高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

复合材料层合板开口补强选型分析

论文开展了受拉伸复合材料层合板圆形开口四种补强型式的研究.首先,基于Hoffman准则,分析补强型式对首层失效强度的影响,再通过比较开口周围最大应力和应变的降低程度,分析圆缺、环形、椭圆缺和矩形缺四种补强型式的补强效率.通过有限元参数化建模,分析了几何尺寸对补强效率的影响,给出了不同补强型式适合的补强范围.研究表明通过合理地设计补强型式可以有效地降低应力集中,提高拉伸破坏强度.分析结果可以为复合材料飞机结构在相似形状和载荷条件下的补强设计提供参考.     

观测射流元件内部流动的全息干涉技术的初步研究

一、消除有机玻璃观察窗热应变影响的全息差分干涉方法 1.全息干涉技术所用的观察窗需要注意的一个问题 观察窗加工要求低是全息干涉著名特点之一。过去文献多强调其光学质量无关重要的一面(例如文献[1]217页),但对观察窗不可避免地发生微变形,因而引进测量误差的另一面,则往往略而不提。所举出     

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.     

飞机槽型大开口结构刚度加强研究

为了飞机典型的方舱型机身大开口结构能够满足刚度设计要求,设计了一种对槽型大开口结构增加4个边梁进行刚度加强的设计方案,并构建了工程分析模型,与无开口槽型结构的弯曲刚度及扭转刚度进行了对比研究,得到了两种构型的刚度比,进一步得到了满足一定刚度指标下的边梁面积计算公式,提出了方舱型机身大开口结构刚度设计流程,可以用于方案阶段的飞机大开口结构加强设计。     

开口厚壁截面短构件的约束扭转1）

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明：开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转（弯曲）中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

面向应力约束的独立连续映射方法

大多数已有的拓扑优化研究为系统刚度最大化设计,尤其以体积比约束下的静态柔顺度最小化问题为典型.从工程角度出发,结构强度设计至关重要.以往的应力研究表明,应力约束拓扑优化存在着奇异性、约束数目庞大、高度非线性特性等诸多数值困难.为了实现应力约束下的拓扑优化设计,采用归一化p范数应力指标以减少单元应力约束数目.遵循独立连续映射建模方式,引入密度变量的倒变量函数作为设计变量.推导了应力约束函数和体积目标函数对设计变量的敏度,并基于一阶和二阶泰勒近似得到各自的显式表达式.通过构造的系列二次规划子问题,原拓扑优化问题采用序列二次规划算法高效求解.二维数值算例考察了结构刚度和强度设计结果的异同,以及不同应力约束上限值对应力约束拓扑优化结果的影响.通过提出方法与传统变密度法结果的比较,说明提出的独立连续映射方法在应力约束下具有可行性和有效性.优化结果也表明了考虑应力约束的连续体拓扑优化具有必要性.      

孔口缝合补强对含孔复合材料层板应力集中影响的数值模拟

提出的一种缝合线计算模型,通过数值模拟计算与实验结果比较,得到缝合线计算模型中相关的弹性参数.对复合材料开口缝合补强结构进行有限元模拟计算,分析了孔边及邻近区域应变、应力的分布规律,得到不同缝合参数、孔边不同位置以及不同载荷条件下的应变、应力集中系数,并给出合理的孔口缝合参数设计方法及相关结论.研究结果表明:含孔拉伸试件在孔边θ=0°处,切向拉伸应力最大;在θ=90°处,切向压缩应力最大;在孔口0°和90°之间存在拉应力与压应力的转换点,缝合补强后,此转换点大约在θ=56°左右.     

应力约束下预应力平面实体钢结构拓扑优化设计

对预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题进行研究,建立了以索力值、单元尺寸和结构拓扑为设计变量,以应力为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以满应力设计准则法建立索力值与结构重量之间的优化模型,通过该模型的求解确定索力值,并通过满应力设计选取单元尺寸,然后对单元体厚度按闻值进行分类,从而删除低厚度单元实现结构的拓扑优化.算例结果与预应力钢结构理论相吻合,表明本文所提出的方法是有效的,可为预应力钢结构体系创新提供理论方法.     

开口厚壁截面短构件的约束扭转

为了分析开口厚壁截面短构件的约束扭转问题,采用统一分析梁模型与有限节线法,对T形和L形厚壁截面短构件约束扭转时横截面的翘曲和应力分布情况等问题进行了分析研究.算例计算结果表明:开口厚壁截面短构件存在与其横截面形心位置不一致的扭转(弯曲)中心,构件在不过扭转中心的外力作用下会产生弯扭耦合变形,其横截面将产生不均匀翘曲,横截面上的翘曲正应力和扭转剪应力均呈非线性分布.     

Research on coupled thermo-hydro-mechanical dynamic response characteristics of saturated porous deep-sea sediments under vibration of mining vehicle

The excessive deformation of deep-sea sediments caused by the vibration of the mining machine will adversely affect the efficiency and safety of mining. Combined with the deep-sea environment, the coupled thermo-hydro-mechanical problem for saturated porous deep-sea sediments subject to the vibration of the mining vehicle is investigated. Based on the Green-Lindsay(G-L) generalized thermoelastic theory and Darcy's law, the model of thermo-hydro-mechanical dynamic responses for saturated porous deep-sea sediments under the vibration of the mining vehicle is established. We obtain the analytical solutions of non-dimensional vertical displacement, excess pore water pressure, vertical stress, temperature, and change in the volume fraction field with the normal mode analysis method, and depict them graphically. The normal mode analysis method uses the canonical coordinate transformation to solve the equation, which can quickly decouple the equation by ignoring the modal coupling effect on the basis of the canonical mode. The results indicate that the vibration frequency has obvious influence on the vertical displacement, excess pore water pressure, vertical stress, and change in volume fraction field. The loading amplitude has a great effect on the physical quantities in the foundation, and the changes of the physical quantities increase with the increase in loading amplitude.     

板壳结构满应力设计及在MSC/Nastran软件上的实现

根据满应力准则和板壳结构的应力与内力的关系,推导了求解板壳结构满应力设计的迭代关系式。采用无量纲设计变量实现变量连接,一个设计变量可以控制多个不同厚度的单元,扩大了程序的适用范围。在MSC/Nastran软件的基础上开发了适用于多工况、多变量的板壳满应力优化程序。利用Nastran的开放性,借助Pat-ran提供的PCL(Patran Command Language)开发环境,程序完全和Patran及Nastran融为一体。首先在Patran中建立有限元模型,利用Nastran进行有限元分析,按照满应力准则对设计变量调整,然后再次利用Nastran进行分析,这样反复迭代直到结构重量收敛。数值算例表明算法的可靠性、精确性和高效性,程序能够满足工程实际需要。     

遗传递增演化算法配筋优化设计

递增演化结构算法(AESO)是在初始结构上,逐步增加有效材料,进而得到优化拓扑形状,其运算速度快,但容易陷入局部最优解。为提高寻找全局最优解的能力,把递增演化结构算法(AESO)和遗传算法(GA)相结合,提出遗传递增演化算法(GAESO),在增加有效材料的选择性上引入生物进化遗传理论,并以ANSYS有限元分析软件的非线性分析为平台,采用钢筋混凝土分离式模型,探讨遗传递增演化算法(GAESO)在钢筋混凝土复杂应力构件配筋优化设计上的应用,直观地完成在荷载作用和应力约束条件下简支深梁、简支开洞深梁和开洞剪力墙等钢筋混凝土复杂应力构件的配筋优化设计,所得结果符合受力机理,演化方向正确,钢筋布置明确,与遗传演化优化算法(GESO)所得结果进行比较验证,证实了算法的可行性、速敛性和稳定性,能为钢筋混凝土配筋优化设计提供参考。     

THE STRENGTHENING OF AERO-TRANSPORT WITH LARGE OPENING

为了对运输类飞机机身大开口结构进行加强,满足刚度连续变形协调的设计要求,本文对机身大开口结构和完整机身结构的刚度进行了深入研究,首先简化了计算模型,对刚度进行了计算,提出了刚度比的定义,得出刚度比与大开口角度、机身半径、蒙皮厚度以及边梁面积之间的关系表达式,得到运输类飞机机身大开口结构加强的原则和方法,在型号上成功得到了应用,用于指导初期的结构设计.     

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。     

超高车辆与箱梁立交桥碰撞简化计算模型评估分析

为了考察受超高车辆撞击装配式钢筋混凝土箱梁跨线桥的冲击动力和破坏行为,以一起近来发生的实际工程事故为案例进行精化有限元数值分析,并提出了双质量-并联弹簧（double mass-parallel spring, DM-PS）简化车辆模型,以有效地模拟超高车辆与桥梁的非对心碰撞行为。所建议DM-PS简化模型的有效性通过与两种广泛使用的车辆模型包括全尺（full scale, FS）模型和简单刚体（simple rigid, SR）模型的比较而得到充分地评估。计算结果表明：采用FS模型可得到与事故现场照片基本一致的跨线桥撞击区域破坏特征;SR模型高估结构的局部破坏,弱化结构的整体变形;DM-PS模型对于预测结构破坏具有较高的准确性。因此,所提出的DM-PS模型为超高车辆撞击桥梁结构防护设计提供了一个简单有效的分析手段。在此基础上,利用DM-PS模型进行了详细的结构行为参数分析,深入考察了车辆撞击速度、撞击质量、撞击位置以及结构形式等效应。所得到的结论为：相比撞击质量,结构的冲击动力行为对于撞击速度有更高的敏感性;跨中受撞和边跨受撞的变形和破坏模式有较大差异,边跨受撞对于单侧支座损伤更严重;...     

固定网格下基于光滑变形隐式曲线的孔形优化设计方法

孔形优化设计是减缓开孔结构孔边应力集中的有效手段，其对应力分析精度和孔边曲线的几何表达能力都有着较高的要求．论文针对现有固定网格孔形优化方法分析精度较低和/或孔边曲线变形能力有限等不足，采用有限胞元方法在固定网格下对开孔结构进行高精度的力学性能分析，采用能够自由光滑变形的隐式曲线描述待优化的孔洞边界，进而建立优化模型并推导出相应的解析灵敏度计算公式，形成了固定网格下开孔结构孔形优化设计新框架．通过对不同载荷边界条件下的开孔平板结构进行孔形优化设计，表明本方法无需网格更新、灵敏度推导简便、力学分析精度高且优化设计空间大，能够有效降低孔边应力集中程度．     

NEW STRUCTURAL DESIGN OF SPHERICAL PRESSURE HULL FOR DEEP-SEA SUBMERSIBLES:A MULTILAYER AND PRESSURE REDISTRIBUTION APPROACH

耐压壳是深海潜水器中最关键的结构,直接关系到潜水器安全性和总体性能.本文对当今的单层耐压壳结构设计进行了评述,并设计了一种基于分层/分压的新型耐压壳结构,该结构借鉴了自然界的两种深潜动物的结构：抹香鲸分层结构和鹦鹉螺隔片分割螺壳亚结构.综合了这两种结构特性的双层壳结构能够有效提高抗压能力,从而提升深潜能力.与以往单层球壳的耐压壳结构相比,该结构不仅提高了强度,也提高了抗屈曲能力.同时,该结构还兼具大容积、高可靠性、以及避免超厚壳制备上的难点等特征,使得深海潜水器的综合性能得到显著提高.新结构中的桁架将圆壳分割为若干个柱壳亚结构,本文针对此亚结构严格推导了桁架增强壳体抗屈曲的公式.从实验数据中总结出来的泰勒水池公式是目前广泛使用的潜水器壳体设计依据,新推导的公式与之相比只有6%的差别,这使得新型结构设计有了更坚实的理论基础.     

The improvement of fatigue strength by edge treatment

This paper presents a new approach to improving the fatigue strength of sheet material by edge treatment. The improvement is achieved by inducing a compressive residual stress, by means of a mechanical procedure called edge dimpling, to a finite length along the edge. The new technique can be utilized to increase the fatigue resistance of plates with large-scale stress concentrations such as an unstressed access-door opening into a wing structure, stress concentrations at the corners of window doublers or long, wide slots in the structures.