注浆锚杆中扭转导波的传播特性

理论研究了扭转导波在注浆锚杆中的传播特性。首先建立了注浆锚杆两层复合结构中的扭转导波的频散方程,之后数值计算得到了扭转导波的能量速度、衰减频散曲线及导波在注浆锚杆中的位移分布情况。结果表明,(1)500kHz范围内,注浆锚杆中具有三种扭转导波模态T(0,1)~T(0,3),三种模态均具有频散性。随着频率逐渐增大,导波的能量速度逐渐增大,而衰减值逐渐减小。(2)50kHz和200kHz的T(0,1)模态扭转导波在锚杆体内的周向位移值较大,所以对锚杆体表面的轴向缺陷敏感,而导波在锚杆与注浆体接触面上的周向位移较大,从锚杆泄漏至注浆体中的能量较大,导波衰减较严重。(3)频率高于100kHz,锚杆直径的变化对T(0,1)模态的能量速度几乎无影响,而频率低于100kHz,注浆体弹性模量越大,T(0,1)模态的能量速度越小。     

钢绞线中激励纵向模态的磁致伸缩型激励及接收器的选型

为在钢绞线中有效激励和接收纵向模态超声导波,对磁致伸缩型传感器的敏感元件螺线管的结构进行了优化,并进行了试验验证.首先,对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励及接收纵向模态超声导波的方法进行了分析,选用频率160kHz的L(0,1)纵向模态作为用于公称直径17.8mm的7芯钢绞线检测的导波.设计制作了激励该模态专用磁致伸缩型传感器.经过对结构和绕向不同的螺线管进行比较后,选取3段式螺线管作为磁致伸缩型传感器的敏感元件.为证实其检测能力,利用该传感器对钢绞线外围钢丝上的人工缺陷进行了检测,通过得到的实验信号可以很好确定缺陷位置.本文的研究为今后进一步检测钢绞线的健康状况奠定了基础.     

管道液体流速对超声导波纵向模态传播的影响分析

建立了充液管道中液体流动时超声导波纵向模态的群速度频散方程,研究了模态、激励频率对载流管道内超声导波传播的影响。在数值仿真的基础上,利用环形压电阵列在载流管道中激励接收频率305kHz的L(0,5)模态,对纵向模态在载流管道中的传播特性进行了实验研究。研究结果表明,载流管道内频率305kHz的L(0,5)模态的群速度与液体流速呈近似线性变化。实验结果与理论分析结果相符,该结论为载流管道流量在线测量提供了一种新方法,为超声导波流量计的研制打下了理论基础。     

基于导波技术的螺柱轴力无损检测

根据弹性动力学理论,采用纵向导波与弯曲导波相结合的方法对螺柱所受轴向应力进行无损检测。计算了M22螺柱中纵向导波和弯曲导波的群速度频散曲线。根据频散曲线,确定了采用导波对螺柱轴向应力进行无损检测的最优检测信号频率范围(50~80 kHz),此频率范围的纵向导波与弯曲导波模态单一,并且频散性较低。分别计算了不同轴向应力σ作用下,多种频率的纵向导波和和弯曲导波在螺柱中传播的群速度值cgσrL和cgσrF。结果表明,随着轴向应力的增大,同频率纵向导波和弯曲导波的群速度皆呈线性递减趋势。利用纵向导波和弯曲导波群速度与轴向应力的线性关系及纵向导波和弯曲导波在轴向应力作用螺柱端面的反射时间tLσ和tσF,可以迅速确定螺柱所受轴向应力值。     

冲击波加载区域对冲击波速度和衰减的影响

以工程采用的冲击波衰减电探针测试方法为基础,通过数值模拟研究了冲击波加载区域对冲击波传播速度和冲击波衰减测量结果的影响。结果表明:对非一维平面正冲击波,冲击波的径向几何弥散对冲击波传播速度影响显著;针对本文算例,当电探针离自由面0.05mm时,冲击加载半径R=10mm、R=20mm比R=80mm所测电探针导通时间分别长7.79μs、1.28μs,一维平面波理论高估了实际测试的冲击波传播速度,冲击加载面积越小,冲击波衰减越快;在同一时刻(30μs)和同一位置(L=80mm),加载半径R=80mm的冲击压力是R=20mm的5倍还多,一维平面波理论低估了冲击波衰减程度,点撞击引起的散心冲击波则相反。因此目前获得的各种冲击波衰减经验公式应强调其加载条件和适用范围,特别是散心冲击波实验获得的冲击衰减拟合公式有可能降低设计安全阈值。     

超材料混凝土的带隙特征及对冲击波的衰减效应

借鉴超材料的研究思路,在混凝土中引入谐振骨料,设计出具有消波特性的超材料混凝土。首先,通过结构动力学方法计算超材料混凝土的有效质量,从而建立了超材料混凝土带隙起始频率及截止频率的简化模型,并给出了带隙起始频率及截止频率的理论表达式。然后,分析了涂层弹性模量、芯柱密度、基体密度、骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比对超材料混凝土带隙特征的影响。最后,采用数值模拟的方法,对比了超材料混凝土和普通混凝土对冲击波的衰减效应。研究结果表明:(1)低弹性模量涂层能够形成低频带隙,但带隙宽度较窄,而高弹性模量涂层能够形成较宽的带隙,但带隙起始频率较高;(2)通过选择高密度芯柱材料和低密度基体材料,可以得到低频、宽带隙特征;(3)通过增大骨料体积占比和芯柱边长与软涂层厚度比可以实现扩宽带隙的目的;(4)与普通混凝土相比,超材料混凝土对冲击波具有更好的衰减作用。     

面外压缩载荷下多层夹芯板的理论分析与数值研究

采用理论分析与数值模拟相结合的方法对多层梯度夹芯板在面外压缩载荷作用下的变形规律与能量吸收性能进行了研究。基于超折叠单元理论,建立了单层、双层及三层梯形夹芯板平均压缩力(MCF)的理论分析模型。在此基础上,建立了多层梯形夹芯板的有限元模型,研究了面板厚度、芯层厚度及芯层底角对三层梯形夹芯板力学性能的影响。研究结果表明：理论预测与数值模拟结果吻合较好;三层梯形夹芯板中面板厚度对结构比吸能(SEA)的影响较小,芯层的厚度和底角影响较大。面板厚度由0.5 mm增加为1.0 mm,比吸能从10.93 J/g增加为10.98 J/g,而面板厚度变为1.5 mm时,比吸能减小为7.54 J/g。随着芯层厚度和底角的增加结构的比吸能增加,当芯层厚度由0.5 mm增加到1.5 mm时,比吸能变为原来的4.69倍;芯层底角为63°时结构的比吸能是底角为30°的4.29倍。     

基于初始应变变化的自组装螺旋变形有限元分析

螺旋结构是自然界和工程应用中的基本形态,在不同几何和力学条件下可实现多种形态间的相互转变。本文以双层薄弹性材料结构模型为例(长度L>>宽度W>>厚度H),利用层间存在的不同初始应变,采用三维有限元模拟方法,分析了结构的形态转变情况。结果表明:当加载单层预应变(ε1=0.25)时,改变几何主轴和初始应变主轴方向间的错配角φ,可实现弹性带在圆环、螺旋形、不完整柱形间相互转变;当加载双层预应变(ε1=-ε2=0.25)时,同时改变几何错配角,可实现弹性带在"轮毂"形、纯扭转、一般扭转间的自组装螺旋相互转变。     

利用CFRC压敏性监测钢筋锈蚀的模拟实验研究

碳纤维增强水泥(CFRC)有很高的应变敏感性,在钢筋外均匀地包裹一层CFRC,并埋入普通混凝土中,当钢筋锈蚀体积膨胀时,对CFRC来讲,就如受有内压的圆筒埋入无限大弹性体中。通过监测CFRC的电阻变化可了解钢筋的锈蚀及其发展。据此,将CFRC制成内径为16mm壁厚为10mm的圆筒(包括内、外电极),24小时候后脱模并埋入边长为150mm的立方块中,再过24小时候后脱模并养护,28天后测试。根据钢筋锈胀的机理利用静态爆破剂的膨胀性和时效性来快速模拟钢筋锈蚀所产生的膨胀效应,采用静态爆破剂模拟钢筋的锈蚀产物,通过爆破剂的膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用,通过爆破剂的膨胀力的增大过程模拟钢筋锈蚀的发展过程。实验表明:利用CFRC包裹钢筋来监测钢筋锈蚀的方法灵敏度高,且可以进行定量估算。     

二维格栅材料带隙特性分析与设计

周期性材料或结构常表现出阻断特定频段的波传播的特异性质(带隙性质),通过合理设计可以调整带隙的位置和带宽等, 带隙材料在滤波、导波、隔音、隔振等方面有巨大的应用潜力. 据此背景, 研究了材料微结构构型对带隙性质的影响. 分析和比较了三角形、米字形、四边形、六边形、反六边形、Kagome形和钻石形等7种典型拓扑构形格栅材料的带隙性质与弹性波在其中的局部衰减特性, 提出了可表征特定带隙性质的目标函数, 从而对不同构型的材料进行选优; 进一步得到并数值验证了材料微结构中几何参数对带隙性质的影响规律, 为通过改变构型几何参数设计具有特定性质的带隙材料提供参考.      

波纹夹芯梁在爆炸冲击复合加载下的动态力学行为数值模拟

应用数值方法和一种最新研发的用于模拟带壳装药爆炸中产生的复合加载的复合型子弹,研究复合加载工况下Weldox 460 E钢制成的经典轻型抗爆结构——波纹夹芯三明治梁的动态力学行为.研究使用的有限元模型设置与已发表的实验及有限元结果进行对比得到验证.通过对比复合型子弹和平头破片模拟弹(FSP)加载时的弹道极限差异,发现复...     

接触非线性对声黑洞梁减振效果的影响

声黑洞(acoustic black hole, ABH)效应是基于弯曲波在变厚度薄壁结构中的传播性质发展起来的一种被动减振技术.本文针对传统的线性声黑洞在高频段具有显著减振效果,而在低频段减振性能欠佳的问题,利用接触非线性提出了将能量从低频段传递到高频段的想法,旨在提升声黑洞的总体性能.考虑声黑洞梁和位于其下方的接触挡板的碰撞振动问题,首先,通过实验验证了引入接触碰撞后系统的非线性机制及能量传递效应.随后,基于欧拉-伯努利梁理论建立了声黑洞梁和挡板碰撞振动的数值模型,并分析了模型的收敛性.该模型遵循模态法的求解过程,并利用有限差分法处理变厚度梁的特征值问题.接触作用力借鉴于Hertzian接触定律来刻画,阻尼层的影响则通过Ross-Kerwin-Ungard模型求解.基于数值模型,着重分析了含接触非线性时,声黑洞梁的能量传递与衰减特性及其对声黑洞减振性能的提升,并考察了接触刚度、接触点位置和初始间隙等接触参数的影响.结果表明引入接触非线性后,振动能量可以从声黑洞性能欠佳的低频段传递到声黑洞效果显著的高频区域,梁的能量衰减速度显著加快,声黑洞的整体减振性能得到了有效地提高.     

接触非线性对声黑洞梁减振效果的影响

声黑洞(acoustic black hole, ABH)效应是基于弯曲波在变厚度薄壁结构中的传播性质发展起来的一种被动减振技术. 本文针对传统的线性声黑洞在高频段具有显著减振效果,而在低频段减振性能欠佳的问题,利用接触非线性提出了将能量从低频段传递到高频段的想法,旨在提升声黑洞的总体性能. 考虑声黑洞梁和位于其下方的接触挡板的碰撞振动问题,首先,通过实验验证了引入接触碰撞后系统的非线性机制及能量传递效应. 随后,基于欧拉-伯努利梁理论建立了声黑洞梁和挡板碰撞振动的数值模型,并分析了模型的收敛性. 该模型遵循模态法的求解过程,并利用有限差分法处理变厚度梁的特征值问题. 接触作用力借鉴于Hertzian接触定律来刻画,阻尼层的影响则通过Ross-Kerwin-Ungard模型求解. 基于数值模型,着重分析了含接触非线性时,声黑洞梁的能量传递与衰减特性及其对声黑洞减振性能的提升,并考察了接触刚度、接触点位置和初始间隙等接触参数的影响. 结果表明引入接触非线性后,振动能量可以从声黑洞性能欠佳的低频段传递到声黑洞效果显著的高频区域,梁的能量衰减速度显著加快,声黑洞的整体减振性能得到了有效地提高.      

蜂窝层芯夹层板结构振动与传声特性研究

蜂窝层芯夹层板应用于飞行器、高速列车等交通工具的主体及底板结构时需要考虑其振动及隔声特性. 针对声压激励下的四边简支蜂窝层芯夹层板结构,应用基于Reissner夹层板理论的结构振动方程建立了的声振耦合理论模型(声压以简支模态双级数的形式引入振动控制方程),结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程,应用有限元模拟对理论预测进行了验证. 基于理论模型的数值计算结果,系统研究了蜂窝层芯夹层板结构的振动特性和传声特性,刻画了层芯厚度、蜂窝壁厚、夹层板面内尺寸和声压入射角度等关键系统参数对夹层板振动和传声特性的影响,为此类结构的工程优化设计提供了必要的理论参考.     

传感器类型对岩石破裂声发射时频特征影响实验研究

为探究声发射传感器对岩石破裂监测效果的影响,本文开展了含孔花岗岩双轴加载实验,选择R6α(窄频)和Nano30(宽频)两类传感器同时监测岩石破裂过程,分析两种类型传感器接收信号时频特征的异同点。从工作频段及灵敏度讨论两类传感器的适用性,继而提出岩石破裂监测中声发射传感器的选取原则。研究结果表明,在时域方面,两类传感器接收的声发射信号能量演化规律体现出一致性。在频域方面,R6α传感器接收信号主频集中分布在33～110kHz,Nano30接收信号主频在0～500kHz内均匀分布。R6α窄频传感器接收信号的强度较高、数据量较大,能够隔绝其他频段内噪声信号干扰,适合分析岩石破裂的时序规律;Nano30宽频传感器从频率上能保证信号的完整性,可用于分析岩石声发射信号波形和频率特征。     

0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢绝热剪切破坏分析

应用分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置对0Cr17Mn5Ni4Mo3Al不锈钢圆柱试件进行动态冲击实验。当用300 mm子弹、以50 m/s的速度加载,真应变达到45%时,不锈钢发生以轴线为对称轴的圆锥型破坏。但是用100 mm的子弹以同样的速度进行多次加载,真应变达到80%时,试件仍保持完好。说明试件的破坏与绝热条件有关。对处于破坏临界状态的试件进行金相观察发现：在横截面上,一个圆环形区域内的晶粒被拉长错位;而通过轴线的纵剖面内则有一个与轴线呈45°、宽度约10μm的狭长矩形区域内的晶粒被拉伸成“Z”字形,形成绝热剪切带,晶粒变形从端面到中心逐渐减弱。当高速变形继续进行时,该区域的温度会继续升高,试件将发生绝热剪切破坏。     

自由面数量对水下钻孔爆破振动信号能量分布及衰减规律的影响

针对自由面不仅影响爆破效果还影响爆破振动效应的问题,提出从能量角度探索自由面对水下爆破振动衰减规律的影响。以三峡大坝至葛洲坝水利枢纽河段水下钻孔爆破地震波现场监测数据为基础,结合SPH-FEM数值模拟技术和小波时频能量分析方法,对不同自由面数量的爆破振动信号的总能量、各频带间的能量分布特征及振动衰减规律进行了研究。结果表明:水下钻孔爆破具有低主频、短持时、快衰减的特点,爆破主频带主要集中在15.625～31.250 Hz;受单一自由面限制的水下开槽爆破,监测信号的爆炸能量主要以振动形式消耗,单自由面比振动能为13.14 mm2/(kg·s2),随着后续开挖爆破自由面数量的增加,双自由面和三自由面的比振动能分别降低至1.36和0.28 mm2/(kg·s2),频带质点峰值振动速度分别降低65%和37%,能量更多用于破碎和抛掷岩体,水下爆破振动主频由低频向高频带（31.25～62.50 Hz）发展。因此,在水下控制爆破设计时,需要考虑自由面数量对振动能量分布和衰减规律的影响,并利用这个特征,确定各段的控制药量,减少对周边建构物的共振危害。     

位移模式下PMI泡沫夹层结构疲劳损伤试验研究

论文选取磁悬浮列车车身所用的由铝面板与聚甲基苯丙酰亚胺(PMI)聚合物泡沫芯层所组成的轻质夹层复合材料为研究对象,对夹层结构在室温下进行静态强度测试和进行以位移为控制变量的疲劳损伤演化试验,探讨分析了PMI泡沫夹层结构在交变位移控制下的疲劳性能和破坏行为.给出了PMI泡沫夹层结构在静态载荷作用下的力学性能参数.参考静态试验结果加载适当的位移载荷进行疲劳试验,发现在位移控制模式下,夹层结构的疲劳损伤过程和破坏模式明显区别于载荷控制模式.当最大控制位移较小时破坏形式为面板与泡沫层脱离;位移较大时为面板断裂和泡沫芯层塌陷.通过引入载荷的变化作为损伤参量建立了位移控制模式下损伤演变公式,并对两种模式的破坏行为进行了较好的预测.     

EEMD修正爆破加速度零漂信号中的最优白噪声系数

为了有效降低振动信号误差以提高数据的可信度,先针对花岗岩爆破试验中的加速度零漂信号,使用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)与高低频处理相结合的方法进行修正;接着,根据信号冲击响应谱提出表征修正前后频域平均偏差幅度的修正指数;最后,基于频域和时域分别讨论了不同白噪声系数范围内信号的修正效果。分析表明:EEMD方法能够有效地消除爆破加速度信号的零漂现象,但对积分后速度信号的零漂趋势改善有限;随着白噪声系数增大,不同频段上修正指数均不同程度地增大,二者呈现幂指数关系;根据不同频段上的修正指数分析,可以确定不同零漂加速度信号对应的最优白噪声系数范围。本文提出的修正指数可为EEMD方法处理加速度零漂信号时白噪声系数的合理选取提供参考。     

基于ESPI和DIC技术的混凝土断裂特性研究及对比分析

采用电子散斑干涉(ESPI)技术和数字图像相关(DIC)技术对带预制裂缝的三点弯曲混凝土梁进行了测量,研究了普通混凝土(混凝土强度f_(cu)=33.2MPa)和高强混凝土(f_(cu)=65.1MPa)的断裂特性。结果表明:各组试件的P-δ曲线离散性较大,但P-CMOD曲线吻合度较高,在峰值荷载处,临界裂缝尖端张开位移(CTOD_c)分别为21mm和29mm;从试验裂缝张开位移(COD)曲线确定裂缝扩展长度,两种混凝土的裂缝扩展长度与韧带高度之比分别为1∶4和1∶3。分析了两组试件的荷载-裂缝扩展长度关系规律。与夹式位移计测量结果对比发现,ESPI和DIC均可替代传统测量仪器得到比较准确的测量结果,当试件变形较大(CMOD0.25mm)时,ESPI的测量误差较大,而DIC误差一直保持在0.03mm以内。分析了两种技术测量误差产生的原因,对降低实验误差提出了一些建议。