入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。     

用于爆炸流场与结构间相互作用分析的Euler-Lagrange耦合模拟技术

介绍了1种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把爆炸流场作用过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了爆炸流场对结构加载和结构动力响应 及对爆炸流场反作用过程的模拟.利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序MMIC(multi-materials ...     

RBF神经网络在"薄管板"结构强度分析中的应用

叙述了RBF神经网络的结构和“薄管板”结构强度分析过程以及应用RBF神经网络对“薄管板”结构应力的非线性系统进行了系统辩识 ,网络输出值与计算值符合较好。说明基于神经网络的系统辩识方法在结构强度分析过程中具有一定的实用性。     

框-筒结构建筑物的折叠爆破拆除

采用共节点分离式钢筋混凝土模型,对框-筒结构折叠倒塌进行了三维数值模拟,包括底部起爆和顶部起爆2种方式,并且在底部起爆方式中,采用了不同切口高度和延迟时间。对结构的倒塌过程、支撑立柱的破坏过程进行了比较分析。结果表明:采用底部起爆时,结构下部压碎程度较采用顶部起爆严重;同为底部起爆,延迟时间0.25 s的结构破碎比0.5 s严重;底层立柱采用不同的切口高度和延迟时间,结构的倒塌方向发生了改变,结构略向南倾倒;支撑柱的破坏过程不同,对结构的后坐距离产生影响,采用底部起爆时,结构的后坐距离小于顶部起爆。通过对混凝土和钢筋单元受力过程进行的分析,共节点分离式模型能够反映钢筋和混凝土2种材料的力学性能差异。     

基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析

将数字图像处理技术引入到岩石破裂过程分析RFPA2D(Rock Failure Process Analysis)系统,建立了岩石细观结构破坏过程分析方法．首先提取岩石的细观结构图像,再转化成RFPA2D的前处理数据和数值分析网格,然后进行应力求解和破坏分析．以花岗岩细观结构为例,阐述了运用基于数字图像处理技术的RFPA2D方法进行岩石细观结构破坏分析的过程．结果表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法．     

考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的。本文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证。同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述。当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束。     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.     

微结构对多孔材料应变率效应影响的机理研究

通过数值模拟讨论了圆环结构对多孔材料应变率效应的影响,计算结果表明,圆环结构与折板结构一样,同样存在结构的屈曲失稳,因此也具有应变率效应。只是其应变率效应不如折板结构敏感,在小应变下的率效应不明显,在后屈曲失稳阶段率效应较为明显。另外,对于壁厚较薄的圆环结构,加载过程中更容易出现结构的屈曲失稳,此时微结构所引起的应变率效应较明显。壁厚较厚的圆环结构,微结构引起的应变率效应则不显著。通过蜂窝结构的模型更清楚地揭示了微结构对多孔材料变形过程的影响。     

冰激结构频率锁定振动的发生机理及简单分析方法

冰激结构频率锁定振动是冰区海洋工程结构的危险工况.对频率锁定振动过程的传统机理解释没有体现这一过程的全部物理特征,导致现有的分析方法无法准确分析这一问题.本文基于对现场测量结果的分析,提出了一种海冰韧性损伤-破碎过程与结构振动耦合导致频率锁定振动的机理.该机理认为,海冰在直立结构频率锁定振动过程中发生韧性损伤-破碎行为,海冰的韧性损伤-破碎与结构运动相位耦合,导致了频率锁定振动. 海冰对结构作用产生的载荷为锯齿形,作用过程可以分为加载和卸载两个阶段,其中加载阶段时间长度约为卸载阶段3倍以上.在加载阶段,结构从平衡位置先与海冰运动方向相反振动到反向最大振幅位置后回摆,然后与海冰同向运动到正向最大振幅位置,这段过程中海冰与结构接触部位内部产生裂纹并扩展但未发生主要的破碎,在此阶段海冰发生韧性损伤;在卸载阶段,结构从最大振幅位置向平衡位置回摆,结构与海冰运动方向相反,这一过程中应变速率的突然增大导致裂纹加速扩展并失稳开裂,此时带有韧性损伤的海冰发生破碎.基于这一新的机理解释,本文提出了一种冰激结构频率锁定振动幅值的简单分析方法.该方法认为海冰破碎长度是频率锁定振动的关键参数. 理想状态下,海冰破碎长度约为结构水线处振动幅值的2.2倍.当冰速接近海冰破碎长度与结构自振周期的比值时,结构会发生频率锁定振动.该方法对评估海洋工程结构频率锁定振动的发生概率及疲劳损伤具有指导意义.      

Numerical Fluid Flow Analysis for Aerodynamic Response Characteristics of Tandem Circular Cylinders

The aerodynamic characteristics of tandem cables of cable-stayed bridges have become an increasingly serious problem with increments in span length. In order to reduce the construction cost and maintenance of cables, tandem cables have been adopted for cable-stayed bridges. These cables, however, have aerodynamic response characteristics such as wake-galloping. Therefore, a method to suppress wake-galloping in tandem cables is required. The purpose of this study is to investigate the characteristics of the wake-galloping phenomenon of tandem cables of cable-stayed bridges using numerical fluid flow analysis. The flow around the oscillating tandem circular cylinders modeled on tandem cables is calculated. The flow field is treated as an incompressible viscous flow. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is employed to solve the flow field around the cylinders, and the three-step Taylor-Galerkin method, which is based on a fractional step finite element method, is adopted for discretization.     

基于首超破坏机制的大跨斜拉桥抖振动力可靠性分析

分别采用泊松分布和马尔可夫过程，给出了在一次强风作用下以及在设计基准期内桥梁结构某一特定截面或节点的抖振动力可靠性分析方法。然后，考虑斜拉桥的结构特点及其承受风荷栽的具体情况，确定了以斜拉桥的主梁系统为研究对象的结构体系抖振动力可靠性分析模型。在此基础上，采用串联失效模式，建立了斜拉桥主梁系统抖振动力可靠性分析过程。本文采用有限元法分析结构的空气静力响应。为了快速、准确地计算结构的抖振响应，考虑气弹力与抖振力的联合作用以及多模态耦合效应，采用有限元法和虚拟激励法相结合分析结构的抖振响应。最后，以某大跨斜拉桥为工程背景，对其主梁系统进行了基于刚度要求的抖振动力可靠性分析。     

大跨度钢桁桥模型的精细化损伤定位模拟和试验研究

在役大跨钢桁桥数日众多,其杆件往往较长,所以识别出损伤杆并找出局部损伤所处位置对安全评定和加固尤为重要。针对这一问题,参考我国在役钢桁梁桥,基于健康监测的试验目的和相似理论设计制作了贝雷梁式筒支钢桁桥Benchmark模型。根据其结构形式、具体尺寸,并经试验结果修正,建立了基准Matlab有限元模型。环境激励下,首先隔...     

紊流对悬索桥动力特性的影响

文章研究了在风激励下,风中紊流对悬索桥动力特性的影响.悬索桥被处理为一个同时存在有两个相互耦合的振动模态的线性结构.当风高速吹桥时,风中的紊流可认为是一个宽带噪声,因此系统的响应是一个近似的马尔柯夫过程.运用随机平均法,可解出一组伊藤统计微分方程——从而确定系统运动稳定性条件.与只考虑一个振动模态的数学模型相比,本文结论更接近于实验结果.     

基于荷载形函数的大跨桥梁结构移动荷载识别

大跨桥梁结构中的移动荷载识别是结构健康监测的重要组成部分之一,其作为动力学中的反问题,存在唯一性及稳定性等病态问题。本文首先推导出移动荷载作用下结构响应的卷积形式的离散公式,然后利用有限元理论中的形函数拟合移动荷载,推导出基于荷载形函数的移动荷载识别表达式。将移动荷载的识别转化为荷载形函数拟合系数的识别,降低了需要识别的未知量,减小了逆运算的计算量,消除或减弱逆问题病态性,并提高了计算效率。利用某大跨刚构-连续预应力混凝土桥梁修正后的有限元模型进行数值仿真,考虑路面粗糙度,由模态叠加法计算移动荷载作用下的响应;然后采用荷载形函数方法识别移动荷载,证明该方法在5%以下的噪声时能快速并精确识别复杂桥梁结构的移动荷载。     

钢箱内部爆炸破坏的SPH数值模拟

随着恐怖袭击的不断演化，船舶、桥梁等以钢箱为主要支撑的战略性结构逐渐成为恐怖袭击和敌方军事打击的重要目标。本文中采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对钢箱内部爆炸过程进行了数值模拟，对比实验，分析了钢箱内部爆炸时钢箱表面的变形过程，得到了钢箱表面挠度值的变化趋势、不同时刻钢箱表面压强和von Mises应力的分布情况、钢箱表面中心点处速度和压强的变化趋势，验证了SPH方法在模拟钢箱内部爆炸问题上的有效性。通过进一步数值模拟，探讨了钢箱内部不同位置爆炸时钢箱的破坏形式和损伤程度，结果表明:炸药在钢箱内部角隅处爆炸时，钢箱的损伤程度最严重；炸药在钢箱内部正中心爆炸时，钢箱的损伤程度最轻。     

An analytical method for solving internal forces and deformations of bar-system structure in space

In this paper, based on the idea of finite element method, the initial parametric method in bending problem of a beam is extended to analyse the bar-system structure by employing Dirac function and Heaviside step function.Then a new method for analysing the internal forces and deformations of bar-system structure in space is suggested by improving the mixed method in statically indeterminate structure.The inferred process and obtained answer will be more succinct and accurate when the problem of internal forces and deformations of bar-system structure is analysed by using the new method provided in this paper.     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法，提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法，序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型，以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力和索力为约束条件，并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，采用强次可行序列二次规划法进行优化求解，确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明该方法简单、有效。     

Dynamic interaction of bridges and high-speed trains

Dynamic interaction of railway bridges and rolling stocks has been the subject of numerous studies for a rather long time [1–20]. The framework of railway bridges experiences significant loads from high-speed trains. Therefore, new methods for studying the interaction between high-speed trains and railway bridges are constantly developed in many countries [10–19]. The method proposed in [9, 16, 18, 19] for beams, rod and combined systems, bridge girders, and railway structures takes into account any required number of shapes in the deflection decomposition and has the resolving system of equations with unconditionally stable integration scheme and minimum number of unknowns (dynamic reaction of the wheels). The bridge dynamics problems of large dimension [16–20] are usually solved by the method of direct integration of equations (with the use of beam boundary elements), but the method proposed here is based on the use of the results of the modal analysis of the structure, which is very convenient, with the capabilities of the modern computational complexes taken into account, for determining the set of natural modes and frequencies of vibrations of any spatial linearly deformable bridge structures. Just as in [16–20] for problems with moving load, the method permits obtaining the resolving system of equations with minimum number of unknowns for a high degree of spatial digitation of the bridge framework and any necessary number of natural modes. Moreover, the step procedures proposed in [19, 20] to solve the differential equations of mechanical system vibrations permit using the car model as a moving load in the same way in the linear and nonlinear statements. In the proposed method, there are in fact two objects; namely, the set of bridge spans and the rolling stock (stocks) are considered as two super-elements (two substructures) interacting with each other if one of them is moving. The proposed method permits determining the stress-strain state of the bridge and the rolling stock traditionally after determining the dynamic pressures exerted by the wheeled carts on the bridge. The modern approaches to calculating the bridge-rolling stock interaction [10–17] are based on the wide use of computers with application of the finite element method and method of stepwise integration of equations describing the systemmotion. For example, in [10, 13] the iteration approach is used in problems of large dimension when the rolling stock-bridge system is decomposed. In [12], the explicit scheme of integration of differential equations is used to compensate for the large dimension of the problem. In [14], the beam finite elements are used to analyze a single-span bridge of box section in the span structure modeling. In [14], at the stage of time-digitation (by the Newton method), after the “rolling stock-bridge” system is decomposed into subsystems, the constraint reactions are omitted but the large dimension of the problem is preserved. Thus, the problem of large dimension in problems of bridge dynamics is often solved approximately with a certain accuracy of the solution.     

斜交连续梁桥数值分析研究

在分析了矩阵位移法和传递矩阵法的理论基础上，将二者组合而成矩阵混合法。矩阵混合法的实质就是将结构物的一端未知向量通过矩阵的简单乘法传递到另一端，再将已知条件代入求解的过程。在矩阵传递的过程中引入位移法中的前进代入的概念，即将未知向量不断地以新的未知向量替换，可以防止误差的传递和积累。将矩阵混合法运用于斜交连续梁桥内力计算，完成了矩阵混合法在斜交连续梁桥内力计算中的理论推导和程序的设计，给出了实际算例并与有限元法进行了比较。