某迫击炮座钣的试验与轻量化设计研究

针对迫击炮座钣减小质量、提高综合性能的设计要求。建立了考虑座钣-土壤耦合作用的某迫击炮座钣有限元模型,计算并分析了该座钣的刚强度及受力分布规律;设计冲击载荷作用下座钣冲击试验对建立的有限元模型进行验证;在此基础上,以减小座钣质量为优化目标,对座钣主要部件厚度进行尺寸优化。优化结果表明,座钣质量相较于优化前减小了10.53%,优化效果明显,且能够满足强度设计要求,提高了座钣的综合性能,研究为迫击炮座钣的轻量化设计提供了参考。     

粘弹-塑性海冰动力学本构模型中的Drucker-Prager屈服准则

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移和堆积特征,在粘弹-塑性海冰动力学本构模型中引入了Drucker-Prager(D-P)屈服准则。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹模型,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该模型对规则海区内的海冰堆积过程进行了数值试验,计算的海冰堆积高度与其解析解一致。另外,在对渤海海冰动力过程中的海冰厚度、密集度、速度以及冰内应力进行的48小时数值模拟中,计算的冰厚分布与卫星遥感资料相符合。基于D-P准则的计算结果与Mohr-Coulomb(M-C)准则的结果相一致,但D-P准则克服了M-C准则计算塑性应力时的奇异现象,进而简化了计算过程。在以上数值模拟中,均采用了光滑质点动力学计算方法。以上数值计算均验证了基于D-P屈服准则的粘弹-塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。     

基于D-P准则的理想弹塑性本构关系积分研究

研究基于D-P准则的理想弹塑性本构关系积分的特点及相应的子增量法。研究说明,作者提出的基于D-P准则的转移应力解析解,从应力调整过程来说相当于线性预测-径向校正方法;从本构关系积分策略来说相当于最近点投射法。最近点投射法具有一阶精度而且是无条件稳定的,而数值稳定性和一致性条件是弹塑性计算收敛的充要条件;作为广义中点法的一个特例,最近点投射法最能适应大的应变增量。理论分析和计算实例都表明,该方法适合于极限分析,在采用较大的荷载增量步时仍能保持较高的数值稳定性和精度。提出了基于D-P准则的子增量法,其中确定子增量步数的公式兼容了Schreyer等人的子增量数表达式。计算实例说明计算精度的提高与子增量的步数大体成正比,在显著偏离比例加载的情况下,单步法仍能取得较高的精度。对一般极限分析课题采用单步法即可。     

岩石类脆性材料动态压剪耦合特性研究

岩石具有复杂的细微观结构,其宏观力学性能表现出明显的加载路径敏感性和应变率效应。应用基于改进的SHPB装置,对花岗岩、大理岩和砂岩等三类岩石进行了五种倾角的准静态和动态压剪联合加载实验,较系统地讨论了与岩石应力应变关系曲线的拟线性阶段的斜率、破坏强度等有关的加载路径敏感性和应变率效应。结果表明:岩石的法向模量、切向模量和破坏强度都有明显的压剪耦合效应(即加载路径敏感性)和应变率效应;比较而言,法向模量对剪切应力的依赖性强于剪切模量对法向应力的依赖性。基于Drucker-Prager(D-P)准则和考虑压剪耦合效应的修正的DP准则拟合岩石的动静态破坏面,拟合结果表明:岩石的内黏聚力有一定的应变率效应,内摩擦角的应变率效应不明显;修正的D-P准则可以描述压剪耦合效应。并探讨了大理岩的后继屈服面和岩石应力应变关系的描述问题。此研究提供了一种确定岩石动态强度参数的方法,表明进行压剪联合加载实验研究有助于揭示复杂应力状态下岩石的动静态力学性能。     

岩土的非线性冻结模型试验和相似准则

由于冰的比热和导热系数与水的比热和导热系数具有显著的差异性,因此土的比热和导热系数在冻结过程中是不断变化的。依据常热参数建立起来的温度场相似准则,难以准确反映土体在冻结过程中由热参数非线性引起的温度场演变。该文基于考虑热参数非线性变化的热传导微分方程,采用相似变换法导出了冻土模型试验中温度场的相似准则,并给出了采用原土进行模型试验时原型与模型应满足的相似关系。同时,在考虑第三类边界条件对相似准则影响的基础上,导出了模型土应满足的热物性相似条件。在此基础上,分别利用ABAQUS有限元软件对线性、非线性以及考虑第三类边界条件的原型和模型温度场进行了数值模拟,并对冻结过程中特征点的温度演变过程进行了分析。计算结果表明:建立的非线性导热相似准则能够正确反映原型冻土温度场的演变过程,说明模型土热参数的计算方法是合理的。同时表明,满足第三类边界条件的土体非线性冻结相似准则具有明确的物理意义和更高的实用价值。该研究成果为冻土模型试验中模型土的配制提供了切实合理的参数计算方法,为冻土水-热-力三场耦合模型试验的设计和实施提供了理论基础和技术支持。     

人-桥竖向耦合振动计算方法

为了分析轻质人行桥的人-桥竖向耦合振动,建立了基于双脚支撑人体计算模型的人-桥耦合振动方程。根据行人在刚性地面行走时的步伐荷载计算结果与文献给出的步伐荷载时程曲线对比,验证了双脚支撑人体计算模型能较好模拟行人的脚步力特性。以一座跨度22.8m、第一阶竖弯自振频率7.23Hz的铝合金人行桥为例,运用Monte Carlo法模拟人群的步行参数,形成不同密度人群过桥的随机工况,并用直接积分法计算了考虑人群-桥竖向耦合振动的铝合金人行桥动力响应。计算结果表明,当人群密度较大时,考虑人桥耦合的人致振动卓越频率趋于分散,其振动响应明显小于不考虑耦合影响的计算结果。     

基于Hoek-Brown准则的应变软化模型有限元数值实现研究

研究提出一种Hoek-Brown（H-B）准则应变软化模型的有限元数值实现方法。分析当前不同脆塑性计算方法的合理性,发现塑性位势跌落可正确计算岩石不同类型破坏,而偏应力等比例跌落和最小主应力不变跌落均存在不足。在此基础上,推导写出基于塑性位势跌落的H-B准则脆塑性隐式本构积分算法,及H-B准则理想弹塑性隐式本构积分算法,并采用一系列应力跌落-塑性流动,将H-B准则应变软化模型嵌入有限元软件ABAQUS中。比较应变软化圆隧围岩收敛位移及应力分布的解析解与本文有限元解,发现二者吻合良好,验证了所建H-B准则应变软化模型的正确性。对某薄上覆盖岩层高内水压输水隧洞工程的计算结果表明,相较理想弹塑性模型,所建应变软化模型可正确反映隧洞顶部围岩塑性区贯通引起的整体结构失稳破坏现象,为工程选择衬砌方案提供依据。     

基于CAS法的核电工程异形水箱分布质量计算模型

对于形状复杂的大型核电工程储液结构,Housner弹簧-质量模型适用性较差,基于有限元法的流-固耦合数值分析模型复杂、计算和存储量大,难以满足工程设计要求。该文基于声学-结构耦合法(CAS)提出了一种兼顾精度和效率的分布质量模型,通过理论推导从CAS计算结果中剥离得到的器壁动水压强脉冲分量,进而提出器壁单元各节点位置的分布式脉冲附加质量计算公式,精确地考虑了储液容器的形状对液体晃动的影响,同时实现了流-固耦合分析的解耦,有效解决了复杂大型核电工程储液结构的动力分析的难题。以矩形刚性水箱为例,将该文模型的结果与Housner分布模型比较,验证了该模型的合理性和可靠性。针对顶部具有复杂形状水箱的AP1000安全壳结构进行地震动分析,将该文模型与精细的流-固耦合模型进行比较,结果显示：两种模型计算结果吻合性好,该文模型前处理简便且在计算时间效率具有明显优势。该文模型可为核电工程考虑结构-地基、流-固耦合的多因素耦合高效分析奠定基础。     

基于流固耦合-集总参数组合法的悬架液压衬套建模

为解决汽车悬架液压衬套动特性分析中流固耦合有限元仿真模型计算效率不高问题,提出采用流固耦合-集总参数方法对液压衬套进行仿真建模。首先,在分析液压衬套工作原理基础上,建立液压衬套集总参数数学模型,并搭建AMESim仿真模型;其次,在Hypermesh软件中对液压衬套的固体和液体部分进行网格划分,将离散化网格导入ADINA中形成流固耦合有限元模型,通过流固耦合模型提取出液压衬套的物理参数。最后,将所提取的流固耦合参数代入AMESim模型中,计算液压衬套动特性并与实测数据对比。结果表明:所提出的流固耦合-集总参数组合模型方法可以对液压衬套性能进行高效、准确仿真,可为液压衬套的进一步优化和整车匹配奠定基础。     

基于温度-应力耦合作用的岩石时效蠕变模型

基于岩石变形与热力学基本理论,建立了温度-应力耦合作用下脆性岩石时效蠕变损伤模型。根据此模型,在有限元数值软件COMSOL的基础上进行二次开发,考虑岩石介质的非均匀性,并以最大拉应力准则以及摩尔库仑准则为岩石单元的破坏准则,给出了温度-应力耦合作用下岩石时效蠕变损伤模型的数值求解方法。并结合室内实验结果验证了该模型方法的可行性和合理性。数值模拟结果表明该模型能准确描述不同温度条件下花岗岩典型蠕变全过程三个阶段,即初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。数值模拟也表明声发射累计数和岩石轴向应变的演化趋势整体上具有一致性,且在初始蠕变阶段和加速蠕变阶段出现较多的声发射现象。     

无轨伸缩式门式起重机接触部位的有限元分析

非线性接触分析在处理接触问题时可以更加接近工程实际,但在实际应用中,接触参数设置复杂、计算效率低以及计算收敛性难以保证等因素制约了它的实用性。节点耦合分析是不存在收敛问题的线性分析,计算成本比接触分析低。为了探讨2种模型在应用中的差异,研究节点耦合线性分析代替非线性接触分析的可行性,以起重量为12 t的无轨伸缩式门式起重机为例,在有限元分析软件ANSYS中分别构建其接触模型和节点耦合模型,考虑接触刚度和摩擦系数对计算结果的影响,在伸缩支腿全伸的工况下比较2种模型下无轨伸缩式门式起重机各接触部位等效应力值的差异。通过对比计算结果发现：2种模型中,最大等效应力均出现在车架施加起升载荷处,计算值相差1.3%,结果差异不大。由于节点耦合分析忽略了摩擦系数,所以2种模型中各接触部位等效应力值存在差异,根据接触部位的相对滑动,在接触模型中选择合适的摩擦系数可减小此差异。研究结果表明：考虑接触区域相对滑动对计算结果的影响,节点耦合分析能较好地模拟接触分析,对于精度要求不高或接触区域基本无相对滑动的模型,可采用节点耦合分析这种简化方式来代替接触分析,以提高计算效率。     

基于有限元的异步电机电磁振动分析

电机的电磁振动是电机电磁场与机械结构耦合的结果,要研究电机的电磁振动,需要将电机的电磁场和结构振动分析结合起来。通过有限元软件,采用一种弱磁-固耦合的方法,对异步电机的电磁振动特性进行分析。首先利用ANSOFT有限元软件建立异步电机的二维有限元模型,计算电机的瞬态电磁场,得到电机在给定转速稳态运行状态下的磁场分布和作用在定子上时变的电磁力;其次用ANSYS有限元软件建立异步电机结构的三维有限元模型,将ANSOFT软件得到的时变电磁力进行频谱分析并校正,然后施加到电机上,计算出电机结构的电磁振动响应。基于对电机电磁振动特性的分析,可以对电机的电磁参数和结构进行改进和优化设计,以降低电机的电磁振动     

不同湍流模型下旋转叶片气固耦合动力学特性的研究

本文对轴流式压气机内旋转叶片在不同湍流模型的气固耦合作用下的动力特性进行了研究。利用FSI（fluid-structure interaction）的双向顺序耦合算法,采用CFX和ANSYS对压气机内气体和旋转叶片分别计算,并通过迭代求解,获得叶片在气流作用下的动力学响应。为了研究耦合场内对叶片动力特性的影响,本文对某一级转子叶片进行流固耦合计算,由于在模拟流场计算中,不同的湍流模型对计算结果影响较大,采用3种湍流模型：标准κ-ε湍流模型(standard κ-ε)、重正化群κ-ε湍流模型（renormalization group κ-ε,RNG κ-ε）和大涡湍流LES模型（Large eddy simulation）,获得了叶片在瞬态流场变化下的动力特性,并比较了不同湍流模型对计算的影响,为工程上对压气机内转子工作特性的分析提供一个可行的方法。     

半潜式平台两种锚泊系统的疲劳损伤比较计算

以某座半潜式平台为研究对象,分别对其配置两种具有相同静恢复力特性的锚泊系统,其中锚泊线组成分别为钢链-钢索-钢链和钢链-聚酯纤维系缆-钢链。首先建立半潜式平台及其锚泊系统的耦合数值计算模型,以中国南海S4海域的海况条件作为环境荷载,计算锚泊线在各短期海况下的张力时程曲线;然后采用雨流法对其计数得到对应于各短期海况条件下的疲劳载荷谱;最后根据Miner线性累积损伤模型,对两种锚泊系统在长期海况条件下的疲劳损伤进行比较计算。     

基于DEM-FDM耦合的普通铁路碎石道床-土质基床界面接触应力分析

引入离散元法（DEM）-有限差分法（FDM）耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径（63 mm）的8倍,即近似基床表层深度。     

非饱和土壤热导率模型的优化研究与应用

本文在Campbell模型和de V-1模型的基础上,以Campbell模型为主,对该模型中的两个参数形状因子（ga）和土壤固相热导率（ ）采用de V-1模型中的计算方法,提出了一种新的预测土壤热导率温度关系的模型。该模型土壤固相热导率和形状因子均考虑了土壤颗粒组成成分,也包含了温度对土壤固相热导率的影响。此外,与前两种模型进行比较,该模型与实验值吻合较好,能够更好地预测土壤热导率。基于该模型,分析了土壤温度和体积含水率两个变量对不同类型土壤热导率的影响。研究表明：在同一温度及体积含水率工况下,土壤热导率是砂土>壤土>粘土。该研究为地埋管换热器周围非饱和土壤热湿耦合迁移模型的建立提供新的思路。     

船舶增压器静压气体轴承-转子系统动力学特性研究

针对船舶增压器实验台的静压气体轴承-转子系统,提出了一种流场与转子动力学的准动态耦合分析方法;采用CFD软件对静压气体轴承不同偏心率及转速下的静态承载力进行流场计算,依据计算结果拟合出气体轴承气膜支承力随偏心率和转速变化的非线性函数关系。采用有限元法建立了转子系统的动力学模型,对重力、不平衡力、气膜支承力作用下的转子系统动力学响应进行了耦合计算,获得了系统的临界转速和响应特性。在此基础上对船舶涡轮增压器轴承-转子系统进行了实验测试,验证了准动态耦合方法的有效性。研究结果表明,与传统采用线性气膜刚度相比,采用基于CFD计算的非线性气膜支承力能够更好的刻画气体轴承-转子系统的动力学特性。     

地铁车辆-轨道耦合振动响应分析及轨道结构参数优化

针对在建杭州地铁3号线下穿某文教区工程,根据车辆-轨道耦合动力学理论,分别建立车辆-普通整体道床轨道耦合动力学模型和车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型。基于赫兹非线性接触关系,实现轮轨间的力平衡和位移协调。利用有限元软件ABAQUS,对两种轨道结构模型的动力响应进行计算,研究轮轨耦合动力相互作用机理和轨道振动源强特性,分析浮置板长度、轨道不平顺、扣件刚度、钢弹簧刚度和行车速度对钢弹簧浮置板轨道动力特性的影响,并对轨道结构参数进行优化。研究成果可为该地铁轨道的减振设计提供科学依据。     

自由活塞式线性压缩机耦合模型实验验证

基于等效电路原理,建立了自由活塞式线性压缩机电磁-机械-声耦合模型,推导了模型中等效气体刚度与等效气体阻尼的近似表达式。通过迭代程序修正了模型中最大位移的输出偏差。同时借助电磁有限元软件,将气动耦合模型与电动机电磁模型相互匹配,搭建了线性压缩机联合仿真平台,模拟了不同负载条件下压缩机电磁参数和动力特性的瞬态变化规律。通过不同充气压力下的扫频实验,验证了计算结果和耦合模型的准确性。     

非饱和土壤热导率模型的优化与应用

本文在Campbell模型和de V-1模型的基础上,以Campbell模型为主,对该模型中的两个参数形状因子(ga)和土壤固相热导率(λm)采用de V-1模型中的计算方法,提出了一种新的预测土壤热导率温度关系的模型。该模型土壤固相热导率和形状因子均考虑了土壤颗粒组成成分,也包含了温度对土壤固相热导率的影响。此外,与前两种模型进行比较,该模型与实验值吻合较好,能够更好地预测土壤热导率。基于该模型,分析了土壤温度和体积含水率两个变量对不同类型土壤热导率的影响。研究表明:在同一温度及体积含水率工况下,土壤热导率是砂土壤土黏土。该研究为地埋管换热器周围非饱和土壤热湿耦合迁移模型的建立提供新的思路。