入深度较小的第2组试件,基础底座发生了严重破坏,破坏模式为跨中塑性铰达到转动极限;预制墙板和核心区现浇混凝土未发生明显滑移,能够有效地共同工作。在试验研究基础上,采用ANSYS软件对试件受力过程进行了数值模拟分析。分析与试验结果的对比表明：所建立的有限元分析模型可以较好地模拟试件的受力过程和破坏形态,可作为下一步研究的基础。
为改善叠合式地下室外墙板基础顶部的受力情况,提出了嵌入式基础。设计制作了两组共4个试件,并施加模拟侧向土压力的平面外荷载进行了静力加载试验。结果表明：墙板嵌入深度对受力性能有较大影响,嵌入深度较大的第1组试件基础基本保持完好,破坏模式为墙板底部在剪力和弯矩共同作用下发生斜拉破坏;对于嵌入深度较小的第2组试件,基础底座发生了严重破坏,破坏模式为跨中塑性铰达到转动极限;预制墙板和核心区现浇混凝土未发生明显滑移,能够有效地共同工作。在试验研究基础上,采用ANSYS软件对试件受力过程进行了数值模拟分析。分析与试验结果的对比表明：所建立的有限元分析模型可以较好地模拟试件的受力过程和破坏形态,可作为下一步研究的基础。
2015, 32(5): 138-146.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1083
摘要：
考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明：爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。
考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明：爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。
2015, 32(5): 147-154.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1087
摘要：
土体的强度问题要远远复杂于金属材料,是目前的一个难点和热点问题。从已有的文献看,学者们提出了很多的强度理论模型,但这些模型大多建立在假设和实验的基础上,其更深层次的理论研究还比较欠缺。该文通过对随机均匀网状颗粒链结构土体模型分析,从理论上得到了类似于剑桥强度模型的帽子模型,且通过不同的假定,可以导出在π平面上的不同强度曲线(曲面)。得出结论：最保守情况下的强度曲线(曲面)是π平面上正六边形,在纵向为二次曲线型的帽子模型。另外发现,当颗粒链受到破坏,链长度越来越短时,强度曲面的顶点向无限远处移动,形成接近开口的强度曲面形式,也就是从剑桥帽子模型过渡到锥形的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型。也就是说,长颗粒链模型将剑桥模型和莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型联系和统一了起来。
土体的强度问题要远远复杂于金属材料,是目前的一个难点和热点问题。从已有的文献看,学者们提出了很多的强度理论模型,但这些模型大多建立在假设和实验的基础上,其更深层次的理论研究还比较欠缺。该文通过对随机均匀网状颗粒链结构土体模型分析,从理论上得到了类似于剑桥强度模型的帽子模型,且通过不同的假定,可以导出在π平面上的不同强度曲线(曲面)。得出结论：最保守情况下的强度曲线(曲面)是π平面上正六边形,在纵向为二次曲线型的帽子模型。另外发现,当颗粒链受到破坏,链长度越来越短时,强度曲面的顶点向无限远处移动,形成接近开口的强度曲面形式,也就是从剑桥帽子模型过渡到锥形的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型。也就是说,长颗粒链模型将剑桥模型和莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型联系和统一了起来。
2015, 32(5): 155-161.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1089
摘要：
考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明：RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。
考虑材料非线性和应变率相关性等因素的影响,运用LS_DYNA非线性有限元软件对RC梁横向低速冲击试验进行了数值模拟,从动态损伤扩展、冲击能量转化等方面研究了RC梁的冲击响应过程和破坏机理。结果表明：RC梁的冲击响应过程可分为局部响应、整体响应和回弹变形三个阶段;RC梁的损伤主要发生在局部响应阶段,梁体变形主要发生在整体响应阶段;局部响应阶段的冲击力完全由梁体惯性力平衡,整体响应阶段的变形模式和截面弯矩分布与刚塑性模型基本相同;受拉钢筋变形耗能是RC梁最主要的冲击耗能机制。
2015, 32(5): 162-167,177.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1094
摘要：
采用抽柱法对一双层双向RC空间框架结构进行了拟静力倒塌试验,分别研究了框架结构底层边中柱失效后,剩余结构的竖向倒塌过程、倒塌机制和倒塌细节。试验结果表明：RC空间框架结构竖向倒塌分为外推阶段(拱作用阶段)、内收阶段(悬链线作用阶段)和倒塌阶段三个阶段;现浇楼板推迟甚至避免了梁铰出现,具体与现浇楼板对梁的约束大小有关;RC空间框架结构具有良好的抗连续倒塌性能,但应特别注意现浇楼板对结构抗连续倒塌性能的影响。在试验研究基础上,分析了RC空间框架结构竖向倒塌机制的转化过程,提出了最大侧向变形和临界塌落位移的计算模型和求解方法,建立了结构损伤指数模型。
采用抽柱法对一双层双向RC空间框架结构进行了拟静力倒塌试验,分别研究了框架结构底层边中柱失效后,剩余结构的竖向倒塌过程、倒塌机制和倒塌细节。试验结果表明：RC空间框架结构竖向倒塌分为外推阶段(拱作用阶段)、内收阶段(悬链线作用阶段)和倒塌阶段三个阶段;现浇楼板推迟甚至避免了梁铰出现,具体与现浇楼板对梁的约束大小有关;RC空间框架结构具有良好的抗连续倒塌性能,但应特别注意现浇楼板对结构抗连续倒塌性能的影响。在试验研究基础上,分析了RC空间框架结构竖向倒塌机制的转化过程,提出了最大侧向变形和临界塌落位移的计算模型和求解方法,建立了结构损伤指数模型。
2015, 32(5): 168-177.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.10.0770
摘要：
该文基于大跨平屋盖和马鞍屋盖表面锥形涡流动显示试验,对现有的兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,从而建立了简化的二维锥形涡流动模型,给出了旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型,分析了旋涡强度的影响因素即为旋涡内部流线曲率和旋涡流速：旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越大。基于流动显示试验和测压试验所得平屋盖以及马鞍屋盖表面各旋涡参数之比,以平屋盖表面锥形涡为基准,量化了各风向下马鞍屋盖表面的锥形涡强度。通过加入考虑旋涡效应对传统准定常理论进行修正,给出了锥形涡涡核吸力(均值、峰值)的计算公式,并将计算值与马鞍屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证了锥形涡流动模型对于预测马鞍表面锥形涡涡核吸力的有效性。
该文基于大跨平屋盖和马鞍屋盖表面锥形涡流动显示试验,对现有的兰金涡模型进行改进,在其涡核区与势流区之间添加过渡区,从而建立了简化的二维锥形涡流动模型,给出了旋涡上部流速、旋涡内部流线曲率以及屋面涡核吸力之间的定量关系。据此流动模型,分析了旋涡强度的影响因素即为旋涡内部流线曲率和旋涡流速：旋涡内部流线曲率越大,旋涡转速越快,旋涡强度越大。基于流动显示试验和测压试验所得平屋盖以及马鞍屋盖表面各旋涡参数之比,以平屋盖表面锥形涡为基准,量化了各风向下马鞍屋盖表面的锥形涡强度。通过加入考虑旋涡效应对传统准定常理论进行修正,给出了锥形涡涡核吸力(均值、峰值)的计算公式,并将计算值与马鞍屋盖刚性模型风洞测压试验数据进行对比,验证了锥形涡流动模型对于预测马鞍表面锥形涡涡核吸力的有效性。
2015, 32(5): 178-183.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0265
摘要：
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2015, 32(5): 184-191.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.02.0135
摘要：
针对均质土层中圆形盾构隧道在水平剪切波作用下的地震响应分析问题,在获得隧道周边自由场剪切应力的基础上,利用弹性中心法和空洞复变函数,给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的解析分析公式;并建立相同条件的等效刚度数值分析模型和考虑接头效应的有接头分析模型进行对比。研究表明：等效刚度拟静力法与等效刚度数值法所获得的剪切地震波作用附加弯矩、附加轴力分布形态及其最大值发生位置都具有良好的一致性;在三种方法获得的附加弯矩和附加轴力当中,等效刚度拟静力法最大,等效刚度数值法次之,有接头数值法最小;土层结构界面滑移相对不滑移而言,附加轴力偏小、附加弯矩偏大;等效刚度拟静力法结果偏于安全,公式简便,考虑界面滑移时更加接近实际,故可推荐考虑滑移条件的等效刚度拟静力法作为深埋圆形盾构隧道的抗震设计方法,并与常时荷载静力分析结果叠加后进行配筋设计。
针对均质土层中圆形盾构隧道在水平剪切波作用下的地震响应分析问题,在获得隧道周边自由场剪切应力的基础上,利用弹性中心法和空洞复变函数,给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的解析分析公式;并建立相同条件的等效刚度数值分析模型和考虑接头效应的有接头分析模型进行对比。研究表明：等效刚度拟静力法与等效刚度数值法所获得的剪切地震波作用附加弯矩、附加轴力分布形态及其最大值发生位置都具有良好的一致性;在三种方法获得的附加弯矩和附加轴力当中,等效刚度拟静力法最大,等效刚度数值法次之,有接头数值法最小;土层结构界面滑移相对不滑移而言,附加轴力偏小、附加弯矩偏大;等效刚度拟静力法结果偏于安全,公式简便,考虑界面滑移时更加接近实际,故可推荐考虑滑移条件的等效刚度拟静力法作为深埋圆形盾构隧道的抗震设计方法,并与常时荷载静力分析结果叠加后进行配筋设计。
2015, 32(5): 192-197,207.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.05.0419
摘要：
为考察含平行裂隙群岩体的强度特征及裂纹扩展规律,结合数字照相量测系统,对不同裂隙倾角下类岩石试样进行了单轴压缩试验。试验结果表明,受裂隙群的影响,试样的力学参数发生一定的劣化,峰值应力和弹性模量的劣化程度分别在10.84%~35.62%和9.79%~54.17%;随着裂隙倾角的逐渐增大,试样峰值应力呈现出先减小后增大的“U”型变化特征,θ为45°时达到最小值。试样破裂形式与裂隙倾角θ 密切相关,θ为15°和30°时,次生裂纹以倾斜裂纹和中部裂纹扩展为主,试样失稳破坏模式主要由倾斜裂纹主导;而θ为45°、60°和75°时,次生裂纹主要为翼裂纹和共面裂纹,且试样失稳破裂模式主要取决于共面裂纹。
为考察含平行裂隙群岩体的强度特征及裂纹扩展规律,结合数字照相量测系统,对不同裂隙倾角下类岩石试样进行了单轴压缩试验。试验结果表明,受裂隙群的影响,试样的力学参数发生一定的劣化,峰值应力和弹性模量的劣化程度分别在10.84%~35.62%和9.79%~54.17%;随着裂隙倾角的逐渐增大,试样峰值应力呈现出先减小后增大的“U”型变化特征,θ为45°时达到最小值。试样破裂形式与裂隙倾角θ 密切相关,θ为15°和30°时,次生裂纹以倾斜裂纹和中部裂纹扩展为主,试样失稳破坏模式主要由倾斜裂纹主导;而θ为45°、60°和75°时,次生裂纹主要为翼裂纹和共面裂纹,且试样失稳破裂模式主要取决于共面裂纹。
2015, 32(5): 198-207.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0077
摘要：
基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,分析了含液饱和多孔二维简支梁的动力响应,其中考虑了固体颗粒和流体的可压缩性以及孔隙流体的粘滞性。通过Fourier级数展开和常微分方程组的求解,得到了含液饱和多孔二维梁动力响应问题的解,并将其退化为单相固体二维梁的情形与Bernoulli-Euler梁和Timoshenko梁的自由振动相比较,验证了该文方法的正确性。作为数值算例,分析了含液饱和多孔二维梁的自由振动以及在均布简谐荷载作用下的动力响应特性,分析了表面渗透条件、孔隙流体渗透系数和荷载频率等参数对含液饱和多孔二维梁的自由振动频率、固相位移和孔隙流体压力等物理量的影响。
基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,分析了含液饱和多孔二维简支梁的动力响应,其中考虑了固体颗粒和流体的可压缩性以及孔隙流体的粘滞性。通过Fourier级数展开和常微分方程组的求解,得到了含液饱和多孔二维梁动力响应问题的解,并将其退化为单相固体二维梁的情形与Bernoulli-Euler梁和Timoshenko梁的自由振动相比较,验证了该文方法的正确性。作为数值算例,分析了含液饱和多孔二维梁的自由振动以及在均布简谐荷载作用下的动力响应特性,分析了表面渗透条件、孔隙流体渗透系数和荷载频率等参数对含液饱和多孔二维梁的自由振动频率、固相位移和孔隙流体压力等物理量的影响。
2015, 32(5): 208-212,220.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1013
摘要：
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2015, 32(5): 213-220.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1054
摘要：
齿轮副啮合耦合振动系统是一个多自由度参数振动系统。该文考虑啮合刚度时变性,传动轴、轴承和箱体等支撑刚度和阻尼,轮齿传动误差以及输入转矩非线性等因素的影响,建立了直齿圆柱齿轮副啮合耦合动力学模型。将动力学方程转换到正则模态下,利用多尺度法对其进行动力稳定性分析,推导出主共振和亚谐共振条件下系统的组合共振频率以及稳定性边界。数值模拟系统非参数和参数共振响应,与摄动法结果吻合较好。结果表明：当轮齿啮合频率接近和型共振频率时,系统发生参数共振,存在着不收敛的无界解。系统的非参数共振响应为概周期响应,包含着多种组合频率成分。
齿轮副啮合耦合振动系统是一个多自由度参数振动系统。该文考虑啮合刚度时变性,传动轴、轴承和箱体等支撑刚度和阻尼,轮齿传动误差以及输入转矩非线性等因素的影响,建立了直齿圆柱齿轮副啮合耦合动力学模型。将动力学方程转换到正则模态下,利用多尺度法对其进行动力稳定性分析,推导出主共振和亚谐共振条件下系统的组合共振频率以及稳定性边界。数值模拟系统非参数和参数共振响应,与摄动法结果吻合较好。结果表明：当轮齿啮合频率接近和型共振频率时,系统发生参数共振,存在着不收敛的无界解。系统的非参数共振响应为概周期响应,包含着多种组合频率成分。
2015, 32(5): 221-226,235.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1058
摘要：
针对粉粒物料运输车自动卸料的需要,首先,利用流体动力学理论,分析气粉混合的两相流体在不同入口流速时对开闭蝶阀动扭矩和轴承扭矩的影响。并利用自由流线理论求出流体流经蝶阀不同开口角度时的收口系数。其次,构造电磁驱动系统,对该驱动系统进行电磁学特性分析,以求出驱动蝶阀的电磁力,以及电磁力与电流之间的关系。并利用一阶暂态理论分析电阻电感电路,求出驱动器动铁芯位移对电路电流波动的影响。继而,利用机械动力学理论对该蝶阀及其电磁驱动系统进行非线性分析。设定蝶阀入口流体的不同速度,利用Simulink进行数值模拟,分析电流、蝶阀开闭速度、蝶阀开口角度的变化规律,以获知自动卸料系统中电路电流波动较小与蝶阀转速更平稳的基本参数。
针对粉粒物料运输车自动卸料的需要,首先,利用流体动力学理论,分析气粉混合的两相流体在不同入口流速时对开闭蝶阀动扭矩和轴承扭矩的影响。并利用自由流线理论求出流体流经蝶阀不同开口角度时的收口系数。其次,构造电磁驱动系统,对该驱动系统进行电磁学特性分析,以求出驱动蝶阀的电磁力,以及电磁力与电流之间的关系。并利用一阶暂态理论分析电阻电感电路,求出驱动器动铁芯位移对电路电流波动的影响。继而,利用机械动力学理论对该蝶阀及其电磁驱动系统进行非线性分析。设定蝶阀入口流体的不同速度,利用Simulink进行数值模拟,分析电流、蝶阀开闭速度、蝶阀开口角度的变化规律,以获知自动卸料系统中电路电流波动较小与蝶阀转速更平稳的基本参数。
2015, 32(5): 227-235.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1080
摘要：
为了获得复合材料稳态导热性优化微结构构型,基于独立连续映射法,建立了周期性结构拓扑优化模型。在优化模型中,以重量最小化为目标、散热弱度为约束。采用一阶泰勒展开近似表达散热弱度约束函数。基于偏微分方程实施的图像过滤方法消除了棋盘格现象和网格依赖性问题。为了满足周期性约束,设计区域划分为若干相同大小的子区域,散热弱度贡献系数被重新分配。对比分析循环周期数、不同约束载荷工况下的拓扑优化构型。数值算例结果验证提出方法可以有效实现热传导下的复合材料微结构优化设计。
为了获得复合材料稳态导热性优化微结构构型,基于独立连续映射法,建立了周期性结构拓扑优化模型。在优化模型中,以重量最小化为目标、散热弱度为约束。采用一阶泰勒展开近似表达散热弱度约束函数。基于偏微分方程实施的图像过滤方法消除了棋盘格现象和网格依赖性问题。为了满足周期性约束,设计区域划分为若干相同大小的子区域,散热弱度贡献系数被重新分配。对比分析循环周期数、不同约束载荷工况下的拓扑优化构型。数值算例结果验证提出方法可以有效实现热传导下的复合材料微结构优化设计。
2015, 32(5): 236-242.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1030
摘要：
通过在风洞侧壁安装动态压力传感器测量侧壁脉动压力的方法针对NACA0012翼型开展了零攻角状态下跨声速抖振特性的实验研究,并测量了翼型沿弦向与展向的压力分布。从时域和频域两个方面分析了脉动压力结果,得到了NACA0012翼型的跨声速抖振起始马赫数和抖振频率等抖振特性。研究结果表明：风洞二维性较好,侧壁区域的压力情况能够反映核心流压力变化情况;抖振发生在实验马赫数Maexp = 0.88~0.89范围内;随着马赫数的增大,抖振频率有所增加。
通过在风洞侧壁安装动态压力传感器测量侧壁脉动压力的方法针对NACA0012翼型开展了零攻角状态下跨声速抖振特性的实验研究,并测量了翼型沿弦向与展向的压力分布。从时域和频域两个方面分析了脉动压力结果,得到了NACA0012翼型的跨声速抖振起始马赫数和抖振频率等抖振特性。研究结果表明：风洞二维性较好,侧壁区域的压力情况能够反映核心流压力变化情况;抖振发生在实验马赫数Maexp = 0.88~0.89范围内;随着马赫数的增大,抖振频率有所增加。
2015, 32(5): 243-249,256.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1048
摘要：
针对结构网格CFD并行计算中的负载平衡问题,基于排序理论设计了LPT(Largest Processing Time)近似负载平衡算法。利用贪心策略理论对应用LPT近似算法求解负载平衡问题的可行性与局限性进行了证明与理论分析,并提出了一种LPT改进优化算法。通过数值仿真考察了LPT近似算法及LPT改进优化算法的性能,结果表明LPT近似算法可应用于求解CFD并行计算的负载平衡问题,而该文提出的LPT改进优化算法比LPT近似算法在负载分配上更为均衡。
针对结构网格CFD并行计算中的负载平衡问题,基于排序理论设计了LPT(Largest Processing Time)近似负载平衡算法。利用贪心策略理论对应用LPT近似算法求解负载平衡问题的可行性与局限性进行了证明与理论分析,并提出了一种LPT改进优化算法。通过数值仿真考察了LPT近似算法及LPT改进优化算法的性能,结果表明LPT近似算法可应用于求解CFD并行计算的负载平衡问题,而该文提出的LPT改进优化算法比LPT近似算法在负载分配上更为均衡。
2015, 32(5): 250-256.
DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2013.11.1086
摘要：
通过数值方法和谐波平衡法研究库伦摩擦对翼面气动弹性特性的影响。分析带有摩擦的气动弹性系统中初始条件敏感性,以此说明常规动力学方程中阻尼与库伦摩擦的区别,并通过能量表达式阐述造成两者差异的原因。结果显示,气动弹性系统中引入库伦摩擦可以提高系统的颤振速度,但颤振速度的变化与初始条件有关。表面上,增加阻尼或引入库伦摩擦都可以提高颤振速度和减小俯仰振幅。但对于只有阻尼的线性系统,初始条件的变化没有改变系统的能量平衡,而库伦摩擦的引入则改变系统的能量平衡关系,使得系统颤振速度和颤振频率与初始条件相关。
通过数值方法和谐波平衡法研究库伦摩擦对翼面气动弹性特性的影响。分析带有摩擦的气动弹性系统中初始条件敏感性,以此说明常规动力学方程中阻尼与库伦摩擦的区别,并通过能量表达式阐述造成两者差异的原因。结果显示,气动弹性系统中引入库伦摩擦可以提高系统的颤振速度,但颤振速度的变化与初始条件有关。表面上,增加阻尼或引入库伦摩擦都可以提高颤振速度和减小俯仰振幅。但对于只有阻尼的线性系统,初始条件的变化没有改变系统的能量平衡,而库伦摩擦的引入则改变系统的能量平衡关系,使得系统颤振速度和颤振频率与初始条件相关。
