车桥系统耦合振动分析的数值解法

将整个车桥系统划分为车辆与桥梁两个子系统，采用分离的车辆和桥梁运动方程，提出了车桥系统耦合振动分析的数值解法，该法以车轮与桥面钢轨之间位移协调作为收敛条件，在每一时间步长内运用了Newmark-β积分格式。并运用所编制的程序对京沪高速铁路南京越江桥三塔PC箱钢桁叠合主梁斜拉桥方案的车桥动力响应进行了分析，计算结果表明了本文方法的可靠性与有效性。     

波形钢腹板PC箱梁桥的车桥耦合振动分析及动力冲击系数计算

为了科学合理地确定波形钢腹板PC简支箱梁桥的动力冲击系数,依据标准车辆的车轮与桥面的接触关系建立了车-桥系统耦合振动的动力方程。在考虑路面平整度随机激励的作用下,运用MATLAB软件编写了车桥耦合系统动力方程的求解程序,求得了波形钢腹板PC简支箱梁桥结点位移的振动响应,并进一步计算出了该桥型动力冲击系数的数值解。将求得的数值解与现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中动力冲击系数的规范值和文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式求得桥梁基频后获取的动力冲击系数进行对比分析。结果表明:在路面平整度为中的情况下,按照文中提出的波形钢腹板PC简支箱梁桥基频计算公式在获取桥梁基频后求得的动力冲击系数,与JTG D60-2015规范中采用有限元法获取桥梁结构基频后求得的动力冲击系数以及与车桥耦合振动数值模拟获得的动力冲击系数值吻合良好,而与JTG D60-2015规范中给出的简支梁桥基频估算公式获取桥梁基频后求得的动力冲击系数有较大差异。     

车桥耦合振动下中承式拱桥吊杆汽车冲击效应

针对中承式拱桥短吊杆在实际工程中易疲劳断裂的问题,采用接触约束法实现车桥耦合振动响应的求解,以某中承式拱桥为背景研究不同类型车辆过桥时不同长度吊杆轴力的时变特性和动力冲击效应,对比分析出、入桥侧短吊杆冲击效应的差异和不同部位吊杆的疲劳损伤分布规律。研究发现：车辆过桥时吊杆最大的力学响应出现在车辆通过该吊杆时刻,但吊杆轴向应力会出现波动,且应力波动的高频分量多发生于车辆经过吊杆后的余振阶段;车桥耦合振动所导致的吊杆轴向应力波动频率和幅值随吊杆长度的减小而逐渐增强,相同条件下算例最短吊杆的疲劳损伤度为最长吊杆的3 倍;出桥侧主梁因受车辆荷载激励“方向性”的影响,导致出桥侧短吊杆的轴向应力冲击系数达到入桥侧短吊杆的2 倍,且出桥侧吊杆的疲劳损伤度和疲劳动力放大系数均表现出大于等长度入桥侧吊杆的趋势;吊杆的疲劳损伤度随着车重的增加而增加,46 t车辆作用下短吊杆疲劳损伤度可达到2 t车辆的40 000 倍以上。     

车桥耦合振动下中承式拱桥吊杆汽车冲击效应

针对中承式拱桥短吊杆在实际工程中易疲劳断裂的问题,采用接触约束法实现车桥耦合振动响应的求解,以某中承式拱桥为背景研究不同类型车辆过桥时不同长度吊杆轴力的时变特性和动力冲击效应,对比分析出、入桥侧短吊杆冲击效应的差异和不同部位吊杆的疲劳损伤分布规律.研究发现:车辆过桥时吊杆最大的力学响应出现在车辆通过该吊杆时刻,但吊杆轴...     

波浪冲击下充气式浮桥流固耦合数值模拟分析

采用多物质ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法对充气式浮桥进行多工况数值模拟分析,流体区域采用ALE描述,浮桥结构采用Lagrangian描述,并通过罚函数方法实现两者间的耦合作用。首先建立三维充气式浮桥-流体耦合动力学模型,并通过与波浪理论公式和物理模型试验数据对比,验证本文采用的数值造波和流固耦合建模方法的可行性;随后展开初始工况、移动载荷工况、波浪冲击工况下浮桥结构响应的计算和分析。结果表明：随着载重增加,囊体垂向位移和应力随着增加;相比于陆上工况,海上浮囊平衡时垂向位移增加,应力明显减小;波浪冲击中最大铰链接触力和最大囊体应力出现在浮桥两端,最大铰链弯矩出现在中段;随着波高的增加,囊体应力增大。     

偏心桥梁断面颤振稳定性流固耦合数值模拟研究

以Ansys Fluent为平台,对二维两自由度偏心桥梁断面风致振动进行数值模拟研究。将Newmark-β法编程嵌入UDF,在每一时间步上求解微分方程得到并更新物理量的方式实现自由振动流固耦合。与非偏心桥梁节段模型相比,偏心节段模型动力学方程式左右两边分别耦合,利用Newmark-β法求解矩阵形式的偏心两自由度动力学方程组并输入简谐荷载进行调试,对比数值解和解析解证明程序正确性。非偏心节段模型数值模拟颤振临界风速与其他学者实验得到的颤振临界风速高度一致,通过此模拟方法进一步模拟偏心对桥梁节段模型的颤振稳定性提高效果。通过风洞试验验证了数值模拟的可靠性。     

基于SPH-FEM耦合方法的落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模拟

与框架钢筋混凝土棚洞相比,拱形钢筋混凝土棚洞具有自重小、跨度大的优点,其常用砂土垫层来耗散冲击能量。针对有限元法(FEM)模拟拱棚洞砂土材料超大变形问题时所存在的困难,建立了有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的耦合数值计算方法。利用SPH粒子模拟落石冲击区域的大变形砂土,为提高计算效率和精度,非冲击区域砂土用有限元单元模拟,并将混凝土、钢筋、岩石、冲击锤等划分成Lagrange标准有限元网格;然后基于耦合SPH-FEM方法建立了落石冲击拱形钢筋混凝土棚洞数值模型。研究结果表明:随着冲击能量的增大,冲击力峰值和拱中点位移峰值也逐渐增大;与足尺冲击试验结果对比,冲击力峰值和拱中点位移峰值最大误差均没有超过10%,验证了数值耦合模型的准确性;数值耦合模型形象再现了砂土成坑的物理过程,砂土垫层耗能占初始冲击动能的85%以上,说明砂垫层是一种很好的缓冲耗能材料。SPH-FEM耦合方法显示出了模拟拱形钢筋混凝土棚洞冲击问题的有效性。     

玻璃球宏细观冲击特性的SHPB试验和耦合数值模拟研究

为研究玻璃球的宏细观冲击特性,该文开展了不同相对密实度玻璃球的一维霍普金森杆(SHPB)冲击试验和离散元-有限差分法耦合数值模拟研究。结果表明：一维冲击荷载下玻璃球经历初始弹性、屈服、颗粒间互锁硬化和颗粒破碎硬化四个阶段。基于耦合数值模拟发现,颗粒平均配位数随着冲击荷载时程不断增加,但增加的速率逐渐下降,其原因是配位数变化取决于孔隙压缩和以旋转为主的颗粒重排,随着试样压缩变形的发展,孔隙压缩和颗粒重排需要克服更大的颗粒间互锁效应,因此逐渐变缓。而试样孔隙率在弹性阶段基本不变,在屈服阶段和互锁硬化阶段近似线性下降,其原因是孔隙率变化受控于颗粒整体移动,弹性阶段颗粒整体移动尚未发展,屈服之后颗粒整体移动产生的孔隙压缩随荷载时程呈线性发展。冲击荷载下,颗粒位移以整体移动为主,相对位移为辅,因此,颗粒位移对试样的初始密实度不敏感。颗粒旋转需要克服周围颗粒的互锁效应,互锁效应取决于试样级配和颗粒粒径,对密实度较敏感。     

滑石冲击破碎三维数值模拟

应用三维ANSYS/LS-DYNA软件实现滑石在落锤冲击过程的数值模拟,再现单颗粒脆性材料在冲击破碎过程中应力变化及崩落现象,符合应力波理论,说明拉应力和内能变化是造成滑石冲击破碎的重要因素。并与二维MCA数值模拟结果进行对比,有较好的一致性。     

导热系数测量系统的数值模拟

对中国计量科学研究院的稳态保护热平板导热系数测量系统的温度场分布进行数值计算,并在此基础上对实验材料内测温点的选择进行了分析.结果表明,测温点复盖了实验材料内温度的最低和最高点,且呈线性分布,满足实验材料导热系数测量所需温度梯度测量的要求.此外,对热流密度测量的探讨发现,热流密度测量范围的确定是实现精密测量导热系数的关键.     

圆柱体建筑物风压系数的数值模拟

利用CFD方法对圆柱体建筑物表面风压进行数值模拟,计算圆柱体建筑物的风压系数和风荷载体型系数,分析湍流模型对体型系数的影响。结果显示,在自适应网格条件下的RNG k-ε湍流模型的模拟结果与《建筑结构荷载规范》中给出的圆柱体建筑物风荷载体型系数能够很好的吻合。     

盐湖地区RC桥梁结构时变车桥耦合振动寿命预测研究

盐湖地区氯离子侵蚀环境下, RC桥梁结构时变车桥耦合振动是一个复杂的多因素、高度非线型过程,且随着列车运行速度的增加,这种特性逐渐增强,因此,对于使用寿命评估需要更高要求的预测模型。采用二系主动悬挂系统建立RC桥梁车桥垂向耦合振动模型,基于虚拟激励法,求解列车在不同运行速度时的垂向振动位移,并以该位移和能量守恒定律为条件,确定荷载影响因子f(δ)的取值。基于Fick第二扩散定律理论,充分考虑混凝土氯离子扩散系数的时间依赖性、轨道不平顺激励及高速列车运行速度对RC桥梁结构垂向振动影响等因素,得到一种既考虑荷载影响因子f(δ)又考虑氯离子结合能力的RC桥梁氯离子扩散修正模型。仿真实验结果表明,与传统的未考虑列车运行速度影响因素的氯离子扩散模型相比,所提出的RC桥梁氯离子扩散修正模型更加合理,对于盐湖地区既有RC桥梁结构使用寿命的预测将更有实际工程意义。     

椭圆双极线性聚能药柱不耦合系数试验研究及数值模拟

为确定椭圆双极线性聚能药柱(EBLSC)炮孔不耦合系数,利用研制的EBLSC药柱,提出了一套EBLSC药柱对炮孔靶板的侵彻效应测试试验方法,用该方法测试同一药柱在6组不同孔径的软材料靶板上的侵彻效应,对实验数据进行多项式拟合,得到槽深y与孔径φ的定量关系,进而得到最佳弹靶关系,即最佳不耦合系数.为进一步验证方法的有效性,利用LS—DYNA对EBLSC药柱侵彻软材料靶板的性能进行了数值模拟,研究表明数值计算结果与试验得到的最佳不耦合系数较为一致,可见该试验方法能很好地确定EBLSC药柱不耦合系数.数值模拟得到的变形趋势和变形量与试验结果趋于一致,证明所采用的试验方法是正确的.     

基于SPH-FEM耦合算法的后混合磨料水射流冲击破岩数值模拟研究

采用SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics with finite element method)模拟了后混合磨料水射流在喷嘴中的混合过程,并研究了射流速度、磨料浓度以及岩石围压等因素对后混合磨料水射流破岩效果的影响规律。研究结果表明:在柱塞推动下,水与磨料在喷嘴的混合段、收敛段与直线段分别获得加速,最终磨料的速度可增加至纯水速度的80%;岩石破碎深度随射流速度呈近似线性增加,而破碎宽度随射流速度变化不大;磨料射流较纯水射流的破岩损伤更加明显,岩石的损伤随磨料浓度呈先增大后减小的趋势;岩石的破碎深度随着围压的增加呈近似线性减小的趋势。数值模拟结果与破岩实验现象基本吻合,该研究结果可为磨料水射流破岩的应用提供一定的理论支撑。     

龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

钢筋混凝土梁冲击试验数值模拟研究

摘要: 采用弹塑性损伤帽盖模型对筋混凝土梁冲击试验进行了数值模拟,数值模拟得到的碰撞力、梁体跨中挠度以及梁体破坏状况与实验情况吻合较好。在此基础上讨论了混凝土材料应变软化段、描述塑性体积的帽盖面、强度准则子午线形状、偏平面形状以及钢筋混凝土结构建模方式对冲击数值模拟的影响。     

基于元胞自动机微观模拟的随机车流与桥梁耦合振动数值研究

将经典车桥耦合振动理论与最新提出的多轴单元胞自动机(MSCA)微观车流荷载模拟方法进行融合,形成了一种精细化的随机车流与桥梁耦合振动数值分析方法。介绍了该研究所采用的车桥耦合振动理论及模型;提出了MSCA实现车桥动力分析的思路和方法,并进行了程序开发;通过具有实测时程动态挠度的工程算例,验证MSCA实现车桥耦合动力分析的准确性;将MSCA用于随机车流激励下某斜拉桥的动力效应分析中,论证基于MSCA的随机车流与桥梁耦合振动分析程序的可靠性。研究结果表明:工程算例很好地证明了该文所提方法和模型在进行车桥耦合分析的准确性,最大误差仅为11.6%;斜拉桥在随机车流作用下的静力与动力时程挠度分析显示,两者具有很好的一致性,随着路面粗糙度等级提升两者差异更加显著,说明了该模型和方法在开展随机车流与桥梁耦合振动分析的可靠性。该研究进一步拓展了MSCA在随机车流激励下分析桥梁各类动态响应的能力,为该方法程序在实桥监测与评估的应用提供了基础。     

钢箱梁爆炸冲击局部破坏的数值模拟

运用LS-DYNA非线性有限元软件,采用ALE多物质流-固耦合算法,研究了汽车炸弹（TNT当量100-500kg）桥面爆炸冲击作用下钢箱梁的局部破坏。结果表明,钢箱梁局部破坏模式有两种：（1）桥面板和底板均破口;（2）桥面板破口,底板产生局部塑性大变形。隔板的主要破坏模式为弯曲塑性大变形和破口。破坏参数随炸药当量的增加呈非线性增加。箱体内冲击波对底板、隔板的冲击作用相对较小,顶板破片的冲击作用是底板和隔板产生局部塑性大变形和破口的主要原因。     

井下救生舱抵抗爆炸冲击的数值模拟

对救生舱抵抗瓦斯爆炸冲击的能力进行分析,为其结构设计及改进提供理论指导意见。应用非线性显式有限元算法对瞬间冲击的响应进行模拟,得出冲击过程中的应力、应变变化规律和最终变形情况。得出变形量和压力峰值并非线性关系,而是随峰值升高变形量急剧增大;舱体受到0.5MPa峰值冲击波作用时发生弹性变形,大于1.0MPa峰值时产生塑性变形;冲击卸载后,由于惯性作用变形会有所滞后,随后有一定量的回弹。可将舱头优化为向外凸的结构,以减少局部过度变形造成的破坏。     

弹体冲击效应试验的数值模拟分析

为了对刚玉块石混凝土抗弹体冲击性能进行机理性研究,采用ANSYS/LS-DYNA软件,对弹体冲击混凝土和刚玉块石混凝土试验进行了数值模拟,形象展现了弹体冲击作用下,混凝土和刚玉块石混凝土靶体破碎、飞溅成坑和背面震塌等现象,真实再现了弹体在混凝土和刚玉块石混凝土中冲击、破坏的物理过程,计算结果与试验宏观破坏现象和高速录像数据吻合良好,说明材料模型和参数正确,模拟方法可行。