21世纪中国大型工程与工程地质问题

近些年来,我国的国民经济一直是以每年10%以上的速度增长,由此可以预测：随着我国经济欣欣向荣的高速发展,到21世纪将有许多大型工程逐步上马、走向世界大工程的行列。为此,我国的工程地质工作者应先行研究：大型工程前期的工程地质可行性论证。工程开拓期间可能遇到的工程地质难题和新题；工程竣工后的环境工程地质预测及防治等问题,为未来的大型工程设计与施工提供可靠的工程地质依据。     

CAD软件在工程地质三维建模中的应用

如何快速、准确地建立地质体的三维模型一直是众多岩土工程数值模拟工作者所面临的难题。虽然三维地学模拟软件具有很好的三维地质建模能力,但是由于数据结构的差异,采用他们现行三维地学模拟软件建立的地质模型难以导入数值模拟分析软件中,以为相应工程问题的数值模拟服务。目前,随着各种CAD、CAM软件行业的的飞速发展,涌现出了许多优秀的三维建模软件,而且这些软件大都与现行数值分析软件有着良好的数据接口功能。据此,本文提出了采用现行CAD软件来建立工程地质体的三维模型,使得建立的模型达到既"可视"又"可算"的目的。将其应用于云南某高速公路边坡的三维建模中,证明了该法具有方便、快捷和合理等优点。     

城市发展与城镇化——工程地质学的机遇与挑战

在城镇化全球规模的历史趋势和中国城市发展与城镇化历程及其特点分析的基础上,围绕城市岩土工程与地质环境系统,讨论了地质环境与城市规划、城市地下空间利用、城市生态与环境安全等领域工程地质研究发展的思路,强调了地质基础研究与多学科多源知识融合、多种技术集成的创新发展途径。     

三维Cosserat连续体模型与微结构尺寸相关效应的有限元分析

分析了三维Cosserat连续体理论中的应力应变特征,推导了三维Cosserat连续体的有限元方程,基于ABAQUS计算软件提供的用户单元子程序(UEL)接口编写了弹性Cosserat连续体三维20节点有限元程序,并分析了微悬臂梁自由端的挠度问题和微杆扭转问题。通过与基于经典连续体理论的解析解及有限元数值计算结果进行比较,表明所发展的三维Cosserat连续体有限元能有效地模拟微结构尺寸相关效应问题,即随着微结构尺寸与材料内部长度参数的接近,基于Cosserat连续体有限元分析得到的微梁的挠度以及微杆的转角与经典连续体的解析解及有限元解相比越来越小;反之,Cosserat连续体有限元的计算结果与经典连续体的解析解及有限元数值解较为一致。     

第Ⅱ类尺寸效应影响下金属薄板液压胀形本构模型研究

尺寸效应是微成形研究中的热点和难点之一.目前采用经典塑性理论仍不能对金属薄板液压胀形中尺寸效应对应力变化现象的影响进行较好的解释.为了深入分析该问题,结合应变梯度塑性理论,建立了第Ⅱ类尺寸效应影响下金属薄板液压胀形本构模型.基于该模型,分析了板料厚度变化以及胀形凹模直径变化对液压胀形过程流动应力变化的影响.研究结果表明应用该本构模型能较好地解释金属薄板液压胀形中尺寸效应对应力变化的影响,验证了该本构模型的正确性.     

基于SIR模型的工程材料统一单轴本构关系研究

工程材料的单轴应力-应变全曲线反映了材料最基本的本构关系,但目前对适用于多种材料的统一本构关系研究尚不够深入。本文基于传染病传播动力学SIR模型,建立了反映材料单元动态变化的应力-应变模型。根据同伦分析方法提出了模型的解析解和近似解,并讨论了模型反映材料尺寸效应和应变率的能力。结果表明,本文提出的单轴应力-应变模型中的参数可以与实际材料的力学特性相对应,模型解能够统一、全面、准确地反映多种材料力学性能的变化规律以及尺寸效应和应变率等因素的影响。     

基于SIR模型的工程材料统一单轴本构关系研究

工程材料的单轴应力-应变全曲线反映了材料最基本的本构关系,但目前对适用于多种材料的统一本构关系研究尚不够深入。本文基于传染病传播动力学SIR模型,建立了反映材料单元动态变化的应力-应变模型。根据同伦分析方法提出了模型的解析解和近似解,并讨论了模型反映材料尺寸效应和应变率的能力。结果表明,本文提出的单轴应力-应变模型中的参数可以与实际材料的力学特性相对应,模型解能够统一、全面、准确地反映多种材料力学性能的变化规律以及尺寸效应和应变率等因素的影响。     

区域稳定动力学研究(一)——理论与方法体系

将区域稳定工程地质学推进到区域稳定动力学的研究层次上, 系统地构建了区域表层稳定动力学、区域浅层稳定动力学、区域深层稳定动力学、区域活动构造动力学、区域地震动力学、区域非稳定动力学过程及机制模式, 以及区域非稳定动力学环境下的地震工程效应、岩体失稳效应、场地失稳效应及建筑物抗断效应的综合研究及分析评价的区域稳定动力学研究的理论体系与方法体系。     

沥青混合料蠕变柔量的一种实用模型及其应用

通过分析沥青混合料加载时的"固结效应"和卸载时的"永久变形"等流变学特征,提出了一个较为实用的流变学模型,并给出了模型参数的确定方法,该模型参数数目可多可少,且能满足Blotzmann叠加原理,可应用于应力随时间变化以及其它各种复杂应力状态的情况.     

基于灰色模型的混合建模预测方法及其应用

针对陀螺仪寿命预测的特点,提出了一种基于灰色模型的混合建模预测方法。为了提高一阶灰色模型GM（1,1）的建模能力,此模型引入了小波变换。首先小波变换对实测的动力调谐陀螺（DTG）漂移数据进行预处理以减少干扰噪声,接着处理后的数据被用来建立灰色模型。来自于长期测量的DTG的漂移数据的实验结果证明了文中所提混合策略的有效性。并且为了进行比较,对神经网络建模方法进行了相应的研究,结果表明当小波变换被引入到混合模型中,此基于灰色模型的混合建模预测方法具有令人满意的性能,为陀螺仪的寿命预测提供了借鉴和参考。     

两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究1）

弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都需要准确预测旋转弹箭的马格努斯力和力矩,国内针对旋转弹箭气动特性的数值模拟工作集中在旋成体上,对带翼外形进行完全时间相关的非定常研究鲜有见到;国外虽然有对带翼外形开展研究,但以验证方法为主,对湍流模型在复杂外形弹箭旋转中的研究未曾见到.采用完全时间相关的非定常N-S方程,对带翼弹箭开展计算,对比了一方程SA（Spalart-Allmaras）湍流模型和两方程k-!SST（shear-stress-transport）湍流模型对马格努斯效应产生的影响,并分析了旋转导致的边界层和涡非对称畸变,以及周向压力分布和剪切应力分布非对称畸变.结果表明：旋转引起的物面流场参数变化主要体现在弹体中后部,SA和SST湍流模型预测的全弹马格努斯特性与阿诺德工程发展中心（Arnold Engineering Development Center,AEDC）实验及陆军研究实验室（Army Research Laboratory,ARL）的计算结果一致性很好,对动导数而言两湍流模型计算精度相当.两湍流模型计算的弹体左侧流场参数差异比右侧大,分析认为正向旋转使左侧壁面速度方向与来流速度相反,相互阻碍使气流脉动效应更强.壁面附近湍流黏性系数SA结果大于SST结果,y=0截面物面压力SA结果小于SST结果、最大相差6%,摩阻系数SA结果大于SST结果、最大相差35%.SA对旋转产生的分离抑制作用强于SST.     

混凝土三维细观模型的建模方法与力学特性分析

根据混凝土材料的细观组成和结构特点,基于三维Voronoi图形提出了一种简单高效的混凝土细观模型生成方法,利用塑性损伤模型对该细观模型进行了单、多轴应力状态下的准静态分析以及SHPB动态有限元分析。结果表明,数值模拟得到的应力应变曲线和破坏模式与实验结果基本吻合,本文中提出的混凝土三维细观模型可较好地模拟混凝土的静、动态力学特性,为进一步从细观力学角度研究混凝土损伤演化规律和破坏机理提供了模型基础。     

关于一类电-力振动模型的建模与分析

从电学、力学的基本原理出发,通过数学方法建立和分析了一种电-力振动模型。这是一种较复杂的电力混合作用的线性振动系统,由模型的特殊结构(类扬声器结构)作者确立了两种磁场,即感生磁场和外磁场两者正交独立,并规定了电学、力学两种不同物理量的坐标取向关系。该模型需要求得三阶正系数常微分方程的收敛解,再求得包含暂态、稳态项的完整解。另外,文章从能量和做功的角度,通过对电压电流间的相位差分析,对所建模型的正确性作了论证,同时也为这类建模引荐了一种论证手段。     

小行星进入与撞击效应评估模型敏感性研究

近地小行星对地球的撞击是人类生存和发展面临的潜在威胁之一.当前小行星进入与撞击效应评估模型输入参数不确定度大,给模型的使用带来困扰,也较大地影响了危害评估结果.本文分析了输入参数的取值范围,以范围中概率最大或文献的推荐值作为敏感性研究的基准值,利用所发展的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA,通过改变一个或多个输入...     

地质灾害预警预报模型设计与应用

基于地质灾害的多样性及其变化的随机性和非稳定性特点,本文综合利用数学算法和GIS技术,设计了地质灾害预警模型,分析了诱发地质灾害的地形、地貌、气象、水文等几方面的因素,并根据这些因素的特点,选取不同的样本对其进行量化处理,运用主成分分析法,计算了各个因素导致地质灾害发生的权重指数及各监测站点的易发级别。在此基础上,基于GIS技术、采用泰森多边形法等将站点的易发级别转换成面的易发级别,运用日降雨量、降雨强度等指标计算出地质灾害发生的概率,通过区域化易发等级图与降雨图的叠加分析,采用地质气象偶合方法,实现了地质灾害预测。在某省案例区的研究表明,本研究设计的地质灾害预警模型具有较高的预警精度(预警结果80%符合实际情况)。     

超弹-粘弹-损伤仿射微球模型及其应用

硅胶弹性体PDMS,在多个领域有着广泛的应用。为了提高PDMS的力学性质,近期我们在PDMS材料中加入微米尺寸的玻璃微珠,这有效地提高了PDMS的模量。然而,玻璃微珠填充的PDMS材料在循环变形过程中,在第一个加卸载周期出现大的滞回圈,表现出明显的损伤行为,且后续加载过程中仍有稳定的较小的滞回圈,显示出一定的粘弹性特性,此外,卸载后材料有明显的残余应变。针对上述实验发现,本文建立了一个基于仿射假设的微球模型,分子链在各个方向上初始均匀分布,当受到加载后,各个方向上的分子链发生损伤行为和粘弹性松弛机制,导致不同方向的各向异性变形行为。该五参数的本构模型能够描述玻璃微珠填充弹性体的实验现象,包括不同周次循环加载的滞回圈形状以及残余应变的大小。该理论模型能描述各类软材料体系的复杂力学行为,有望为软材料的力学行为的预测提供有力的支撑。     

微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应

建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行形貌修饰,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验.结果表明：硅表面经过形貌修饰后,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关,而且与接触副的等效曲率半径相关;在纳米尺度下,粗糙峰斜率对摩擦力的影响较大;在微米尺度下,等效曲率半径对摩擦力的影响较大;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的情况,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规律.     

模型预测前向神经网络算法及其在组合导航中的应用

针对系统误差的不确定性可能会引起滤波精度降低或发散的问题,提出一种新的基于模型预测滤波的前向神经网络算法。首先,采用模型预测滤波估计网络在正向传递过程中的模型误差,并对其进行修正,以弥补模型误差对隐含层权值更新的影响;然后,利用模型预测滤波为神经网络提供精确的训练样本,学习待估计系统的非线性关系。将提出的算法应用于SINS/CNS/BDS组合导航系统,并与扩展卡尔曼滤波进行比较,仿真结果表明,提出的算法得到的姿态误差、速度误差和位置误差分别在[-0.25′,+0.25′]、[-0.05 m/s,+0.05 m/s]和[-5 m,+5 m]以内,滤波性能明显优于扩展卡尔曼滤波算法,表明该算法能提高组合导航定位的解算精度。     

非线性海洋内波的理论、模型与计算

海水因盐度与温度的垂向差异造成密度层结现象, 进而由于海洋系统的内部扰动(如海潮流过局部隆起的海底地形)与外部扰动(如死水现象)造成等密面的波动, 这一现象称为“内波”. 内波在全球范围内大量存在, 尤其是在海峡入海口等密度层结现象较为明显和稳定的区域会有内波频繁活动. 海洋通常呈现“三明治”状的结构: 密度相对稳定的混合层与深水层, 以及位于中间密度连续过渡的密跃层. 密跃层的整体脉动对于海洋工程和海洋生态环境有重大的影响; 而密跃层内部的波动对于潜艇的非声探测(反过来说, 对于潜艇的隐身作战)具有潜在的应用价值. 而造成这些重大影响的根源在于内波在水平和垂直方向都具备传播能力, 这是有别于海洋表面波浪的关键之处.本文针对两类海洋密度模型-连续分层模型与间断分层模型, 从理论研究、数值模拟、实验室机理实验等方面论述了研究海洋内波的各类非线性模型(包括弱非线性的Korteweg-de Vries方程、Benjamin-Ono方程, Kadomtsev-Petviashvili方程等著名模型以及强非线性Miyata-Choi-Camassa方程、非线性势流理论、带密度变化的不可压缩Navier-Stokes方程等), 讨论各自的适用范围, 并借此探讨内波在海洋质量动量能量输运中所起的至关重要的作用.      

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.