流冰撞击力作用下列车–简支梁桥耦合振动分析

建立撞击荷载作用下列车‐桥梁系统动力分析模型,将现场实测的流冰撞击力时程作为系统的撞击荷载。通过计算机仿真分析,对流冰撞击作用下高速铁路桥梁的动力响应及其对桥上列车运行安全的影响进行研究。采用自编程序模拟列车过桥的全过程,计算分析7 m×24 m简支箱梁桥在流冰撞击力作用下动力响应及桥上高速列车的动力响应。计算结果表明,在实测流冰撞击力作用下,桥梁横向加速度以及车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标在列车速度250 km/h以上时超过容许值,说明流冰撞击作用对车桥系统耦合振动响应具有较大的影响。     

基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于本文建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中。本文旨在为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。     

多点激励下绝对位移直接求解算法的误差频域分析

多点激励地震响应分析时,相对运动法将结构内部节点绝对位移分解成拟静位移和动态位移两部分分别进行求解,而绝对位移直接求解法直接对内部节点绝对位移进行求解,在两种求解算法中,阻尼分别假定与内部结点相对速度、绝对速度成比例。两种算法的阻尼假定不同可能会引起计算结果误差,在瑞利阻尼、单元阻尼模型下,采用随机振动方法对两种算法计算结果误差在频域内进行了理论分析,指出了瑞利阻尼模型下两种算法求得的结构动态内力功率谱密度误差主要受结构阻尼比、激励频率与结构基频率比值影响,但单元阻尼模型下两种算法得出的动态内力功率谱密度不存在误差。最后从概率意义上指出：瑞利阻尼模型下,两种算法得出的结构内力响应方差的误差随结构阻尼比的增大而增大,当结构阻尼比不大于5%时,两种算法计算结果误差很小。     

基于动网格降阶算法的机翼颤振边界预测

基于弹性体动网格技术,发展了一种用于机翼流场网格变形的降阶算法。将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体。以虚拟弹性体变形的静力平衡方程为基础,结合机翼的振动控制方程,推导了机翼与虚拟弹性体的整体的振动控制方程。通过模态叠加方法计算机翼和流场网格节点的位移,进而得到变形后的流场网格。考虑到机翼颤振多为1阶弯曲和扭转振动,所以在流场网格节点位移的计算中只需考虑1阶弯曲和扭转振型。为了保证计算精度,在计算中同时考虑了2阶弯曲和扭转振型。RANS方程为流体控制方程,采用Spalart-Allamras湍流模型,结合动网格降阶算法,对AGARD Wing 445.6颤振边界进行了流固耦合计算。计算结果相对于实验值的偏差小于2%,且与已有的弹性体动网格方法比,计算时间减少了54.8%。     

圆端形钢管混凝土柱偏压性能研究

钢管混凝土(CFST)构件可充分发挥钢管与核心混凝土优点,在桥梁墩柱中已得到应用,抗撞设计是其在墩柱中推广应用的关键问题。因此,该文基于LS-DYNA有限元软件建立了56个车辆撞击双柱CFST桥墩分析模型并进行抗撞机理与参数分析。基于前期落锤撞击结果与实车撞击试验验证了模型可靠性;对典型工况下撞击力和桥墩塑性应变发展、内力分布和能量转换进行研究并重点分析了含钢率、轴压比、货物刚度、车辆质量和速度对CFST桥墩撞击力和侧向位移分布的影响规律;采用等效静力法计算得到25 ms等效车辆撞击力(ESF₂₅)并对AASHTO规程建议值进行评估,提出车撞CFST桥墩撞击力预测公式。结果表明：车辆撞击下CFST桥墩钢管与核心混凝土协同工作,钢管是主要耗能部件;由于上部结构和桥墩惯性作用,不同撞击时刻桥墩内力分布具有显著差异;车辆质量与速度对撞击力发展影响显著,含钢率与轴压比影响较小,货物弹性模量在2000 MPa内变化时影响较大;建议的撞击力公式可较好预测考虑上部质量影响的CFST桥墩撞击力。     

舰船水下接触爆炸的SPH算法研究

舰船水下接触爆炸问题涉及多相物质耦合,而且密度分布极不均匀,阻抗严重不匹配,大变形,强冲击等因素都使传统数值算法很难进行数值模拟。本文旨在通过改进传统SPH算法,并将其应用于水下接触爆炸问题：提出了变光滑长度的链表搜索算法,提高了计算效率,也保证了计算精度;总结了SPH方法对密度极大不均匀问题处理思想;研究了SPH方法的前、后期处理技术,提高了对问题的处理能力,增加了计算结果的可视性。文中最后成功模拟了水下接触爆炸问题,结果与理论一致,验证了所提出的理论和方法的有效性和可行性。另外,分析了不同粒子间距比对数值模拟的影响,结果表明,当粒子的间距比小于2:1时数值结果相对稳定,等于5:1时数值计算崩溃。     

深沟球轴承运转过程动态特性有限元分析

综合考虑轴承径向载荷及转速的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了深沟球轴承多体动力接触有限元模型;以显式动力学有限元法为基础,采用全积分单元算法控制沙漏,设置质量缩放系数缩减计算时间,对内圈施加不同转速时的深沟球轴承进行动力接触分析,得出了深沟球轴承运转过程的动态响应及滚动体的应力分布。滚动体的最大和最小线速度分别出现在与内、外圈接触点上,各转速下滚动体与内圈接触的应力基本相同,滚动体与外圈接触的应力随转速增高而相应增大,滚动体与外圈间接触力的波动大于内圈,而滚动体与保持架间的作用力较小。研究表明,ANSYS/LS-DYNA是分析轴承运转过程动力接触问题十分有效的工具。     

扰动情况下双油槽圆形轴瓦滑动轴承性能分析

采用FLUENT软件及其提供的气穴模型,计算了双油槽圆形轴瓦滑动轴承的油膜压力分布及气穴存在区域大小和位置,并同其他边界条件进行了对比;讨论了进油压力对轴承的流场和承载能力的影响;利用自行改进的动网格技术对轴颈扰动速度对流场和油膜力的影响进行了非稳态计算。计算结果表明,进油压力对油膜力的影响较大,油膜压力受轴颈扰动速度的影响很大,油膜力与轴颈扰动速度明显呈非线性关系,利用改进的动网格技术可以很好地对轴承的动特性进行分析。论文为今后大扰动条件下转子-轴承系统的非线性动特性分析打下了基础,为滑动轴承的设计提供了一种理论参考依据     

应用通用程序计算深覆盖土层地震反应的几个问题

讨论了利用ANSYS和LS-DYNA程序进行深覆盖土层地震反应时域计算时所涉及的几个问题。综合前期研究成果,通过对比通用程序的数值计算结果,分析了数值计算时土层计算范围的选取及单元网格划分、阻尼矩阵的形成等对计算精度的影响。分析结果表明:在确定深覆盖土层阻尼矩阵的比例系数时,土层基频与地震激励主要特征频率之间的关系是一个重要影响因素,当前者小于后者,特别是远小于后者时,应基于土层的基频与地震激励的主要特征频率来形成阻尼矩阵的比例系数;竖向、横向网格尺寸及人工边界的选取会对计算的结果造成显著影响。     

非规则梁桥横桥向地震碰撞反应分析

针对连续梁桥在横桥向地震作用下梁体与抗震挡之间的碰撞现象,建立了考虑支座非线性和墩柱弹塑性的碰撞模型。在此基础上,应用非线性时程方法分析了横桥向地震作用下非规则梁桥梁体与抗震挡之间的碰撞对结构横桥向地震反应的影响,探讨了减轻碰撞和限制相对位移的措施和方法。研究结果表明:梁体与抗震挡块间的碰撞不仅产生很大的撞击力,还会导致桥墩的地震需求增大,对结构抗震不利。通过在抗震挡内侧安装橡胶缓冲垫,可以极大地减小梁体与抗震挡之间的碰撞力,同时减小矮墩区桥墩的墩顶横向位移和墩底塑性转角,不显著增加高墩区桥墩的墩顶位移和墩底塑性转角。     

地震作用下海冰与桥墩的间距对桥墩动力响应的影响研究

位于冰水海域的桥墩,在波浪力作用下,桥墩结构与周围海冰往往出现间隙,地震作用下海冰与结构的动力相互作用呈现复杂多样化。本文在弹性力学中的弹性波传播理论及结构动力学的基础上,考虑不同的海冰与桥墩间距,建立了地震作用下桥墩、冰与水体的流固耦合动力方程。并以一矩形桥墩为研究对象,研究了地震作用下,海冰与桥墩的间距对矩形桥墩结构的动力响应及动水压力的影响。研究表明：地震作用下,海冰与桥墩间距对桥墩顶部的最大位移和最大加速度响应的影响不显著,但是对桥墩侧面动水压力和墩底内力影响较大;当海冰与桥墩存在间距且小于1倍结构尺寸时,墩底的弯矩和剪力达到最大值。     

重合度对人字齿轮非线性系统振动特性的影响分析

由轮齿接触分析以及轮齿承载接触分析计算出考虑安装误差的轮齿综合啮合刚度和单齿啮合刚度,提出了考虑齿轮啮合重合度的啮合冲击计算模型,建立了考虑时变啮合刚度、啮入冲击、齿侧间隙的人字齿轮十二自由度啮合型弯—扭—轴耦合非线性振动模型。以某船用单级人字齿轮副为实例,通过改变轮齿高度变位系数调整重合度进行验证计算,将本文提出的线外啮合冲击模型冲击力计算结果与文献[8]中模型计算结果进行比较,验证了本文提出模型的有效性。通过实例计算,结果表明在负载一定的情况下,轮齿啮合周向及小轮轴向振动随着重合度的增大而减小;而当轮齿啮合重合度增大到4.07时,系统振动呈增大趋势。     

冰激桥墩振动室内模型试验研究

鉴于模型试验是研究冰激结构振动特点和机理的一种非常有效的方法和手段,本文以某桥墩为背景,通过一修正的动冰力模型试验相似律设计了一桥墩模型,应用DUT-1模型冰,模拟了不同冰速下冰-桥墩动力相互作用过程,并实测了冰力和桥墩各测点处的响应。进而得到了一些有价值的试验现象和试验结果,这将为寒冷区域实际冰工程的建设提供一定的借鉴意义,同时可为冰激结构振动的发展提供探索性的意义,也能够在一定程度上完善室内冰激振动模型试验。     

Time-varying mesh stiffness calculation of spur gears with spalling defect

Considering the effects of extended tooth contact (ETC), revised fillet-foundation stiffness under double-tooth engagement region, nonlinear contact stiffness and tooth spalling defect, an analytical model for time-varying mesh stiffness (TVMS) calculation of spur gears is established. In addition, the analytical model is also verified by comparing the TVMS under different spalling widths, lengths and locations with that obtained from finite element method. The results show that gear mesh stiffness decreases sharply with the increase of spalling width, especially during the single-tooth engagement; the spalling length only has an effect on the beginning and ending of gear mesh stiffness reduction; the spalling location can affect the range of gear mesh stiffness reduction, and the range will reduce when the spalling location is close to the addendum. This study can provide a theoretical basis for spalling defect diagnosis.     

考虑支座及限位装置非线性的接触摩擦单元模型

在连续梁桥活动墩上设置限位装置后,活动墩处将包含活动支座的摩擦及限位装置的接触碰撞两种非线性,综合摩擦单元及接触单元的特性,分别考虑接触单元的弹性及弹塑性情况,提出了接触摩擦单元的有限元模型,给出了接触摩擦单元的滞回曲线,针对卸载曲线的不同状态,分别推导出了其卸载刚度;利用接触摩擦单元对设置有分散抗震挡块及活动摩擦支座的连续梁桥进行了非线性地震反应分析,对挡块在降低连续梁桥固定墩地震反应上的分散抗震作用进行了研究,该接触摩擦单元可用于设置有防落梁装置及活动支座桥梁的较为细致的抗震分析模型。     

考虑流体效应的船-桥碰撞数值模拟法研究

有别于传统的不考虑流体对被撞桥墩影响的船-桥碰撞问题,该文在动水压力计算的基础上,建立了考虑流体效应的船-桥碰撞的附加质量计算模型,并与流构耦合计算模型以及不考虑流体影响的计算模型在能量转换、碰撞力、船艏撞深、桥墩位移、应力、截面内力以及计算效率等方面的结果进行了比较分析。结果表明：流体对船艏碰撞力影响较小,但能降低船舶的损毁程度;流构耦合计算模型中的墩顶水平位移响应要略小于附加质量模型和不考虑流体影响时的计算结果;不同计算模型所得桥墩有效应力基本相同且具有相同的分布规律;船-桥碰撞附加质量模型在计及流体与结构相互作用的同时,具有较高的精度和计算效率。     

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。     

高陡斜坡段桩柱式桥墩基础设计计算方法研究

与平地上的桥梁基桩相比,高陡斜坡段桩柱式桥墩基础的承载机理主要包括陡坡效应和嵌固深度效应。首先,根据极限平衡理论推导了高陡边坡剩余下滑力的计算公式;其次,通过对桩柱微元进行受力分析,得到了高陡斜坡段桩柱式桥墩基础内力与变形分析的挠曲变形微分方程及其幂级数解答;经过模型试验的对比分析,验证了该解答的合理性。在此基础上,通过对某工程实例的对比分析,探讨了桩径、嵌固深度以及边坡安全系数等对基桩设计与验算的影响,进而提出了高陡斜坡段桩柱式桥墩基础的设计计算方法,以期为桥梁基桩设计提供参 考。     

六面体网格体积成形有限元分析关键技术

为提高三维体积成形有限元分析软件的计算精度、减少网格数量,基于六面体网格特性研究了六面体网格体积成形有限元分析系统的关键技术,通过对STL文件的索引重构建立了模具实体模型顶点和三角形面片拓扑连接关系,提出了一种局部坐标系建立方法保证触模和对称约束条件的正确施加,给出了相对速度和相对位置两种节点触模判断方法,并提出了调整触模节点位置的最短距离法,与初矢修正法和原长修正法比较,其调整距离短,体积损失小.基于以上技术,开发了基于三维六面体网格的体积成形有限元分析系统,对典型体积成形工艺进行了有限元模拟,并与Deform模拟结果进行对比,二者吻合较好,验证了所建立模型与相应处理技术的可行性.     

Numerical simulations of a tanker collision with a bergy bit incorporating hydrodynamics,a validated ice model and damage to the vessel

Numerical simulations of a collision between a loaded tanker and a bergy bit have been conducted using LS-Dyna™ software. The simulations incorporated hydrodynamics, via LS-Dyna's ALE formulation, and a validated crushable foam ice model. The major portion of the vessel was treated as a rigid body and a section of the hull, located on the starboard side of the forward bow where the ice contact occurred, was modeled as typical ship grillage that could deform and sustain damage as a result of the collision. Strategies for dealing with the highly varying mesh densities needed for the simulations are discussed as well as load and pressure distribution on the grillage throughout the course of the collision. Realistic movement of the bergy bit due to the vessel's bow wave prior to contact with the ice was observed and the damage to the grillage resembled published results from actual grillage damage tests in the lab. A load measurement from the lab tests compared reasonably well with a rough estimate from the simulation. The collision eventually ruptured the hull in a ripping fashion resembling documented incidents of vessel impacts with ice masses.