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工程力学
 
2017年 34卷 11期
刊出日期: 2017-11-25

基本方法
土木工程学科
机械工程学科
其他工程学科
   
基本方法
1 顾永超, 陈伟球, 刘伟, 杨庆大
弹塑性杆非线性断裂问题的新型增强有限元法
针对一维弹塑性材料杆件的非线性断裂,该文提出了一种新型弹塑性增强有限元。该单元采用von Mises屈服准则和线性等向硬化模型描述开裂前的材料弹塑性变形,而结合利用内聚力关系来描述随后的裂纹萌生和非线性断裂过程。引入内部节点来描述单元内由于裂纹引起的位移不连续,通过单元凝聚获得含裂纹单元的刚度矩阵,并对数值稳定性问题进行了分析。通过与基于材料力学方法推导得到的解析解的对比验证了该新型弹塑性增强有限单元法在列式上的正确性和在数值上的高效性与精确性。
2017 Vol. 34 (11): 1-8 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 298KB] ( 59 )
9 宋佳, 许成顺, 杜修力, 李亮
基于精细时程积分的u-p格式饱和两相介质动力问题的显-显式时域算法
时域算法的计算效率是求解实际非线性或大量自由度等工程问题最重要的影响因素,而显式算法是提高计算效率最有效的手段。针对u-p格式饱和两相介质动力方程,实现显-显式算法的必要前提是质量矩阵M和流体压缩矩阵S的对角化处理,且整体算法的计算精度和稳定性同样需要权衡。基于对角化的MS矩阵,将高精度和稳定性的精细时程积分法应用于求解液相方程,并结合求解固、液两相动力方程的中心差分法,提出了一种新的显-显式的高效时域算法。理论分析和数值试验结果均说明提出方法具有良好的稳定性和较高的计算精度。
2017 Vol. 34 (11): 9-17 [摘要] ( 65 ) [HTML 1KB] [PDF 715KB] ( 39 )
18 李伟, 郑宏, 郭宏伟
基于MLS-NMM的摩擦接触问题研究
摩擦接触问题的求解是将基于移动最小二乘插值的数值流形法(MLS-NMM)应用到裂纹扩展的必经之路。该文通过结合罚-线性互补方式的施加接触边界条件,并使用拉格朗日乘子法施加本质边界条件,得出一套基于MLS_NMM的摩擦接触问题的求解体系。该方法无需节点与边界重合,则可域外布点和均匀布点,来提高插值精度和降低布点难度,尤其是接触边界处。采用罚-线性互补的方式施加接触条件,使计算格式统一而简洁,利于编程实现。通过算例表明,该方法能准确地模拟接触面的张开、黏结和滑动状态,证明该方法对求解接触摩擦问题是可行的、有效的。
2017 Vol. 34 (11): 18-25 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 534KB] ( 54 )
26 叶康生, 姚葛亮
平面曲梁有限元静力分析的p型超收敛算法
该文对平面曲梁有限元静力分析提出一种p型超收敛算法,由该法可求得曲梁结构全域超收敛的位移和内力。该法基于有限元解答中结点位移的超收敛特性,通过将单元端部结点位移有限元解设为本质边界条件,在单元上建立单元位移近似满足的线性常微分方程边值问题,对该边值问题采用更高次数的多项式进行有限元求解获得单元上位移的超收敛解,将位移超收敛解代入内力表达式获得内力的超收敛解。该法简单、直接,通过很少量的计算即能显著提高位移和内力的精度和收敛阶。数值结果显示,该法高效、可靠,是一个颇具潜力的方法。
2017 Vol. 34 (11): 26-33,58 [摘要] ( 49 ) [HTML 1KB] [PDF 1076KB] ( 44 )
34 施红勃, 胡宇达
磁场中旋转圆环板的气磁弹性动力稳定性
研究磁场作用下导电旋转圆形环板受气动载荷的磁弹性行波动力学特性问题。应用哈密顿原理推导出磁场作用下旋转运动圆板的磁弹性振动控制方程,给出电磁力和气动载荷的表达式。根据边界条件设定行波特性振型函数,应用伽辽金积分推得行波动力学特征方程。通过算例,得到磁场中旋转运动圆环板在不同空气动力载荷作用下的前、后行波振动频率变化曲线和不同阶模态下的临界转速值,分析了气磁弹性条件对不同阶模态振动频率和阻尼的影响,分别讨论了基于振动频率和阻尼的临界转速变化规律及动力失稳特性。结果表明,磁场、空气动力载荷、转速等参数对旋转圆板的行波振动有显著影响。
2017 Vol. 34 (11): 34-40 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 862KB] ( 46 )
土木工程学科
41 张爱林, 叶全喜, 郭志鹏, 孙超
装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑力学性能试验研究
提出了一种装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑(FZFRB),该支撑具有简单的构造形式,既能在震后为结构提供回复力,又能避免索体预应力损失。设计了两个试件,并对其力学性能进行了数值模拟和拟静力试验研究。结果表明:该支撑采用的两组初始索力为零的镀锌钢丝绳索体交替受力、传力杆带动黄铜-槽孔钢摩擦板耗能器耗能的构造形式切实可行;该支撑在受力过程中无刚度退化现象,滞回曲线饱满,耗能规律稳定;数值模拟与试验得到的滞回曲线吻合较好;当支撑复位停止后,放松黄铜-槽孔钢摩擦板耗能器中高强应变螺栓,使支撑继续复位至位移零点时的残余荷载仅为-0.12 kN,说明支撑具有很好的复位功能。
2017 Vol. 34 (11): 41-49 [摘要] ( 57 ) [HTML 1KB] [PDF 4234KB] ( 52 )
50 贺俊筱, 王娟, 杨庆山
摇摆状态下古建筑木结构木柱受力性能分析及试验研究
在古建筑木结构中,木柱常常直接浮搁于础石上。在地震、风等反复荷载作用下,木柱会出现“摇摆”现象。木柱作为整体结构的主要承重部分,其在摇摆状态下受力性能对整体结构的稳定性和整体性有着重要的影响。为研究木柱在摇摆状态下的受力性能,该文首先提出摇摆运动机理,通过理论分析得到柱脚抬升判定条件;其次,参考《营造法式》制作了七等材木柱模型,通过低周反复荷载试验验证了柱脚抬升判定条件的正确性,研究了木柱的变形特征、柱头荷载位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧能力、刚度退化规律等特性。试验结果表明:在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象,柱脚与础石接触部位存在木材受压变形。当柱头位移达到10 mm时,柱脚出现一侧抬升一侧受压现象。加载过程中,柱脚未滑移;木柱荷载位移滞回曲线呈S形,具有一定的捏拢效应;木柱初始抗侧刚度最大,其抗侧能力随柱头位移增大而逐渐减弱;在柱头位移达到60 mm之前,刚度退化较明显,随后刚度退化现象减弱。
2017 Vol. 34 (11): 50-58 [摘要] ( 80 ) [HTML 1KB] [PDF 2659KB] ( 55 )
59 王海深, 潘鹏, 聂鑫, 刘航
三套管自复位屈曲约束支撑滞回性能研究
在结构中合理安装自复位屈曲约束支撑可以有效地减少结构损伤和结构残余变形。该文提出了一种新型三套管自复位屈曲约束支撑,对其滞回性能进行实验研究。通过拟静力试验考察了初始预应力,芯材管有效横截面积对支撑耗能能力以及控制残余变形效果的影响。采用有限元方法对支撑的滞回性能进行了参数分析,并通过理论推导给出了支撑的刚度和承载力计算公式。研究结果表明合理设计的三套管自复位屈曲约束支撑具有良好的耗能能力和自复位性能,有限元分析结果与试验结果吻合较好,理论推导得到的刚度和承载力计算公式能准确给出支撑滞回曲线上的特征点。
2017 Vol. 34 (11): 59-65 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1617KB] ( 70 )
66 展艳艳, 赵林, 梁誉文, 操金鑫, 葛耀君
大型冷却塔群塔组合(六塔双列)风致干扰准则综合评价
为量化风荷载条件冷却塔群塔干扰效应,形成了众多干扰效应定义准则,派生出数值结果差异性较大的荷载比例放大因子——群塔比例系数,认识和评判准则存在明显的差异。为了系统地研究冷却塔复杂群塔条件荷载干扰效应,本项研究以某超大型冷却塔为例,基于风洞试验、结构有限元分析和结构设计配筋方案,系统分析了六塔典型布置条件的群塔干扰效应,详细比较了不同塔矩条件矩阵、菱形布置方案的基于荷载、受力和设计配筋3个比较准则层面的群塔干扰效应。试验和分析过程涉及15个冷却塔表面同步测压试验工况(计240个来流角度)、20组三维荷载组合条件静动力分析和配筋计算,共计比较了25种群塔比例系数定义准则和数值结果。研究表明:群塔系数波动性在荷载层面最大,内力层面居中,配筋层面最小,不同准则条件群塔干扰系数的离散度最大可以达到49%;最不利风向角和群塔干扰效应大小均与群塔布置形式明显相关,受扰塔在矩形塔位组合的迎风向位置和菱形塔位组合的背风向位置更加不利,六塔组合条件冷却塔承受气动力荷载在菱形布置相比矩形布置更加不利。
2017 Vol. 34 (11): 66-76 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 1542KB] ( 38 )
77 郑山锁, 石磊, 张晓辉, 郑捷, 王晓飞, 左英
酸性大气环境下锈蚀钢框架结构振动台试验研究
为研究酸性大气环境下锈蚀钢框架结构的整体抗震性能,设计了2个不同锈蚀程度(S1、S2)的5层空间钢框架结构。利用气雾腐蚀箱对酸性大气环境进行人工模拟并对S2进行加速腐蚀(S1未锈蚀作为对比)。分别对2个结构进行振动台试验,测定了不同锈蚀程度钢框架结构的动力特性及加速度、位移、应变反应和破坏特征,研究了钢框架结构的地震响应随钢材锈蚀程度增大的变化规律。试验结果表明:锈蚀对整体结构的影响主要表现为:结构自振频率下降7.46%~9.76%,阻尼比、位移、应变增大,加速度反应、剪力响应明显降低;S1与S2的破坏形式基本相同,均为钢框架梁端部发生局部屈曲破坏,S2塑性变形程度较S1增大;8度多遇时,S1、S2地震响应相差不显著,随地震强度的增大,两者地震响应差异越明显;研究成果可为进行锈蚀钢框架的安全性评估提供试验支持。
2017 Vol. 34 (11): 77-88,108 [摘要] ( 41 ) [HTML 1KB] [PDF 3177KB] ( 42 )
89 李小刚, 童根树
考虑抗滑移刚度的钢管混凝土柱的荷载传递
提出了钢管混凝土抗滑移刚度的概念,给出了均布荷载和集中荷载作用下钢管混凝土柱的轴力、界面剪应力、界面相对滑移等的解析解,发现在考虑滑移的情况下,钢管混凝土柱的轴压刚度保持不变。对国内进行的39个方钢管混凝土、29个圆钢管混凝土试件的粘结滑移试验进行分析,根据试验数据汇总得出钢管混凝土界面抗滑移刚度的数值。利用ANSYS软件建立钢管混凝土柱模型,分析了顶板厚度对混凝土应力分布和柱轴压刚度的影响,分析结果表明,顶板在增强钢管和核心混凝土共同工作上有着重要作用。
2017 Vol. 34 (11): 89-101 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 614KB] ( 39 )
102 李正农, 李兵, 程杰, 康建彬
相邻柜体干扰对煤气柜风致基底剪力的影响
通过风洞测力试验,研究了在不同风向角不同净距情况下相邻柜体干扰对煤气柜风致基底剪力的影响。结果表明:顺风向平均基底剪力干扰效应根据风向角可分成遮挡效应、狭缝效应和尾流效应三种情况,其中遮挡效应和狭缝效应均随净距减小而逐渐显著,而尾流效应在净距较小时表现不明显,只有在一定净距内才表现显著;顺风向脉动基底剪力根方差干扰效应在狭缝效应所对应的风向角且净距较小时表现较为显著;横风向脉动基底剪力根方差干扰效应与相邻柜体的位置有关,相邻柜体位于上游的干扰效应普遍大于相邻柜体位于下游的干扰效应,而相邻柜体位于下游时只有在净距很小时干扰效应才表现显著。
2017 Vol. 34 (11): 102-108 [摘要] ( 59 ) [HTML 1KB] [PDF 5055KB] ( 35 )
109 颜学渊, 祁皑, 毛会敏, 张超, 徐小勇
近场地震作用下巨-子隔震结构振动台试验
基于子框架隔震的巨-子结构可以解决高层隔震结构受限于高宽比限值的问题,现有研究主要集中在理论、数值分析及远场地震作用。该文设计制作了一个具有三个巨型结构层的巨-子结构实验模型,将铅芯隔震支座设置在子框架底部,对巨-子结构进行了近、远场地震作用下无控和有控的振动台对比试验。试验结果表明:在子框架与主框架的连接部位设置隔震层,对主框架的地震反应具有明显的调谐减震作用,对子框架的地震反应也具有显著的隔震作用;近场地震作用下主框架和子框架的地震反应都要大于相同场地的远场地震动。超设防烈度近场地震作用下,隔震子框架与主框架发生碰撞,对结构的舒适性和安全性产生不利影响。
2017 Vol. 34 (11): 109-115,144 [摘要] ( 70 ) [HTML 1KB] [PDF 563KB] ( 37 )
116 曹胜涛, 李志山
约束混凝土单轴弹塑性损伤本构模型
该文通过采用混凝土三维弹塑性损伤模型和弧长法分析了钢筋混凝土单轴压缩过程中箍筋对混凝土的约束作用,得到了约束混凝土单轴抗压强度和延性增大系数。基于连续介质损伤力学的基本框架,引入约束混凝土强度和延性增大系数,建立了混凝土单轴弹塑性损伤本构模型。验证表明:该文模型符合热动力基本方程,可较好地反映约束混凝土强度和延性增大、强度软化、刚度退化、塑性变形、裂面效应、等力学特性;模型参数与中国现行《混凝土结构设计规范》推荐的模型完全相同,易于工程应用。将该文模型与纤维束形式的Timoshenko梁单元相结合,在自主研发的结构非线性分析软件SAUSAGE中完成开发实现。利用SAUSAGE完成了某钢筋混凝土框架结构的大震动力非线性分析,结果表明:箍筋约束作用可以有效抑制梁、柱构件的非线性发展,影响了结构最大层间位移角和最大层间剪力等宏观指标。
2017 Vol. 34 (11): 116-125 [摘要] ( 50 ) [HTML 1KB] [PDF 835KB] ( 56 )
126 杨慧, 何浩祥, 张向东, 闫维明
面向RC结构损伤演变的位移相关型阻尼模型及参数识别
针对目前阻尼模型不能充分反映钢筋混凝土结构阻尼与损伤之间关系的不足,提出位移相关型非线性阻尼模型,该模型既能反映结构振动过程中的粘滞阻尼耗能又能反映与结构损伤相关的内摩擦耗能。将内摩擦阻尼分解为残余应力效应和粘结滑移效应。基于能量守恒原理提出模型中阻尼参数的识别方法,并进行数值验证。对一钢筋混凝土简支梁进行损伤加载和动力测试,基于位移相关型非线性阻尼模型和相关动力学模型识别各损伤状态下的阻尼参数,分析其变化规律及非线性阻尼与损伤之间的内在联系。结果表明位移相关型阻尼模型不仅能反映阻尼比随位移峰值的增大而增大的现象,还能反映阻尼比随损伤程度的演变规律。
2017 Vol. 34 (11): 126-134 [摘要] ( 55 ) [HTML 1KB] [PDF 2139KB] ( 19 )
135 王磊, 秦本东, 梁枢果, 邹良浩
超高层建筑横风向气动刚度研究
为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明:在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。
2017 Vol. 34 (11): 135-144 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 1622KB] ( 47 )
145 王勇, 史伟男, 王腾焱, 袁广林, 吕俊利
单向面内约束混凝土双向板火灾试验及承载力分析
为研究混凝土板在面内约束作用下的火灾行为,对1块面内约束混凝土双向板进行了恒载-升温条件下的火灾试验,获得了试验板沿板厚的温度场分布、钢筋温度、板挠度和平面外变形以及板角约束力等规律。基于EC2和ASCE两本构模型,采用五种理论对四块不同面内约束作用下试验板的极限承载力进行对比分析。结果表明:单向面内约束作用时,试验板板顶出现沿约束力方向的平行裂缝;与挠度相比,板在垂直约束力方向的平面内膨胀变形较大且不可忽略;面内约束作用和破坏准则对火灾下混凝土双向板极限承载力有重要影响。
2017 Vol. 34 (11): 145-157 [摘要] ( 13 ) [HTML 1KB] [PDF 3181KB] ( 20 )
158 马会环, 余凌伟, 王伟, 范峰
铝合金半刚性椭圆抛物面网壳静力稳定性分析
针对目前铝合金单层网壳结构中节点形式过于单一的局面,该文首先研发出了一种新型铝合金半刚性节点——柱板式节点。获得了柱板式节点绕强轴、弱轴和扭转三个方向的弯矩-转角曲线,并将其引入到网壳杆件单元模型中,建立了半刚性节点工字型杆件椭圆抛物面网壳的数值分析模型。在此基础上,考虑节点强轴刚度、节点弱轴刚度、节点扭转刚度及跨度和矢跨比等参数影响,对半刚性节点高强铝合金椭圆抛物面单层网壳进行了弹塑性全过程分析,得到了各参数对网壳极限承载力的影响规律,并详细地考察了网壳失稳时的变形形态。研究发现:网壳失稳时,网壳中的柱板式节点均处于弹性状态,说明柱板式节点有较好的刚度,网壳的失稳为伴随杆件扭转屈曲的局部失稳。
2017 Vol. 34 (11): 158-166 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 1518KB] ( 21 )
167 李元勋, 朱彦鹏, 王邓峮
预应力作用下深基坑桩锚支护结构整体稳定性分析研究
深基坑桩锚支护结构中诸多研究是基于预应力锚杆或基坑稳定性的,对锚杆预应力与基坑稳定性之间的相互影响、相互作用的系统研究并不多见。以此出发,分析桩锚支护结构受力性能,引入附加应力法,将施加于锚杆上的预应力等效为土体中的附加应力,建立考虑预应力作用的深基坑桩锚支护结构整体稳定性计算模型,推导计算公式。并应用于工程实例,与不同方法相对比,结果表明:该文方法能较好地反映出预应力的变化对基坑整体稳定性安全系数的影响,可实时掌握不同施工阶段中基坑安全性的动态变化情况,同时也说明该方法是合理的、可行的。
2017 Vol. 34 (11): 167-174,239 [摘要] ( 67 ) [HTML 1KB] [PDF 493KB] ( 42 )
175 白亮, 谢鹏飞, 周天华, 张轶
钢管约束高强混凝土剪力墙压弯承载力及截面变形能力设计方法研究
通过剪跨比为2.1的钢管约束高强混凝土剪力墙试件低周反复加载试验,研究其在压弯荷载作用下的破坏形态、机理及耗能能力。试验表明,通过在高强混凝土剪力墙约束边缘构件内设置钢管,可提高其延性。在试验研究基础上,对钢管约束高强混凝土剪力墙压弯承载力及变形能力进行分析。考虑内置钢管约束影响,建立钢管约束高强混凝土剪力墙压弯承载力计算公式。根据截面平衡条件和变形条件,计算钢管约束高强混凝土剪力墙位移延性系数,得到钢管套箍率、轴压比及墙体高宽比与位移延性系数之间关系。研究表明,增加钢管套箍率及控制墙体轴压比,可以提高钢管约束高强混凝土剪力墙延性;提出满足不同变形能力要求,对应各种轴压比情况下,钢管约束高强混凝土剪力墙钢管套箍率建议设计值。
2017 Vol. 34 (11): 175-183 [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 611KB] ( 57 )
184 鞠彦忠, 崔建华, 王德弘, 安明喆, 王英
基于简化拉-压杆模型的钢筋活性粉末混凝土框架边节点受剪承载力研究
对5个中间层钢筋活性粉末混凝土框架边节点试件进行了拟静力加载试验,得到了此类节点的破坏过程和破坏特点,明确了各阶段剪力的传递和分配。在试验研究的基础上,采用简化拉-压杆模型并考虑纤维抗拉拔阻力的有利作用,建立了钢筋活性粉末混凝土框架边节点在复合作用下的受剪承载力计算模型,并通过试验验证了此模型的可行性。结果表明:按照此模型计算得到的节点核心区受剪承载力与试验实测值吻合较好,离散度较小,其值与试验实测值的平均比值为1.05,变异系数为0.11;而且此模型亦能较合理地反映轴压比、配箍率及纵筋强度对节点受剪承载力的影响。
2017 Vol. 34 (11): 184-193 [摘要] ( 104 ) [HTML 1KB] [PDF 2352KB] ( 49 )
194 孙倩, 颜王吉, 任伟新
基于响应传递比的桥梁结构工作模态参数识别
响应传递比在系统极点处与输入无关,并且等于振型比。基于这一独特性质,可以融合多个激励工况下的测试值构建传递比矩阵,并通过奇异值分解技术快速判断出系统的极点,进而根据传递比向量直接估算出振型向量。为了研究该方法在土木工程结构的工作模态参数识别中的应用,首先通过数值算例验证了响应传递比方法可以有效剔除谐波输入引起的虚假模态。此外,通过一环境激励下实桥的振动试验对该方法进行验证,并与有限元方法和随机子空间法结果进行了对比。结果表明,响应传递比方法能够有效地运用于环境激励下桥梁结构的模态参数识别。
2017 Vol. 34 (11): 194-201 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 1031KB] ( 34 )
202 梅润雨, 李建波, 林皋
具有隔震构造的安全壳飞机撞击耦合动力响应模拟分析
建筑物隔震构造主要用于削弱地基中地震荷载对上部结构的影响,而来自上部的飞机撞击对于安全壳隔震体系的影响如何是保证核电安全值得探讨的重要问题。为评价核电站安全壳隔震体系与飞机撞击的耦合动力效应,该文提供了一种细致的模拟耦合动力分析的手段,建立了安全壳细致的动力数值模型,针对不同刚度的隔震支座及无隔震条件,进行多种类型飞机撞击作用下安全壳的动力响应分析。结果显示,飞机撞击作用期间,不同刚度的隔震支座与无隔震条件相比,撞击位置中心节点位移与冲击力的大小具有相关性,因而存在差异,而对于安全壳混凝土结构损伤区域分布则差异不大;但在撞击荷载作用后,不同刚度的隔震支座则会对安全壳振动衰减过程有较大影响。研究表明在隔震体系设计阶段,不能片面的考虑隔震体系在削弱地震响应方面的需求,需要与飞机撞击振动衰减过程耦合分析,从而确定适宜的隔震支座水平刚度等参数。
2017 Vol. 34 (11): 202-209 [摘要] ( 94 ) [HTML 1KB] [PDF 3850KB] ( 63 )
210 朱太勇, 周广东, 张欢, 吴二军, 陈鑫
钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估全空间S-N曲线研究
全空间S-N曲线是利用时序准则进行钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的基础。首先基于钢桥设计规范给出的有限疲劳寿命区S-N曲线,从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的一般全空间S-N曲线模型。进一步针对小型汽车和日常风等荷载引起的低水平应力幅以及地震和强风等荷载引起的高水平应力幅,引入高周疲劳损伤累积因子和低周疲劳强度调整因子分别对低水平应力幅和高水平应力幅造成的疲劳损伤进行计算,提出一种适用于钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的全空间S-N曲线模型。在此基础上对模型参数的几何意义进行了解释。最后采用正交异性桥面板顶板-U肋疲劳试验数据对模型参数进行了估计,得到了具有最佳拟合度的全空间S-N曲线和具有99%保证率的疲劳评估全空间S-N曲线。研究结果表明,该文提出的全空间S-N曲线模型能准确描述钢箱梁正交异性桥面板在各种应力幅下的疲劳损伤累积特性。研究结果可为钢箱梁正交异性桥面板的疲劳评估奠定基础。
2017 Vol. 34 (11): 210-217 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 310KB] ( 31 )
机械工程学科
218 李戎, 梁斌, NODA Nao-Aki
基于临界应力强度因子的胶接对接接头抗拉强度简便预测方法
为了能够对胶接对接接头进行抗拉强度预测,该文以有限元分析方法为基础,通过利用参考问题的无量纲应力强度因子、接头模型与参考问题模型之间应力值的比值以及接头抗拉强度的试验数值,得到了胶接对接接头的临界应力强度因子数值,从而提出了一个基于临界应力强度因子的胶接对接接头抗拉强度的简便预测新方法。该方法能够在保证精确度的基础上快速计算出胶接对接接头的应力强度因子,通过使用任意某一胶层厚度时的抗拉强度试验数值预测出其他胶层厚度时对接接头的抗拉强度数值。通过三种胶接对接接头的算例对比分析,证明了该方法的预测结果与实际结果非常接近,预测精度良好,便于工程应用。
2017 Vol. 34 (11): 218-224 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 317KB] ( 24 )
225 王池权, 熊峻江
3.5%NaCl腐蚀环境下2种航空铝合金材料疲劳性能试验研究
腐蚀环境下的疲劳性能是航空金属结构疲劳寿命设计的重要前提,为此,试验测定了2种航空铝合金材料(2E12-T3、7050-T7451)的光滑试样和缺口试样在干燥大气和3.5%NaCl腐蚀环境下的疲劳性能,在试验数据的基础上进行性能对比,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了3.5%NaCl腐蚀环境与载荷联合作用对腐蚀疲劳性能的影响机理,研究结果表明:3.5%NaCl腐蚀环境对2种铝合金材料的疲劳性能均产生不利影响,且腐蚀与疲劳载荷的交互作用随着应力水平的降低而增强,疲劳性能下降更明显;与光滑试样相比,腐蚀环境对铝合金2E12-T3缺口试样疲劳性能的影响更大,但对铝合金7050-T7451缺口试样疲劳性能的影响却变小;在腐蚀环境下,裂纹尖端易发生电化学反应产生腐蚀产物和[H]离子,腐蚀产物的存在会阻碍裂纹闭合,同时,[H]离子导致裂纹尖端的氢脆效应,加快裂纹扩展,使疲劳性能降低。
2017 Vol. 34 (11): 225-230 [摘要] ( 60 ) [HTML 1KB] [PDF 12070KB] ( 34 )
231 黄凯, 尹函彬, 孙庆平
红外热像技术测量I型裂纹应力强度因子的研究
目前工程中出现的裂纹形态主要是I型,大多数工程构件中裂纹的应力强度因子难以直接接触测量,建模计算也因受力条件复杂而耗时和困难。红外热像技术以非接触式测量方法为研究材料和结构的断裂问题提供新的实验手段。通过研究在不同频率循环拉伸条件下304不锈钢试件的热-力响应,得到材料体积应变与温度变化的定量关系,进而对紧凑拉伸试件进行循环加载,同步测量裂纹尖端的温度场,获得I型材料裂尖附近应力强度因子。实验结果表明:在近绝热条件下,材料热弹性区的温度变化与体积应变成定量线性关系;不同荷载条件下实测裂纹尖端附近应力强度因子与理论值对比,误差均在2%以内,说明利用红外热像实验方法测量工程实际中循环荷载情况下的应力强度因子是可行并且可靠的。
2017 Vol. 34 (11): 231-239 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 2304KB] ( 39 )
其他工程学科
240 陈长海, 侯海量, 张元豪, 朱锡, 李典
钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的机理研究
为探讨高速钝头弹斜侵彻中厚背水金属靶板的机理,根据不同的受力状态及耗能机制,结合中厚背水靶板抗高速斜侵彻特点,通过厚度等效,将斜侵彻转化为相应的正侵彻。然后,将整个侵彻过程分为压缩镦粗、剪切压缩和剪切扰动三个阶段。基于三阶段侵彻机制,建立了钝头弹高速斜穿甲中厚背水金属靶板后的瞬时余速计算模型,并讨论了该计算模型的局限性。采用该模型计算了3.3 g立方体弹丸斜穿甲5 mm背水钢板后的瞬时余速,理论计算值与试验结果及相应的仿真计算值均吻合较好。由于该模型考虑了靶后水介质的动支撑作用及动能耗散等效应,在一定的适用范围内,能对钝头弹高速斜侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速进行合理地预测,具有一定的理论价值和工程应用价值。
2017 Vol. 34 (11): 240-248 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 657KB] ( 20 )
249 白涛, 蒋运华, 韩云涛
基于水洞实验的超空泡形态的动态估计研究
针对超空泡航行体运动控制中的超空泡形态的估计问题。该文以超空泡航行体模型的水洞实验数据为依据,获得了空化器在运动过程中的超空泡的内、外压力和形态数据,然后使用强跟踪滤波算法对这些数据进行处理,得到了超空泡形态的动态估计算法。结果表明,得到的超空泡形态的估计值与测量值之间的误差满足超空泡航行体的稳定控制的要求,证明了该文得到的超空泡形态估计算法的正确性。
2017 Vol. 34 (11): 249-256 [摘要] ( 57 ) [HTML 1KB] [PDF 1172KB] ( 36 )
工程力学
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