软土浅埋框架结构抗震计算方法评价

摘要：我国地下工程结构的抗震设计主要采用等效静力法,国外则提出了自由场变形法、反应位移法等方法。本文分析评价等效静力法、自由场变形法和反应位移法应用于软土地下结构抗震设计的差异。分析中设定表征软土地下结构的基准模型,并以动力时程分析给出地下结构的地震响应。假定地质条件和结构埋深不变,通过比较分析随基准模型的结构刚度变化时计算变形和内力的差异,评价三种拟静力地下结构抗震设计方法的适用性。结果表明,等效静力法对刚度较大的浅埋框架结构适用性较好,其它情况计算的结构变形和内力偏大;自由场变形法适用于浅埋框架结构刚度较小或与周围地层刚度接近的情况,且倒三角形分布力模式优于集中力模式;反应位移法可适用于不同刚度软土浅埋框架结构的抗震设计。     

几何参数对旋转薄壁圆柱壳振动特性的影响

摘 要: 本文基于Love壳体理论对旋转薄壁圆柱壳的自由振动特性进行分析,讨论几何参数对圆柱壳振动特性的影响。针对五种边界条件,分别分析厚度与半径之比、半径与长度之比对旋转薄壁圆柱壳固有频率特性的影响;探讨半径与长度之比对系统振型比的影响。分析结果表明：圆柱壳固有频率随着厚度与半径之比的增加而单调增加,增加幅度较小。半径与长度之比对圆柱壳固有频率与振型比的影响显著,且随其增大固有频率及振型比均不单调变化。由此可知,细长圆柱壳的振动特性与短粗圆柱壳的振动特性差异显著,研究结果为圆柱壳的动力学分析提供理论依据。     

钢板夹钢管组合板抗接触爆炸性能研究

鉴于钢管良好的变形能力、吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-钢管芯层-钢板的三明治型抗爆组合板。对芯层钢管数量为5根、4根、3根的组合板进行了TNT装药量为1kg的接触爆炸试验,考察了各板在承受接触爆炸冲击荷载时的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析和数值模拟。研究表明,钢板夹钢管组合板承受接触爆炸冲击荷载时,主要发生局部压缩变形。钢管变形是组合板耗散能量的主要途径。增加钢管数量,增大钢板厚度,增大钢管管壁厚度,均可减小组合板在接触爆炸条件下的变形破坏,提高抗接触爆炸性能。     

纤维缠绕复合材料壳体刚度衰减模型数值模拟

应用微分几何理论,推导出纤维缠绕复合材料壳体的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程,得到缠绕过程的动态仿真模拟数据。将封头处变化的缠绕角、厚度等实际工艺参数直接用于壳体结构的理论分析。采用叠层的增量本构关系,模拟层合板壳结构的损伤过程,建立了损伤后刚度衰减模型及刚度退化准则,并通过实验确定了刚度衰减系数。应用此模型对纤维缠绕复合材料压力容器进行了数值分析。结果表明:纤维缠绕复合材料压力容器封头处损伤会导致其弯曲刚度降低,这是影响轴向变形的重要因素。      

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

基于模态试验的连接结构状态表征参数研究

有效辨识螺栓连接结构的连接状态,是确保结构可靠性和安全性的基础.传统的基于模态参数辨识结构连接状态变化的方法效果不太理想,从模态理论出发,在基准模态空间中构造了相对模态复/实连接刚度两类特征参数表征结构的连接状态,并采用不同拧紧力矩下的螺栓连接梁模态试验对构造的表征参数的有效性进行了检验.结果表明,所构造的表征参数比固有频率对连接状态变化具有更好的敏感性.     

阻尼矩阵与刚度矩阵的一种直接修正方法

提出了一种利用复模态测量数据同时修正有限元阻尼与刚度矩阵的有效方法。借助于矩阵的奇异值分解得到了满足动力方程的最小修正矩阵。该方法有一个简洁的表达式,修正过程简单而且容易实现,数值试验表明修改后的结构参数能准确地同试验值吻合。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。     

密肋复合墙-剪力墙混合结构水平位移计算方法研究

密肋复合墙-剪力墙混合结构是把密肋复合墙与剪力墙组合起来,形成的一种新型联合抗侧力结构,有效解决了密肋结构在7度及以上地震烈度区建造高度、应用范围受限的问题。本文对水平荷载作用下复合墙-剪力墙结构的位移计算方法进行研究：依据Timoshenko梁基本理论,将密肋复合墙视为弯剪型悬臂墙,同时考虑其弯曲变形和剪切变形,采用变形连续化方法建立了结构体系的位移微分方程,以常见倒三角形荷载为例推导了密肋复合墙弯曲变形、剪切变形和结构总水平位移的解析表达式。算例分析表明：复合墙-剪力墙结构与框剪结构的刚度特征值、位移公式完全相容,后者可视为前者在复合墙抗弯刚度取无穷大时的一种特殊表现形式;结构侧移曲线呈现弯曲变形为主的弯剪型特征,但复合墙的剪切变形在总变形中占有一定比重,不应忽略。研究工作为复合墙-剪力墙结构的内力计算和抗震设计提供了基础。     

水下加肋双层圆柱壳体振动传递特性分析

研究水下双层圆柱壳体振动传递特性具有重要的工程意义,尤其对于水下结构噪声快速预报和外壳表面速度场实时重构.以此为出发点,通过双层加肋圆柱壳体模型水下振动试验研究了不同激励条件下内外壳体振动特性;然后建立了水下双层圆柱壳体有限元模型,计算分析了壳体在流固耦条件下的振动路径及特性,找出了不同激励方向、流体耦合方式和内外壳体连接方式等典型因素下内、外壳体间振动传递规律,为速度场重构和水下噪声预报提供了一定的理论指导.     

双金属复合翅片管振动特性的研究

双金属复合翅片管是一种高效传热元件,容易发生流体诱导振动破坏,对其进行振动模态理论分析具有重要的工程指导意义。针对双金属复合翅片管的结构特征,将其简化为串、并联刚度系统,采用组合截面等效弯曲刚度、等效扭转刚度和等效抗拉压刚度,并结合等效质量和等效转动惯量的方法,对其弯曲、扭转和轴向振动模态进行理论解析。为了验证理论分析方法的准确性,对双金属复合翅片管的振动模态进行了实验测试和有限元分析。研究了翅片几何参数对双金属复合翅片管振动频率的影响规律。结果表明,对于矩形翅片形式的钢铝双金属翅片管,其弯曲、扭转和轴向振动频率均随翅片高度和翅片厚度的增大而减小,随翅片间距的增大而增大。     

吸能型防冲立柱液体冲击问题研究

针对冲击作用下加入吸能构件后液压立柱的液体冲击问题,对扩径式构件在不同加载下的变形行为和特性进行分析,建立基于LuGre模型的吸能构件能量吸收模型。基于液体冲击定解问题的一般方程进行吸能构件及立柱系统顶板来压液体冲击理论和仿真分析,得到吸能构件对立柱内液体冲击的影响规律。结果表明:最大静摩擦力和库伦摩擦力对应吸能构件峰值承载力以及稳定变形阶段反作用力,鬃毛刚度和微观阻尼系数影响吸能构件弹性变形过度到塑性变形时的力-位移特性;随着扩径式构件的变形过程,吸能构件对立柱液体冲击的影响作用分为近似弹性、柔性让位吸能和刚性三个阶段。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

空间望远镜层合材料镜片展开过程非线性动力学行为分析

为了研究空间望远镜柔性子镜展开过程对镜片型面精度和望远镜系统的扰动问题,以花瓣式可展开空间望远镜抛物层合镜片为研究对象,基于绝对节点坐标法,采用考虑初始形态曲率的曲壳单元对镜片的形变位移进行描述,表征了层合镜片几何非线性关系与材料非线性关系下的应变和应力关系。利用虚功原理推导了傍瓣子镜展开过程的耦合动力学方程,考虑了镜片弹性变形与大范围运动的耦合作用。针对使用的曲壳单元和传统建模方式,分别对镜片展开过程进行仿真分析,结果表明使用绝对节点坐标法更有利于描述柔性体大变形与大范围运动的耦合,壳单元在描述曲壳结构时更加精确。铰链驱动力矩能够激发镜片的振荡,特别是在多镜片同时展开时,多柔体的耦合作用会严重影响镜面的型面精度,进而扰动卫星本体的姿态。结论对空间望远镜的镜面精度和姿态精度的分析与控制具有理论价值和工程实际意义。     

基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计

结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤,且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义,但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足,提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法,并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构,以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标,基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计,获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析,建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比,验证所建立的经验函数具有较高的精度,可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。     

计及套圈变形的电主轴角接触球轴承动刚度分析

针对高速电主轴结构特点,应用弹性力学和滚动轴承动力学理论,建立考虑内圈弯曲变形影响的角接触球轴承动刚度分析模型,探讨不同工况下内圈的径向挠度及其对轴承动刚度的影响,最后在12MD60Y6型号电主轴上进行轴承动刚度测试。理论和实验结果表明,内圈径向挠度和轴承的轴向载荷成正比、与转速成反比,在重载条件下其值不容忽视。考虑内圈径向挠度的轴承动刚度计算结果更接近实验结果。     

基于有限元分析的高精密柔性夹具优化方案设计

针对高精密加工过程中柔性夹具的变形问题进行理论计算和实验分析.首先应用CAE软件对现有柔性夹具进行有限元分析,分析夹具变形问题.然后通过CAD软件改变该夹具模型的结构参数和尺寸参数,优化夹具构造,以减少定位过程的夹具变形,并再次通过CAE软件进行分析,验证优化效果.通过增加夹具体主平面刚度、增加夹具体肋板刚度和改变夹具定位点位置等方法,实现夹具体的最大变形量满足加工精度的要求.实验分析以定位点变形为研究对象,测量得到4个定位点在夹具装夹过程中的变形量.实验结果基本符合理论计算结果,得到最终优化方案的4个定位点变形量均小于001 mm,满足了该高精密加工中对夹具体的精度要求.优化方案在实际生产中得到实施,效果良好.     

直纹管外翻式构件设计与吸能特性研究

为提高防冲支架液压立柱的抗冲击性能,设计了一种能够与液压立柱结合使用的直纹管外翻式吸能构件,给出了评价吸能构件吸能特性的指标。采用能量法对直纹管外翻变形的阻力进行了理论推导,得到直纹管稳定翻管变形阻力计算公式。采用数值仿真方法对吸能构件的翻管变化过程、全程阻力变化趋势及能量吸收情况进行了研究,结果表明:翻管变形过程、阻力变化趋势与能量吸收情况相对应,稳定翻管变形时阻力恒定不变,能量线性增加。针对直纹管吸能构件进入稳定翻管变形阶段需要一定压缩距离的问题,提出了改进方法,改进后的吸能构件具有恒阻特性,推导的理论计算公式与仿真得到的稳定翻管变形阻力较好吻合,改变壁厚是得到所需变形阻力的一种有效办法。直纹管外翻式吸能构件具有稳定可重复的翻管变形模式,是较为理想的吸能构件。根据仿真结果对理论公式进行了误差分析与修正,修正后的理论公式对直纹管外翻式吸能构件设计具有指导意义。     

基于损伤演化的杆件断裂模拟方法及其应用

建立了钢材的弹塑性损伤本构模型,将其与有限单元法中分段纤维梁模型结合,实现了杆件不同位置损伤程度评估,根据评估结果实时修正杆件特性,建立了杆件断裂数值模拟方法。将所建立的杆件断裂模拟方法应用于单调递增荷载作用下的梁系结构和地震作用下的单层网壳结构,结果表明,所建立方法可有效地模拟杆件断裂;杆件断裂突然,与其相连的节点位移及杆件应变能突增,可能导致与其相连杆件破坏;强震作用下单层网壳结构可能发生杆件断裂,导致结构局部刚度降低,引起结构倒塌破坏。     

混合润滑状态下结合面的法向接触刚度研究

针对润滑条件下机械结合面的接触特性受油膜影响的问题,基于结合面接触刚度由油膜接触刚度和固体表面接触刚度组成的思想,建立混合润滑状态下结合面的法向接触刚度模型。采用三维的Weierstrass-Mandelbrot函数获得具有分形特征的粗糙表面,并基于统计学方法建立干摩擦条件下结合面的法向接触刚度模型,考虑了微凸体的完全弹性变形、弹塑性变形以及完全塑性变形过程。在此基础上,求解了油膜的等效厚度并建立油膜的接触刚度模型。结果表明:结合面的法向接触刚度随法向载荷的增加而增加,且混合润滑状态下结合面的接触刚度大于干摩擦条件下结合面的接触刚度;该模型避免了油膜厚度测量难的问题,为机械结构的润滑状态预测提供了帮助。