莫比乌斯环面上的建筑结构数字建模

莫比乌斯环面是一种单侧、不可定向的曲面,是曲面拓扑学中重要的研究对象.建筑几何造型就是要确定建筑物表面的基本曲面及曲面上的基本网格剖分.采用刚体运动学对该建筑造型进行几何分析,利用两个独立的旋转角作为群参数,通过运动群的矩阵表达,得到莫比乌斯环面的参数方程,并计算出莫比乌斯环面上离散插值点集合.利用犀牛软件的曲面分析功能,对莫比乌斯环面几何造型进行可视化演示.同时进行了曲面的网格剖分,给出结构整体布置的拓扑网络.     

主动弯曲网壳结构综述

主动弯曲网壳结构的成形方式极为特殊,其初始形态为由剪式铰连接的双向通长平面网格,通过对平面网格的弯曲实现结构曲面造型.由于剪式铰允许发生平面内转动,因此结构可通过四边形网格角度的变化来适应自身形态的变化.主动弯曲网壳结构最早由德国著名工程师Frei Otto于上世纪六十年代提出,但由于找形复杂、施工困难等因素,全球仅有...     

伴流场中对转桨空化初生的判定与辐射噪声预报和校验

采用空化多相流瞬态模拟和边界元数值声学计算相结合的混合方法,预报了全附体假尾后对转桨在初生空化状态下的线谱和宽带谱噪声,分析了初生空化状态下对转桨噪声谱级相对于无空化状态的增量,提出了同时从流场与声场角度判定对转桨空化初生的四个充分条件。预报值与空泡水筒噪声测量值进行了比较。多相流瞬态模拟包括非定常雷诺时均模拟、尺度适应模拟和分离涡模拟三种方法。计算结果表明,在大范围进速系数范围内预报对转桨敞水性能曲线与测量值吻合很好。尺度适应模拟(SAS)和分离涡模拟(DES)在捕捉对转桨空化脉动压力时精度相当,均能满足非定常负载噪声预报的精度要求;雷诺时均模拟(URAN S)仅对于低频负载噪声来说基本适用。空泡体积脉动诱导线谱噪声在800 Hz处的预报误差小于4 dB;在800 Hz³ kHz频段内,预报得到1/3oct中心频率处谱级的平均误差小于1.5 dB,总声级预报误差小于2.4 dB。空化初生的充分条件为:空化面积与桨盘面面积的比值小于2%、积分力和叶梢截面压力系数分布较无空化状态基本不变且中高频段噪声谱级增加83 kHz频段内,预报得到1/3oct中心频率处谱级的平均误差小于1.5 dB,总声级预报误差小于2.4 dB。空化初生的充分条件为:空化面积与桨盘面面积的比值小于2%、积分力和叶梢截面压力系数分布较无空化状态基本不变且中高频段噪声谱级增加8¹0 dB。较好地解决了伴流场中对转桨空化初生判定和初生空化状态下辐射噪声预报的两个技术难题,可直接服务于高速、低噪声鱼雷的设计研发。     

温室穹顶结构大尺度网格优化研究

某温室花园穹顶屋面曲率变化大、网格尺度大,原建筑方案网格尺寸大小不一,网格均匀性连续性较差。在原网格的基础上进行曲面重建,分别采用曲面参数域细分法、气泡法以及曲面近似展开贴面法对大面温室网格进行划分,采用自适应三角形网格推进法对连桥网格进行划分。结果表明：曲面细分法网格流畅性好,网格均匀性较差;气泡法网格均匀性较好,网格流畅性差,网格存在局部奇异点;基于曲面近似展开的贴面法网格,大面网格均匀性及流畅性均有明显改善,网格无奇异点,对于曲率变化较大的大尺度屋盖,可采用该方法进行网格划分。     

复杂自由曲面的离散化网格划分方法

为了寻求复杂自由曲面网格划分的方法,在NURBS曲面表达式的参数域U、V方向上划分成n×m等分,对于存在裁剪、开洞等情形的曲面,将边界外的点舍弃,同时在参数域平面上形成三角形网格,并将该网格映射到空间曲面,即得到离散方法表示的曲面面片.为适应网格疏密程度、曲面曲率变化的要求,引入密度修正函数与曲率修正函数,使曲面布点按...     

静止液体中射流和羽流污染混合区的理论分析

以无限空间静止液体中自由紊动射流和密度差产生羽流的浓度分布理论解为基础,从水环境功能区管理的角度出发对不同条件下射流和羽流的污染混合区进行了理论探讨和求解.分别给出了平面和圆形射流以及羽流的污染混合区长度、最大宽度或直径、面积、体积的理论公式以及外边界等浓度标准曲线或曲面方程.结果表明,射流污染混合区长度与喷口起始浓度和水环境功能区所执行的标准浓度之比C0/Cs、喷口处断面几何尺度有关;羽流污染混合区长度与比值C0/Cs、起始流量和起始比浮力通量有关;平面和圆形射流、平面和圆形羽流的污染混合区宽长比依次为0.1317,0.1095,0.1564,0.1310,污染混合区为近似椭圆或近似椭球形状.可为生产实践中射流和羽流污染混合区的计算提供理论依据.     

混凝土双K断裂韧度的尺寸效应

为探明双K断裂韧度的尺寸效应律,基于Bazant尺度律方法,推导了双K断裂韧度的尺寸效应公式,并通过几组混凝土断裂韧度的试验数据,对不同试件形式的尺寸效应进行了验证,最后给出考虑尺寸效应的双K断裂判据。研究表明:由室内小试件所测得双K断裂韧度随试件高度的增大而增大,并逐渐趋近于平面应变断裂韧性K1C;随初始缝高比α0的增大先增大后减小,且在α0约为0.4附近时达到最大。采用推导的尺寸效应律可对名义双K断裂韧度进行定量的描述和预测,不考虑尺寸效应的双K断裂判据偏保守。     

球面网壳结构的平面四边形网格划分

针对球面网壳四边形网格划分中四个角点不易处于同一平面的问题,从三点确定一个平面的最基本几何原理出发,提出一种平面四边形网格作图方法,得到的四边形网格不仅处于同一平面而且杆件长度均一致.通过改进四边形网格的划分方法,得到的平面四边形网格与球面的偏差更小.力学性能分析表明,减小四边形网格网壳节点到球面的偏离距离能提高球面网壳结构的承载力.最后将改进四边形网格划分法与国外采用的表面平移法进行比较,发现改进四边形网格划分法不仅能减少节点偏离距离而且能扩大网格划分的曲面范围.     

基于大涡模拟的火灾数值模拟网格划分优化方法

摘 要：网格划分是火灾数值模拟的重要环节,对模拟结果的精度以及模拟时间有很大影响。针对火灾数值模拟中的网格划分问题,提出了一种基于大涡模拟的网格划分优化方法。根据大涡模拟的原理,给出了滤波尺度的计算方法,并根据滤波尺度和网格比系数对火场中不同区域的网格尺寸进行优化处理。将优化方法应用于高层建筑火灾的数值模拟,运用FDS软件分别针对优化前网格、优化后网格以及精细网格进行数值模拟,对不同网格划分下的温度、氧气和二氧化碳体积分数进行比对。结果表明：网格优化后,模拟结果与精细网格之间相关系数的均值为0.987,保证了模拟精度;同时,模拟运行时间降低为精细网格的16%,有效提升了火灾模拟的计算效率。     

考虑结构缺陷敏感性影响的单层空间网格结构形态优化研究

自由曲面单层空间网格结构以总应变能为优化目标时,优化后的结构以轴向应变能为主而弯曲应变能极小,结构承载能力较高;但在考虑初始几何缺陷影响后,其承载力会大幅下降,结构对初始几何缺陷异常敏感,经过形态优化后的结构实际承载力并不高。为此,提出以结构弯曲应变能比例作为约束条件的单层网格结构形态优化方法。该方法通过控制优化终止时结构内部弯曲应变能比例,调节结构弯曲应变能和总应变能比例关系,降低优化后结构对初始几何缺陷的敏感性,可得到考虑初始几何缺陷后仍具有较高承载力的结构形态。自由曲面单层空间网格结构数值算例表明,优化后结构在考虑初始几何缺陷后,其承载力相比传统优化方法有较大提高,证明了所提方法的可行性。     

单轴压缩圆柱状岩石试件应力分布均匀性的研究

本文介绍单轴压缩圆柱状岩石试件内应力状态的一种轴对称有限元分析成果。由于采用了节理单元模拟试件端部的接触边界,可反映出变形过程中试件同接触材料的相对错动,因此得到的结果比前人的分析更合理。其次本文论证了直接在压力机的承压板间压缩试件必然导致不均匀的应力分布,即使减少试件端部的摩擦约束也无济于事。本文还证明了在压力机的承压板同试件间插入高径比不小于1.0的刚性垫块就能在试件内获得均匀应力分布。当试件端部接触边界上的切向刚度系数达到10~4kg/cm~3时,试件内轴向应力误差将小于1％,最大径向应力将小于轴向压应力的3％。本文最后给出了实现这一指标的技术途径和部份试验结果。     

三维离散元不同尺度结构面计算方法 及其在岩土爆破中的应用

 在块体离散元面–面接触的基础上，给出不同尺度结构面的计算方法，建立离散元对岩土爆破模拟的计算模型，实现块体自分裂计算程序，在药包附近采用小尺度块体，远区采用大尺度块体，可以更为准确地描述爆破载荷下岩体结构面的尺寸效应。新的计算方法增加不同尺度结构面之间的计算方法，用其模拟岩土中的爆破问题可以得到：(1) 通过模拟近区岩体内的应力场和位移场，得到爆源近区岩体在动载荷下的破坏特征，与单个尺度岩体结构面的计算程序相比，可以更准确体现结构面破坏引起的能量耗散对近区应力场的影响。(2) 模拟的鼓包、爆破漏斗等岩土爆破现象可以很好地吻合经验公式，说明该计算方法不仅能反映小时间尺度上爆炸现象，如近区的应力场，还可以反映大时间尺度上的爆炸现象。     

组装焊缝形式对箱形截面支撑力学性能的影响研究

为考察全熔透和部分熔透两种组装焊缝形式对箱形截面钢支撑受力性能的影响,本文对中央电视台新台址建设工程中的箱形截面支撑进行了单调受压、轴向反复拉压试验;同时,采用ABAQUS有限元软件实现了对部分熔透试件未熔透处的接触模拟和滞回性能模拟。试验与有限元分析结果表明,中央电视台新台址工程中宽厚比为10的板件可采用部分熔透的组装焊缝形式。考虑板件宽厚比、偏心加载以及残余应力的参数分析结果表明,板件宽厚比小于20的轴心受压支撑以及板件宽厚比不大于10的偏心受力支撑中,箱形截面翼缘与腹板的连接可采用部分熔透的连续焊缝。     

数值流形方法在有限元三维二十结点单元上的实现

在有限元三维20结点单元构成的空间网格上构建流形覆盖和权函数，采用拉格朗日乘子法施加位移约束条件，推导了分析静态问题的计算列式。无需细致网格划分即可更精确地分析具有曲线边界的区域，计算结果的误差能量模较有限元法降低超过一个量级。对采用完全1阶覆盖函数时的线性相关性进行了分析，提出在单元角结点上采用1阶覆盖函数基，其他结点上采用零阶覆盖函数基的方法。利用算例分析了用这种方法计算的两套覆盖函数的收敛率。数值算例表明：效果明显，对解答有体积闭锁的问题均有很高精度。     

Erection behavior and grillage model accuracy for a large radius curved bridge

The effects of construction procedures on the stresses and deformations in a large radius, horizontally curved, plate girder, bridge were examined along with the accuracy with which grillage models predicted the construction behavior. The examination included a study of the stresses and deformations during construction and a comparison of those quantities to the grillage model predictions. Results from the study indicated that, for the structure that was examined: (1) appreciable warping stresses were generated during girder erection; (2) the classical grillage model predictions were less accurate during girder erection while the “modified” model predictions were more accurate during deck placement; and (3) the predicted grillage model deflections were smaller for an exterior-to-interior girder erection procedure than an interior-to-exterior procedure.     

配置可更换弧形角撑的钢框架结构振动台试验研究

为实现钢框架结构的震后快速修复,提出了一种配置可更换弧形角撑和高强钢构件的抗弯钢框架结构。在目标水准地震作用下,结构塑性变形集中在弧形角撑上,高强钢构件基本保持弹性以降低震后残余变形,震后可通过更换弧形角撑快速修复结构。为研究所提出结构体系的抗震性能以及更换弧形角撑的可操作性,设计了1个带混凝土楼板的1/2缩尺模型进行振动台试验。试验结果表明：该模型实现了预定的损伤控制机制,能够满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的最大层间位移角限值要求;由于该模型在超罕遇水准的地震作用下可以保持较大的屈服后刚度,因此其残余层间位移角很小(不超过0.028%),震后弧形角撑易更换;更换弧形角撑后,模型得到了一定程度的修复,但混凝土楼板开裂使得模型刚度未能完全恢复;在重复强震作用下,模型的最大层间位移角未发生显著变化,弧形角撑耗能稳定,但部分弧形角撑的最大变形有所增大,损伤在模型各局部呈现出不均匀发展的趋势。     

Shaking table test of a steel frame with replaceable curved knee braces

为实现钢框架结构的震后快速修复，提出了一种配置可更换弧形角撑和高强钢构件的抗弯钢框架结构。在目标水准地震作用下，结构塑性变形集中在弧形角撑上，高强钢构件基本保持弹性以降低震后残余变形，震后可通过更换弧形角撑快速修复结构。为研究所提出结构体系的抗震性能以及更换弧形角撑的可操作性，设计了1个带混凝土楼板的1/2缩尺模型进行振动台试验。试验结果表明：该模型实现了预定的损伤控制机制，能够满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的最大层间位移角限值要求；由于该模型在超罕遇水准的地震作用下可以保持较大的屈服后刚度，因此其残余层间位移角很小(不超过0.028%)，震后弧形角撑易更换；更换弧形角撑后，模型得到了一定程度的修复，但混凝土楼板开裂使得模型刚度未能完全恢复;在重复强震作用下，模型的最大层间位移角未发生显著变化，弧形角撑耗能稳定，但部分弧形角撑的最大变形有所增大，损伤在模型各局部呈现出不均匀发展的趋势。     

Protein fouling behavior of carbon nanotube/polyethersulfone composite membranes during water filtration

The protein fouling of membranes can be related to the hydrophobic and electrostatic interactions between proteins and the membrane material; i.e., protein fouling can be reduced by changing the membrane properties. In this study, multi-walled carbon nanotube/polyethersulfone (C/P) composite membranes were prepared via the phase inversion method in order to investigate protein fouling, with bovine serum albumin (BSA) and ovalbumin (OVA) used as the model protein for assessing the protein fouling behavior. The results show that the C/P composite membranes were fouled less compared to the bare polyethersulfone (PES) membrane at 4 h of static protein adsorption at neutral pH. Moreover, the irreversible fouling ratio of the C/P composite membranes was less than the bare PES membrane after 1 h of protein ultrafiltration, and the flux recovery ratio of the C/P composite membranes was higher than the bare PES membrane after 20 min of DI water filtration. Based on these results, C/P composite membranes were shown to have the potential to alleviate the effects of protein fouling, thereby enabling C/P composite membranes to be used for several runs of protein filtration after simple washing with water.     

用曲面有限单元建立的膜结构分析理论

本文首次采用曲面膜单元分析膜结构，在非线性有限元理论基础上详细推导了全部公式。对新出现的问题和已往平面膜单元分析理论中各主要技术环节给出了新的解决办法和改进措施。     

碎裂块体围岩安全监测与仿真反演分析

针对某洞室碎裂块体围岩在各种施工支护措施作用下的变形特点与围岩的力学特性 ,提出了对此特殊围岩的仿真反演分析思路与方法 ,在反演分析基础上所进行的施工过程仿真分析为设计与施工提供了一种可行的较优化的方案。