动荷载作用下预测玻璃板破坏强度和破坏时间的一种改进模型——Ⅱ.参数确定及验证

对浮法玻璃,确定了文献[1]中修正的单层玻璃板动态裂纹破坏模型的未知参量。先假定了玻璃板中的裂纹长度服从四种分布,将四种分布与不同的裂纹密度和裂纹最大长度组合模拟玻璃的破坏时间,通过与试验的对比得出四种分布对应的最优裂纹密度和最大裂纹长度;运用四种分布及对应的裂纹密度和最大裂纹长度,计算了玻璃板的破坏应力,经过与试验对比确定出裂纹长度分布。用确定参数后的模型预测了玻璃板的破坏应力和破坏时间,并将改进模型的计算结果与试验值和已有模型的计算结果进行了对比分析,对比表明改进模型能较准确地预测破坏应力和破坏时间。最后用确定的参量模拟了爆炸荷载下玻璃板的破坏时间,模拟结果与试验结果吻合较好。     

动荷载作用下含裂缝公路结构体的应力强度因子

以沈阳-大连高速公路为工程背景，基于弹性动力学理论，采用平面应变有限单元法，分析了车辆荷载对含裂缝路面体的动态作用，分析过程中，车辆荷载简化为正弦分布柔性荷载；路面结构体计算模型抽象为平面应变模型；路面结构体为弹性的连续介质，为了反映裂尖应力，位移场的奇异性和减少模型网格数，在裂尖环向设置了奇异单元。通过计算得到裂尖的位移场，由位移外插得到I-型应力强度因子随加载时间的变化规律。同时探讨了初始裂缝长度和公路结构材料阻尼比的变化对I-型应力强度因子分布规律的影响，为路面体的动态破坏研究提供了一定的理论参考。     

交通荷载作用下粘性土破坏时的动剪强度试验

本文选取某原状软土,根据一系列动三轴试验结果,分析了土体的轴向应变以及孔隙水压力随时间的变化规律,提出适合于交通荷载作用下粘性土破坏时的动剪强度判别标准,得出不同标准下粘性土的动剪强度变化规律。     

冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载

基于现场原型结构测量,研究了冰与柔性直立结构作用产生挤压破坏过程形成的交变冰力.结果发现:随着冰速的增加,可以出现三种不同冰力形式并分别引起结构准静态振动、稳态振动和随机振动响应.进一步对形成不同冰力模式的机理进行了分析,提出了随着冰速变化,冰与结构相对速率变化导致结构近场冰可以出现塑性破坏、裂纹损伤破坏与纯脆性破坏三种破坏模式,并解释形成交变荷载过程.     

往复荷载作用下的改进动接触力方法

该文基于与中心差分显式时间积分法相结合的动接触力方法,引入主、从节点的相对速度作为判断接触状态转变的标准,提出了一种能够适用于求解往复荷载作用的改进动接触力方法。改进方法能够准确地模拟分离、静接触、滑动接触以及反向滑动四种不同接触状态间的转变,为地震等往复荷载作用下结构动力分析提供了有力工具。数值算例验证了该文方法的正确性。     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

随机荷载作用下结构主动控制的作动器优化配置

针对实际工程结构在持续的环境干扰下的控制问题,提出一种同时选择其作动器数目、位置和控制增益的次优化配置方法。该方法通过不断地从作动器的可选位置中删除对二次型性能泛函最优值贡献最小的可选位置,并同时调节性能泛函中的控制参数,使结构的响应和控制力同时达到其最大值为止。该方法简单易行,计算效率高,避免了复杂的梯度和成本函数计算,适合于实际工程应用。通过对一个多层剪切型框架进行仿真计算,验证了该方法的有效性。     

高分子材料的极限断裂强度和破坏性能的研究——Ⅱ.蠕变持久强度的动力学模型理论

本文对当前蠕变持久强度的表征进行了系统总结,指出了它是高分子材料的可形变性、分子链应力集中情况和应力集中链断链滑移动力学三者统一的体现。基于这种破坏概念,推导出一种能表征半晶态、玻璃态和弹性体等聚合物的蠕变持久强度动力学模型理论和一般化断裂状态方程。当该方程引入一、二级近似条件后,该式就分别还原为准脆性状态下粘弹性蠕变断裂方程,受迫高弹性状态下蠕变断裂方程和高弹性状态下蠕变断裂方程。     

高强度结构钢材单调荷载作用下的本构模型研究

钢材在单调荷载作用下的本构模型是进行结构分析的基础。为了更为准确地计算高强钢结构响应和分析构件的受力性能,为工程设计人员应用高强钢提供参考,该文在总结已有试验研究、开展大量拉伸试验的基础上,更新了高强钢多折线本构模型的参数,以Ramberg-Osgood模型为基础标定了适用于高强钢的非线性本构模型。通过和试验数据的对比,证明非线性本构模型能够很好地模拟高强钢在单调荷载作用下的应力-应变关系。为了兼顾准确性和效率,该文还提出了修正的多折线本构模型,在反映高强钢非线性的材料性能的同时本构模型也相对简单。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。     

近距爆炸作用下叠层复合夹芯板局部层裂破坏的理论研究

运用一维波动理论研究复合夹芯板中波的传播与局部层裂破坏,考虑应力波在夹芯板各层之间的反射和透射,得到了各层介质中压力时程的理论计算公式,建立了一维平面波荷载在夹芯板中传播的理论计算方法。基于动量定律和第一强度理论,得到了夹芯板运动与破坏特征的理论计算公式。理论计算结果与试验结果的比较分析证明了理论计算方法的正确性。夹芯板对爆炸荷载防护特性的分析表明,虽然第一层钢板和夹芯层可以显著降低爆炸冲击波的峰值,但第二层钢板才是抵御爆炸冲击波的主要部位,而复合夹芯层的剥落破坏也需重点关注。     

非高斯荷载作用下结构首次失效时间分析的Monte Carlo模拟方法

利用结构反应的头四阶矩，基于Winterstein变换，模拟非高斯荷载作用下结构的反应过程，并由结构反应过程的样本函数，建立了结构首次失效时间分析的模拟方法。二次力函数激励下线性SDOF系统的首次失效时间分析，说明了该方法的使用过程，并揭示了系统阻尼对首次失效的影响。     

一种减小有限控制集模型预测控制开关状态计算时间的方法

有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)依靠被控逆变器所具有开关状态对控制目标滚动寻优计算。为减小多电平逆变器中滚动计算开关状态所需时间,该文对经典有限控制集模型预测电流控制进行改进。首先,利用控制系统的离散数学模型和参考电流求得被控逆变器在此参考电流下所应输出的参考电压值。此时,引进SVPWM中的分扇区计算概念,判断参考电压所处扇区,最后将该参考电压所处扇区内所包含的开关状态来循环寻优计算。最后Matlab/Simulink仿真平台搭建二极管钳位型五电平并网逆变器系统模型,通过仿真结果,得以验证改进算法的正确性和实用性。     

交变荷载和氯盐环境作用下钢绞线的腐蚀疲劳性能研究

为探寻交变荷载和氯盐环境对拉索中各钢绞线力学性能的影响,进而预测不同腐蚀区绞线的疲劳寿命,本研究通过盐雾腐蚀试验来模拟钢绞线在交变荷载和氯盐环境共同作用下的腐蚀情况,考虑不同应力幅对钢绞线腐蚀疲劳寿命的影响,并运用灰度处理方法,对钢绞线腐蚀程度进行量化分区,便于分析不同腐蚀区钢绞线的破坏模式.研究结果表明:拉索外侧钢绞线比拉索内侧钢绞线更容易腐蚀,其腐蚀程度与所施加应力幅相关,应力幅越大,钢绞线腐蚀程度越高,开裂韧性值越低,易发生脆性破坏.随着应力幅值降低,钢绞线开裂韧性值提高,钢绞线破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏.此外,通过疲劳试验,基于三参数法,提出不同腐蚀程度的钢绞线的疲劳寿命预测模型,为进一步探究拉索疲劳腐蚀机理提供参考.     

动荷载-水-冻融共同作用下混凝土宏观裂缝扩展与演变的研究进展

混凝土是土木工程建设的重要材料.由于设计、施工、服役环境及其材料自身等原因,混凝土在投入使用时就存在部分非结构裂缝.工程实践发现,在长期动荷载作用下,混凝土裂缝会在长度、宽度和深度方向出现扩展和演变,而动荷载和环境共同作用将会加快裂缝的扩展,加速混凝土材料的劣化,导致混凝土力学和耐久性能降低,严重影响其结构安全.动荷载的长期作用将导致混凝土裂缝尖端附近的应力场和位移场出现复杂的变化,从而引起应力集中和应变能释放,当裂缝尖端应力强度因子大于材料断裂韧度时,裂缝将发生失稳扩展.动荷载对裂缝中的水产生动水压,动水压作用下水对裂缝内壁产生反复冲刷和溶蚀,导致裂缝内壁的集料和水化产物流失,从而加速了裂缝的扩展.低温冻融过程中,水在裂缝内壁反复结冰溶解,在裂缝内产生了冻胀应力,而动荷载作用使裂缝发生的体积变化增大了冻胀应力,同时冻融对裂缝内壁的集料和水化产物产生了剥蚀作用,加速了混凝土裂缝的扩展.动载-水-冻融共同作用对混凝土宏观裂缝的扩展演化更加复杂,目前尚无系统研究.本文归纳了目前对混凝土宏观裂缝在动载-水-冻融共同作用下扩展演变研究的最新进展,梳理了动荷载作用下水和冻融对裂缝扩展演化的加速机制、裂缝扩展与演化的计算方法和有效预测模型,并提出了该研究方向需要进一步解决的问题,以期为进一步掌握混凝土结构的长期服役性能、完善混凝土结构损伤理论及养护维修技术奠定基础.     

高分子材料的极限断裂强度和破坏性能的研究——Ⅳ.等速拉伸下屈服强度动力学模型理论

本文从高聚物结构多重性和形变不均一性出发,结合应力集中区的形变具有受迫高弹性和高弹性的动力学本质及分子运动松弛特征,将等速拉伸下的应力-应变关系式与应力集中链及断链动力学方程联系起来,推导出等速拉伸屈服状态方程,并讨论了屈服破坏机理。     

一种韧性断裂模型的理论研究和实验验证

为研究高强钢板成形过程中的损伤破裂机理,更准确地预测高强钢的断裂失效行为,基于细观损伤力学的空穴理论,并在屈服函数就是塑性势函数的通用性假设基础上推导了各向同性的韧性断裂模型;同时引入Lode参数以反映不同应变状态下空穴形核、长大以及聚合的差异,提出了一种包含应力三轴度和Lode参数的新模型.在Hill正交各向异性屈服假设下,描述了平面应力状态下应力比值、r值与应力三轴度、等效塑性应变的关系.最后,针对DP590进行了参数确定和实验验证.结果表明:应力三轴度在高强钢韧性断裂中仍然起主导因素,在低应力三轴下,材料主要是剪切型破坏,空穴的长大及聚合方式主要受剪应力影响,高应力三轴下,空穴损伤主要受拉应力影响,断裂是韧窝形的;Lode参数决定了应力组成形式,也间接地反映了应变状态,它与应力三轴度共同决定了空穴损伤的发展.新的模型能较准确地预测DP590的成形极限.     

一种球面网壳动力失效的联合预测方法

以地震作用下精细化有限元分析的单层球面网壳的动力失稳破坏模式为基础、结合细胞自动机(CA)方法,发展了一套单层网壳动力失稳破坏模式和失效荷载的联合预测方法。首先,对基础单层球面网壳进行了简谐荷载作用下全荷载域动力时程有限元分析(FEA),并时时提取各级动荷载幅值下所有节点的位移值及单元的应变能密度。之后,用建立的联合方法预测了其它同类网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载,并与相应FEA计算结果进行了分析比较。结果表明,所提出的联合方法,在一定程度上能基于一个单层球面网壳的动力失稳破坏模式和失效荷载预测其它不同跨度、不同矢跨比、不同杆件截面尺寸的单层球面网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载。因此,结合FEA数值模拟,实现了CA方法在单层球面网壳动力失稳破坏模式和失效荷载预测中的应用。     

一种基于混合硬化本构模型的汽轮机轮盘榫槽疲劳寿命预测方法

针对汽轮机转子轮盘的受力特点,以非对称载荷下材料的瞬态应力应变响应为基础,在内变量理论框架下,建立起某型汽轮机轮盘材料的率无关循环塑性本构模型;并结合局部应力应变法,进一步建立了基于混合硬化本构模型(N-5L1)描述平均应力松弛行为的汽轮机轮盘榫槽疲劳寿命预测方法。通过与实验结果相比较,表明混合硬化本构模型能够较好地模拟脉动加载下转子轮盘材料的循环应力应变响应及平均应力松弛行为,由此建立的寿命预测方法可对轮盘榫槽进行较为准确的疲劳寿命预测(与试验寿命误差总体落在1.5倍分散带以内),明显优于基于平均应力松弛经验公式的疲劳寿命预测值。