地震-高铁荷载共同作用下分层地基震动规律

为研究地震期间高速列车运行引起的地基震动规律,基于等效荷载法推导了频域内地震荷载输入公式,采用等效线性化方法考虑地基土非线性特性,结合高铁荷载下地基振动2.5维有限元计算方法,建立了地震-高铁荷载共同作用下非线性分层地基2.5维有限元模型,计算分析了车速及地基软硬对两动荷载共同作用下分层地基震动影响。结果表明：地震-高铁荷载引起的轨道中心处地面震动位移随车速的增大而增大;车速相同时轨道中心处地面震动位移随地基土刚度的增大而减小。地震和高铁荷载共同作用时地基震动会产生低频放大效应,车速越高、地基越软时地基低频震动放大效应越明显;两动载共同作用引起的地基中高频震动主要受列车荷载影响。近轨道中心处,地面震动主要受地震和高铁荷载共同作用影响;距轨道中心较远处,地面震动主要受地震荷载影响,高铁荷载的影响较小。     

条形基础稳定性弹塑性大变形有限元分析

对土体失稳过程中弹塑性大变形的问题,采用大变形问题的Updated Lagrangian描述方法,建立了土体稳定分析的弹塑性大变形有限元模型,提出了坐标更新和非线性方程组线性化的方法：计算了均布竖向荷载情况下的条形基础地基稳定性,通过与Prandtl解和弹塑性小变形有限元法所得结果的对比,说明了用弹塑性大变形有限元法进行土体稳定性计算是可行的．通过对倾斜荷载作用并考虑土体自重情况下的条形基础地基稳定性分析,表明弹塑性大变形有限元法不仅能反映土体抗剪强度指标对土体稳定性影响,而且也能反映土体弹性参数对土体稳定性影响,说明了用弹塑性大变形有限元法计算土体稳定性的合理性及对工程安全的重要性．     

2.5D有限元分析列车荷载引起非饱和土地面振动

为研究高速列车荷载引起非饱和土地面振动,将地基视为三相介质,开发非饱和地基2.5维有限单元方法.用Euler梁模型模拟轨道系统,对控制方程进行时间Fourier变换和轨道方向波数变换,结合边界条件和Galerkin法推导出频域内2.5维有限元方程,频域-波数域内解答通过快速Fourier逆变换得到时域-空间域结果,通过数值分析考察车速和路基饱和度对地面振动及超静孔隙水压力影响.结果表明:车速较低时,路基从近饱和到完全饱和轨道中心处地面竖向振动位移幅值显著增加;同一速度下非饱和路面加速度幅值大于饱和路面,其地面振动位移和加速度随时间更快衰减.同一车速下距轨道中心8 m处非饱和路基地面振动加速度峰值远大于饱和路基,车速超过300 km/h后两者地面振动位移幅值趋于相等.近轨道处地面振动幅值快速衰减,远轨道处衰减变慢.轨道中心下超静孔隙水压力分布深度为地表下0～4.5 m,最大峰值约在1.8 m,且随路基饱和度降低显著减少.     

列车加减速引起轨道结构和饱和地基振动

为了研究列车加减速引起的饱和地基振动问题,基于两相介质Biot动力控制方程的简化u-p格式,开发二维饱和土体单元. 通过引入饱和土体黏弹性人工边界,求解移动点荷载作用下的二维饱和地基动力响应,并与半解析解进行对比验证,说明饱和土体单元的正确性和黏弹性人工边界的适用性. 结合E-B梁单元、弹簧-黏壶单元和集中质量单元对轨枕、道砟离散支承的轨道结构及饱和地基进行二维有限单元离散. 将列车荷载简化为平面内的移动轴荷载,通过与列车匀速时对比研究列车加速和减速时饱和地基的孔压、位移响应及离散轨枕、道砟的加速度响应. 结果表明列车减速将增大轨枕、道砟的水平及竖向加速度峰值;列车加速和减速在饱和地基中引起方向相反的土体水平向位移,且减速时土体水平位移峰值更大;列车加速和减速均增大土体竖向位移峰值.     

兰州南山伏龙坪双层隧道施工方案比选与研究

采用二维弹塑性有限元法,分析了在两种施工方案下伏龙坪双层隧道各个施工阶段围岩和衬砌的受力状态,考虑材料的非线性特征,采用Mohr-Coulomb屈服准则及其关联流动法则,采用切线刚度迭代法求解平衡方程,对超过屈服点的应力进行应力调整.     

交通荷载作用下软土地基的累积沉降分析

针对交通荷载作用下软土地基的累计沉降问题,提出采用土体刚度衰减修正公式计算累计塑形变形的方法.基于饱和软土循环三轴试验数据,建立刚度衰减系数与循环次数间的关系.对有限元软件ABAQUS进行二次开发,将刚度衰减模型嵌入到有限元分析程序中去,再通过数值分析计算出任意循环周数后土体的累积塑性变形.采用该方法对交通荷载作用下典型上海软土地基的累积沉降进行预测.计算结果表明,路面结构层的存在有助于减小软土地基的沉降,交通荷载所引起的沉降主要发生在软土地基的浅层,并且随着深度的增加而迅速减小.     

层状地基矩形板结构系统动力响应的一种数值解法

为解决矩形板在动荷载作用下的动力反应,以矩形板和层状地基组成的系统为研究对象,建立有限元与无限元耦合模型,根据哈密尔顿原理推出系统的动力方程.用静力凝聚法及接触面的节点位移和板中面节点位移的几何关系,将地基反力用板中面节点位移和地基等效刚度来表示,从而把地基反力从系统中解耦出来,采用Wilson法导出系统的等效刚度矩阵和等效荷载列向量,求解出系统在弹性阶段的动力响应.结果表明:应用空间有限元与无限元模型很好的解决了人工边界的不足,使计算与实际更接近;解决了板与地基的耦合和无限元的质量矩阵的确定的难题,为无限元的应用提供有效的方法.     

水平及抗弯约束对梁抗爆动力响应的影响分析

边界约束的差异会直接影响结构的抗爆动力响应及承载能力,建立了水平弹性约束和抗弯约束条件下抗爆梁在弹性阶段的数值差分计算方法和塑性阶段的理论解析方法,并计算分析了水平约束刚度、荷载形式以及屈服弯矩动力强化系数对动力响应的影响。计算结果表明,在塑性阶段,水平约束和抗弯约束影响结构的动态响应显著,水平约束使梁截面在变形过程中产生横向压力,抗弯约束直接限制刚体转动,均有效降低了梁位移动力系数,相对提高结构的承载力。相同约束刚度和荷载峰值条件下,平台荷载下结构的位移动力函数均高于三角形荷载下位移动力函数,说明动力荷载的作用时间越长,对结构承载越不利。另外考虑屈服弯矩的动力增强系数时,可提高结构的抗爆潜力。     

黏弹性边界对圆形衬砌隧道动力响应的影响

引入黏弹性边界模型,研究了3种瞬态荷载形式下黏弹性边界上径向刚度系数K_r与阻尼系数C_r对饱和土体与衬砌的径向位移、应力的影响。当K_r趋向于无穷,C_r趋向于0,黏弹性边界退化为完美黏结边界,取退化条件下的黏弹性边界参数同完美黏结边界条件下土体径向位移、应力进行对比,验证了黏弹性边界条件下的解答。分析了突加荷载、阶跃荷载和三角脉冲荷载下不同K_r与C_r值对饱和土体与衬砌的影响,结果表明:3种荷载作用下,刚度系数对土体与衬砌的径向位移、应力影响较大,阻尼系数对土体与衬砌的径向位移、应力影响较小;3种瞬态荷载峰值相同的情况下,突加荷载引起的土体与衬砌的径向位移、应力大于阶跃荷载和三角脉冲荷载。     

砂土中裙式吸力基础水平循环承载特性的影响因素分析

吸力基础作为海上风电工程的基础主要受到风、波浪和洋流等产生的水平循环荷载作用,因此提高其水平循环承载力和控制侧移是保证风机正常运行的关键。采用有限元分析软件Z_SOIL对饱和砂土地基中的裙式吸力基础开展水平循环加载数值分析;考虑到土体小应变阶段刚度增大的特性,土体选用刚度与应力相关的小应变硬化模型（HSS模型）;重点分析和讨论了循环荷载比、加载高度、加载方式和加载顺序对基础循环累积位移和刚度的影响。研究发现：当循环荷载比小于0.5时,基础累积位移很小,基础循环割线刚度随循环振次变化不明显;当循环荷载比大于0.5时,循环加载过程中基础周围砂土地基被挤密实,导致基础循环割线刚度随循环振次增加而增大,卸荷后基础残留较大塑性变形。裙式吸力基础的循环割线刚度随循环荷载比和加载高度的增加呈线性关系减小,基础水平及竖向累积位移则逐渐增大。3种加载方式下,基础水平累积位移从大到小排序为单向荷载、不完全对称荷载、双向对称荷载;竖向累积位移从大到小排序为双向对称荷载、单向荷载、不完全对称荷载。当循环荷载由大到小变化时,基础的水平和竖向累积位移均大于荷载由小到大时的情况,说明前期加载历史对基础后期变形有重要影响。     

高速列车随机激振载荷无砟轨道路基的动应力分布规律

相较于传统的列车轨道路基整体耦合三维有限元模型，提出一种优化处理列车荷载的方法，基于多体系统动力学理论建立列车轨道垂向耦合模型，并通过数值计算得到考虑了轨道随机不平顺条件下的轮轨激振载荷，随后利用二次开发子程序将轮轨载荷导入无砟轨道路基天然地基土非线性数值分析三维有限元模型，在此基础上研究分析高速移动荷载作用下路基的动应力分布规律。研究结果表明：采用的车辆荷载处理方法在保证计算精度的前提下代替车辆不平顺轨道路基地基整体耦合振动模型，降低了建模及计算时间成本；竖向动应力沿横向分布规律，在轨道结构中数值较大，路基基床内远小于轨道结构中的数值，基床表层及基床底层底面出现"马鞍形"分布；沿竖向分布，随着深度的增加，竖向动应力逐渐减小，在基床表层内的衰减率较大，甚至超过50%；沿纵向分布，在各结构层内产生了与转向架数目相等的应力峰值数目，列车运行过程中轨道及路基动应力的变化可以看作是反复的加、卸载过程；列车移动速度对路基动力响应影响作用明显，时速由200 km/h增长到350 km/h时，各结构层动应力幅值增长均超过30%。     

高速锤击体积变形过程的有限元分析

为了研究金属高速锤击变形过程,基于连续介质力学,开发了弹塑性动力显式有限元程序,在平衡方程中引入惯性力来考虑高速变形中惯性效应的影响,同时根据能量原理计算变形期间的锤头速度.使用开发的程序对OF-HC铜块体的高速锤击变形过程进行有限元分析,研究试样构形、质点位移和内部等效塑性应变分布规律,并与未考虑惯性效应的静态模拟结果进行对比.利用所开发的程序分析了高速锤击变形过程中锤头速度、工件变形能和锤击载荷的变化规律.研究结果表明,高速锤击时受惯性力的影响,变形集中于试样上部;由于应力波传播,变形初期下模载荷滞后于上模.这说明所开发的有限元程序能够模拟金属高速锤击变形过程.     

间歇性循环荷载作用下细粒土的变形特性

铁路路基承受的列车动荷载作用由列车通过时产生的周期性振动和无列车通过时的加载间歇组成, 针对此工程背景,开展不同围压、水的质量分数、动应力条件下的连续加载与加载-停振的动三轴试验,研究间歇性循环荷载作用下细粒土的超孔隙水压力、弹性应变、回弹模量和累积塑性应变的变化规律. 试验结果表明,加载间歇对路基变形特性有显著影响. 由于加载间歇阶段试样卸载以及排水作用,试样在加载阶段积累的超孔隙水压力在间歇阶段消散,土体内部颗粒及结构得到调整,试样抵抗后续荷载的能力得到提高. 此外,加载间歇显著减缓了后续加载阶段的塑性应变发展,降低了试样的累积塑性应变. 加载间歇对提高试样回弹模量、降低弹性应变的效果有限. 加载-停振的间歇加载方式可以更准确地模拟实际列车荷载作用,进而获得更具实际意义的试验结果.     

列车振动荷载下铁路粉土路基的长期沉降

结合路基粉土在循环荷载下的动力特性试验,提出动回弹模量与累积变形的预估模型.通过动力有限元分析并与现场实测相比较,研究在列车荷载作用下铁路粉土路基的动应力响应.建立列车在运行条件下铁路粉土路基长期沉降的计算方法,探讨列车速度、轴重、轴载次数以及道床、路基参数等对路基长期沉降的影响.研究表明:当线路平顺性较差且路基压实系数不高时,铁路粉土路基的长期沉降随列车速度提高线性增大,随轴载次数增加先快后慢增长,且列车轴重越大或路基压实系数越低,沉降速率越快;当粉土路基压实系数较低时,适当增加道床厚度或提高路基压实系数均能显著减小路基长期沉降;在列车动载下铁路粉土路基的长期沉降存在一个"临界影响深度",路基压实系数越低,影响深度越大.     

地铁运行引起的饱和地基动力响应

基于Biot饱和多孔介质的波动方程,通过对时间的Fourier变换得出频域内的波动方程,结合边界条件利用Galerkin法推导出频域-波数域内的u-w格式的2.5维有限元方程,通过快速Fourier逆变换求得三维时域-空间域内的动力响应.通过计算实例验证了计算模型.建立地铁-隧道-饱和地基动力相互作用模型,分析地铁移动荷载引起的饱和地基动力响应.研究表明,地铁荷载加振频率对振动幅值及衰减规律的影响很大,控制荷载自振频率是减小环境振动的最佳措施.     

基于ABAQUS的桩基码头三维非线性有限元分析

利用大型有限元分析软件ABAQUS,采用Mohr-Coulomb准则作为土体的屈服准则,在桩土间设置接触面模拟桩土间的相互作用,对某桩基排架码头进行了三维非线性有限元仿真模拟,分析了结构在土压力及上部荷载作用下的应力和变形状态。     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证

     

几何材料非线性分析的新空间梁柱单元

给出了基于UL法的三维梁柱单元虚功增量方程,首次详细推导了同时考虑翘曲和剪切变形以及力矩空间转动影响的三维空间薄壁梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵;材料非线性通过在单元端部形成塑性铰来考虑,对Orbison截面塑性面进行了修正,以考虑扭矩和翘曲对截面强度的影响,采用塑性流动法则推导了单元端部进入塑性时的单元弹塑性切线刚度矩阵。算例表明,只需要一到两个单元就可以准确预测空间钢框架的极限承载力和失稳模态,有效考虑剪切变形及翘曲对结构的影响。