土体压缩-回弹变形特性试验研究

针对地面沉降中土体变形问题,开展了不同土体(砂土、粉土和黏土)在不同状态下的压缩-回弹试验,结合相关土体变形机理的研究,对不同土体的压缩-回弹特性进行了研究。主要结论如下:砂土的压缩变形最为显著,其次为粉土,最后为黏土。砂土的变形呈现出初期变形小,后期变形大的特点。粉土和黏土则相反,两者的变形主要发生在前期。三种土体的变形均主要为不可逆变形,其中黏土的变形存在着明显的滞后性。砂土的变形主要来源为砂土结构的重塑,黏土则来自于结构的重塑和水分的重分布,粉土则与黏土相似。     

花岗岩单轴压缩力学特性试验及数值模拟

采用电液伺服试验机对花岗岩进行单轴压缩试验,利用RFPA模拟岩石破裂过程,详细分析了单轴压缩下花岗岩各特征应力大小、损伤过程、破坏模式及裂纹扩展规律。结果表明：花岗岩在单轴压缩下裂纹闭合应力、裂纹起始应力、损伤应力分别占峰值应力的41.1%、 58.7%、 88.3%;在损伤变量的基础上提出损伤变量临界值,以应变值为基础建立花岗岩损伤与裂隙演化之间的联系,定量分析了花岗岩裂隙演化4个阶段下损伤变量的变化;花岗岩单轴压缩下破坏模式与主裂隙方向有关,当主裂隙方向和轴向压应力方向平行时,花岗岩发生竖向劈裂破坏,当主裂隙方向与轴向压应力方向存在夹角时,花岗岩发生竖向劈裂与剪切组合破坏;根据RFPA 2D模拟得到花岗岩破裂结果,发现当加载应力达到峰值应力的46.9%时,花岗岩内部出现局部的微损伤,当加载应力达到峰值应力的63.3%时,花岗岩内部的微损伤累积引起局部的微裂纹,当加载应力达到峰值应力的88.3%时,花岗岩内部的微裂纹汇聚形成显裂纹,在显裂纹区域出现应力集中现象,使得显裂纹相互贯通,最终导致花岗岩的宏观破坏。     

橡胶混凝土冲击压缩性能的试验研究和数值模拟

采用分离式霍普金森压杆装置对橡胶掺量分别为5%、10%、15%、20%,橡胶粒径为0.18 mm、1.29 mm、2 mm的12组橡胶混凝土试件进行4种应变率下的冲击压缩试验研究,得到了每一组试件在4种应变率下的应力-应变曲线.试验结果表明:随着应变率的增加,橡胶混凝土的峰值应力、动力增长因子也随之增大,橡胶掺量对橡胶混凝土的峰值应力和动力影响因子的影响与应变率一致,掺入的橡胶粒径越大,橡胶混凝土的峰值应力越大但是动力增长因子却呈减小趋势;橡胶掺量在10%左右时,橡胶混凝土能够取得较好的韧性和变形能力.参考试验结果,在经典H-J-C混凝土本构模型的基础上,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,得到了橡胶混凝土H-J-C本构模型的材料参数.     

蜗壳外围混凝土裂缝扩展的数值模拟

根据混凝土断裂力学理论,在蜗壳外围混凝土内部设置初始裂缝,应用虚拟裂缝模型建立平面轴对称有限元模型,编程计算了直埋式蜗壳外围混凝土裂缝的扩展过程。计算结果表明：断裂力学理论中的虚拟裂缝模型可以很好地模拟蜗壳内部裂缝的整个断裂扩展过程,得到单一裂缝的内水压力-裂缝口张口位移（裂缝口宽度）曲线;通过引入断裂角的概念,得到蜗壳裂缝扩展的准确路径,直埋式蜗壳子午断面内裂缝扩展的主要方向为通过蜗壳中心的径向。     

结构性对黄土压缩回弹性能影响的试验研究

根据黄土的大孔隙、高强度及欠压密等特性,对不同含水量的原状土与重塑土进行了一系列侧限压缩试验,包括压缩试验、压缩再回弹试验和压缩回弹再压缩试验,并对天然含水量下原状土进行4种不同荷载下的回弹再压缩试验.在试验的基础上详细分析了结构性对黄土的压缩和回弹性能的影响,尤其是对原状土在结构屈服前后的力学性能变化的影响,得出黄土的结构性对其压缩回弹性能的影响显著,特别是在结构屈服压力前后,原状土的回弹能力差别较大.研究成果为提出一种结构性黄土先期固结压力的推求方法奠定了基础.     

海洋柔性管道骨架层径向压缩行为的数值模拟

为防止铺设或储运过程中出现径向压缩失效,海洋柔性管道内层设计采用互锁型骨架层。基于有限元数值分析方法,建立骨架层三维有限元模型,研究径向压缩载荷作用下骨架层的力学行为。同时将骨架层简化为圆环,推导了圆环对径向压缩刚度的解析公式。搭建了柔性软管径向压缩性能的实验测试装置,通过骨架层试件的径向压缩测试,验证了有限元模型的正确性;发现传统理论模型的误差较大。数值研究还发现,随着钢带厚度与内径比的增加,骨架层径向压缩刚度会显著增大。建立的有限元数值模型及其分析技术为柔性管道受径向压缩分析和设计提供了有效的技术手段。     

路基沉降试验研究及数值模拟

近年来,随着高速公路的快速发展,因路基沉降造成的公路病害问题日益突出。目前路基沉降的研究方法很多,本文通过在十慢高速公路填方路段进行路基沉降试验测试,并采用ANSYS软件进行数值模拟,来研究路基沉降规律。取路堤的一个断面,按照平面应变问题进行分析。土体定义为弹塑性材料来建立有限元模型。主要的结果有：a.高速公路在高填方路段的路基沉降主要由初始沉降、固结沉降、次固结沉降三部分组成;b.数值模拟的沉降量曲线具有单调递增性,存在反弯点,当时间趋于无穷大时,沉降量趋近于一固定值;c.路基运营阶段的沉降大部分为次压缩沉降,其数值很小。     

汽车复杂梁形件冲压成形及回弹数值模拟

回弹问题是影响高强钢板进一步应用的原因之一,为了降低回弹影响,通常可以通过设置合理的工艺参数的方法减小回弹.以材料为高强钢的复杂型面汽车后边梁为例,对成形过程进行数值模拟分析,采用设置等效拉延筋及改变压边力大小的方法优化零件的成形结果,并最终确定后边梁成形时的等效拉延筋位置分布、拉延筋阻力和压边力的大小.利用计算出偏移最大的节点之间距离的方法对后边梁的回弹量进行测量.采用局部增大拉延筋阻力以及减小压边力的方法,对后边梁成形后所产生的卸载回弹及修边回弹进行控制,等效拉延筋阻力与压边力进行合理配比使回弹减小到较小的范围.最后将模拟所得到的结果与实验结果对比,即零件回弹较小,成形精度较高,进而得出该回弹控制方法可用于指导实际生产的结论.     

地下开采岩层变形相似材料模拟的数值试验

在金山店铁矿东区浅部开采岩层变形相似材料物理模拟的基础上,结合34#剖面工程地质特征建立了深部开采的FLAC数值分析模型.随后,依据-550 m水平开挖时相似材料物理模拟的地表变形实测值,采用BP神经网络和遗传算法等手段对相似材料力学参数进行了优化,构建了深部开采相似材料模拟数值试验模型.以该数值试验模型对金山店铁矿深部开采岩层变形规律进行了研究,结果表明:进入深度开采后,上盘岩层移动角趋于58°,下盘岩层移动角趋于63°.这种研究方法不仅节省了做相似材料物理模拟试验的费用和时间,而且误差可以控制在5%的允许范围内,其结果对深部开采地表征地和搬迁具有重要的参考价值.     

支座激励下小垂度悬索动力响应试验及数值模拟

支承于相邻结构间的索网幕墙采光顶受主体结构相对位移振动的不利影响,该位移振动将作为支座激励导致悬索构件发生过度张拉或松弛现象。为研究悬索在端部支座简谐及随机激励下的动力响应,本文首先以综合考虑垂跨比、索力及轴向刚度对悬索振动影响的无量纲变形特征参数ab^2为设计变量,对3组悬索试件开展支座简谐激励下的动力响应试验,通过改变加载幅值和加载频率设置两组加载工况,分析在不同的ab^2下悬索位移和索力响应的变化规律;其次,采用ANSYS软件进行数值模拟,计算结果与试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的正确性;最后,以理想高斯白噪声模拟悬索支座随机环境激励,基于已验证的有限元模型计算悬索动力响应,并讨论ab^2、阻尼比及激励强度对位移、索力响应谱及均方差的影响。研究结果表明：1）在两种支座激励下,悬索位移和索力响应均随ab^2、阻尼比的增加而降低,随激励强度的增加而增大,且对于ab^2较大的悬索,其位移和索力响应对支座的随机激励更敏感;2）当阻尼比小于0.1时,随着阻尼比的增加,悬索在随机激励下的位移和索力响应分别降低60.9%和67.5%,此阶段下悬索的动力响应对阻尼比变化的敏感性较高,且增加阻尼带来的抑制效果显著;3）当支座简谐激励和索力相同时,垂跨比的变化对悬索的动位移影响较低,但对索力的影响较大,其中垂跨比较小的悬索索力变化更剧烈。     

煤岩单轴压缩过程电磁辐射的数值模拟研究

为深入研究煤岩变形破裂过程中的电磁辐射规律,利用建立的电磁辐射数值模拟模型及岩石破裂过程分析系统,模拟研究了煤岩单轴压缩过程的电磁辐射特征规律.结果表明,数值模拟得出的电磁辐射信号与煤样单轴压缩过程所受应力呈正相关性,在峰值应力处,电磁辐射能量及脉冲出现极大值,与实验结果较一致.     

无约束圆柱弯曲成形卸载回弹的数值模拟

采用Barlat＇91材料屈服准则准确描述铝合金板料各向异性,通过与其它屈服准则的比较发现,Barlat＇91屈服准则能反映在单轴拉伸和等双轴拉伸条件附近屈服面的小曲率半径。引入一种新型的双线性厚壳单元来模拟弯曲型板材的成形与卸载回弹全过程;该单元采用减缩积分方式,可以在不损失计算精度的前提下提高计算效率。模拟中板材本构方程基于更新Lagrangian弹塑性材料模型,适于大位移大变形过程模拟。卸载过程采用模具反运动方式描述,采用修正的Coulomb摩擦模型。通过商品化通用CAE软件MSC/MARC对国际板成形会议（NUMISHEET2002）无约束圆柱弯曲成形卸载回弹Benchmark B进行计算机仿真,把不同阶段的模拟结果与试验数据及其他软件模拟结果进行对比。通过回弹过程模拟与实验结果的对比,验证了相关关键技术的采用可以较好地模拟复杂接触卸载回弹问题。     

无约束圆柱弯曲成形卸载回弹的数值模拟

采用Barlat' 91材料屈服准则准确描述铝合金板料各向异性,通过与其它屈服准则的比较发现,Barlat 91屈服准则能反映在单轴拉伸和等双轴拉伸条件附近屈服面的小曲率半径。引入一种新型的双线性厚壳单元来模拟弯曲型板材的成形与卸载回弹全过程;该单元采用减缩积分方式,可以在不损失计算精度的前提下提高计算效率。模拟中板材本构方程基于更新Lagrangian弹塑性材料模型,适于大位移大变形过程模拟。卸载过程采用模具反运动方式描述,采用修正的Coulomb摩擦模型。通过商品化通用CAE软件MSC/MARC对国际板成形会议(NUMISHEET2002)无约束圆柱弯曲成形卸载回弹Benchmark B进行计算机仿真,把不同阶段的模拟结果与试验数据及其他软件模拟结果进行对比。通过回弹过程模拟与实验结果的对比,验证了相关关键技术的采用可以较好地模拟复杂接触卸载回弹问题。     

AZ31B镁合金和6065铝合金动态压缩行为数值模拟

为了研究帽状试样AZ31B镁合金和6065铝合金在动态压缩变形过程中的温度、应力与应变演变规律,采用Johnson-Cook本构方程和累积塑性损伤方程进行了数值模拟,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了AZ31B镁合金和6065铝合金帽状试样的动态变形过程.结果表明,两种合金的裂纹萌生和扩展过程相似,局域化变形带内塑性应变由内向外对称分布.相比于AZ31B镁合金,6065铝合金的塑性应变影响区域更为狭小,其应变和应变率硬化效果更强.6065铝合金的变形温度能够达到其动态再结晶临界点,因而易于绝热剪切带的形成.     

汽车发动机罩板冲压成形及回弹过程的数值模拟

以汽车发动机罩板为研究对象,根据板料成形及回弹过程数值算法,利用商业软件Pamstamp,数值模拟研究了发动机罩板冲压成形及回弹过程,根据模拟结果对回弹及残余应力分布作了分析.结果显示,发动机罩板在成形过程中没有产生裂纹和起皱,回弹后在中部区域引起较大鼓动,其原因是在残余压应力作用下产生的板料弹性失稳.     

动车水箱疲劳振动试验及数值模拟研究

轨道车辆及车载设备大量使用焊接结构,其在振动载荷作用下的疲劳破坏通常发生在焊缝处.针对动车水箱焊缝疲劳寿命开展随机振动台架试验及数值仿真研究.在台架试验中,按试验规范输入强化加速度随机振动自功率谱,检验该水箱是否满足疲劳寿命的要求.在进行数值模拟研究中,按试验工况条件建立水箱疲劳寿命仿真模型,其中将振动试验的激振信号作为仿真的输入载荷,采用壳单元建立水箱构件及焊缝的有限元模型,通过附加质量等效内部液体,根据BS7608标准确定相应焊缝的S-N曲线,采用名义应力法预测水箱焊缝在试验工况下的疲劳寿命.仿真所得焊缝失效部位及疲劳寿命与振动台架试验结果基本吻合,说明该焊缝疲劳寿命预测方法的正确性,为焊接结构疲劳设计提供有效的分析算法.     

高密度聚乙烯垫片的非线性压缩-回弹性能测试

为研究高密度聚乙烯（HDPE）垫片在非线性棘轮实验中的应力率和温度相关性,使用RPL50型蠕变疲劳试验机,对HDPE垫片在循环压缩载荷下的压缩-回弹效应进行了实验研究,建立了HDPE压缩-回弹的本构预测模型。结果表明,HDPE的棘轮变形随着温度增大而增大,当温度大于80 ℃时棘轮变形随温度的升高大幅度增加,在80 ℃时,为常温下的4倍;随着应力率的增大累积的棘轮应变有所下降,由应力率为1 MPa/s时的8.99%下降至0.01 MPa/s时的14.23%,即温度和应力率显著影响HDPE的压缩-回弹性能。本文模型能够较好预测HDPE在不同温度与应力率工况下的非线性压缩-回弹性能,在HDPE垫片的工程设计方面具有一定的应用价值。     

均质充量压缩燃烧数值模拟的研究动态

与传统的汽油机和柴油机相比,均质充量压缩燃烧(HCCI)方式由于其高热效率和低排放等突出的优越性已成为国际上的研究热点,数学模拟在其中发挥着日益重要的作用.因此,对近年来HCCI燃烧数值模拟研究的进展按单区模型、多区模型和多维CFD模型分别做了全面评述和讨论.前二者在HCCI总体燃烧特性预测与分析方面已取得了显著的成绩;而CFD与详细化学动力学耦合模型由于计算机资源的限制,目前尚处于发展初期.最后,对该领域存在的问题进行了讨论,对今后重点研究方向提出了建议.     

改性再生混凝土抗压强度试验研究及数值模拟

通过试验探讨了粉煤灰掺量对再生混凝土抗压强度的影响,试验表明,随着粉煤灰掺量的增加,再生混凝土的抗压强度先增大后减小,粉煤灰掺量约为10%的再生混凝土抗压强度达到最大。结合蒙特卡罗方法和富勒级配理论,应用Ansys的APDL参数化编程,选取合适的材料参数和新老砂浆界面强度模拟再生混凝土试件加载过程,模拟结果和试验现象较为吻合。     

水泥基材料隐身性能改性试验与数值模拟

以水泥为基体,添加硅灰和粉煤灰、石墨和碳纤维、纳米TiO2和钢纤维为吸波剂的试样,对8～18GHz频段内的隐身性能进行了试验分析,结果表明,硅灰和粉煤灰、纳米TiO2和钢纤维与水泥复合制成的吸波材料具有良好的隐身性能,石墨和碳纤维与水泥复合制成的吸波材料的隐身性较差,掺合材对水泥基材料吸波性能的影响必须综合考虑,并不是越多越好,掺合材超过一定极限后,材料的透波能力增强,吸波性能便会下降.在设计时对试件实验数据进行计算机模拟仿真,得到水泥基复合吸波材料,材料的电导率、复介电常数、复磁导率、介质损耗角正切等是评价吸波材料的主要参数.当掺合材作为复合吸波剂应用时,两种材料的介电损耗共同发挥衰减作用,可以明显提高试件的吸波性能,而且可以拓宽频段,比单一吸波剂的添加有着明显的优势.