竹质框架模型受侧向冲击测试及分析

针对第六届全国大学生结构设计竞赛命题要求设计一个四层缩尺竹质吊脚楼框架,测试其在侧向冲击载荷作用下的加速度响应.采用有限元软件LS-DYNA,对模型进行模拟分析.结果表明,有限元计算与加载测试所得的加速度时程曲线吻合较好.以该模型为基础进行参数分析,结果表明随拉带初始松弛量增大、撞击板质量减小,结构加速度响应增大;相较入射球质量,入射球速度对结构峰值加速度的影响更敏感,随入射球速度增大,结构峰值加速度增大.     

动载强度和锚固段长度对锚固洞室动态响应的影响研究

为了给动载下锚杆支护设计提供参考,基于模型试验,利用数值分析方法研究了动载强度和锚固段长度对锚固洞室的动态响应影响。结果表明:压应力、位移、振动速度、振动加速度时程曲线的振动规律与模型试验的结果比较相似;在相同动载作用下,随着锚固段长度的增加,自由锚加固洞室的拱顶位移峰越来越大,锚固洞室的振动速度和振动加速度峰值也随锚固段长度的增加越来越大;随着动载强度的增强,除了动载比较小外,全长加固洞室拱顶的位移峰值均比自由锚加固洞室小;正、负向拱顶振动速度峰值都增大,拱顶负向振动速度峰值增加的速率比正向振动速度峰值增加的速率快;全锚加固洞室都是负向振动加速度峰值大于正向振动加速度峰值,自由锚加固洞室拱顶振动加速度从负向小于正向到负向大于正向,负向、正向振动加速度峰值比值逐渐增大。     

椭圆形桩井护壁爆破振动安全判据

钻爆法作为桩基开挖的主要破岩手段,所产生的爆破振动引起桩井护壁结构发生动态响应,进而影响桩井结构的稳定性。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA3D,以峰值质点振动速度和有效拉应力作为指标,模拟了椭圆形桩井护壁结构对爆破振动的动态响应。计算结果表明:不同掘井深度的椭圆形桩井护壁对不同段药量爆破振动的动态响应呈相似规律,最大质点峰值振速及峰值拉应力分布一致,均位于护壁井口端的弧形壁部分,响应强度随段药量的减小而减小;护壁结构的峰值拉应力与峰值振速呈线性关系,基于抗拉强度准则,确定了该工程条件下护壁的安全振动速度阈值为8 cm/s,现场测试验证了预设判据的合理性。     

氢气泄爆作用下结构动力响应特性研究

氢能因具有环保高效等优点，被公认为21世纪最具发展前景的清洁能源，缺点是在使用过程中极易发生爆炸事故。泄爆作为爆炸防护的重要手段，可以有效提高结构在爆炸过程中的安全性和可靠性。为获得结构在氢气泄爆作用下的动力响应特性，本文从实验和数值模拟两个方面展开研究。在12 m×2.5 m×2.5 m的大尺度ISO标准容器中开展了一系列氢气泄爆实验，主要考虑氢气体积分数、点火位置、障碍物布置等参数的影响，并对结构内部超压荷载特征和动力响应演化规律进行了分析。结果表明，结构位移由首个超压峰值主导，并在该阶段与方舱内超压趋势保持一致，且两者峰值之间保持线性关系；加速度则由不稳定燃烧引起的超压高频振荡主导。在实验范围内，位移峰值受氢气体积分数影响显著，且随着氢气体积分数增大而增大。加速度峰值则还受到点火位置的影响，中心点火的情景要大于后端点火的情景。障碍物数量对结构动力响应的影响并非单调关系。此外，基于现场环境振动测试结果，建立了该结构的基准有限元模型。数值模拟及实验结果吻合良好，因此该基准有限元模型可进一步用于不同工况下氢气泄爆荷载作用下结构动力响应的预测和分析。     

民机中央翼舱段适坠性仿真

建立了带中央翼的民机舱段的有限元模型,应用MSC.Dytran分析软件对民机中央翼舱段模型进行坠撞仿真,得到加速度响应和客舱舱体结构变形结果.结果表明,带中央翼舱段发生坠撞后,乘客的生存空间基本没有变化,撞击能量主要靠舱段下部的龙骨梁、框及蒙皮和中央翼壁板的破坏来吸收,地板导轨的峰值加速度比不带中央翼的典型舱段的峰值加速度要大许多.     

多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景,采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型,其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向）地震波作为输入,运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应,比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异．算例结果表明：在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值;考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大;地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低．     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。     

基于Hopkinson杆的加速度传感器测试系统仿真与测试研究

针对加速度传感器的Hopkinson杆动态试验装置,采用有限元工具对Hopkinson杆测试系统进行了仿真研究。仿真结果说明整形垫的加入和入射子弹形状的改变提高了应力历史的上升时间和加速度历史的脉宽。动态加载的试验测试与仿真结果表明:当由平头子弹改为尖头子弹并添加铝制整形垫后,入射杆应力脉冲持续时间与对加速度传感器加载的加速度冲击均得到了大幅提升。Hopkinson杆动态测试系统的测试与仿真研究为传感器的冲击试验设计奠定了基础。     

点阵材料夹芯悬臂梁在端部承受撞击的动力响应分析

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响.对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,并对刚塑性理论解与有限元计算进行了比较,结果表明:当动载赋予结构的总输出能量与结构的最大弹性能容量之比较大时,两者给出的悬臂梁端部达到最大位移的时间及位移峰值比较接近.     

宽带随机振动峰值应力分析与试验研究

考核结构件在宽带随机激励下的强度,需要考察结构的峰值应力响应. 利用随机振动 和正弦振动之间的峰值等效原理,通过正弦振动在共振频率点的应力响应来计算随机振动的 峰值应力. 以某结构件为例,利用有限元分析软件MSC.NASTRAN,对该结构件进行了模态分 析、频响分析、随机振动加速度响应及峰值应力响应分析;同时实施了随机激励下的应力测 试试验. 比较分析与试验的峰值应力,误差在10{\%}以内,表明了该工程分析方法和技术途 径是合理的.     

竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响

利用拟动力试验对T 型钢半刚性连接钢框架在2 种地震峰值加速度下的抗震性能进行研究, 并对比分析了钢框架在柱顶施加竖向载荷和无竖向载荷等2 种工况下的应变、位移和载荷变化, 以及载荷-位移滞回曲线. 结果表明: T 型钢半刚性连接钢框架具有较好的变形能力, 滞回性能良好, 抗震能力较强, 且随着地震作用的增大, 钢框架的动力反应增大; 竖向载荷对钢框架的层间位移反应影响较大, 而对节点区域的应变和层间载荷的影响较小.     

CONTACT ELECTRIFICATION DUE TO THE OBLIQUE IMPACT OF CHEMICALLY IDENTICAL BALL AND PLATE

报道了同种材料球板斜碰带电量实验和理论研究, 发现同种材料球和板斜碰后球板会带电,带电量的极性与材料有关,带电量的大小与板的倾角有关,随着倾角的增大先增加后减小,当倾角约50°时,碰撞电量达到最大,是正碰撞电量的6~8 倍. 通过球板斜碰过程的动力学分析,发现球板碰撞后球的带电量与碰撞过程中球与板的摩擦面积成正相关.     

Dynamic Deformation Behavior of a Golf Ball during Normal Impact

The normal impact between a golf ball and a rigid steel target was studied to examine ball deformation and the contact force during the impact. Using high-speed video images, the normal and tangential compression ratios of the ball were measured to analyze the ball deformation quantitatively. In addition, the inbound and rebound ball velocities, contact time, and coefficient of restitution were determined as basic parameters of the impact. As the inbound ball velocity increased, the maximum normal compression ratio increased while the maximum tangential compression ratio, contact time and coefficient of restitution decreased. The ball center displacements during the impact were measured to determine the ball center velocity and acceleration, and the contact force was calculated by the product of the mass and acceleration. The contact force increased almost linearly with the inbound ball velocity, and its relationship agreed well quantitatively with the results from a load-cell, and also agreed well qualitatively with Hertz contact theory.     

页岩气储层暂堵转向压裂直井段暂堵球运移特性研究

考虑附加质量力、相间阻力、Basset力、重力、浮力等力学条件,建立了暂堵球运移过程动量守恒模型,通过四阶龙格-库塔方法对其求解,并以长宁区块气井直井段为例进行研究.结果表明:在直井段,暂堵球呈现先加速后减速,最后匀速运动的规律,暂堵球加速度ab≤0阶段,暂堵球运移速度达到最大峰值;随着暂堵球直径、密度及排量增大,暂堵...     

INVESTIGATION OF BUBBLE-BUBBLE INTERACTION EFFECT DURING THE COLLAPSE OF MULTI-BUBBLE SYSTEM

通过直接数值模拟方法对多泡在压力驱动下的溃灭过程进行了研究。气相满足理想气体正压模型,液相为不可压 流体,采用基于压力的方法求解多泡的两相流场。数值研究表明,在多泡流场中,中心气泡的溃灭过程明显不同于单泡,存在总体溃灭延迟现象和后期加速现象。随着周围气泡数的增多或气泡间距的减小,中心气泡的溃灭时间增长,溃灭时的压力峰值增大。结合理论定性分析发现,气泡运动不仅受远场压力的驱动,还受周围气泡诱导压力场的影响。周围气泡的诱导压力经历先减小后增大的过程,从而使受其影响的中心气泡产生先延迟后加速的特征。     

REBOUNDING OF GALILEAN CANNON FROM A RIGID WALL1)

研究了Galilean炮——即若干个直径递增的弹性球组成的球链---撞击刚性壁回弹的问题。采用三种力学模型：分离刚体的多次"弹性"碰撞、多刚体的接触碰撞、以及有限元模拟,对球链撞击问题进行了分析,旨在给出碰撞结束后末端小球的飞离速度与入射速度的比值。研究表明：球链碰撞反弹后将会散开,末端小球的飞离速度明显大于球链入射速度;当入射球链间存在间隙时,末端小球的速度增幅更加明显。通过实验展现了这种末端小球回弹速度增加的现象。     

PROPAGATION OF IMPACT PULSE IN A CHAIN OF ELASTIC BALLS

采用Hertz 接触理论处理牛顿摆中球与球之间的相互接触,建立球链碰撞模型,观察到碰撞过程中类似孤立波的传播现象。为了便于处理“n 对m”碰撞的计算,编写了带有GUI (graphic user interface) 界面的计算程序,可以研究不同撞击球个数对撞击过程的影响,包括球心位置、球心速度以及相邻小球间的变形量与相互作用力随时间的变化规律。进一步比较了一维球链模型和三维有限元模型的结果,并实验观察了碰撞过程的细节,得到一致性结论。     

不同运动条件下足球气动力及流场分析

为了获得足球空气动力学特性,建立了计算模型,并利用Fluent 软件分别计算了无自旋及有自旋条件下的足球绕流场. 仿真结果与已有工作相比较为合理. 在无自旋条件下,通过分析足球表面极限流线发现接缝使得足球表面分离线与圆球明显不同,接缝深刻地影响三维分离情况,而且还会对足球所受升力大小产生影响;在自旋条件下,足球受到的Magnus力随旋转速度变大而变大;同时还发现,足球受到阻力也会随其旋转速度变大而变大. 最后,本文还以一粒定位球罚球为例考察了足球旋转对其运动轨迹的影响.     

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATIONS ON THE VELOCITY OSCILLATIONS OF DYNAMIC CRACK PROPAGATING IN BRITTLE MATERIAL TENSION

设计了一种精确测量裂纹在预拉伸带板中的传播速度的实验装置, 系统研究了裂纹在受不同预加载荷作用的不同尺寸的有机玻璃 板中的传播行为.实验结果表明:在一个细长、上下表面固定的带板中, 裂纹速度分为加速和稳定2个阶段.在稳定速度阶段, 裂纹平均速度v₀ 是预加载荷在板中储存的弹性能Wh的增函数.由于此时裂纹处于自相似传播阶段, 可以认为材料的动态断裂能G_c是裂纹传播速度v₀的增函数, 即材料存在"速度增韧性".当裂纹传播速度达到一定阈值, 裂纹的传播速度出现明显的振荡现象, 裂纹的振荡周期与断裂面出现的周期性沟槽的尺度一致.在更高的预加能量下, 裂纹传播路径出现弯曲、微分岔以及宏观分岔现象.建立了一个描述裂纹在带板中的直线传播行为的动力学模型, 并用这个模型模拟裂纹在传播过程中的速度振荡现象.     

NUMERICAL ANALYSIS ON THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS INDUCED BYMULTI-OSCILLATIONS OF AN UNDERWATER EXPLOSION BUBBLE

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件,周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论,采用边界元法研究气泡动力学行为,重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性,给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比,数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析,发现在气泡加速膨胀阶段,流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减,还有可能以先增后减的规律变化;气泡射流后,为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性,将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加,计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构,得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度,而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区,顶部的高压区峰值相对较大,底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程,在气泡顶部附近又迅速减小.