2013年 第30卷 第4期
2013, 30(4): 7-14.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0791
摘要:
确定弹塑性SDOF体系的输入能量是基于能量的设计方法首先要解决的问题。该文从PEER强震记录数据库选取了188条地震记录并按中国规范进行了分类,采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了一种基于复合强度指标的三段式弹性输入能量谱。在此基础上,分析了强度折减系数和阻尼比对能量谱峰值和中长周期段的影响。结果发现：强度折减系数和阻尼比对能量谱峰值的削减作用具有明显的相关性,强度折减系数较大时阻尼比对能量谱峰值的削减作用减弱。根据弹塑性能量谱影响因素的分析统计,通过二次拟合,提出了峰值和中长周期段的修正系数。最后根据研究建议了弹塑性SDOF系统能量谱的确定方法。
确定弹塑性SDOF体系的输入能量是基于能量的设计方法首先要解决的问题。该文从PEER强震记录数据库选取了188条地震记录并按中国规范进行了分类,采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了一种基于复合强度指标的三段式弹性输入能量谱。在此基础上,分析了强度折减系数和阻尼比对能量谱峰值和中长周期段的影响。结果发现：强度折减系数和阻尼比对能量谱峰值的削减作用具有明显的相关性,强度折减系数较大时阻尼比对能量谱峰值的削减作用减弱。根据弹塑性能量谱影响因素的分析统计,通过二次拟合,提出了峰值和中长周期段的修正系数。最后根据研究建议了弹塑性SDOF系统能量谱的确定方法。
2013, 30(4): 15-22.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0812
摘要:
采用逐点Lagrange乘子法求解巴西圆盘中心裂纹在压剪荷载作用下裂纹面可能发生的摩擦接触问题。为了避免传统的Lagrange乘子法中总刚度阵求逆的困难,将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向和切向乘子,同时注意在求解的过程中对切向乘子约束修正,待所有点乘子求解完成后再变换到整体坐标系下迭代求解位移。与传统接触算法相比,该算法无需对总刚度阵求逆,降低了求解规模,提高了计算效率。通过该方法计算了巴西圆盘中心裂纹两种典型情况下的应力强度因子,计算结果与文献比较,吻合良好。考虑不同荷载角和裂纹长度对位移,应力强度因子和接触区的影响,并对不同摩擦系数下应力强度因子的影响进行了分析。结果表明：忽略裂纹接触摩擦作用,应力强度因子可能被高估。
采用逐点Lagrange乘子法求解巴西圆盘中心裂纹在压剪荷载作用下裂纹面可能发生的摩擦接触问题。为了避免传统的Lagrange乘子法中总刚度阵求逆的困难,将Lagrange乘子逐点转到局部坐标系下,采用Gauss-Seidel迭代法求解法向和切向乘子,同时注意在求解的过程中对切向乘子约束修正,待所有点乘子求解完成后再变换到整体坐标系下迭代求解位移。与传统接触算法相比,该算法无需对总刚度阵求逆,降低了求解规模,提高了计算效率。通过该方法计算了巴西圆盘中心裂纹两种典型情况下的应力强度因子,计算结果与文献比较,吻合良好。考虑不同荷载角和裂纹长度对位移,应力强度因子和接触区的影响,并对不同摩擦系数下应力强度因子的影响进行了分析。结果表明：忽略裂纹接触摩擦作用,应力强度因子可能被高估。
2013, 30(4): 23-27.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0825
摘要:
该文建议采用Kriging代理模型数值求解拉压不同模量平面问题。通过本构方程光滑化、有限元法及拉丁超立方采样技术,对拉压不同模量桁架与二维平面问题,给出了基于Kriging模型的近似数值解,以代理基于有限元的数值解,并探讨了样本点数目和问题规模对所建Kriging近似模型求解精度/效率的影响。数值算例表明：所提方法可为求解拉压不同模量平面问题提供精度合理的近似数值解。当问题规模较大且正问题需要多次求解时,该方法有望显著减少计算时间,这对于降低拉压不同模量反问题与优化问题的计算开销十分重要。
该文建议采用Kriging代理模型数值求解拉压不同模量平面问题。通过本构方程光滑化、有限元法及拉丁超立方采样技术,对拉压不同模量桁架与二维平面问题,给出了基于Kriging模型的近似数值解,以代理基于有限元的数值解,并探讨了样本点数目和问题规模对所建Kriging近似模型求解精度/效率的影响。数值算例表明：所提方法可为求解拉压不同模量平面问题提供精度合理的近似数值解。当问题规模较大且正问题需要多次求解时,该方法有望显著减少计算时间,这对于降低拉压不同模量反问题与优化问题的计算开销十分重要。
2013, 30(4): 28-34.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0833
摘要:
该文研究了一种简单快速回转体的二阶波浪力计算方法,并给出了直立圆柱和截断圆柱的二阶波浪力的计算结果,将所得计算结果与其它3种不同的理论公式的结果进行了对比,验证了该文计算方法的正确性。因该文方法不涉及自由表面上无穷积分,表达式简单、计算速度快,所以更适合快速计算二阶速度势所引起的二阶波浪力。
该文研究了一种简单快速回转体的二阶波浪力计算方法,并给出了直立圆柱和截断圆柱的二阶波浪力的计算结果,将所得计算结果与其它3种不同的理论公式的结果进行了对比,验证了该文计算方法的正确性。因该文方法不涉及自由表面上无穷积分,表达式简单、计算速度快,所以更适合快速计算二阶速度势所引起的二阶波浪力。
2013, 30(4): 35-41.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0861
摘要:
基于双参数Pasternak弹性地基模型,将杂交边界点法与双互易法结合,用于弹性地基板弯曲问题的分析。将地基反力与横向载荷一起作为非齐次项,利用径向基函数插值得到特解,而齐次方程的通解则使用杂交边界点法求解。该方法无论插值还是积分都不需要网格,域内点仅用来插值非齐次项,因而仍是一种边界类型的无网格方法。数值算例表明：该文方法在分析弹性地基板弯曲问题时,具有计算精度高和收敛速度快等优点。
基于双参数Pasternak弹性地基模型,将杂交边界点法与双互易法结合,用于弹性地基板弯曲问题的分析。将地基反力与横向载荷一起作为非齐次项,利用径向基函数插值得到特解,而齐次方程的通解则使用杂交边界点法求解。该方法无论插值还是积分都不需要网格,域内点仅用来插值非齐次项,因而仍是一种边界类型的无网格方法。数值算例表明：该文方法在分析弹性地基板弯曲问题时,具有计算精度高和收敛速度快等优点。
2013, 30(4): 42-46.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.10.0702
摘要:
该文将扩展有限元方法应用到几何非线性及断裂力学问题中,并研制开发了扩展有限元Fortran程序。扩展有限元法其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。该文推导了几何非线性扩展有限元法的公式,在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性,并用2个水平集函数表示裂纹；采用拉格朗日描述方程建立了有限变形几何非线性扩展有限元方程；采用多点位移外推法计算裂纹应力强度因子并通过最小二乘法拟合得到更精确的结果。最后给出的大变形算例表明该文提出的几何非线性的断裂力学扩展有限元方法和相应的计算机程序是合理可行的,而且对于含裂纹及裂纹扩展的问题,扩展有限元法优于传统的有限元法。
该文将扩展有限元方法应用到几何非线性及断裂力学问题中,并研制开发了扩展有限元Fortran程序。扩展有限元法其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。该文推导了几何非线性扩展有限元法的公式,在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性,并用2个水平集函数表示裂纹；采用拉格朗日描述方程建立了有限变形几何非线性扩展有限元方程；采用多点位移外推法计算裂纹应力强度因子并通过最小二乘法拟合得到更精确的结果。最后给出的大变形算例表明该文提出的几何非线性的断裂力学扩展有限元方法和相应的计算机程序是合理可行的,而且对于含裂纹及裂纹扩展的问题,扩展有限元法优于传统的有限元法。
2013, 30(4): 52-58.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0886
摘要:
随着高速列车运行速度的提高,气动载荷会对车辆蛇行运动稳定性带来不利影响,现有文献对此研究很少。为此,考虑沿列车反向运动高速气流以及侧风的作用,研究了定常气动载荷下高速铁路车辆横向运动的线性稳定性。分析中计入了气动载荷改变轴重、使各轮法向支反力各不相同；以及使重力刚度、重力角刚度、轮对蠕滑系数等发生变化的效应。给出了计及气动影响的17个自由度铁路车辆蛇行运动分析模型,编制了相应的计算程序并进行了算例验证。进而,计算了在不同风速条件下,各个方向定常气动力和气动力矩单独以及共同作用时车辆运动稳定性特征值,并求出临界速度。结果表明：气动载荷会降低车辆临界速度；临界速度随横风风速增加而单调降低；与其他方向气动载荷相比,点头力矩和升力对临界速度的影响更大。
随着高速列车运行速度的提高,气动载荷会对车辆蛇行运动稳定性带来不利影响,现有文献对此研究很少。为此,考虑沿列车反向运动高速气流以及侧风的作用,研究了定常气动载荷下高速铁路车辆横向运动的线性稳定性。分析中计入了气动载荷改变轴重、使各轮法向支反力各不相同；以及使重力刚度、重力角刚度、轮对蠕滑系数等发生变化的效应。给出了计及气动影响的17个自由度铁路车辆蛇行运动分析模型,编制了相应的计算程序并进行了算例验证。进而,计算了在不同风速条件下,各个方向定常气动力和气动力矩单独以及共同作用时车辆运动稳定性特征值,并求出临界速度。结果表明：气动载荷会降低车辆临界速度；临界速度随横风风速增加而单调降低；与其他方向气动载荷相比,点头力矩和升力对临界速度的影响更大。
2013, 30(4): 59-67.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.07.0420
摘要:
对大型通用有限元程序ABAQUS中的混凝土弥散开裂模型和塑性损伤模型进行了详细的介绍,包括单轴应力-应变关系、裂缝模型、屈服准则、流动法则和滞回规则等。然后对混凝土本构模型中影响结构构件静力行为的关键因素进行了详细的对比分析,并结合采用不同混凝土模型对钢筋混凝土构件和钢-混凝土组合结构构件的受力行为的模拟结果,指出了分析实际结构构件时不同混凝土材料本构模型的适用情况,可供研究设计参考。
对大型通用有限元程序ABAQUS中的混凝土弥散开裂模型和塑性损伤模型进行了详细的介绍,包括单轴应力-应变关系、裂缝模型、屈服准则、流动法则和滞回规则等。然后对混凝土本构模型中影响结构构件静力行为的关键因素进行了详细的对比分析,并结合采用不同混凝土模型对钢筋混凝土构件和钢-混凝土组合结构构件的受力行为的模拟结果,指出了分析实际结构构件时不同混凝土材料本构模型的适用情况,可供研究设计参考。
2013, 30(4): 68-72.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.10.0697
摘要:
“精度”和“效率”是近似方法的重要评价指标。传统的二次多项式响应面法,无论是不含交叉项的二次多项式还是完全二次多项式均不能兼顾“效率”和“精度”。为此,该文中提出了一类可在两者之间达到较好平衡的自适应响应面法。一方面,为确保响应面形式更具合理性,通过严格的数学推导给出了极限状态曲面中交叉项是否存在的判断准则,将该准则与完全二次多项式相结合即可确定合理的、自适应的响应面形式；另一方面,针对该判断准则,构造了与之对应的实现算法,并结合可靠度问题的特点,将算法进一步完善；为克服此算法选点中心位于均值点的特性,引入了样本点选取的迭代方案对其改进。最后,该文中通过一个数学算例和一个工程算例分别对建议方法及算法进行验证,结果表明：1) 交叉项存在的判断准则准确、有效；2) 对于较为简单的二次极限状态曲面,建议方法可以真实还原；3) 对于涉及一般极限状态曲面的可靠度问题,建议方法具有颇为理想的精度和较高的效率。
“精度”和“效率”是近似方法的重要评价指标。传统的二次多项式响应面法,无论是不含交叉项的二次多项式还是完全二次多项式均不能兼顾“效率”和“精度”。为此,该文中提出了一类可在两者之间达到较好平衡的自适应响应面法。一方面,为确保响应面形式更具合理性,通过严格的数学推导给出了极限状态曲面中交叉项是否存在的判断准则,将该准则与完全二次多项式相结合即可确定合理的、自适应的响应面形式；另一方面,针对该判断准则,构造了与之对应的实现算法,并结合可靠度问题的特点,将算法进一步完善；为克服此算法选点中心位于均值点的特性,引入了样本点选取的迭代方案对其改进。最后,该文中通过一个数学算例和一个工程算例分别对建议方法及算法进行验证,结果表明：1) 交叉项存在的判断准则准确、有效；2) 对于较为简单的二次极限状态曲面,建议方法可以真实还原；3) 对于涉及一般极限状态曲面的可靠度问题,建议方法具有颇为理想的精度和较高的效率。
2013, 30(4): 73-82.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0856
摘要:
为了正确地评价损伤累积效应对结构的影响并准确的预测结构的破坏形态,采用一批在不同循环加载制度下、构造形式不同的钢框架焊接节点试验,深入分析节点损伤破坏的因素和分类。计算试验中所有节点的累积滞回能、最大变形、最大荷载、屈服位移和屈服荷载,从而根据这些基本参数计算每个节点10种损伤指数的发展趋势,比较损伤模型对于节点损伤退化性能描述,验证并探讨不同损伤模型反应破坏模态以及对结构破坏预测的准确性。试验以及分析结果表明：加载制度对破坏模态有较大影响,对于大幅值加载试件,更易发生逐步退化破坏,而小幅值加载的试件,易发生突然破坏；不同损伤模型具有应用的局限性并且参数组合形式对其损伤指数分布影响较大；以变形为参数的模型也能够较好的表现破坏发展趋势并且通过调整参数,与同时考虑能量的模型分布相近,但其形式更为简单并且只与当前量有关,不需要积分计算,在程序中容易实现,为下一步嵌入程序选取模型提供重要的依据,为今后的工程应用提供有力的工具。
为了正确地评价损伤累积效应对结构的影响并准确的预测结构的破坏形态,采用一批在不同循环加载制度下、构造形式不同的钢框架焊接节点试验,深入分析节点损伤破坏的因素和分类。计算试验中所有节点的累积滞回能、最大变形、最大荷载、屈服位移和屈服荷载,从而根据这些基本参数计算每个节点10种损伤指数的发展趋势,比较损伤模型对于节点损伤退化性能描述,验证并探讨不同损伤模型反应破坏模态以及对结构破坏预测的准确性。试验以及分析结果表明：加载制度对破坏模态有较大影响,对于大幅值加载试件,更易发生逐步退化破坏,而小幅值加载的试件,易发生突然破坏；不同损伤模型具有应用的局限性并且参数组合形式对其损伤指数分布影响较大；以变形为参数的模型也能够较好的表现破坏发展趋势并且通过调整参数,与同时考虑能量的模型分布相近,但其形式更为简单并且只与当前量有关,不需要积分计算,在程序中容易实现,为下一步嵌入程序选取模型提供重要的依据,为今后的工程应用提供有力的工具。
2013, 30(4): 83-88.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0814
摘要:
粗粒料已成为山区高填方工程的主要填筑材料,建立能较全面反映其力学特性的本构模型,对高填方工程的模拟分析及安全评价具有重要意义。在已有大型三轴试验研究的基础上,通过将硬化土模型与修正剑桥模型相结合同时引入对数形式的非线性强度参数关系式,建立了一种简便实用的弹塑性本构模型。该模型不仅能考虑应力水平对粗粒料应力-应变关系、体变特性、强度特性的影响,还能较好地反映粗粒料的应力路径相关性,模拟复杂应力状态下的粗粒料的变形特性,并且相关参数通过常规三轴试验即可测定。最后通过与不同应力路径试验结果进行对比,证明了模型的合理性。
粗粒料已成为山区高填方工程的主要填筑材料,建立能较全面反映其力学特性的本构模型,对高填方工程的模拟分析及安全评价具有重要意义。在已有大型三轴试验研究的基础上,通过将硬化土模型与修正剑桥模型相结合同时引入对数形式的非线性强度参数关系式,建立了一种简便实用的弹塑性本构模型。该模型不仅能考虑应力水平对粗粒料应力-应变关系、体变特性、强度特性的影响,还能较好地反映粗粒料的应力路径相关性,模拟复杂应力状态下的粗粒料的变形特性,并且相关参数通过常规三轴试验即可测定。最后通过与不同应力路径试验结果进行对比,证明了模型的合理性。
2013, 30(4): 89-96.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0832
摘要:
通过5个自密实混凝土加固框架中节点和1个整浇的对比框架节点进行二次受力下自密实混凝土框架节点的拟静力试验,研究不同界面处理对自密实混凝土加固节点抗震性能的影响。5个加固试件的界面分别采用了凿毛法、刻槽法、凿毛加刻槽法以及凿毛加植筋法等4种方法进行处理。通过对试件破坏过程、新老钢筋应变、荷载位移滞回曲线等试验结果的分析得到：4种界面处理方法均能使自密实混凝土与老混凝土具有较好的协同工作性能,而采用凿毛法与刻槽法相结合或凿毛法与植筋法相结合的加固节点其极限承载力、极限位移、位移延性系数等较单独采用凿毛处理或刻槽处理的效果明显提高,而极限承载力已接近整浇对比试件。
通过5个自密实混凝土加固框架中节点和1个整浇的对比框架节点进行二次受力下自密实混凝土框架节点的拟静力试验,研究不同界面处理对自密实混凝土加固节点抗震性能的影响。5个加固试件的界面分别采用了凿毛法、刻槽法、凿毛加刻槽法以及凿毛加植筋法等4种方法进行处理。通过对试件破坏过程、新老钢筋应变、荷载位移滞回曲线等试验结果的分析得到：4种界面处理方法均能使自密实混凝土与老混凝土具有较好的协同工作性能,而采用凿毛法与刻槽法相结合或凿毛法与植筋法相结合的加固节点其极限承载力、极限位移、位移延性系数等较单独采用凿毛处理或刻槽处理的效果明显提高,而极限承载力已接近整浇对比试件。
2013, 30(4): 97-106.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0865
摘要:
为了得到温度作用下三边固支一边自由混凝土矩形薄板的挠度和弯矩解析解。该文基于薄板的小挠度理论和叠加原理,考虑横向变温情况,将温度作用下的三边固支一边自由矩形薄板看作是面内温差作用下的三边简支一边自由的矩形薄板和相邻三边作用弯矩的三边简支一边自由矩形薄板的叠加。首先,通过在自由边界上试设具有待定参数的挠度函数,采用李维解法,推导出三边简支一边自由矩形薄板在自由边界挠度函数作用下的解析解；其次,推导出温度作用下三边简支一边自由矩形薄板的解析解；再之,利用相邻三边弯矩作用下四边简支矩形薄板的解答,推导出相邻三边弯矩作用下三边简支一边自由矩形薄板的解答；最后,采用叠加原理得出横向变温作用下三边固支一边自由矩形薄板的挠度和弯矩解析解,并利用MATLAB编制程序得到横向变温作用下三边固支一边自由矩形薄板的计算系数用表,从而为以后工程结构中三边固支一边自由混凝土矩形薄板在热环境下的设计计算提供了理论依据。
为了得到温度作用下三边固支一边自由混凝土矩形薄板的挠度和弯矩解析解。该文基于薄板的小挠度理论和叠加原理,考虑横向变温情况,将温度作用下的三边固支一边自由矩形薄板看作是面内温差作用下的三边简支一边自由的矩形薄板和相邻三边作用弯矩的三边简支一边自由矩形薄板的叠加。首先,通过在自由边界上试设具有待定参数的挠度函数,采用李维解法,推导出三边简支一边自由矩形薄板在自由边界挠度函数作用下的解析解；其次,推导出温度作用下三边简支一边自由矩形薄板的解析解；再之,利用相邻三边弯矩作用下四边简支矩形薄板的解答,推导出相邻三边弯矩作用下三边简支一边自由矩形薄板的解答；最后,采用叠加原理得出横向变温作用下三边固支一边自由矩形薄板的挠度和弯矩解析解,并利用MATLAB编制程序得到横向变温作用下三边固支一边自由矩形薄板的计算系数用表,从而为以后工程结构中三边固支一边自由混凝土矩形薄板在热环境下的设计计算提供了理论依据。
2013, 30(4): 107-114.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0589
摘要:
为了研究钢管再生混凝土短柱的轴压性能，以再生粗骨料替代率和套箍指标为主要变化参数设计了22个试件进行轴压试验，观察了试件的受力全过程和破坏形态，获取了试件的应力-应变全过程曲线，分析了骨料替代率、套箍指标对其承载性能的影响，试验结果表明：试件的破坏形态与普通钢管混凝土相似，再生粗骨料替代率对钢管再生混凝土影响不大，套箍指标对承载能力和变形性能影响明显。并分别用统一强度理论，套箍混凝土理论和叠加计算理论对试件的承载力进行了计算和分析，结果表明：统一强度理论和叠加计算理论计算值小于试验值，而套箍混凝土理论计算值略大于试验值，最后对应力-应变全过程曲线拟合分析，提出了试件的应力-应变全曲线方程。研究结果可供钢管再生混凝土短柱的科学研究和工程应用参考。
为了研究钢管再生混凝土短柱的轴压性能，以再生粗骨料替代率和套箍指标为主要变化参数设计了22个试件进行轴压试验，观察了试件的受力全过程和破坏形态，获取了试件的应力-应变全过程曲线，分析了骨料替代率、套箍指标对其承载性能的影响，试验结果表明：试件的破坏形态与普通钢管混凝土相似，再生粗骨料替代率对钢管再生混凝土影响不大，套箍指标对承载能力和变形性能影响明显。并分别用统一强度理论，套箍混凝土理论和叠加计算理论对试件的承载力进行了计算和分析，结果表明：统一强度理论和叠加计算理论计算值小于试验值，而套箍混凝土理论计算值略大于试验值，最后对应力-应变全过程曲线拟合分析，提出了试件的应力-应变全曲线方程。研究结果可供钢管再生混凝土短柱的科学研究和工程应用参考。
2013, 30(4): 115-121.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0879
摘要:
基于塑性极限分析理论,采用最小势能原理,提出了火灾下高温钢板剪力墙屈曲后的拉力带模型TSM(Temperature String Modal),依据此假定推导了考虑变温场极限状态下钢板剪力墙屈曲后的水平承载力计算完全解,对火灾温度场下钢板剪力墙屈曲后强度进行了研究。利用上述方法对石化炉体装备的钢箱体结构进行了抗火极限分析和结构防火保护的优化设计。实例与数值模拟结果的对比表明该方法简单有效,可以为钢箱体结构抗火设计提供理论依据和实用的计算方法。
基于塑性极限分析理论,采用最小势能原理,提出了火灾下高温钢板剪力墙屈曲后的拉力带模型TSM(Temperature String Modal),依据此假定推导了考虑变温场极限状态下钢板剪力墙屈曲后的水平承载力计算完全解,对火灾温度场下钢板剪力墙屈曲后强度进行了研究。利用上述方法对石化炉体装备的钢箱体结构进行了抗火极限分析和结构防火保护的优化设计。实例与数值模拟结果的对比表明该方法简单有效,可以为钢箱体结构抗火设计提供理论依据和实用的计算方法。
2013, 30(4): 122-128.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0751
摘要:
考虑桥梁结构的几何非线性因素,建立了风及列车荷载作用下大跨度桥梁的振动分析模型。以某大跨度三拱连续钢桁梁桥为例,分析了脉动风及静风荷载的不同作用效应,风速、车速变化以及结构几何非线性对桥梁振动响应的影响。结果表明：在进行车桥耦合振动分析时要综合考虑风荷载的动力作用；几何非线性因素会影响桥梁振动的极值,但不影响其变化趋势；风速及车速变化对桥梁位移极值均有较大影响。
考虑桥梁结构的几何非线性因素,建立了风及列车荷载作用下大跨度桥梁的振动分析模型。以某大跨度三拱连续钢桁梁桥为例,分析了脉动风及静风荷载的不同作用效应,风速、车速变化以及结构几何非线性对桥梁振动响应的影响。结果表明：在进行车桥耦合振动分析时要综合考虑风荷载的动力作用；几何非线性因素会影响桥梁振动的极值,但不影响其变化趋势；风速及车速变化对桥梁位移极值均有较大影响。
2013, 30(4): 129-135.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.10.0722
摘要:
针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的约束子结构方法。约束子结构方法是通过子结构响应的卷积组合限制子结构边界的响应为零,来实现施加虚拟支座,从而将子结构分离出整体,然后利用构造的相应子结构内部响应,进行子结构损伤识别。该文利用先分段提取结构响应的子时间序列,再延时排列Toeplitz矩阵的方式,使基于不同响应的构造约束子结构的方程具有相同表达式,统一了约束子结构方法的基本思想。通过测量悬臂梁的局部动力响应,利用局部响应的时间序列实现了子结构的快速准确地分离和识别,验证了方法的实用性和有效性。
针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的约束子结构方法。约束子结构方法是通过子结构响应的卷积组合限制子结构边界的响应为零,来实现施加虚拟支座,从而将子结构分离出整体,然后利用构造的相应子结构内部响应,进行子结构损伤识别。该文利用先分段提取结构响应的子时间序列,再延时排列Toeplitz矩阵的方式,使基于不同响应的构造约束子结构的方程具有相同表达式,统一了约束子结构方法的基本思想。通过测量悬臂梁的局部动力响应,利用局部响应的时间序列实现了子结构的快速准确地分离和识别,验证了方法的实用性和有效性。
2013, 30(4): 136-145.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0743
摘要:
该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程；然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组；继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解；最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。
该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程；然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组；继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解；最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。
2013, 30(4): 146-149.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0747
摘要:
该文针对铁路钢轨扣件系统,分别考虑了扣压件及垫层的弹性特性,并考虑了扣件系统中扣压件的预压力,建立了详细的垂向动力分析模型,并推导了钢轨受力方程,然后基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了扣件系统垂向振动特性,结果表明：扣压件及垫层的弹性变形均受预扣压力及轮轨动态相互作用力的影响,扣压件及垫层作用在钢轨上的力均含有预扣压力及轮轨力的成分。因此,在铁路轨道扣件系统的动力分析与设计研究中,有必要分开考虑扣压件及垫层的弹性特性。
该文针对铁路钢轨扣件系统,分别考虑了扣压件及垫层的弹性特性,并考虑了扣件系统中扣压件的预压力,建立了详细的垂向动力分析模型,并推导了钢轨受力方程,然后基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了扣件系统垂向振动特性,结果表明：扣压件及垫层的弹性变形均受预扣压力及轮轨动态相互作用力的影响,扣压件及垫层作用在钢轨上的力均含有预扣压力及轮轨力的成分。因此,在铁路轨道扣件系统的动力分析与设计研究中,有必要分开考虑扣压件及垫层的弹性特性。
2013, 30(4): 150-156.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0753
摘要:
多孔材料的裂纹网络对宏观渗透性的影响显著,正确描述裂纹网络对材料渗透率的影响具有重要的工程意义。该文将开裂多孔材料视作由多孔基体和裂纹夹杂二相组成的复合材料,基于细观力学理论模型中的相互作用直推法(IDD)给出了渗透率张量的IDD理论解。为分析裂纹长度、密度、取向、间距和连通度等裂纹网络细观形貌参数对宏观渗透率的影响,该文使用具有周期结构的重复单元模型建立了二维数值分析模型,采用有限单元法进行数值求解并与IDD理论解进行了对比验证。理论研究表明,IDD理论模型采用单一的开裂密度指标来表征多孔介质的裂纹网络,在开裂密度不大时能够统一地描述裂纹长度、取向、平均横向间距和纵向间距等多个细观形貌指标对材料整体渗透性能的影响,具有良好的适用性和精度；数值分析表明,在裂纹网络的密度不断增大、裂纹相互趋近并最终连通的过程中,IDD理论解逐渐偏离数值解并低估裂纹间相互作用,此时材料渗透率与裂纹密度呈对数关系；网络裂纹一旦连通,整体渗透率则发生突变,此时渗透率的确定需要特别考虑连通裂纹之间的强烈近场相互作用。
多孔材料的裂纹网络对宏观渗透性的影响显著,正确描述裂纹网络对材料渗透率的影响具有重要的工程意义。该文将开裂多孔材料视作由多孔基体和裂纹夹杂二相组成的复合材料,基于细观力学理论模型中的相互作用直推法(IDD)给出了渗透率张量的IDD理论解。为分析裂纹长度、密度、取向、间距和连通度等裂纹网络细观形貌参数对宏观渗透率的影响,该文使用具有周期结构的重复单元模型建立了二维数值分析模型,采用有限单元法进行数值求解并与IDD理论解进行了对比验证。理论研究表明,IDD理论模型采用单一的开裂密度指标来表征多孔介质的裂纹网络,在开裂密度不大时能够统一地描述裂纹长度、取向、平均横向间距和纵向间距等多个细观形貌指标对材料整体渗透性能的影响,具有良好的适用性和精度；数值分析表明,在裂纹网络的密度不断增大、裂纹相互趋近并最终连通的过程中,IDD理论解逐渐偏离数值解并低估裂纹间相互作用,此时材料渗透率与裂纹密度呈对数关系；网络裂纹一旦连通,整体渗透率则发生突变,此时渗透率的确定需要特别考虑连通裂纹之间的强烈近场相互作用。
2013, 30(4): 157-161.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0756
摘要:
通过对在节点核心区应用X配筋增强的异形柱边节点和同等条件下未被增强的异形柱边节点进行拟静力试验研究,对比分析了异形柱边节点的破坏特征、滞回曲线、承载能力、位移及延性等抗震性能指标,研究边节点核心区的箍筋应变的变化规律,应用累积损伤模型对异形柱节点进行累积损伤分析。研究结果表明：在异形柱边节点核心区加入X形配筋可以改善节点的滞回特性,增加边节点位移延性,减轻节点的累积损伤,从而提高异形柱边节点的抗震性能。
通过对在节点核心区应用X配筋增强的异形柱边节点和同等条件下未被增强的异形柱边节点进行拟静力试验研究,对比分析了异形柱边节点的破坏特征、滞回曲线、承载能力、位移及延性等抗震性能指标,研究边节点核心区的箍筋应变的变化规律,应用累积损伤模型对异形柱节点进行累积损伤分析。研究结果表明：在异形柱边节点核心区加入X形配筋可以改善节点的滞回特性,增加边节点位移延性,减轻节点的累积损伤,从而提高异形柱边节点的抗震性能。
2013, 30(4): 169-174.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0760
摘要:
为了准确分析爆炸作用下地下拱结构的动力响应,利用阻尼系数来表达土介质与结构的动力相互作用,建立结构运动方程。由于结构动态响应方程的复杂性,在计算中对结构进行了简化,忽略了结构剪切力、转动惯性矩以及切向力的影响,并且假设拱结构在切线方向是不可延展的。利用振型分解法获得了两端固支拱结构在爆炸荷载作用下的动态响应的解析解。对圆心角为120°的拱结构单元进行了计算,得出了位移、速度和加速度时程响应曲线,探讨了参数响应的最大值与比例爆距之间的关系,得到了最大值与比例爆距之间的关系曲线。利用解析计算得到了结构弯矩的包络图。
为了准确分析爆炸作用下地下拱结构的动力响应,利用阻尼系数来表达土介质与结构的动力相互作用,建立结构运动方程。由于结构动态响应方程的复杂性,在计算中对结构进行了简化,忽略了结构剪切力、转动惯性矩以及切向力的影响,并且假设拱结构在切线方向是不可延展的。利用振型分解法获得了两端固支拱结构在爆炸荷载作用下的动态响应的解析解。对圆心角为120°的拱结构单元进行了计算,得出了位移、速度和加速度时程响应曲线,探讨了参数响应的最大值与比例爆距之间的关系,得到了最大值与比例爆距之间的关系曲线。利用解析计算得到了结构弯矩的包络图。
2013, 30(4): 198-203.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0781
摘要:
利用虚拟激励法和等效线性化技术,通过缩减等效线性化微分方程的数量,提出了求解三维有限元模型基础隔震结构非平稳随机响应的近似计算方法。计算中,假定隔震系统即使在受到大震激励时,其上部结构也依然处于弹性状态,塑性变形主要集中在隔震层处,隔震支座的本构关系采用Bouc-Wen模型描述。根据基础隔震结构响应的特点,假定同种类型支座相同方向滞迟变量大小相等,这样就可以显著减少参与计算的等效线性化微分方程的数量,降低微分方程组的阶数,提高了计算效率和精度。通过分析一简单的三维基础隔震的框架结构,验证了所提方法的正确性。该方法可以考虑不同类型隔震支座的差异性,方便地求得地震作用下各个支座的破坏情况,对于分析隔震支座在地震中的基础提离问题具有重要意义。
利用虚拟激励法和等效线性化技术,通过缩减等效线性化微分方程的数量,提出了求解三维有限元模型基础隔震结构非平稳随机响应的近似计算方法。计算中,假定隔震系统即使在受到大震激励时,其上部结构也依然处于弹性状态,塑性变形主要集中在隔震层处,隔震支座的本构关系采用Bouc-Wen模型描述。根据基础隔震结构响应的特点,假定同种类型支座相同方向滞迟变量大小相等,这样就可以显著减少参与计算的等效线性化微分方程的数量,降低微分方程组的阶数,提高了计算效率和精度。通过分析一简单的三维基础隔震的框架结构,验证了所提方法的正确性。该方法可以考虑不同类型隔震支座的差异性,方便地求得地震作用下各个支座的破坏情况,对于分析隔震支座在地震中的基础提离问题具有重要意义。
2013, 30(4): 204-210.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0784
摘要:
考虑一维地震动作用和结构参数不确定性影响,提出一种基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities, LMI)的鲁棒非脆弱H∞控制方法。引入工程中常用的二次型最优指标,并应用线性矩阵不等式减小求解的复杂度,使得控制器的性能指标容易衡量,设计相对简单,便于工程应用。以一个三层剪切型结构模型为例进行数值分析,并与传统H∞控制方法进行对比,仿真结果初步表明：1) 所提方法具有很好的控制效果和鲁棒性；2) 合理地计算结构参数值,可使控制系统在具有最优反应品质的前提下,获得相对更好的鲁棒性和非脆弱性。
考虑一维地震动作用和结构参数不确定性影响,提出一种基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities, LMI)的鲁棒非脆弱H∞控制方法。引入工程中常用的二次型最优指标,并应用线性矩阵不等式减小求解的复杂度,使得控制器的性能指标容易衡量,设计相对简单,便于工程应用。以一个三层剪切型结构模型为例进行数值分析,并与传统H∞控制方法进行对比,仿真结果初步表明：1) 所提方法具有很好的控制效果和鲁棒性；2) 合理地计算结构参数值,可使控制系统在具有最优反应品质的前提下,获得相对更好的鲁棒性和非脆弱性。
2013, 30(4): 219-227.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0804
摘要:
以4个延性纤维增强混凝土(DFRC)剪力墙荷载作用下的抗震性能试验为基础,利用有限元软件 ABAQUS、DFRC和高强混凝土均选用合适的拉、压损伤本构关系以及单元模型,建立了DFRC剪力墙非线性模型,模拟了加载全过程和受力性能,模拟曲线与试验恢复力曲线吻合较好。在此基础上,采用试验研究和非线性模拟相结合的方法,研究了影响DFRC剪力墙抗震性能的主要因素,包括DFRC区高度、DFRC强度、剪跨比和轴压比,并给出影响剪力墙性能参数的限值及其范围。
以4个延性纤维增强混凝土(DFRC)剪力墙荷载作用下的抗震性能试验为基础,利用有限元软件 ABAQUS、DFRC和高强混凝土均选用合适的拉、压损伤本构关系以及单元模型,建立了DFRC剪力墙非线性模型,模拟了加载全过程和受力性能,模拟曲线与试验恢复力曲线吻合较好。在此基础上,采用试验研究和非线性模拟相结合的方法,研究了影响DFRC剪力墙抗震性能的主要因素,包括DFRC区高度、DFRC强度、剪跨比和轴压比,并给出影响剪力墙性能参数的限值及其范围。
2013, 30(4): 228-234.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0805
摘要:
该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明：规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的KR阻力曲线。
该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明：规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的KR阻力曲线。
2013, 30(4): 235-240.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0811
摘要:
将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,采用Biot动力固结方程,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土层的土骨架粘性、土层厚度等对竖向振动放大系数的影响。通过动力控制方程解耦和边界条件束缚,给出了经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土和经典粘弹性饱和土三种情况下饱和土层的位移、应力和孔压解析表达式。考察了饱和土各物理和几何参数对竖向振动放大系数的影响,结果表明：在不同土层厚度时,经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土及经典粘弹性饱和土的竖向振动放大系数各不相同；分数导数模型的材料参数对振动放大系数有较大影响。
将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,采用Biot动力固结方程,在频率域内研究了饱和分数导数粘弹性土层的土骨架粘性、土层厚度等对竖向振动放大系数的影响。通过动力控制方程解耦和边界条件束缚,给出了经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土和经典粘弹性饱和土三种情况下饱和土层的位移、应力和孔压解析表达式。考察了饱和土各物理和几何参数对竖向振动放大系数的影响,结果表明：在不同土层厚度时,经典弹性饱和土、分数导数型粘弹性饱和土及经典粘弹性饱和土的竖向振动放大系数各不相同；分数导数模型的材料参数对振动放大系数有较大影响。
2013, 30(4): 241-248.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0816
摘要:
钢-竹组合工字形梁和箱形柱的边节点,采用T型钢连接件和螺栓实现组合梁柱之间的连接,并在节点核心区柱子四周焊接钢板形成钢套筒,从而增加节点域的刚度和整体性能。以螺栓数目、强度和有无加劲肋为基本参数,对6个组合梁柱边节点试件进行了拟静力加载试验,观察节点在不同参数条件下的梁端P-Δ滞回曲线、组合梁柱之间的转角和节点区钢板的剪切变形,得到了梁柱节点的耗能系数、延性系数等抗震性能指标,在此基础上进行了节点区连接件理论转角计算方法分析。试验结果表明,螺栓强度等级和根数对节点核心区的剪切变形和组合梁柱节点的极限承载力影响不大,但节点区钢套筒焊脚尺寸和加劲肋的设置变化对节点转动刚度和抗震性能指标影响显著。根据钢-竹组合节点在弹性阶段的梁端位移和应力、应变关系,提出了组合节点的力学简化模型及连接件转角的计算方法,其计算结果与试验值吻合较好。
钢-竹组合工字形梁和箱形柱的边节点,采用T型钢连接件和螺栓实现组合梁柱之间的连接,并在节点核心区柱子四周焊接钢板形成钢套筒,从而增加节点域的刚度和整体性能。以螺栓数目、强度和有无加劲肋为基本参数,对6个组合梁柱边节点试件进行了拟静力加载试验,观察节点在不同参数条件下的梁端P-Δ滞回曲线、组合梁柱之间的转角和节点区钢板的剪切变形,得到了梁柱节点的耗能系数、延性系数等抗震性能指标,在此基础上进行了节点区连接件理论转角计算方法分析。试验结果表明,螺栓强度等级和根数对节点核心区的剪切变形和组合梁柱节点的极限承载力影响不大,但节点区钢套筒焊脚尺寸和加劲肋的设置变化对节点转动刚度和抗震性能指标影响显著。根据钢-竹组合节点在弹性阶段的梁端位移和应力、应变关系,提出了组合节点的力学简化模型及连接件转角的计算方法,其计算结果与试验值吻合较好。
2013, 30(4): 249-253.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0817
摘要:
针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。
针对沥青砂的非线性材料特性,结合连续损伤力学理论,对传统Burgers模型进行改造,提出了粘弹塑蠕变损伤本构模型,通过对不同实验条件下沥青砂单轴蠕变试验结果的非线性拟合,获得模型参数,然后利用模型进行预测分析,得到了不同应力水平与环境温度下的蠕变曲线和损伤演化曲线,通过比较发现该文模型能够更合理地反映沥青砂加速蠕变的非线性特征,而且蠕变过程中损伤演化的速度受蠕变时间、应力水平与环境温度的影响很大。
2013, 30(4): 260-268.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0820
摘要:
有限质点法是基于向量式力学提出的一种新兴的数值计算方法。它采用物理计算模式,将分析域定义成一组质点的集合,并根据牛顿第二定律描述质点的运动,从而取代了传统数值方法中数学连续体的概念。该方法通过虚拟逆向运动分离刚体位移和变形位移,并采用变形坐标的形式来计算内力,再利用显式时间积分逐步求解质点运动方程。分析中可以通过描述各质点的轨迹来追踪整体的运动行为。该文阐述了有限质点法的基本概念和原理,推导了平面固体的内力求解公式,并将其应用于平面固体几何大变形问题的数值计算,通过自编程序对实例计算的结果表明,该方法有良好的精度和收敛性,对于求解平面固体的大位移、大转动问题是有效的、可行的。
有限质点法是基于向量式力学提出的一种新兴的数值计算方法。它采用物理计算模式,将分析域定义成一组质点的集合,并根据牛顿第二定律描述质点的运动,从而取代了传统数值方法中数学连续体的概念。该方法通过虚拟逆向运动分离刚体位移和变形位移,并采用变形坐标的形式来计算内力,再利用显式时间积分逐步求解质点运动方程。分析中可以通过描述各质点的轨迹来追踪整体的运动行为。该文阐述了有限质点法的基本概念和原理,推导了平面固体的内力求解公式,并将其应用于平面固体几何大变形问题的数值计算,通过自编程序对实例计算的结果表明,该方法有良好的精度和收敛性,对于求解平面固体的大位移、大转动问题是有效的、可行的。
2013, 30(4): 275-280.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0836
摘要:
为研究轨道交通振动产生地表局部放大现象原因,利用地表落锤试验和半空间位移格林函数解析解,分析了振源位于地面和地下两种情况下单频振动的地表响应传播规律。结果表明：1) 当振源位于地面时,单一频率的地表振动响应幅值随距离呈现波浪形衰减,波动间隔与其自身频率相关。地表体波和瑞利波衰减速度不同而引起的振动叠加效应是造成上述现象的主要原因。2) 当振源埋置于地下时,单一频率的地表振动响应将在距振源与埋深大致相当的近场处产生一个明显的波峰或波谷,在远场衰减规律与振源位于地面的情况近似。
为研究轨道交通振动产生地表局部放大现象原因,利用地表落锤试验和半空间位移格林函数解析解,分析了振源位于地面和地下两种情况下单频振动的地表响应传播规律。结果表明：1) 当振源位于地面时,单一频率的地表振动响应幅值随距离呈现波浪形衰减,波动间隔与其自身频率相关。地表体波和瑞利波衰减速度不同而引起的振动叠加效应是造成上述现象的主要原因。2) 当振源埋置于地下时,单一频率的地表振动响应将在距振源与埋深大致相当的近场处产生一个明显的波峰或波谷,在远场衰减规律与振源位于地面的情况近似。
2013, 30(4): 294-300.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0868
摘要:
目前远场压应力作用下分支裂纹扩展过程中,其应力强度因子的计算模型中,经常将曲线分支裂纹简化为直线分支裂纹处理,忽略了分支裂纹扩展路径的曲线效应。基于这个考虑,在远场压应力作用下曲线分支裂纹扩展路径数学描述的基础上,建立了曲线分支裂纹模型,该模型可以考虑分支裂纹扩展过程中的曲线效应,进而计算出了曲线分支裂纹扩展过程中应力强度因子。基于ABQUS二次开发实现了对裂纹扩展过程的数值模拟,并将数值计算得出的应力强度因子与所建立的曲线分支裂纹模型解进行对比分析,验证了该模型的可行性,同时将曲线分支裂纹模型解与原有的直线分支裂纹模型解进行了对比,表明了建立曲线分支裂纹模型的必要性。
目前远场压应力作用下分支裂纹扩展过程中,其应力强度因子的计算模型中,经常将曲线分支裂纹简化为直线分支裂纹处理,忽略了分支裂纹扩展路径的曲线效应。基于这个考虑,在远场压应力作用下曲线分支裂纹扩展路径数学描述的基础上,建立了曲线分支裂纹模型,该模型可以考虑分支裂纹扩展过程中的曲线效应,进而计算出了曲线分支裂纹扩展过程中应力强度因子。基于ABQUS二次开发实现了对裂纹扩展过程的数值模拟,并将数值计算得出的应力强度因子与所建立的曲线分支裂纹模型解进行对比分析,验证了该模型的可行性,同时将曲线分支裂纹模型解与原有的直线分支裂纹模型解进行了对比,表明了建立曲线分支裂纹模型的必要性。
2013, 30(4): 310-315.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0875
摘要:
通过快速电解锈蚀试验,得到不同锈蚀率的工字钢混凝土试件。将这些试件进行粘结滑移试验,描述工字钢与混凝土的粘结滑移过程,分析锈蚀率、滑移量、粘结破坏荷载之间的关系,建立未锈蚀工字钢与喷射混凝土的粘结滑移模型,得出粘结滑移影响系数与锈蚀率的回归公式,最终建立锈蚀工字钢与喷射混凝土的粘结滑移本构关系数学模型。结果表明：随着锈蚀率的增加,滑移量和粘结破坏荷载均降低；未锈蚀工字钢与混凝土的平均粘结应力是滑移量的四次多项式函数；锈蚀工字钢与混凝土的粘结强度影响系数与锈蚀率的二次多项式函数。
通过快速电解锈蚀试验,得到不同锈蚀率的工字钢混凝土试件。将这些试件进行粘结滑移试验,描述工字钢与混凝土的粘结滑移过程,分析锈蚀率、滑移量、粘结破坏荷载之间的关系,建立未锈蚀工字钢与喷射混凝土的粘结滑移模型,得出粘结滑移影响系数与锈蚀率的回归公式,最终建立锈蚀工字钢与喷射混凝土的粘结滑移本构关系数学模型。结果表明：随着锈蚀率的增加,滑移量和粘结破坏荷载均降低；未锈蚀工字钢与混凝土的平均粘结应力是滑移量的四次多项式函数；锈蚀工字钢与混凝土的粘结强度影响系数与锈蚀率的二次多项式函数。
2013, 30(4): 316-321.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0884
摘要:
根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是：利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量；引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。
根据大跨屋盖结构多振型参与结构风振,等效静力风荷载存在多目标的特点,提出时域多目标等效静力风荷载的分析方法。该方法的基本思路是：利用时域分析得到的位移响应时程,计算结构的广义恢复力时程,对广义恢复力进行POD分解,得到广义恢复力的本征模态,以此构造多目标等效静力风荷载的基本向量；引入约束方程组和权值因子,用加权约束最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到多目标等效静力风荷载。该方法能够再现风振响应特点,在保证关键目标等效精度的同时,得到较合理的多目标等效静力风荷载分布。最后,将该方法应用于某大跨屋盖,验证了该文方法的有效性和精度。
2013, 30(4): 322-330.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0885
摘要:
通过引入Pandey提出的敏感性指标,给出钢塔架关键杆件的识别方法。基于备用荷载路径设计法,对钢塔架结构在风荷载作用下的连续倒塌进行线弹性静力、非线性静力、线弹性动力、非线性动力等4种分析。结果表明：结构动力响应的大小取决于风荷载作用方向及关键杆件出现的位置；线弹性静力分析是偏于保守,非线性动力分析是更加精确的；建议采用非线性动力方法对钢塔架进行连续倒塌评估。通过失效杆件的等效反力卸载过程,模拟钢塔架连续倒塌的动力过程,提出了等效反力的初始持续时间t0(考虑初始状态)和卸载时间tp的计算方法。
通过引入Pandey提出的敏感性指标,给出钢塔架关键杆件的识别方法。基于备用荷载路径设计法,对钢塔架结构在风荷载作用下的连续倒塌进行线弹性静力、非线性静力、线弹性动力、非线性动力等4种分析。结果表明：结构动力响应的大小取决于风荷载作用方向及关键杆件出现的位置；线弹性静力分析是偏于保守,非线性动力分析是更加精确的；建议采用非线性动力方法对钢塔架进行连续倒塌评估。通过失效杆件的等效反力卸载过程,模拟钢塔架连续倒塌的动力过程,提出了等效反力的初始持续时间t0(考虑初始状态)和卸载时间tp的计算方法。
2013, 30(4): 331-336.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0888
摘要:
该文应用线弹性断裂力学基本原理预测圆钢管混凝土桁架焊接T型节点的疲劳寿命。首先,进行了一些节点的疲劳试验,作为验证节点疲劳寿命预测是否可靠的参考数据；其次,建立了基于断裂力学的疲劳寿命数值模拟的模型和流程框图,采用ANSYS软件编制了APDL宏命令,实现了节点疲劳寿命的计算；最后,分析了节点疲劳裂纹的扩展特性。研究结果表明：断裂力学数值模型能较好地预测这种复杂的钢混组合节点的疲劳寿命；在正常的焊接质量条件下,不同的初始裂纹尺度对节点疲劳扩展寿命的影响不大；裂纹在长度方向的扩展速度大于在深度方向的扩展速度；裂纹深度在达到1/2主管壁厚之前,裂纹沿深度方向的扩展非常缓慢,大部分的疲劳寿命消耗在此阶段,之后裂纹沿深度方向的扩展较快。
该文应用线弹性断裂力学基本原理预测圆钢管混凝土桁架焊接T型节点的疲劳寿命。首先,进行了一些节点的疲劳试验,作为验证节点疲劳寿命预测是否可靠的参考数据；其次,建立了基于断裂力学的疲劳寿命数值模拟的模型和流程框图,采用ANSYS软件编制了APDL宏命令,实现了节点疲劳寿命的计算；最后,分析了节点疲劳裂纹的扩展特性。研究结果表明：断裂力学数值模型能较好地预测这种复杂的钢混组合节点的疲劳寿命；在正常的焊接质量条件下,不同的初始裂纹尺度对节点疲劳扩展寿命的影响不大；裂纹在长度方向的扩展速度大于在深度方向的扩展速度；裂纹深度在达到1/2主管壁厚之前,裂纹沿深度方向的扩展非常缓慢,大部分的疲劳寿命消耗在此阶段,之后裂纹沿深度方向的扩展较快。
2013, 30(4): 337-344.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0898
摘要:
利用自行研制的火灾试验炉,进行了足尺三层钢框架结构中钢筋混凝土双向板在恒载-升温工况下的火灾试验。介绍了钢框架足尺模型与火灾试验炉的设计以及试验观测内容和方法。描述和分析了试验中板的裂缝开展及破坏特征。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土的温度分布、钢筋的温度变化以及板的平面外和平面内的变形。结果表明：火灾作用下,沿板厚存在非线性温度场及较大的温度梯度；在荷载和温度的耦合作用下,受火板顶沿板边出现密集裂缝,最终形成圆形塑性铰线,由于结构连续性及构件间的相互作用,与受火板相邻的未受火楼板板顶也出现了规则裂缝；火灾中受火板的平面外变形基本对称,最大平面外位移发生在板中心；周边相邻未受火构件对受火板有较强的侧向约束作用,导致板边未产生向外膨胀的平面内位移,而是随板挠度的增长一直向内收缩；整体结构中钢筋混凝土双向板具有较好的抗火性能。
利用自行研制的火灾试验炉,进行了足尺三层钢框架结构中钢筋混凝土双向板在恒载-升温工况下的火灾试验。介绍了钢框架足尺模型与火灾试验炉的设计以及试验观测内容和方法。描述和分析了试验中板的裂缝开展及破坏特征。研究了双向板在受火过程中沿板厚混凝土的温度分布、钢筋的温度变化以及板的平面外和平面内的变形。结果表明：火灾作用下,沿板厚存在非线性温度场及较大的温度梯度；在荷载和温度的耦合作用下,受火板顶沿板边出现密集裂缝,最终形成圆形塑性铰线,由于结构连续性及构件间的相互作用,与受火板相邻的未受火楼板板顶也出现了规则裂缝；火灾中受火板的平面外变形基本对称,最大平面外位移发生在板中心；周边相邻未受火构件对受火板有较强的侧向约束作用,导致板边未产生向外膨胀的平面内位移,而是随板挠度的增长一直向内收缩；整体结构中钢筋混凝土双向板具有较好的抗火性能。
2013, 30(4): 345-349.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0782
摘要:
基于氢压理论与Griffith理论,通过分析大锻件内微孔隙的来源,建立了大锻件微孔隙在氢压下的有限元分析模型。通过数值模拟,对不同形态下的微孔隙在氢压下的应力场进行了对比分析,结果表明大锻件内原始孔洞萌生白点的可能性极小,但随着孔洞变形量的增大,在垂直于孔洞压下变形主方向的平面上,白点萌生的可能性大大提高。此外,片状裂纹上最大张应力所处的位置表明,氢压下不规则裂纹有向圆形扩展的趋势,这就解释了为何在锻件截面上观察到的白点多为圆形或椭圆形。研究结果为大锻件白点萌生的力学研究奠定了理论基 础。
基于氢压理论与Griffith理论,通过分析大锻件内微孔隙的来源,建立了大锻件微孔隙在氢压下的有限元分析模型。通过数值模拟,对不同形态下的微孔隙在氢压下的应力场进行了对比分析,结果表明大锻件内原始孔洞萌生白点的可能性极小,但随着孔洞变形量的增大,在垂直于孔洞压下变形主方向的平面上,白点萌生的可能性大大提高。此外,片状裂纹上最大张应力所处的位置表明,氢压下不规则裂纹有向圆形扩展的趋势,这就解释了为何在锻件截面上观察到的白点多为圆形或椭圆形。研究结果为大锻件白点萌生的力学研究奠定了理论基 础。
2013, 30(4): 350-354.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0580
摘要:
在标准材料制备工艺条件下,可用材料的密度表征材料的微结构构型。基于该思想,以不同的阻尼层材料密度代表不同的阻尼层材料微结构,针对阻尼层的两种优化构型和优化前的构型,从材料和结构两个尺度层面,实验研究了实际工程中的一种圆形阻尼层合结构的阻尼比随阻尼层材料密度与阻尼层构型的变化。测试得到了给定阻尼层构型时,不同激励幅值和负载质量加载下,结构阻尼比随阻尼材料密度的变化曲线,以及给定阻尼层材料密度时,含有三种不同构型阻尼层的结构的阻尼比随载荷激励幅值的变化曲线。两尺度的实验结果表明：适当的材料设计和结构拓扑优化可以提高圆形阻尼层合结构的阻尼特性；同时也表明：满足工程要求的拓扑优化构型存在多个。
在标准材料制备工艺条件下,可用材料的密度表征材料的微结构构型。基于该思想,以不同的阻尼层材料密度代表不同的阻尼层材料微结构,针对阻尼层的两种优化构型和优化前的构型,从材料和结构两个尺度层面,实验研究了实际工程中的一种圆形阻尼层合结构的阻尼比随阻尼层材料密度与阻尼层构型的变化。测试得到了给定阻尼层构型时,不同激励幅值和负载质量加载下,结构阻尼比随阻尼材料密度的变化曲线,以及给定阻尼层材料密度时,含有三种不同构型阻尼层的结构的阻尼比随载荷激励幅值的变化曲线。两尺度的实验结果表明：适当的材料设计和结构拓扑优化可以提高圆形阻尼层合结构的阻尼特性；同时也表明：满足工程要求的拓扑优化构型存在多个。
2013, 30(4): 355-359.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0752
摘要:
建立了叶片-转子-轴承系统模型,并分析了考虑非线性油膜力作用下系统的弯扭耦合运动。为了考虑叶片弯曲变形的影响,将叶片模化为悬臂梁结构,利用假设模态法进行离散求解,通过Lagrange方法建立系统的运动方程,运用Runge-Kutta法对所得动力学方程进行数值求解,最终通过对分岔图、三维谱图、相图和Poincaré映射的分析,得到了叶片-转子-轴承系统中蕴含的各种复杂非线性动力学行为。通过与不考虑叶片的转子-轴承系统进行比较,指出叶片的弯曲振动使系统的不稳定区域提前,并在某些转速下激起系统的混沌运动。
建立了叶片-转子-轴承系统模型,并分析了考虑非线性油膜力作用下系统的弯扭耦合运动。为了考虑叶片弯曲变形的影响,将叶片模化为悬臂梁结构,利用假设模态法进行离散求解,通过Lagrange方法建立系统的运动方程,运用Runge-Kutta法对所得动力学方程进行数值求解,最终通过对分岔图、三维谱图、相图和Poincaré映射的分析,得到了叶片-转子-轴承系统中蕴含的各种复杂非线性动力学行为。通过与不考虑叶片的转子-轴承系统进行比较,指出叶片的弯曲振动使系统的不稳定区域提前,并在某些转速下激起系统的混沌运动。
2013, 30(4): 360-366.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0761
摘要:
对于轨道不平顺作用下具有不确定结构参数的车轨耦合系统随机振动灵敏度问题进行了研究。车辆采用多刚体动力学模型,弹性轨道采用无穷周期子结构进行模拟。在哈密顿对偶体系下建立了车轨耦合系统混合物理坐标及辛对偶坐标的动力学方程,应用解析手段推导出其相对系统不确定参数的灵敏度控制方程。进一步,基于虚拟激励法和辛方法建立了车轨耦合系统随机振动响应灵敏度分析方法。数值算例结果表明：所提出的灵敏度分析方法具有较高的计算精度,并保留了虚拟激励法高效的特性。该文所开展的工作对于车辆系统动力学参数设计与优化具有很好的参考价值。
对于轨道不平顺作用下具有不确定结构参数的车轨耦合系统随机振动灵敏度问题进行了研究。车辆采用多刚体动力学模型,弹性轨道采用无穷周期子结构进行模拟。在哈密顿对偶体系下建立了车轨耦合系统混合物理坐标及辛对偶坐标的动力学方程,应用解析手段推导出其相对系统不确定参数的灵敏度控制方程。进一步,基于虚拟激励法和辛方法建立了车轨耦合系统随机振动响应灵敏度分析方法。数值算例结果表明：所提出的灵敏度分析方法具有较高的计算精度,并保留了虚拟激励法高效的特性。该文所开展的工作对于车辆系统动力学参数设计与优化具有很好的参考价值。
2013, 30(4): 367-372.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0797
摘要:
基于非局部弹性理论,建立了两端受初始张力的轴向运动超薄梁横向振动的控制方程。与现有的一些仅仅在控制方程中考虑非局部效应的研究不同,该文同时将非局部效应引入到两种典型的边界条件中,考察了非局部参数对超薄梁横向振动行为尤其是固有频率和临界速度的影响。结果表明：超薄性使得轴向运动梁的自由振动固有频率及临界速度降低,经典弹性理论高估了纳米尺度结构的弯曲刚度,轴向运动超薄梁的动力学行为存在明显的非局部尺寸效应。
基于非局部弹性理论,建立了两端受初始张力的轴向运动超薄梁横向振动的控制方程。与现有的一些仅仅在控制方程中考虑非局部效应的研究不同,该文同时将非局部效应引入到两种典型的边界条件中,考察了非局部参数对超薄梁横向振动行为尤其是固有频率和临界速度的影响。结果表明：超薄性使得轴向运动梁的自由振动固有频率及临界速度降低,经典弹性理论高估了纳米尺度结构的弯曲刚度,轴向运动超薄梁的动力学行为存在明显的非局部尺寸效应。
2013, 30(4): 373-379.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0798
摘要:
针对导波频散特性对圆管纵向导波探伤效果影响的问题,提出一种基于频散特性的外推分析方法,通过优化选取导波检测模式和频率来减少频散特性对圆管纵向导波探伤结果的不良影响。首先应用全局矩阵法推导出多层圆管纵向导波的Pochhammer-Chree频散特性方程,并提出一种能够反映纵向导波传播强弱的截面功率流模型。然后结合外推预测和双尺度迭代逼近过程,给出了导波频散特性以及截面功率流的数值计算方法,并利用计算结果进行分析,提出一种导波检测模式和频率的选择方法。实验表明其结果与理论分析基本一致。上述方法可为圆管损伤检测中导波参数的合理选择提供参考。
针对导波频散特性对圆管纵向导波探伤效果影响的问题,提出一种基于频散特性的外推分析方法,通过优化选取导波检测模式和频率来减少频散特性对圆管纵向导波探伤结果的不良影响。首先应用全局矩阵法推导出多层圆管纵向导波的Pochhammer-Chree频散特性方程,并提出一种能够反映纵向导波传播强弱的截面功率流模型。然后结合外推预测和双尺度迭代逼近过程,给出了导波频散特性以及截面功率流的数值计算方法,并利用计算结果进行分析,提出一种导波检测模式和频率的选择方法。实验表明其结果与理论分析基本一致。上述方法可为圆管损伤检测中导波参数的合理选择提供参考。
2013, 30(4): 380-384.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0799
摘要:
高效、稳定的微分-代数方程数值求解方法是多体系统动力学领域的关键问题之一。该文针对多体系统动力学指标3微分-代数方程,对目前多体系统动力学中引入的隐式时域逐步积分方法进行了深入研究,提出了适用于一般质量矩阵的广义-α-S法,并结合约束投影方法,构造了广义-α-S投影法。该方法既能较好地保持系统总能量,又能较高程度地同时满足位移约束、速度级约束和加速度级约束,并且在步长较大时可稳定求解,计算效率较高。
高效、稳定的微分-代数方程数值求解方法是多体系统动力学领域的关键问题之一。该文针对多体系统动力学指标3微分-代数方程,对目前多体系统动力学中引入的隐式时域逐步积分方法进行了深入研究,提出了适用于一般质量矩阵的广义-α-S法,并结合约束投影方法,构造了广义-α-S投影法。该方法既能较好地保持系统总能量,又能较高程度地同时满足位移约束、速度级约束和加速度级约束,并且在步长较大时可稳定求解,计算效率较高。
2013, 30(4): 385-391.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0808
摘要:
采用浮阻力模型对不同加速度历史、不同密度比条件下Rayleigh-Taylor不稳定性诱发的物质渗透边界的演化过程进行了计算,揭示了该混合在常加速度和复杂变加速度情况下不同的发展规律,以及气泡和尖顶演化的不对称性随密度比的增大而增强的特性。通过与实验结果的比较分析,验证了该文中模型参数的选取、方程中现象学比例因子的添加和模型假设是合适的。这些结果为将浮阻力模型直接应用到相关的工程设计,取代现有的经验公式提供了理论依据,大大推动了与不稳定性诱发混合现象相关的工程领域的发展。
采用浮阻力模型对不同加速度历史、不同密度比条件下Rayleigh-Taylor不稳定性诱发的物质渗透边界的演化过程进行了计算,揭示了该混合在常加速度和复杂变加速度情况下不同的发展规律,以及气泡和尖顶演化的不对称性随密度比的增大而增强的特性。通过与实验结果的比较分析,验证了该文中模型参数的选取、方程中现象学比例因子的添加和模型假设是合适的。这些结果为将浮阻力模型直接应用到相关的工程设计,取代现有的经验公式提供了理论依据,大大推动了与不稳定性诱发混合现象相关的工程领域的发展。
2013, 30(4): 392-396.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0831
摘要:
运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明：随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定；随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。
运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明：随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定；随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。
2013, 30(4): 397-401.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0835
摘要:
讨论了载体位姿无控情况下,漂浮基柔性关节空间机器人的关节运动控制器设计问题。利用系统动量、动量矩守恒关系及拉格朗日法,建立了空间机器人的动力学模型。为实现系统关节运动控制目标,借助于神经网络函数逼近技术,提出了一种柔性关节空间机器人的自适应反演控制方案。所提控制方案无需预知系统各惯性参数的真实信息,且可避免对载体位置相关量进行实时地测量与反馈,因此较适于实际应用。数值仿真结果表明：上述控制方案可使系统各柔性关节的振动较小,并能够有效地控制空间机器人完成所期望的关节运动。
讨论了载体位姿无控情况下,漂浮基柔性关节空间机器人的关节运动控制器设计问题。利用系统动量、动量矩守恒关系及拉格朗日法,建立了空间机器人的动力学模型。为实现系统关节运动控制目标,借助于神经网络函数逼近技术,提出了一种柔性关节空间机器人的自适应反演控制方案。所提控制方案无需预知系统各惯性参数的真实信息,且可避免对载体位置相关量进行实时地测量与反馈,因此较适于实际应用。数值仿真结果表明：上述控制方案可使系统各柔性关节的振动较小,并能够有效地控制空间机器人完成所期望的关节运动。
2013, 30(4): 402-409.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0854
摘要:
该文探讨了汽车座椅聚合物泡沫座垫的非线性弹性-阻尼特性的一种建模方法及过程。首先进行了泡沫座垫的动态力学特性实验测试,根据座垫的非线性动态特性特征选择了模型的表达式,再通过大量实验数据对其进行了参数辨识,建立了座垫的一种非线性弹性-阻尼特性数学模型,表达了座垫的动态载荷与变形位移、速度的关系。另一方面,进行了实际人体在座垫上的正常坐姿体压分布测试,参考体压分布状态进行了座垫的离散化,建立了泡沫座垫的垂向非线性弹性-阻尼特性的离散化模型,可更好地模拟座椅-乘员系统的人体角振动响应特性。最后进行了所建立的聚合物泡沫座垫动态特性模型在座椅-乘员系统多体动力学响应模拟分析中的应用验证。
该文探讨了汽车座椅聚合物泡沫座垫的非线性弹性-阻尼特性的一种建模方法及过程。首先进行了泡沫座垫的动态力学特性实验测试,根据座垫的非线性动态特性特征选择了模型的表达式,再通过大量实验数据对其进行了参数辨识,建立了座垫的一种非线性弹性-阻尼特性数学模型,表达了座垫的动态载荷与变形位移、速度的关系。另一方面,进行了实际人体在座垫上的正常坐姿体压分布测试,参考体压分布状态进行了座垫的离散化,建立了泡沫座垫的垂向非线性弹性-阻尼特性的离散化模型,可更好地模拟座椅-乘员系统的人体角振动响应特性。最后进行了所建立的聚合物泡沫座垫动态特性模型在座椅-乘员系统多体动力学响应模拟分析中的应用验证。
2013, 30(4): 410-416.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.09.0622
摘要:
给水泵汽轮机挠性支承结构的稳定性关系着整个发电机组的安全运行。该文首先分析了某公司1000MW等级给水泵汽轮机挠性支承结构的力学边界条件；其次,根据材料力学压杆稳定性理论对挠性支承结构进行模化,并设计了模化结构具有初始偏心位移的稳定性实验；然后,利用三维有限元软件ANSYS 11.0对实验结构进行了非线性稳定性计算；最后,将实验结果和有限元计算进行比较。结果表明：计算所得的不同初始偏心位移下的载荷-位移曲线与实验结果基本吻合,挠性支承结构的临界载荷随着初始偏心位移的增大而减小。通过模化结构的实验与有限元计算,验证了挠性支承结构非线性稳定性的有限元计算方法,为实际结构的有限元计算和给水泵汽轮机整体稳定性分析提供了有力支撑。
给水泵汽轮机挠性支承结构的稳定性关系着整个发电机组的安全运行。该文首先分析了某公司1000MW等级给水泵汽轮机挠性支承结构的力学边界条件；其次,根据材料力学压杆稳定性理论对挠性支承结构进行模化,并设计了模化结构具有初始偏心位移的稳定性实验；然后,利用三维有限元软件ANSYS 11.0对实验结构进行了非线性稳定性计算；最后,将实验结果和有限元计算进行比较。结果表明：计算所得的不同初始偏心位移下的载荷-位移曲线与实验结果基本吻合,挠性支承结构的临界载荷随着初始偏心位移的增大而减小。通过模化结构的实验与有限元计算,验证了挠性支承结构非线性稳定性的有限元计算方法,为实际结构的有限元计算和给水泵汽轮机整体稳定性分析提供了有力支撑。
2013, 30(4): 417-422.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0874
摘要:
考虑瞬时压力脉动对空化初生的影响,采用动态亚格子应力模型对某高压柴油喷嘴内部瞬时流动进行大涡模拟。计算结果表明：喷孔入口分离形成的局部低压区内时均湍流脉动压力可达时均静压的2倍,两相流场时均空泡位置及形态与实验结果十分吻合,并与基于时均静压及湍流脉动压力预测的空化初生区域基本一致。分离剪切层失稳形成柱状涡并激发了转捩过程,在分离转捩区域柱状涡发生扭曲变形并产生强烈的瞬时压力脉动,从而导致了空化。喷孔入口倒角处理使得分离减弱,对分离转捩过程和空化初生具有抑制作用。
考虑瞬时压力脉动对空化初生的影响,采用动态亚格子应力模型对某高压柴油喷嘴内部瞬时流动进行大涡模拟。计算结果表明：喷孔入口分离形成的局部低压区内时均湍流脉动压力可达时均静压的2倍,两相流场时均空泡位置及形态与实验结果十分吻合,并与基于时均静压及湍流脉动压力预测的空化初生区域基本一致。分离剪切层失稳形成柱状涡并激发了转捩过程,在分离转捩区域柱状涡发生扭曲变形并产生强烈的瞬时压力脉动,从而导致了空化。喷孔入口倒角处理使得分离减弱,对分离转捩过程和空化初生具有抑制作用。
2013, 30(4): 423-428.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0893
摘要:
目前液体静压导轨的导轨面内一般设计成对称单行、若干列油腔。油腔的数目(即列数)是液体静压导轨设计中的关键,对导轨的动态、静态性能都有着较大的影响。以液体静压导轨的单一导轨面为研究对象,分别作用垂直和倾覆载荷,推导了导轨的承载能力、静刚度与油腔数目的数学关系式,并进行了相应的分析。以工程中的滑板系统为例,滑板导轨面内分别对称设计单行,2列~6列油腔的五种方案。以滑板的承载能力、静刚度为性能依据,对五种方案进行对比分析,结果发现设计成单行、3列油腔时滑板的性能最佳。
目前液体静压导轨的导轨面内一般设计成对称单行、若干列油腔。油腔的数目(即列数)是液体静压导轨设计中的关键,对导轨的动态、静态性能都有着较大的影响。以液体静压导轨的单一导轨面为研究对象,分别作用垂直和倾覆载荷,推导了导轨的承载能力、静刚度与油腔数目的数学关系式,并进行了相应的分析。以工程中的滑板系统为例,滑板导轨面内分别对称设计单行,2列~6列油腔的五种方案。以滑板的承载能力、静刚度为性能依据,对五种方案进行对比分析,结果发现设计成单行、3列油腔时滑板的性能最佳。
2013, 30(4): 429-434.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.05.0331
摘要:
出于拖航稳性、施工下沉、精细调平及结构强度的原因,混凝土筒型基础筒内须设置分舱板。一般设计时不考虑分舱板对承载力的作用,实际上分舱板的存在对于筒型基础的承载模式和承载能力本身是有一定的影响。通过数值模型定量对比带分舱板和无分舱板两种混凝土筒型基础的承载特性,得到分舱板对承载模式的影响。结果显示带分舱板的基础与无分舱板的基础承载模式基本相似,当荷载较小时分舱板对承载力的作用不明显,因此基础设计时可以不考虑分舱板的作用,但随着荷载的增加,分舱板对承载力的提高作用逐渐显现,当达到极限承载时,基础竖向承载力提高6.9%,水平承载力提高18.3%,弯矩承载力提高16.5%,在极端条件下,带分舱板的混凝土筒型基础将具有更大的安全储备。
出于拖航稳性、施工下沉、精细调平及结构强度的原因,混凝土筒型基础筒内须设置分舱板。一般设计时不考虑分舱板对承载力的作用,实际上分舱板的存在对于筒型基础的承载模式和承载能力本身是有一定的影响。通过数值模型定量对比带分舱板和无分舱板两种混凝土筒型基础的承载特性,得到分舱板对承载模式的影响。结果显示带分舱板的基础与无分舱板的基础承载模式基本相似,当荷载较小时分舱板对承载力的作用不明显,因此基础设计时可以不考虑分舱板的作用,但随着荷载的增加,分舱板对承载力的提高作用逐渐显现,当达到极限承载时,基础竖向承载力提高6.9%,水平承载力提高18.3%,弯矩承载力提高16.5%,在极端条件下,带分舱板的混凝土筒型基础将具有更大的安全储备。
2013, 30(4): 435-441.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.10.0701
摘要:
该文针对锥柱形贮箱膜片,选取不同的金属材料(纯钛、304L 不锈钢、铝),系统研究了锥角为8°~12°时,金属贮箱膜片翻转过程中出现的结构屈曲和后屈曲状态,这一过程涉及材料与几何非线性。膜片在翻转过程中,当载荷增加至结构的临界载荷时,结构的切线刚度趋于零,传统的Newton-Raphson法难以追踪后屈曲平衡路径,通过弧长法,准确求解了结构的后屈曲平衡状态。数值计算得出：锥角对不同材质膜片的翻转行为的影响,304L不锈钢最显著,纯钛次之,铝最不显著；结构屈曲载荷及后屈曲状态时膜片的承载能力均随锥角的增加而减小；10°锥角为最优解,这一角度兼顾了膜片内部容积和翻转效率这两个因素。
该文针对锥柱形贮箱膜片,选取不同的金属材料(纯钛、304L 不锈钢、铝),系统研究了锥角为8°~12°时,金属贮箱膜片翻转过程中出现的结构屈曲和后屈曲状态,这一过程涉及材料与几何非线性。膜片在翻转过程中,当载荷增加至结构的临界载荷时,结构的切线刚度趋于零,传统的Newton-Raphson法难以追踪后屈曲平衡路径,通过弧长法,准确求解了结构的后屈曲平衡状态。数值计算得出：锥角对不同材质膜片的翻转行为的影响,304L不锈钢最显著,纯钛次之,铝最不显著；结构屈曲载荷及后屈曲状态时膜片的承载能力均随锥角的增加而减小；10°锥角为最优解,这一角度兼顾了膜片内部容积和翻转效率这两个因素。
2013, 30(4): 442-447.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.11.0794
摘要:
潜射导弹水下弹道品质决定了发射过程的成败。发射速度提高形成的导弹附体空泡造成了流体动力的不确定性,增加了水下弹道设计的难度。针对潜射导弹水下航行的特点,采用通气空泡技术来模拟不同空化状态下航行的导弹,给出了空泡形态及其流体动力特性,分析了锥头锥角对空泡形态和流体动力特性的影响,得出了回射流效应及弹体自由攻角随锥角增大而增大的结论。借鉴超空泡武器外形理论,设计了增强弹道稳定性的截头锥头型,并通过试验验证了该头型弹体稳定性好的特点。试验结果可供潜射导弹水弹道设计人员参考。
潜射导弹水下弹道品质决定了发射过程的成败。发射速度提高形成的导弹附体空泡造成了流体动力的不确定性,增加了水下弹道设计的难度。针对潜射导弹水下航行的特点,采用通气空泡技术来模拟不同空化状态下航行的导弹,给出了空泡形态及其流体动力特性,分析了锥头锥角对空泡形态和流体动力特性的影响,得出了回射流效应及弹体自由攻角随锥角增大而增大的结论。借鉴超空泡武器外形理论,设计了增强弹道稳定性的截头锥头型,并通过试验验证了该头型弹体稳定性好的特点。试验结果可供潜射导弹水弹道设计人员参考。
2013, 30(4): 448-454.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0841
摘要:
该文分别研究了俯仰方向带中心间隙和初偏间隙的二元翼面,并提出通过加入摩擦力矩来减弱间隙非线性影响的方案。基于简谐条件下求得的非定常空气动力矩阵,采用Roger有理函数拟合,将其转为时域下的气动力的近似表达式,之后采用四阶Runge-Kutta法求解其时域内的气动弹性响应。结果显示：中心和初偏间隙对机翼产生的影响类似,都能使其在一定的速度范围内产生复杂的极限环振荡,但两者对间隙大小的敏感度有所不同。加入的摩擦能有效抑制间隙非线性的影响,使翼面的运动在低于线性颤振速度下能够衰减。且当加入的摩擦类型确定,初始扭矩和摩擦刚度的值比较大的情况下,其值和摩擦非线性在初偏间隙中加入位置的变化都对系统的颤振速度不会有明显的影响。
该文分别研究了俯仰方向带中心间隙和初偏间隙的二元翼面,并提出通过加入摩擦力矩来减弱间隙非线性影响的方案。基于简谐条件下求得的非定常空气动力矩阵,采用Roger有理函数拟合,将其转为时域下的气动力的近似表达式,之后采用四阶Runge-Kutta法求解其时域内的气动弹性响应。结果显示：中心和初偏间隙对机翼产生的影响类似,都能使其在一定的速度范围内产生复杂的极限环振荡,但两者对间隙大小的敏感度有所不同。加入的摩擦能有效抑制间隙非线性的影响,使翼面的运动在低于线性颤振速度下能够衰减。且当加入的摩擦类型确定,初始扭矩和摩擦刚度的值比较大的情况下,其值和摩擦非线性在初偏间隙中加入位置的变化都对系统的颤振速度不会有明显的影响。
2013, 30(4): 455-460.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0853
摘要:
基于大涡模拟(LES)方法,结合WENO格式与自适应网格加密(AMR)技术及沉浸边界法(IBM),对来流马赫数为Ma=2.5条件下的平板上微型三角楔绕流流场进行了数值模拟。数值模拟表明微型三角楔涡流发生器可以显著改变超声速流体边界层结构。计算结果清晰地显示了三角楔上游分离区的流场结构和下游各涡的流态,同时计算表明,微楔对边界层控制过程中,其下游的流向涡对与涡环结构都起了重要作用,并对其作用过程进行了讨论。数值计算与相关实验结果相符,且提供了流场的重要细节,揭示了微楔的控制机理,可为超声速边界层控制研究提供重要支持。
基于大涡模拟(LES)方法,结合WENO格式与自适应网格加密(AMR)技术及沉浸边界法(IBM),对来流马赫数为Ma=2.5条件下的平板上微型三角楔绕流流场进行了数值模拟。数值模拟表明微型三角楔涡流发生器可以显著改变超声速流体边界层结构。计算结果清晰地显示了三角楔上游分离区的流场结构和下游各涡的流态,同时计算表明,微楔对边界层控制过程中,其下游的流向涡对与涡环结构都起了重要作用,并对其作用过程进行了讨论。数值计算与相关实验结果相符,且提供了流场的重要细节,揭示了微楔的控制机理,可为超声速边界层控制研究提供重要支持。
2013, 30(4): 461-465.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0857
摘要:
针对低阶谐波平衡法精度不高的不足,引入椭圆函数谐波平衡法解决非线性气动弹性问题。基于一阶活塞理论,建立了高速二元机翼的立方非线性颤振方程,采用椭圆函数谐波平衡法、谐波平衡法和Runge-Kutta数值计算方法进行了求解。结果表明：椭圆函数谐波平衡法的计算结果与Runge-Kutta数值计算方法的结果吻合,且与谐波平衡法相比其相对误差更小,可以有效的预测极限环振荡的幅值及其临界点。同时研究了弹性轴位置及重心位置对极限环颤振临界点的影响,随着弹性轴位置不断靠近翼弦中点,极限环振荡临界速度不断增大；而随着重心位置与弹性轴距离的增大,极限环振荡临界速度存在一个极小值点。
针对低阶谐波平衡法精度不高的不足,引入椭圆函数谐波平衡法解决非线性气动弹性问题。基于一阶活塞理论,建立了高速二元机翼的立方非线性颤振方程,采用椭圆函数谐波平衡法、谐波平衡法和Runge-Kutta数值计算方法进行了求解。结果表明：椭圆函数谐波平衡法的计算结果与Runge-Kutta数值计算方法的结果吻合,且与谐波平衡法相比其相对误差更小,可以有效的预测极限环振荡的幅值及其临界点。同时研究了弹性轴位置及重心位置对极限环颤振临界点的影响,随着弹性轴位置不断靠近翼弦中点,极限环振荡临界速度不断增大；而随着重心位置与弹性轴距离的增大,极限环振荡临界速度存在一个极小值点。
2013, 30(4): 466-471.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2011.12.0880
摘要:
该文以一组色散关系得到改进的完全非线性Boussinesq方程建立了一个波浪模型,通过与均匀水深条件下聚焦波浪的实验结果进行对比说明该模型可以很好的模拟聚焦波浪,然后应用该模型聚焦波浪在一前后坡度对称的潜堤上的非线性传播变形。结果表明：随着水深的减小波峰越来越尖,波谷越来越平坦,所对应的能谱在高次谐频部分也有较大的增长,但在堤顶部分和反变浅区域,波浪的群性随着水深的增大而越来越不明显,对应的频谱表明在这段区域内有反向能量传递存在。另外,在反变浅区域主波频率附近的自由波能量有所增加,这说明频率的峰度也会减小。
该文以一组色散关系得到改进的完全非线性Boussinesq方程建立了一个波浪模型,通过与均匀水深条件下聚焦波浪的实验结果进行对比说明该模型可以很好的模拟聚焦波浪,然后应用该模型聚焦波浪在一前后坡度对称的潜堤上的非线性传播变形。结果表明：随着水深的减小波峰越来越尖,波谷越来越平坦,所对应的能谱在高次谐频部分也有较大的增长,但在堤顶部分和反变浅区域,波浪的群性随着水深的增大而越来越不明显,对应的频谱表明在这段区域内有反向能量传递存在。另外,在反变浅区域主波频率附近的自由波能量有所增加,这说明频率的峰度也会减小。
2013, 30(4): 472-480.
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.0283
摘要:
特高压输电工程在我国进入大量建设阶段后,尚未经历严酷的自然灾害考验。为了分析强震作用下特高压塔线耦联体系动力反应特点以及导、地线对单塔结构动力反应的影响,该文针对特高压格构式输电塔线体系进行了振动台试验研究,旨在为特高压塔线体系的合理抗震设计提供基础。试验以1000kV特高压交流单回路输电线路工程为背景,设计制作了三塔两线体系模型并模拟了体系的边界条件,选取四种不同类型的地震激励,针对塔线体系及单塔进行了八度罕遇下的动力测试。研究结果表明：挂线后该型塔垂直线路方向自振频率下降较为明显且塔线体系动力反应受地震激励类型影响较大；与单塔相比,挂线后该型塔垂直线路方向的能量分布较为显著的向低频区转移；地震作用下,挂线形式下的该塔各项动力反应比单塔结构降低了4%~45%,导线、地线的存在提高了该塔的抗震能力。杆塔动力分析时应考虑导线、地线的影响,否则将会过高的估计塔架结构的地震反应。
特高压输电工程在我国进入大量建设阶段后,尚未经历严酷的自然灾害考验。为了分析强震作用下特高压塔线耦联体系动力反应特点以及导、地线对单塔结构动力反应的影响,该文针对特高压格构式输电塔线体系进行了振动台试验研究,旨在为特高压塔线体系的合理抗震设计提供基础。试验以1000kV特高压交流单回路输电线路工程为背景,设计制作了三塔两线体系模型并模拟了体系的边界条件,选取四种不同类型的地震激励,针对塔线体系及单塔进行了八度罕遇下的动力测试。研究结果表明：挂线后该型塔垂直线路方向自振频率下降较为明显且塔线体系动力反应受地震激励类型影响较大；与单塔相比,挂线后该型塔垂直线路方向的能量分布较为显著的向低频区转移；地震作用下,挂线形式下的该塔各项动力反应比单塔结构降低了4%~45%,导线、地线的存在提高了该塔的抗震能力。杆塔动力分析时应考虑导线、地线的影响,否则将会过高的估计塔架结构的地震反应。
