浅埋金属圆管在爆破拆除塌落冲击振动下的动态响应

为研究爆破拆除过程中浅埋地下金属圆管对塌落冲击的动态响应,采用模型试验和数值模拟相结合的手段,探究了塌落冲击载荷作用下塌落高度、重物质量以及管土刚度比对浅埋金属圆管动态应变的影响,得到了埋地圆管在不同参数影响的塌落冲击载荷作用下的动态响应规律;相似律指导下,采用数值计算方法验证了爆破拆除过程中塌落冲击浅埋金属圆管的缩比模型中土体和金属圆管的动力学响应符合相似关系。研究成果可以为复杂环境下高层建(构)筑爆破拆除工程的模型试验设计及减振防护设计提供理论参考。     

桥梁结构振动试验相似模型的设计及校验

以32 m简支箱梁桥为原型,以10∶1为几何缩尺比,设计制作了简支箱梁桥模型。依据弹性力相似律推导了原型桥与模型桥间的相似关系,在以桥梁结构振动为研究目的的情况下,通过有限元数值分析以及试验研究两种方式,探讨了该相似关系在原型桥与模型桥间是否适用。研究结果表明:有限元数值分析得到的原型桥与模型桥间各物理量比尺与理论推导各物理量比尺基本吻合;桥梁相似模型实测数据与有限元数值分析数据存在差异,但整体上大致吻合;依据弹性力相似律推导的相似关系在原型桥与模型桥间适用,但对于复杂桥梁结构模型还需做进一步的验证。     

软式平流层飞艇气弹模型相似参数分析

软式平流层飞艇具有较大的尺寸,基于风洞试验探讨其气弹响应特性时,需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应,与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象,基于量纲分析法推导了模型的相似准则;建立软式平流层飞艇的有限元模型,对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析,获得对应的振动频率与位移响应;统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度;对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估,且给出相应的补偿修正。结果表明:风速偏差的影响可以忽略;蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略;蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差,对振动频率及位移响应都有较大的影响。     

基于冲击响应等效的燃机支撑结构冲击试验研究

舰用燃气轮机支撑结构的抗冲击性一直深受关注。在整机试验难以进行的条件下,开展支撑结构的部件强化冲击试验十分有必要。以某舰用燃气轮机后支撑结构为研究对象,利用局部分析法分析了后支撑结构的边界条件及载荷特性,考虑实际部件试验的可行性,建立了后支撑结构的缩比试验模型;以相似理论为指导,推导出部件原结构与缩比试验模型的冲击响应对应关系;并开展了缩比试验模型的冲击试验,并完成了缩比试验模型试验结果、数值模拟结果与原结构数值模拟结果的冲击响应等效性分析。结果表明,所建立的缩比试验模型能够反映原结构的冲击响应特性,后支撑结构的转接座连接处是抗冲击的薄弱部位。     

单层网壳冲击动态响应相似律与数值模拟验证

根据Π定律,考虑应变率强化效应,通过修正速度相似条件得到修正模型,推导网壳在顶点受冲击时的相似律表达式。利用非线性有限元软件LS-DYNA建立与已有文献相同的模型,验证有限元分析的可靠性;在此基础上,建立满足相似律的不同几何缩比凯威特-联方型单层网壳数值模型,并分别考虑网壳未破坏和破坏的情况,对相似律进行验证。研究表明:考虑应变率效应的修正模型能较好地预测原型的动态响应,结果具有较好的精度;当应变率越高和几何缩比越小时,未修正模型预测误差越大;工程实践中,模型和原型需考虑满足应变率强化效应的相似律。     

放射性物质运输容器缩比模型试验的数值模拟

目的为了解决使用放射性物质运输容器原型在真实环境中进行跌落冲击试验的困难,研究一种缩比模型,使缩比模型可代替原型进行试验。方法通过量纲分析中的Buckingham"Π定理",推导出缩比模型容器的比例定律。以简化的圆柱形放射性物质运输容器为例,采用ABAQUS动态显式算法对原型和1/4缩比模型,在事故条件下于9 m高处以底角跌落姿态冲击刚性地面的动态响应进行数值模拟。结果两模型力学性能(包括关键位置的应变、应力、加速度,以及与刚性地面之间的接触力)的变化规律与理论分析结果具有很好的一致性。结论在一定缩比范围内,比例定律适用于放射性物质运输容器缩比模型的试验测试,可为原容器的替代试验提供科学依据。     

冷却塔在高卸荷槽切口下爆破拆除振动数值分析

为了研究复合切口高卸荷槽对冷却塔倒塌触地振动的影响,运用动力学原理,采用ANSYS整体式建立冷却塔复合切口高卸荷槽和常规切口两种有限元模型,利用LS-DYNA对两种有限元模型进行数值求解,得到了冷却塔爆破拆除动态倒塌过程和地面质点塌落振动规律。结果分析表明:复合切口高卸荷槽能够有效减小塌落振动、改变冷却塔倒塌状态和缩短倒塌时间。数值模拟结果与实测结果相吻合。     

下穿地铁隧道爆破振动作用下给水管道动力响应特性研究

为研究下穿地铁隧道开挖过程爆破振动作用下埋地供水管道的动力响应特性,以青岛地铁3号线岭-清段的下穿给水管道隧道爆破工程为例,采用LS-DYNA数值模拟方法进行爆破动力响应计算分析,结合现场对管道正上方地表振动速度监测结果,验证分析了数值模型的可靠性。基于动力数值计算结果,分析了爆破振动作用下管道振动速度及有效应力分布特征,研究了下穿地铁隧道爆破振动作用下给水管道动力响应特性,其中,管道纵向方向上,爆源所在位置管道截面振动速度与有效应力最大,截面环向上,振动速度与有效应力呈现出底部最大,中部次之,顶部最小的规律,同时建立了管道有效应力以及管道正上方地表振动速度函数关系。结合断裂力学理论,确定爆破振动作用下给水钢筋混凝土管的极限动态抗拉强度,其值为2.01 MPa,提出确保管道安全的地表振动速度控制阈值3.32 cm/s。     

转子-滑动轴承系统动力学相似性研究

针对转子-滑动轴承系统缩比模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法建立了考虑陀螺力矩和滑动轴承非线性油膜力的转子-轴承系统相似准则,确立了模型与原型各物理量相似比。理论研究表明,通过采用模化转子滑动轴承静载荷补偿措施,可使转子-轴承系统满足动力学相似要求。补偿处理后的模型和原型转子系统的临界转速、失稳转速、不平衡响应均具有相似性。并通过算例对比分析转子几何比、材料密度模化比和弹性模量模化比对轴系不平衡响应特性相似性的影响规律,验证了所推导的转子动力学相似准则的正确性。     

输流管道耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。通过实验和数值分析研究输流管道在流固耦合作用下的振动模态、幅频响应等动力特性的变化规律。根据流体三维波动方程和管道动力学方程之间的耦合关系建立空间输流管道系统的直接流固耦合动力有限元模型,进行管道系统有无流体两种工况下的模态实验。通过和实验结果的对比,验证了输流管道耦合动力学模型的合理性和流体对管道模态的影响,研究了不同频率下流固耦合特性对管道幅频响应的影响及作用机理。发现水介质流体显著降低了管道固有频率,但是在不同频率下流体对管道幅频响应的作用效果并不相同。     

下穿隧道爆破振动作用下石油管道的安全性评价

以西安成都客运专线下穿埋地石油管道的仙女岩隧道掘进爆破为背景,根据隧道与管道的空间位置关系以及掏槽孔爆破的装药结构,按照等效炸药量原理建立了隧道—管道的三维非线性动力有限元模型。利用有限元软件ANSYNS/LS-DYNA模拟管道地表的振动响应,通过与现场实测振动速度波形的对比分析,验证了模型计算结果的准确性和可靠性。以此为基础,进行爆破振动作用下的埋地管道-土体接触面的动力响应分析和管道安全性评估。研究结果表明:隧道爆破作用时,管道—土体接触面上管道的最大振动速度约为土体峰值振动速度的1.6~5.0倍;埋地输油管道的最大当量应力为102.08 MPa,远小于管道许用应力434.70 MPa,隧道按照既定爆破方案进行开挖所产生的振动不会影响管道安全。     

高密度聚乙烯波纹管爆破振动动力响应尺寸效应

为研究爆破振动作用下高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管动力响应的尺寸效应,采用现场预埋管道的爆破试验及动力有限元数值计算相结合的方法,通过振动监测结果分析HDPE管道动力响应数值计算模型的可靠性;在此基础上,建立相同条件下不同管径HDPE管道的数值模型,研究尺寸效应影响下的埋地管道动力响应特征。研究结果表明：在爆破振动作用下,管道各截面迎爆侧的振速和von-Mises有效应力均大于管道背爆侧,管道振速峰值出现于管道底部;随着管径的增大,管道振速与有效应力会随之减小;管道有效应力与峰值速度之间、管道振速与地表振速之间均具有函数关系;根据HDPE管道相关规范中最大的允许压力,可得到管径为40,50,60,80和100 cm的HDPE波纹管（空管）在类似岩土层条件下地表爆破控制振速为分别为22.5,20.91,19.70,17.91,16.64 cm/s。     

动力柔化直板叶片动力学相似关系

针对考虑动力柔化效应的直叶片动力学相似模型设计的问题,提出一种考虑动力柔化效应的动力学相似模型设计方法。根据大范围运动板的动力方程推导得到的矩形板动力平衡方程,结合直叶片运动特性,建立基于柔性体假设的直叶片动力平衡方程;运用相似原理,建立考虑动力柔化的旋转柔性直叶片的动力学相似关系;通过分析所建立的相似关系,为了避免过高转速引起试验系统的高阶振动,提出建立旋转直叶片过渡试验模型的方法,并分析其在直叶片刚性与柔性条件下的适用性;最后通过数值验证相似关系的有效性和正确性。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

人车路耦合系统的非线性振动特性及试验研究

为了解决车辆行驶中产生的复杂非线性振动响应问题,建立三自由度人车路耦合非线性动力学模型。基于扭转几何变形非线性特征,利用拉格朗日方程推导出三自由度人车路耦合非线性振动方程,该方程中的正弦和余弦函数项来源于几何非线性扭转变形。针对自由振动,给出非线性恢复力曲面、势能曲面及固有频率解析表达式。针对强迫振动,运用数值仿真方法分析车辆质量、转动惯量、乘客质量、座椅刚度/阻尼、悬架刚度/阻尼、阻尼、质心位置、路面波长及波幅等系统参数对振幅速度响应曲线的影响。搭建人车路耦合振动系统的实验平台,通过振动实验结果验证理论分析与数值结果的可靠性。研究结果表明：该三自由度非线性动力学耦合系统可精确描述人车路耦合系统的响应特性,合理选择系统参数能够有效减小振动响应幅值和提升乘坐舒适性。     

开槽填充黏弹性材料对圆锯片振动的影响分析

为了揭示开槽填充黏弹性材料对锯片振动特性的影响规律,分别对无槽及开槽填充材料两种锯片模型的阻尼以及动态响应特性进行比较研究.首先,基于模态应变能法计算锯片模态阻尼比,利用Rayleigh阻尼表征模型结构阻尼,获得2种锯片模型的模态阻尼常数;然后,建立锯片有限元瞬态动力学分析模型,得出2种锯片模型的振动响应及衰减历程曲线,分析开槽填充材料对锯片振动的影响;最后,针对2种锯片进行试验模态分析,获得振动响应曲线,对比数值分析结果与试验数据曲线,两者吻合良好,证明了有限元数值分析的可靠性.结果表明:在相同的动力学条件下,开槽填充材料会显著降低锯片上质点的振动速度,缩短锯片振动的衰减历程.研究结果为开槽低噪声锯片的结构创新设计与开发提供了有效的理论依据.     

深空探测气囊着陆缓冲系统的原理样机冲击动力学相似问题研究

研究深空探测气囊着陆缓冲系统的地面原理样机冲击动力学相似问题。首先,从理论角度出发,对气囊着陆缓冲系统的冲击动力学响应进行了推导,发现初始气压、气囊体积、接触面积、登陆舱质量和着陆初速度等参数对着陆冲击响应特征起主要影响。然后,给出了地面原理样机设计思路,并且在理论推导的基础上提出了利用地面原理样机冲击响应与外星环境下全尺寸气囊着陆系统冲击响应的动力学相似关系。最后,设计了几种不同参数的地面原理样机,通过数值模拟方法计算了火星环境下的全尺寸气囊系统着陆冲击响应和原理样机冲击响应,利用地面原理样机冲击响应计算结果和所提出的动力学相似关系对火星环境下的全尺寸气囊系统着陆冲击响应进行了估计,验证了所提出的动力学相似关系的有效性。     

输水管道流固耦合振动数值计算

采用特征线法对输水管道流固耦合振动响应进行数值计算,管道的运动采用4-方程模型描述。研究管道分段时所采用的波速对数值计算结果的影响,以及管道结构阻尼对系统响应的影响。结果表明:采用特征线法求解输水管道系统流固耦合振动响应时,应采用最小波速对管道分段;管道的结构阻尼对系统响应的影响大于液体与管道之间的摩擦阻尼,可以使系统的振动快速衰减。     

PE管道的爆破振动响应规律及灰色关联度分析

为了降低隧道爆破施工对既有埋地PE管道造成的振动危害,有必要在施工前了解影响管道振动效应的各种因素。根据现场实测数据,采用MIDAS GTS NX软件建立岩土体-隧道-PE管道三维数值模型,并将现场监测结果和数值模拟结果进行对比分析,验证数值模型的可靠性。分析得出：爆破振动作用下土体弹性模量、泊松比和管径的增加会使管道的最大振速增大;因为地表自由面叠加作用的原因,管道埋深的增加使管道最大振速先减小后增大。运用灰色关联度理论,确定了4种不同因素对管道振动效应的影响程度,主次关系为：土体弹性模量>管道埋深>土体泊松比>管道直径。准确地了解各因素对管道振动的影响程度能够更好的对隧道爆破施工时PE管道的安全性进行评估,为工程实际施工提供参考。