封面故事

正作为能量吸收构件的一种重要形式,管状结构受轴向载荷作用时,可以发生不同的变形失效模式,进而通过不同的塑性变形机理耗散能量。本图给出了圆管在轴压作用下的6种不同变形模式,上面3幅由左到右分别为:楔形模具压缩下劈裂、环状模具压缩下收缩、锥形模具压缩下翻转;下面3幅由左到右分别为:平板压缩下渐进屈曲、平板压缩下自由翻转、锥形模具压缩下膨胀。不同的失效模式会导致     

杆系结构静强度和疲劳失效机理及可靠性分析

根据疲劳载荷造成的疲劳累积损伤对结构极限承载力的影响情况，讨论了结构系统承载能力的可靠度计算方法，分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的两种失效模式，并考虑了二者之间的相关性对该单元可靠性的影响，具体分析了结构系统在这两种载荷作用下的失效机理，给出了在这两种载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 算例表明，在不同的使用年限内，静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的；在结构系统主要失效路径中既有单元静强度失效又有单元疲劳失效，这是符合结构系统使用真实情况的.     

轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展

从服役失效模式、原因与后果入手,研究了轨道车辆轮对可靠性与安全性相关的关键力学问题与进展.首先总结了5种车轮踏面失效与4种非踏面失效、5种车轴失效和6种轴承失效模式.阐述了与失效模式相关的成因和后果.讨论了可能的解决方法.然后介绍了超长疲劳寿命可靠性分析、光滑表面疲劳短裂纹理论与结构安全评价方法和轮轨接触材料与形貌匹配3个关键力学问题与研究进展.进一步展望了轮轨接触多学科优化、考虑几何与载荷约束及环境影响的轴承接触疲劳理论和轮对集成可靠性与安全性分析评价方法是未来3个值得研究的关键力学问题.     

冲击载荷下板杆组合结构的动态响应

结构受冲击载荷作用可能会变形甚至失效.合理的结构形式有助于增强结构的抗冲击性能.本文对冲击载荷作用下板杆组合结构的动力学行为进行了分析,采用有限元方法模拟冲击载荷下结构的大挠度变形模式和能量吸收特性,并研究了杆件长度对抗冲击性能的影响.     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

高量程压阻式加速度计的Hopkinson杆冲击测试及失效分析

为了保证高量程加速度计在冲击过程中的可靠性、有效性,减小其失效几率,以Hopkinson杆作为加载手段,采用激光干涉法对量程为1.0′10~5 g_n的4端全固支压阻式梁-岛结构微加速度计进行冲击试验,并分析了高量程加速度计抗过载能力及在冲击环境下失效模式和失效机理。试验中抽样对同种结构的10只传感器分别进行了冲击测试,根据测试结果可知,该结构的微加速度计抗过载能力为1.3′10~5g_n。通过分析可知失效模式主要表现为微结构梁的断裂、裂纹、键合点脱落现象。通过研究失效模式产生的原因发现,造成结构出现断裂、裂纹现象的原因主要有两种:一是重复连续冲击测试引起微结构疲劳产生失效;二是由于在冲击过程中加速度计芯片与该过程中产生的高频信号分量发生共振导致过载瞬间增大加速度计芯片结构位移失控使结构失效。通过采用不同手段完善传感器结构,提高了其可靠性。     

液化天然气储罐混凝土穹顶的冲击破坏模式与机理

为获得大型全容式LNG储罐混凝土穹顶结构在圆柱形刚体冲击作用下的动力响应、失效模式以及失效机理,基于160 000 m3的LNG储罐,应用ANSYS/LS-DYNA建立LNG储罐精细化有限元数值模型,并通过对弹丸冲击混凝土靶板实验的数值模拟,验证了有限元模拟方法及材料模型的适用性。通过分析圆柱体冲击物撞击下LNG储罐的动力响应,提出储罐穹顶结构的3种失效模式即局部凹陷、混凝土剥落、击穿破坏,并根据冲击过程中能量的传递特征揭示了每类失效模式对应的失效机理。最后通过大量参数分析获得不同冲击物直径、冲击位置、冲击角度对LNG储罐结构的最大冲击响应及失效模式的影响规律。结果表明,冲击角度、冲击物直径对LNG储罐混凝土外罐穹顶的失效模式影响较大,冲击位置对储罐穹顶失效模式的影响较小,可以忽略。     

基于FOSM法的预应力钢桁架系统可靠性分析

基于一次二阶矩法(FOSM)建立了索张拉预应力钢桁架任意单元失效模式可靠性指标的计算模型,并分别根据点估计法和窄界限法得到了整体结构失效概率的计算公式,随机内力统计特性-均值和标准差则根据随机摄动理论确定.该计算模型中的基本随机参数包括任意折线索单元和桁架单元的截面面积 (或综合刚度) 、张拉钢索的预拉力、外荷载及弹性约束刚度等.利用本文计算模型编写的计算程序对工程中普遍采用的结构形式进行了可靠性分析,并对影响结果的有关参数进行了讨论,为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础.分析表明,窄限法得到的整体可靠性指标与点估计法(PNET)所确定的基本一致, 这是因为本文计算模型中各失效模式间的相关系数较小之故.此外,随机变量的相关性对预应力钢结构不同阶段可靠性指标有不同的影响,其中加载阶段影响更大.     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

圆弧曲边六边形蜂窝结构吸能特性研究

为提升金属蜂窝结构的冲击吸能特性，提出了圆弧曲边六边形蜂窝结构。建立了显式有限元模型，对面内和面外冲击下的失效模式和吸能特性进行了研究，分析了冲击速度等对冲击吸能特性的影响规律。结果表明在面外冲击情况下，曲边蜂窝具有比传统蜂窝结构更优异的吸能性能；面内冲击情况下，会出现“X”型、“V”型和“一”字型变形带等不同失效形式；冲击速度较大时，变形模式趋近于“一”字型；吸能能力随着冲击速度的增大而增加。     

直杆塑性动力屈曲的双特征参数解

在关于轴向弹塑性压缩波下直杆塑性动力屈曲的研究中,将临界应力和屈曲惯性项指数参数作为一对特征参数求解．由动力屈曲发生瞬间的能量转换和守恒准则,导出波阵面上的屈曲变形补充约束条件．失稳控制方程、边界条件、塑性波阵面上的连续条件和补充约束条件构成定量求解两个特征参数和动力屈曲模态的完备条件。     

两参数轴向冲击载荷作用下圆柱壳弹塑性动力屈曲

研究圆柱壳在两参数轴向冲击载荷下的弹塑性动力屈曲问题，基本控制方程由弹塑性连续介质中关于加速度的最小原理获得，本构关系采用增量理论。研究表明：屈曲过程可划分为两相，两相之间由临界时间ｔ表征，并分别讨论了应力波对屈曲的影响，压缩波与弯曲波的相互作用及几何尺寸，材料参数，初始缺陷，载荷峰值及持续时间等诸多因素与动力屈曲的关系。     

?????????????????????????

通过对拱顶储罐罐壁承受轴向载荷、初始几何缺陷及轴压失稳状况研究,指 出在固定顶罐设计、建造和运行各阶段都应进行罐壁轴压稳定性校核. 根据圆柱薄壳稳定性 理论和轴压失稳临界应力数值分析计算结果,提出固定顶罐罐壁轴压稳定性校核方法和数学 模型,并运用回归分析方法建立罐壁轴压失稳临界应力计算公式. 对几种常用规格的拱顶罐 有初始挠度缺陷罐壁轴压稳定性分析表明：随储罐容积和罐壁初始挠度增大,罐壁轴压稳定 性呈减弱趋势.     

ON THE ORIENTATION OF BUCKLING DIRECTION OF ANISOTROPIC ELASTIC PLATE UNDER UNIAXIAL COMPRESSION

The theory of small deformation superimposed on a large deformation of an elastic solid is used to investigate the buckling of anisotropic elastic plate under uniaxial compression. The buckling direction (the direction of buckling wave) is generally not aligned with the compression direction. The equation for determining the buckling direction is obtained. It is found that the out-of-plane buckling of anisotropic elastic plate is possible and both buckling conditions for flexural and extensional modes are presented. As a specific case of buckling of anisotropic elastic plate, the buckling of an orthotropic elastic plate subjected to a compression in a direction that forms an arbitrary angle with an elastic principal axis of the materials is analyzed. It is found that the buckling direction depends on the angle between the compression direction and the principal axis of the materials, the critical compressive force and plate-thickness parameters. In the case that the compression direction is aligned with the principal axis of the materials, the buckling direction will be aligned with the compression one irrespective of critical compressive force and plate-thickness. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19772032).     

腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱试验研究

为了解腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢构件的受压性能,对8根短柱和中长柱进行了轴心受压试验研究。在试验之前首先用有限条和有限元方法对柱试件进行了详细的设计,以确保发生畸变屈曲失效。柱受压试验结果发现：所有试件均发生畸变屈曲失效破坏,同时在峰值荷载时中长柱试件有绕弱轴的弯曲产生,畸变屈曲和局部屈曲一样也有一定的屈曲后强度。在总结分析现有国内外规范计算理论的基础上,提出了基于直接强度法设计腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压构件畸变屈曲承载力的计算方法。采用该建议方法计算所得结果与试验值和参数分析值吻合较好,其设计过程简便且安全可靠。     

轴向冲击下圆柱壳非轴对称屈曲耗散能分析

主要研究受轴向冲击圆柱壳非对称屈曲耗能,从轴向屈曲变形、环向屈曲变形和轴向压 缩变形3个角度进行理论推导. 结果表明: 环向屈曲变形能随屈曲折叠边数增加有减小 趋势, 且占总耗能比例很小,可知圆柱壳受轴向冲击屈曲过程中外力做功主要转变为轴向变形 能,环向屈曲变形消耗外力功很少.     

Buckling and postbuckling of stiffened cylindrical shells under axial compression

Buckling and postbuckling behaviors of perfect and imperfect,stringer andorthotropically stiffened cylindrical shells have been studied under axial compression.Based on the boundary layer theory for the buckling of thin elastic shells suggested in ref.[1],a theoretical analysis is presented.The effects of material properties of stiffeners andskin,which are made of different materials,on the buckling load and postbuckling behaviorof stiffened cylindrical shells have also been discussed.     

轴向冲击载荷下薄壁折纹管的屈曲模态与吸能

在方管的基础上引入折纹结构, 利用几何关系建立折纹管的折角公式。采用LS-DYNA软件研究了6种折纹管在轴向冲击下的屈曲模态与能量吸收性能, 并与方管进行对比分析。结果表明, 折纹管在冲击载荷作用下屈曲变形过程可分为3个阶段, 初始峰值阶段、稳定渐进屈曲阶段和密实化阶段。折角是影响初始峰值载荷和平均载荷的重要因素之一, 折纹结构的引入有效的降低了初始峰值载荷, 减小了冲击力的波动幅度; 折纹管的比吸能低于方管, 但是在特定折角下, 折纹管的压缩力效率和比总体效率高于方管。     

含腐蚀缺陷的管道静力性能试验测试研究

为研究腐蚀缺陷对管道承载力的影响,本文分别进行了含腐蚀缺陷管道在轴压载荷、弯曲载荷以及轴压和弯曲复合载荷作用下的静力失效过程测试。通过不同载荷作用下管道的荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线来分析管道的失效模式和失效机理;通过有限元分析结果与试验测试结果验证其准确性。结果表明:腐蚀缺陷使管道在三种不同荷载作用下的极限承载力均有所下降;针对文中所研究的管道及其腐蚀缺陷,在轴压载荷作用下管道承载力下降了18.4%,在弯曲载荷作用下管道承载力下降了20.96%,在轴压和弯曲复合载荷作用下管道承载力下降了13.3%;管道中腐蚀缺陷位置的管壁厚度减小,该位置应变发展迅速,首先进入塑性屈服状态,最终导致该腐蚀位置发生弹塑性屈曲失效。     

Experimental studies on thin-walled grooved tubes under axial compression

We study experimentally the axial crushing behavior and crashworthiness characteristics of thin-walled steel tubes containing annular grooves. The grooves determine the positions of the folds and control the buckling mode of deformation. In the present work we aim to improve the uniformity of the load-displacement behavior and to predict the energy absorption capacity of the tubes. Grooves are cut circumferentially and alternately inside and outside the tubes at predetermined intervals. Quasi-static axial crushing tests are performed with different groove distances. Photographs are taken during axial buckling and the specimens after crushing are sectioned axially to carry out the measurements. The deformation modes and load-displacement curves are described and energy absorption and mean post-buckling load are determined. The convolutions are achieved by folding in an axisymmetric concertina mode about the circumferential grooves. The results show that the load-displacement curve and energy absorbed by the axial crushing of tubes can be controlled by the introduction of grooves with different distances.