双半椭球体氦气囊非饱和形态试验北大核心CSCD

为研究飞艇氦气囊在不同充盈度下的非饱和形态,揭示氦气囊在充气与泄气过程中的形态变化规律,设计与制作了双半椭球体氦气囊及其试验装置,采用控制充盈度的方法开展了双半椭球体氦气囊充气试验与泄气试验.结果表明:充气过程中,上下半椭球膜面先向上升起,随后上半椭球膜面沿环向膨胀至饱满形态,最后下半椭球膜面下沉并沿环向膨胀至饱满形态;泄气过程中,下半椭球膜面先沿环向收缩并向上升起,随后上半椭球膜面开始沿环向收缩,最后上下半椭球膜面同时向下塌陷至真空状态.     

充气囊体结构变形的数值模拟分析

飞艇囊体受充气荷载及吊挂荷载作用产生的变形将影响飞艇的初始设计气动参数及飞行控制参数.通过对充气荷载及吊挂荷载下充气囊体变形的研究,建立有效的囊体数值模拟分析方法.囊体计算模型为通过Michel转棙准则优化的流线型飞艇外形,并以商业有限元软件ABAQUS为基本计算工具.计算了充气压差荷载及吊挂荷载下囊体的变形规律,分析了囊体结构数值模拟过程中出现的问题:囊体褶皱以及计算模型出现侧移,并提出了解决这些问题的方案.通过对囊体结构变形的计算结果分析,对比和分析了数值模拟计算结果与试验结果,总结了囊体结构变形的规律.     

充气膜结构的充气压力变形

给出了旋转充气结构囊体在充气压力下的理论求解方法,并且求解出母线为椭圆时的充气囊体变形的解析解,证明了在小体积情形下,充气压力梯度对充气结构变形的影响可以忽略。其次给出求解任意母线充气囊体的数值解法,并与实测数据对比,验证数值解法的准确性,具有较强的实用价值。充气压力对囊体的变形研究对于充气膜结构找形、初始变形等后续研究有重要意义。     

压差和重力对充气膜结构变形的影响

为研究压差和重力荷载变化下充气膜结构变形的状态与特征,用数值方法对飞艇充气囊体这一典型的充气膜结构在不同压差和重力下的变形进行了数值分析。分析结果表明:囊体最大截面变形随压差的增大而线性增大,囊体长度随压差增大呈非线性减小;重力荷载作用使囊体向Y向移动,对Z向位移分布无明显影响;增大压差能显著减少重力对Y向变形的影响。在飞艇充气膜结构设计时,应取较大的设计压差以减小过大变形,尽量沿Z向布置附属设备以避免过大变形带来的影响。     

ETFE气囊膜结构设计分析方法与数值分析特征研究

首先介绍了气囊膜设计分析方法以及基于约束条件力密度法的充气膜非线性数值分析算法和EasyVol.基于ETFE气囊膜,在风压和风吸作用下,研究了三种不同约束条件对非线性数值分析结果的影响,即恒定压力、恒定体积、压力和体积乘积恒定分别为常数约束条件时,气囊膜形态(矢高)、应力随载荷变化等结构特性,以及三类约米参数(压力体积、压力和体积之乘积)在数值分析迭代过程的变化特征.     

拱形气肋结构干、湿模态分析及附加质量简化公式研究

为研究拱形气肋结构的模态特征和外部流场附加质量,基于流固耦合势流理论,建立薄膜充气管流固耦合模态有限元模型,以充气管和内充气体共同作用理论模型对薄膜充气管进行干模态分析,并考虑外部空气三者共同作用理论模型对薄膜充气管进行湿模态分析,根据ETFE充气管试验结果对有限元模拟方法进行验证.对拱形气肋结构进行干模态、湿模态参数...     

ETFE气囊膜形态、结构特性与材料性能试验

进行了聚偏四氟乙烯(ETFE)薄膜单向拉伸和反复荷载试验,分析了应力-应变曲线、滞回环曲线特征;根据受约束条件的力密度法找形分析方法,建立了充气膜设计分析理论,并介绍了EasyVol充气膜分析方法;通过数值算例分析,研究了ETFE气囊膜基本形态(菱形、六边形、矩形、圆形)、矢高、气压、初应力等对找形分析的影响及相互作用;进行了气囊膜在风压、风升作用下的荷载特性分析以及结构特性参数分析。该研究对ETFE气囊膜设计具有重要参考价值。     

柔性张力薄膜结构数值分析全过程与状态研究

柔性张力薄膜结构具有多态性,准确数值模拟复杂.本文首次提出了柔性张拉膜和充气膜数值分析全过程和状态,分别包含9过程、7类11状态,阐述其逻辑、算法与问题,零应力态是柔性张力结构精确数值分析与列式的基石.在预应力充气膜分析全过程,阐述充气找形概念,提出设定充气形体的找力找形方法,考虑充气体在结构分析时的非线性耦合效应.设计并制作了一个直径3.0m、高2.0m的球冠充气膜,进行了充气成形和压力变化试验,采用无接触摄影测量形面,部分验证了充气膜过程与状态.     

浅埋隧道在部分集中脉冲荷载作用下的波动响应

基于Hamilton理论-弹性波动理论,采用解析法研究了局部集中瞬态脉冲荷载下半空间隧道的动力响应。衬砌采用Hamilton壳体理论模拟,土体采用弹性介质动力学理论模拟,通过波函数展开法、Graf坐标转换法和Laplace变换法及其数值逆变换,求解了半空间中隧道瞬态集中荷载响应的半解析解。通过MATLAB数值计算,分析了隧道不同位置衬砌刚度、土体波速、衬砌环向角度的波动特性。结果表明:隧道环向各位置处位移与应力幅值随埋深增加而减小,环向应力和径向位移曲线波动趋势相似,在各角度上的响应幅值各不相同,由于地表存在,隧道顶部响应大于其他各位置;衬砌外表面的位移与应力随土体波数增加而减小,同时隧道位置的改变对土体波数变化影响较大,以隧道顶部响应最为显著;当衬砌刚度增大时,其环向各位置响应衰减幅度不同,其中隧道底部位置处的幅值衰减最大。     

考虑应力路径的黏土弹塑性固结问题的 耦合分析方法

提出多路径条件下黏土的弹塑性固结问题的简化耦合分析方法.基于数值建模方法建立不同初始固结条件下的黏土弹塑性本构关系,并结合Biot固结理论,建立该类问题的增量形式控制方程.将增量化的扩散方程简化为Poisson方程,由于模型可以提供每一增量步下的体变量作为右端项,故在方程中可直接耦合土的变形场和孔隙水压力场,因而比传统的扩散方程更为精确,求解过程比Biot方程更为简单,且可以考虑体应变与剪应变之间的相互作用.推导出该Poisson方程孔压基本解,建立此类流-固耦合问题的半解析半数值解答体系,实现从建立本构关系到固结问题数值模拟的完全数值化.通过2种不同应力路径下的固结算例对比分析表明,该方法简单有效,并能考虑土的应力路径、荷载作用域等条件对地基水平位移、沉降变形及孔压变化的影响,特别是应力路径对固体域变形场的影响.     

不同场热-水-应力耦合过程二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和-非饱和孔隙介质中的热-水-应力耦合模型和开发了相应的有限元程序.为验证本耦合模型及程序的可靠性和重点探讨不同场的热-水-应力耦合过程,以高放射性核废料地质处置的Prototype Repository Project(PRP)原位试验为模拟对象,对一个处置试验坑道近场进行了水单场、热-水耦合、水-应力耦合、热-应力耦合和热-水-应力耦合条件下的数值分析,考察了工程屏障及围岩中的温度、饱和度及应力的变化、分布情况,并得出了一定的认识.     

回填料模量对钢波纹管涵影响的数值分析

通过数值模拟对波纹管涵在不同回填料模量的应力分布和变形特性进行了分析,并选取了两特定的截面进行了全面环向观测点。得到了不同模量下,距管口不同位置处管顶部的应力与应变的变化曲线和截面环向测点的应力应变规律。结果表明钢波纹管回填料在不同模量下,钢波纹管涵整体变形规律基本一致,轴向应力、环向应力和变形的规律也较为相似。回填料模量的增加对于减小其变形和应力有着较显著的效果,随着回填量模量的增加,钢波纹管断面上部分区域的应力有所减小。当回填量模量大于某一固定值后,钢波纹管变形和应力将不随之变化。     

节理发育岩体隧道锚杆支护参数优化研究

结合内蒙古窑沟隧道,通过UDEC离散元软件数值模拟手段研究锚杆环向布置范围、间距对隧道结构变形与稳定性的影响,进而将锚杆原设计参数——环向布置范围216°、间距1.0 m优化为环向布置范围90°、间距1.0 m,并证明了其合理性,对类似工程具有一定的参考价值。     

ETFE气枕平面充气成形过程的非线性结构性能分析

对基于平面裁切的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE）气枕进行充气成形试验,利用激光位移计测量气枕矢高,基于三维摄影测量得到的形状,分析了气枕膜面应力分布。采用Peirce模型模拟ETFE膜材的材料力学非线性并进行相同充气过程的数值模拟,对比分析数值模拟与实测的气枕矢高和应力分布。结果表明：Peirce模型仅在反映ETFE两个屈服点之间的应力-应变关系上有所偏差;气枕充气完成后矢高约为172mm,气枕膜面应力最大值集中于气枕中心与各边中点的连线区域;不同内压下的气枕矢高,膜面应力、应变的数值模拟结果与实测结果相对误差均在10%以内。此外,Peirce 模型数值模拟结果表明,内压为2kPa时气枕膜面出现塑性应变;膜面总应变与塑性应变最大值集中于气枕中心与各边中点连线区域。     

大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析

 博士学位论文摘要　进行大坝及其周围地质体中渗流场与应力场耦合分析, 是解决评价和预测大坝、坝基、坝肩稳定性, 库岸边坡稳定性等问题的关键。运用岩体力学、渗流力学和结构力学相结合, 理论分析与工程应用相结合, 大坝与周围地质体相结合的系统研究方法, 以大坝及其周围有限的地质体为研究对象, 进行渗流场与应力场耦合分析研究。首先, 以大坝及岩体的结构类型为基础, 进行裂隙渗流力学基础研究, 分析大坝2地质体系统的渗流及渗流控制问题。然后, 同时考虑渗流对介质作用的渗透静水压力和渗透动水压力(渗流体积力或裂隙壁切向拖曳力) , 建立大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络非线性数学模型及渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型, 并开发求解此耦合分析模型的三维有限元程序与软件。最后, 进行小湾水电站坝区和龙滩碾压混凝土坝渗流场与应力场耦合分析, 以及龙滩碾压混凝土坝渗流场与温度场耦合分析。在大坝2地质体系统渗流场与应力场耦合分析的多重裂隙网络模型及三维主干裂隙网络模型、渗透动水压力引起的裂隙壁(或碾压混凝土坝层面) 切向拖曳力、渗流场与温度场耦合分析的连续介质数学模型、以及大坝2地质体系统渗流场与应力场(或温度场) 耦合分析的数值方法及三维有限元程序与软件等方面作了创新性的研究。实际工程计算结果表明, 考虑耦合作用时, 由于裂隙(层面) 隙宽的减小而使总渗流量减小, 使渗流场水头分布发生变化; 也使岩体(坝体) 各应力分量的最大值增加10%～ 20% 左右; 当水力坡度较大时, 裂隙壁切向拖曳力使剪应力明显增加; 和耦合分析相比较, 不考虑耦合作用得出的应力结果偏于不安全。随着渗透系数的增大, 渗流场对温度场的影响更加明显, 而温度场对渗流场的影响减弱; 渗流由低温向高温流动时, 使温度场温度普遍降低, 但使渗流场水头普遍升高。     

地下混凝土筒仓仓壁力学性能工程试验与数值分析

地下粮仓可充分利用地下空间,具有较好的防火、防毒、防爆等性能,并能利用浅层地能实现准低温储粮,具有节能、低损、保证粮食品质的优点,对保障粮食安全及可持续发展意义重大。采用工程足尺试验与数值分析相结合的研究方法,对大型地下混凝土筒仓竣工验收前仓壁的力学性能进行研究,通过对比试验结果与数值模拟结果,验证数值分析方法的合理性与有效性,进而对仓壁在最不利荷载工况下的力学性能进行数值分析。结果表明:地下混凝土筒仓仓壁内力的数值模拟结果与试验结果吻合较好;由于仓壁较厚且与仓底和仓顶间接触部位刚度较大,导致仓壁内外侧径向应力表现出相反的变化规律;仓壁径向应力在仓壁底部位置处最高,环向应力在距仓壁顶部约2/3位置处最高;在最不利荷载工况下,仓壁径向应力和环向应力随深度表现出与实际工况下相似的变化规律,且相同深度下应力较大。     

非充分采动采空区与煤岩柱(体)耦合作用机制及应用

 以镇城底矿为工程背景,通过理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测,研究了非充分采动采空区和煤岩柱(体)耦合作用机制。得出如下结论：(1) 不同的工作面布置产生不同的工作面构型、采空区形态和煤岩柱(体)形态,进而造成不同的耦合作用结果,采空区响应对实体煤岩柱(体)的应力及岩体破坏影响很大,数值模拟不可忽略采空区作用;(2) 推导出煤柱极限平衡区宽度表达式,分层开采单一分层时采高降低、大采高和错层位开采存在斜坡均导致煤柱极限平衡区宽度下降;(3) 垮落角对采空区和煤岩柱(体)耦合作用有重要影响,通过相似模拟确定了垮落角并用于数值模拟,得出非充分采动条件下工作面宽度L、最上部关键层跨度L1与垮落角θ之间的关系式;(4) 数值模拟显示非充分采动采空区承载增加,则支承压力相应降低,反之亦然,验证了非充分采动采空区和煤岩柱(体)的耦合作用,数值模拟若忽略采空区承载作用会造成支承压力偏大,应力集中区高度偏大,且位置降低,岩体破坏范围偏大;(5) 根据研究结果,现场将进风巷布置于采空区边缘下方,形成巷顶沿空巷道,该巷道处于整个回采系统应力最低区;而回风巷沿顶板布置,工作面两侧顺槽矿压问题均得到良好控制。     

隧道光面爆破空气间隔装药不耦合系数研究

利用大别山隧道爆破空气间隔装药实验所得岩体的力学特性以及材料的Cowper-Symonds破坏准侧,采用LS-DYNA数值模拟,建立双孔不耦合装药爆破模型,模拟不耦合装药爆破的应力发展过程,得出了应力时程曲线;分析了装药长度在1.4m、1.5m、1.6m、1.7m和1.8m时,爆破孔壁压应力及孔壁破坏情况,得出了Ⅲ类围岩在孔深3.5m的情况下最佳不耦合系数为1.94~2.18。     

ECTFE气枕充气过程的试验与模拟分析研究

基于250 μm厚的ECTFE(乙烯-三氟氯乙烯共聚物,ethylene-chloro-tri-fluoro-ethylene)薄膜单轴拉伸试验,国内首次设计制作了一个边长1.0m的正六边形ECTFE气枕,进行了不同内压平面充气成形试验,通过三维摄影测量测定膜面几何,得到了膜面在不同内压下的变形.采用各向同性模型对气枕的充气成形过程进行了数值模拟,得到了膜面应力、应变和变形.试验和数值模拟结果对比表明:随着内压的增加,ECTFE气枕矢高逐渐增大;膜面应力最大值点分布在膜面中心区域,并向边界扩散;应变最大值点位于边界中部,并向膜面中心扩散.本文研究对ECTFE薄膜气枕应用具有参考价值.     

空气间层对聚苯复合外保温墙热湿耦合传递的影响

聚苯(EPS)复合外保温墙中的空气间层对其热湿耦合传递有着重要的影响.针对不同空气间层厚度的EPS复合外保温多孔砖墙,在以上海为代表的夏热冬冷地区的气候条件下,利用已有的热湿耦合传递数学模型和计算软件CHAMPS-BES,进行热湿耦合传递数值模拟.结果表明:空气间层越厚,多孔砖层的初始水分向空气间层扩散、迁移越快;空气间层越厚,空气间层和EPS板的峰值含湿量越高,达到湿稳定所需时间越长.当空气间层厚度为20mm时,水分对EPS复合外保温多孔砖墙传热系数总的影响最显著,高达34%.tif板施工时,在保证其黏结强度的前提下,宜适当减小空气间层的厚度.