波能转换装置耦合振动非线性水动力特性研究EI北大核心CSCD

针对一种新型波能转换装置,开展非线性水动力特性研究。在势流理论基础上,考虑装置不规则外形(不对称,且水线面面积不恒定)与位置变化等非线性因素对回复力的影响,并引入Morison模型分析流体黏性的附加惯性力效应与阻力效应,建立包含主要的线性与非线性水动力、从波能捕获到转换全过程的非线性动力学模型。利用计算流体动力学法搭建数值波浪水槽,开展波能转换装置响应的准确模拟,并将数值波浪水槽与所提出的非线性动力学模型的结果对比,进行非线性水动力的效应研究和系数辨识。结果表明:传统线性模型造成对波能转换性能的过高估计,非线性水动力模型显著提高了自由衰减振荡、波浪-装置耦合响应等过程的计算精度;Morison模型系数在不同工况中是变化的,幅值响应因子的计算在共振频率附近对Morison模型系数的敏感性最高。研究结果可为准确、快捷地衡量波能转换装置性能提供指导。     

多向不规则波浪作用下群墩结构所受波浪力的实验研究

实际海域中波浪是多向不规则的,波浪的方向分布宽度对作用在结构物上的波浪力具有显著的影响。为了研究方向分布对大尺度群墩结构所受波浪力的影响规律,该文通过物理模型实验模拟了多向不规则波浪与群墩结构的相互作用。通过对波浪荷载的时间过程线进行统计分析得到了作用在墩柱上的正向力、横向力。实验结果表明波浪的方向分布对群墩结构中墩柱所受横向力具有明显的影响。多向波浪作用时,墩柱所受横向力随着方向分布宽度的增大有显著的增大趋势,且后排墩柱受方向分布宽度的影响较前排墩柱更明显。     

近海箱型梁桥受海啸波浪力作用试验研究

近海桥梁在极端气候下会受到海啸波或者风暴潮等灾害作用。采用水槽模型试验研究了海啸波在近海桥梁结构上的波浪力作用规律。试验原型为厦门演武大桥的A匝道桥,上部为流线型三室箱梁,下部为圆柱式桥墩。模型采用1∶25缩尺比进行海啸波冲击试验,研究不同海啸波条件下箱梁和桥墩结构所受波浪力特点。研究结果表明：在波浪刚冲击到主梁时,由于受到动水冲击力的作用,结构所受压强会瞬间达到最大峰值,随后,当波浪水流逐渐浸没桥体时,由于受到动水压力的作用,压强趋于稳定变化。不同波速或冲击淹没系数下结构所受的竖向力峰值都约为水平力峰值的两倍,然而,波速或冲击淹没系数的变化却对结构所受水平力的影响更为明显。当波高一样时,随着波速的增加,桥墩所受峰值压强显著增大,而当波速相同时,波高的变化对桥墩所受峰值压强的影响较小,说明桥墩所受波浪力对波速的变化更为敏感。     

基于Campbell模型的卡车与防撞柱最大碰撞力修正计算方法

为探究卡车冲击防撞柱过程中的最大碰撞力,开展了63组碰撞数值试验。根据碰撞后卡车变形特征分析,采用卡车等效变形对Campbell模型进行参数修正,提出了卡车与防撞柱最大碰撞力的修正计算方法,并对国内外相关规范建议的最大碰撞力计算方法的适用性进行了评估。研究表明,碰撞后卡车变形沿宽度呈中间大、两端小的不均匀分布。卡车等效变形不仅受卡车碰撞速度影响,还与防撞柱高度和直径、钢管屈服强度和厚度以及基础深度有关。与实车碰撞试验和数值模拟试验得到的最大碰撞力对比表明,《欧规1》附录B建议方法计算结果严重偏小,《欧规1》附录C和《公路规范》建议方法计算结果离散性较大,该文建议方法计算结果更加准确保守,适用于防撞柱结构设计。     

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

本文采用Ansys/Ls-dyna对1000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对于数值计算结果的影响,分别采用了流固耦合方法和附加质量系数法来模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析了两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果。因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合方法来考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。     

多向不规则波浪作用下大尺度墩柱上爬高的数值研究

基于规则波对墩柱作用的理论,采用传递函数的方法,建立了多向不规则波浪对大尺度墩柱作用的计算模型。同时进行了物理模型实验,对数值计算结果进行了验证。实验结果和数值计算结果基本一致。结果表明多向不规则波浪与圆柱作用时,波浪的方向分布对圆柱周围的爬高具有明显的影响。研究成果可为实际工程设计时提供参考依据。     

水下爆炸-波浪联合作用下悬浮隧道响应分析

为了研究水下爆炸-波浪联合作用下悬浮隧道(SFT)结构的动力响应，运用三阶Stokes波浪方程和Morison方程计算波浪力，基于D’Alembert原理建立运动微分方程，通过Galerkin法和Runge-Kutta法对其进行求解，并对所建立的荷载模型和联合模型进行验证，最后对不同荷载形式、波浪参数、爆炸参数等影响因素进行对比分析。结果表明：水下爆炸-波浪联合作用对悬浮隧道系统的动力响应影响显著，基于数值计算结果，随着波高和惯性力系数C_M的增大，管体跨中最大位移呈增长趋势，随着周期、埋置深度和拖拽力系数C_D增大，管体跨中最大位移呈衰减趋势。其次，比例距离与管体跨中最大位移呈幂指数关系变化，比例距离越大结构跨中位移越小。再者，爆炸冲击波压力峰值P_m还受到Cole公式中相似系数K₀、α影响，通过对相似系数K₀、α研究发现：相似系数K₀对系统位移响应影响较小，α对系统位移响应影响显著，随着α增大，系统响应趋于稳定。     

分布式摩擦激励下轴系振动研究

针对含水润滑橡胶轴承轴系在摩擦激励与弯扭耦合作用下产生自激振动并诱发异常噪声、而常用的点支承模型无法用于分析轴承分布支承力及轴承倾斜等因素对轴系振动影响,采用分布式轴承支承模型及速度依赖型Stribeck摩擦模型,利用拉格朗日方程及模态展开法建立摩擦激励下轴系动力学模型。用数值仿真研究轴系非线性振动与系统物理参数间关系,探讨接触力、转速、轴承倾斜等因素对轴系响应特性影响。结果表明,在相同摩擦系数、接触力、转速条件下轴承倾斜会使轴系更易产生自激失稳。     

极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究EI北大核心CSCD

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。     

新型斜拉桥与摩天轮复合结构流场数值模拟与风洞试验研究

为研究天津慈海桥的压强分布系数,建立了新型斜拉桥与摩天轮复合结构有限元模型,采用了RANS的RNGk-ε模型作为慈海桥进行数值分析的湍流模型,采用非平衡壁面函数模拟壁面附近复杂的流动现象。运用数值风洞法对斜拉桥部分周围流场进行数值模拟,得到斜拉桥周围流场的速度分布和斜拉桥表面的压强系数。通过风洞试验进行测量,介绍了风洞试验的风洞和试验模型,得出了32个测点不同方向的压强系数。把其中具有代表性的测点数值风洞理论值与风洞试验结果进行比较分析,结果对比说明:理论与试验数据一致,所得到的压强分布系数可以用于工程实际。同时证明该文所采用的数值模拟方法来预测斜拉桥表面的平均压强分布情况可以推广应用。     

外包橡胶混凝土覆层对梁式桥墩防撞性能影响的试验研究

提出将橡胶混凝土以覆层形式外包在桥墩一定高度范围内以提高其防撞减振和能量耗散能力,试验研究了不同橡胶粒径、体积掺量的橡胶混凝土的基本力学性能;其次利用摆锤撞击模型墩柱试验,并结合ABAQUS/Explicit非线性动态碰撞仿真分析,研究了橡胶混凝土覆层对模型墩柱的自振特性、不同撞击速度下的撞击响应峰值及振动衰减规律的影响。结果表明,虽然橡胶混凝土强度、弹模较普通混凝土较低且受橡胶掺量影响显著,但橡胶混凝土覆层兼具防撞和减振的双重优势,可使撞击力峰值减小12.93%~15.87%,墩顶位移减小13.10%~32.11%,墩底应变减小13.1%~46.13%,还能增强原桥墩的主动耗能能力。该形式防撞装置可为桥墩提供有效保护且符合绿色环保的理念,值得推广。     

车辆撞击作用下泡沫铝防撞桥墩的动态响应特性

针对车辆撞击桥墩问题,设计了一种采用泡沫铝材料的桥墩防撞装置.采用LS-DYNA软件分别建立有无防撞装置的桥墩三维实体单元模型,分析了车辆撞击作用下各桥墩的动态时程响应.对比了两种情况下车辆对桥墩的撞击力、桥墩位移和应力等特征参量,并从能量传递的角度分析了泡沫铝防撞装置的耗能能力和撞击车辆损伤.结果表明:采用泡沫铝防撞...     

竖向地震作用下桥梁结构的瞬态波响应分析

竖向地震引起的剧烈地面运动可能导致桥梁结构的损坏。针对竖向地震作用下双跨连续梁桥的瞬态动力学问题,考虑波动效应,应用瞬态波特征函数法求解了地震过程中桥梁结构的瞬态波响应理论解。通过实例分析,描述了桥墩中轴向波和桥跨结构中弯曲波的传播、反射、相互作用和波碰撞等现象。计算结果表明,不同的竖向地震动与水平地震动的比值会引起桥梁响应特征的明显改变。随着比值的增大,桥梁响应特征的改变主要表现为：（1）接触力的变化幅度增大,出现更大的接触力,加剧支座的损坏可能性;（2）出现了更低的接触力,甚至零接触力,大大增加了桥跨结构与桥墩相对滑动的可能性;（3）使原本整体处于受压状态的桥墩中出现了拉应力,拉应力有可能超过混凝土的抗拉强度,并使桥墩出现了拉-压交变应力,使得桥墩底部处于恶劣的应力状态;（4）桥跨中部向上的最大动挠度超过了两端,也就是桥跨结构被抛起的可能性增大。     

行波效应下铁路简支梁桥梁轨系统地震响应

基于多点激励的大质量法,采用非线性杆单元模拟梁轨接触,建立了考虑地震动行波效应的简支梁桥梁轨相互作用模型。以沪昆线上某5-32m简支梁桥为算例,分析了行波效应作用下轨道结构对桥梁地震响应的影响,研究了行波效应下钢轨和墩台的受力特性,并对相关参数的影响做了探讨。研究表明：行波效应下轨道结构将大大增强梁体和下部结构的地震响应;轨道对行波效应极为敏感,视波速越低轨道和墩台受力越大;支座布置形式和桥墩刚度突变对相邻桥墩受力影响显著;随着简支梁跨数的增加,钢轨和桥台受力逐渐增大并趋近于一定值。     

桥墩FRP复合材料防撞套箱蝴蝶型连接结构可靠性研究

FRP复合材料防撞套箱各节段间连接方式的可靠性直接影响其防护性能。对一座双塔三跨斜拉桥过渡墩上复合材料防撞套箱所采用的一种蝴蝶型插销连接结构的可靠性进行研究,分别进行了材料性能试验,缩尺模型结构拉伸强度试验,并根据试验结果定义了正交各向异性本构。采用Midas Fea与LS-dyna对连接结构的可靠性分别进行静、动力分析。结果表明,该连接结构可靠性良好,可保证防撞套箱充分发挥防护性能。     

爆炸荷载下钢管混凝土墩柱柱面压力分布研究

通过两次TNT药量分别为3 kg和50 kg的大比例钢管混凝土墩柱静爆试验,1次TNT药量为50 kg的自由场静爆试验,获得了钢管混凝土墩柱柱面爆炸荷载的压力分布规律,对比研究了各经验公式(入射压力、反射压力和正压持时等)的预测差异与适用性。结果表明:钢管混凝土墩柱迎爆面负压区及背爆面压力值较小,可忽略不计;钢管混凝土墩柱对迎爆面反射压力有一定影响,但对正压冲量影响较小;当比例距离z3 m/kg1/3时,球形爆炸波与半球形爆炸波入射压力的各预测公式结果近似,反射压力与入射压力的平均比值约为2.5;当比例距离z3 m/kg1/3时,反射压力与入射压力的比值变化率随比例距离的减小而增大;反射压力经验公式预测离散程度较大,Henrych公式和Chengqing Wu公式的预测结果偏小;整体上,采用TM5-1300预测作用在钢管混凝土墩柱上的各爆炸荷载特征参数较为合理。     

防撞击X型阻尼器及新型耗能减撞站房柱力学性能研究EI北大核心CSCD

针对易遭受撞击的站房结构柱等提出有效的防撞装置对结构安全运行至关重要,该文以此提出了一种新型耗能减撞站房柱,保障结构正常使用的同时达到最优耗能能力。采用LS-DYNA对新型耗能防撞设计的高铁站房结构柱进行防撞性能分析,并对其主要的耗能元件防撞击X型阻尼器和泡沫铝进行了研究。基于已有的经典试验进行数值模拟验证,包括钢板单向准静态加载试验、钢骨混凝土撞击试验和泡沫铝填充薄壁结构撞击试验。分析表明该文所建立的数值模型能够较好的模拟试验的撞击力和变形发展。以此建立防撞击X型阻尼器和新型耗能减撞站房柱的数值模型,从而优化单个防撞击X型阻尼器截面,使其耗能最好,并对比了不同因素下新型耗能减撞站房柱的吸能特性及加入泡沫铝后对新型耗能减撞站房柱的吸能影响。结果表明:在撞击荷载作用下,采用耗能最优防撞击X型阻尼器的新型耗能减撞站房柱中阻尼器将吸收97%的撞击能量,而内部结构柱中只有局部混凝土产生了裂缝;加泡沫铝的新型耗能减撞站房柱的吸能分布更加合理且吸能有较大的提升,但结构柱的塑性应变也会随之增加;整体而言,新型耗能减撞站房柱具有优良的吸能能力,保障了结构柱的安全。     

液体火箭发动机多维力测量装置原位校准技术研究

受试验现场诸多因素的影响,多维力传感器实验室校准系数已不适用于液体火箭发动机试验现场测试使用。针对液体火箭发动机多维力测量装置开展现场原位校准方法研究,对真空环境干扰、管路约束力以及温漂等影响因素进行了分析。结果表明,该方法能有效降低多维力测量装置的不确定度,为多维力测量领域的现场校原位准提供了参考。     

基于Stewart并联机构的直驱式波能转换器能量转换性能研究

为实现对不同方向海洋来流波浪能量的高效俘获，设计了一种基于Stewart并联机构的直接驱动式波浪能量转换器，该转换器的支链单元采用弹簧连接永磁体动子，通过与定子线圈的相对运动实现波浪能与电能的转换。在特定海域波浪环境下对该波能转换器进行动力学分析，并基于弗汝德-克雷洛夫假定法计算了转换器所承受的水平和垂直波浪力；采用ADAMS动力学仿真分析软件对该波能转换器进行动力学建模与能量转换仿真分析，研究了波浪力作用下其弹性支链的变形规律，并分析了支链弹簧刚度系数与动平台质量之比对转换器能量转换率的影响。研究结果表明：在波浪激励下，该波能转换器能够俘获由垂向和横向波浪运动产生的能量；通过优化调整支链弹簧刚度系数与动平台质量的比值，该波能转换器的最大能量转换率可达35.2%。研究结果可为新型高效波能发电装置的设计提供重要的理论依据。     

基于数值仿真的冲压成形界面接触压力

为探究冲压成形过程中板料-凹模圆角区界面接触压力,采用有限元静力算法建立了U形件小圆角半径弯曲成形过程的数值仿真模型,完成了板料和模具界面接触压力数值模拟,并参数分析了钢板强度、相对圆角半径、压边力和摩擦系数对板料界面接触压力分布的影响.研究表明:与压边力和摩擦系数相比,钢板强度和相对圆角半径更明显地影响着板料界面接触压力,并随着材料强度增加和相对模具圆角半径减小界面接触压力明显增加;随着压边力和摩擦系数的增加,界面接触压力宽度也随之增大.