水电站蜗壳垫层平面铺设范围的确定原则

目前工程界对如何合理确定水电站蜗壳垫层平面铺设范围尚无统一认识.本文采用三维有限元方法,从座环位移变形、座环抗剪性能、机墩结构位移变形、流道结构承受的扭转力比例四个方面讨论了垫层平面铺设范围的确定原则.研究结果表明,若蜗壳结构问题的主要矛盾是座环和机墩位移变形过大,则平面上垫层末端宜设置在蜗壳135°～180°断面之间;但从改善座环抗剪性能和流道结构受力条件的角度来讲,垫层末端宜设置在蜗壳0°～90°断面之间或270°断面之后.考虑到座环抗剪性能和流道结构受力条件可以通过局部的工程措施予以改善,因此应该优先考虑座环和机墩结构的不均匀变形问题,据此确定蜗壳垫层平面铺设范围.     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

沥青混凝土心墙堆石坝应力变形有限元分析

基于邓肯-张E-B非线性模型,对某沥青混凝土心墙堆石坝进行三维有限元分析,研究该坝在竣工期及蓄水期坝体与心墙的应力变形特性,得到不同时期坝体、心墙的应力、变形分布规律。结果表明:竣工期及蓄水期坝体最大沉降值出现在约1/2坝高处;坝体沿水平位移方向上游部分呈现向上游变位的趋势,坝体下游部分呈现向下游变位的趋势;坝体大、小主应力随深度的增加而增加;心墙的最大沉降值出现在大约1/2墙高处;心墙沿坝轴线位移左右岸分别产生向河床中部的位移;心墙大、小主应力随深度的增加而增加,心墙基本全部受压,仅在左右岸与基座接触处出现小范围的拉应力区;蓄水期心墙在任意高程处的竖向应力均大于同点的上游水压力,故心墙发生水力劈裂的可能性很小。建议设计时应在上下游坝坡采取必要的护坡措施,施工时保证上下游坝坡附近坝体的压实质量;由于左岸岸坡太陡,与混凝土垫座相接的部位出现较大的拉应力,应进行相应的开挖处理。     

微动磨损对过盈配合结构微动参量的影响

基于Archard磨损模型与Abaqus自适应网格技术建立了仿真分析过盈配合结构微动磨损的计算模型,对配合面轮廓随循环周次的变化进行了预测,并详细研究了微动磨损对接触压应力、摩擦剪切应力及微动滑移幅值等微动参量的影响.结果表明:该计算模型能够较为准确地对配合面轮廓随循环周次的变化进行预测;由于微动磨损的作用,配合边缘处接触压应力的峰值逐渐增大,且其位置逐渐向配合内部移动;摩擦剪切应力的最大值逐渐由黏着-滑移过渡位置向磨损-未磨损过渡位置移动;张开区域的宽度以及滑移区内各位置处的微动滑移幅值均随着循环周次的增加而增大.     

海水干湿作用下带初始裂缝RC梁钢筋与混凝土粘结试验

钢筋与混凝土之间粘结是影响钢筋混凝土结构安全性与耐久性的关键因素之一。本文针对海水干湿环境中带预制裂缝钢筋与混凝土的粘结滑移性能进行研究。在实验室内模拟了沿海地区海水干湿循环环境,制作了带有不同初始横向裂缝宽度W和不同混凝土强度C的铰梁,并经海水浸泡180d干湿循环,研究了钢筋与混凝土之间的粘结退化规律。结果表明:(1)钢筋与混凝土之间的极限粘结应力随W增加而降低。混凝土强度分别为C25、C35时,W=0.2mm试件的极限粘结应力较无裂缝试件的极限粘结应力分别降低了14.94%、15.92%。(2)极限粘结应力随混凝土强度的提高而增大,当初始横向裂缝宽度相同时,混凝土强度C35试件的极限粘结应力比C25试件的大11.5%左右。(3)峰值滑移随混凝土强度增加而减小。     

混凝土SHPB束杆装置冲击实验的数值仿真

利用Ansys/Ls-dyna有限元软件模拟不同打击气压下混凝土SHPB束杆实验,对实验装置模型进行了简化;采用梯形应力脉冲载荷,模拟得到了实验中试件的应力-应变曲线。结果显示:模拟结果与实验结果吻合较好,验证了该方案的可行性;同时试样应力峰值随打击气压增大而增大。对不同幅值梯形应力脉冲加载下的SHPB束杆装置和单杆装置实验进行数值仿真,研究表明:束杆装置中试样应力峰值比单杆装置小一些;随应力脉冲载荷幅值增大,束杆装置中试样应力峰值增长速度要高于单杆装置。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

三向受压混凝土的动态特性研究

为探究混凝土在三向受压状态下的动态特性,利用自行研制的大型多功能三轴材料试验机,进行不同应变速率(10^-5/s、10^-4/s、10^-3/s、10^-2/s)下混凝土不同定侧压比(1:1、2:1、3:1、4:1)的动态真三轴抗压试验,研究了混凝土在动态抗压下的强度和变形特性。结果表明:混凝土在三向受压状态下表现出明显的应变率效应,峰值应力随着应变速率的增加先减小后增大,峰值应力减小最大幅度为5.42%而后开始增大,最大增幅为18.22%。而峰值应力随着侧压比的增大而增大,到达3:1时应力速率敏感性降低。混凝土的峰值应变在低侧压比(1:1和2:1)时随着应变速率的增加而减小,而在侧压比较高(3:1和4:1)时先减小再增大。随着应变速率的增加,裂纹开始从骨料处产生,塑性应变增大,导致峰值应变增大;在动态加载条件下,峰值应变随着侧压比的增大有先增大后减小的趋势。较高侧压比时混凝土的弹性模量随着应变速率的增加具有增大的趋势,最大增幅为240.66%。应力-应变曲线上升段随着应变速率增大越来越陡峭。试件的破坏形态随着侧压比的增大从柱状破坏变为斜剪破坏。     

海洋结构薄板弹性屈曲的群孔效应

针对含孔洞板结构,重点考虑非均匀孔洞分布,采用有限元方法对小变形结构的极限承载能力进行计算,得到孔洞数量、面积、位置、分布等因素对屈曲临界应力的影响规律。结果表明:孔洞分布不仅会改变有效承载面积并使承载能力变化,局部结构还会进入不同承载状态,使板结构承载性能产生非单调变化,即孔洞对板结构屈曲应力的影响具有一定的"群孔"效应。     

摩擦系数对钛合金等通道转角挤压影响的有限元分析

以Ti-6Al-4V钛合金高温变形行为研究为基础,建立了等通道转角挤压（ECAE）的三维模型,运用DEFORM-3D有限元分析软件模拟了600 ℃等温条件下不同摩擦系数对Ti-6Al-4V合金ECAE过程中的温度场,等效应力,等效应变以及等效应变率的影响。结果表明：核心高温区以及核心应力区主要集中于转角处;随着摩擦系数增大,核心高温区面积增大,转角入口区的应力也有所增加;点迹跟踪结果表明各点应变均在经过转角处达到最大值,内角点及外角点处的变形较不稳定。     

碳纤维复合材料拉索的非线性力学性能

采用解析法分析碳纤维复合材料(CFRP)拉索的非线性力学性能,通过与钢拉索对比分析,得出了CFRP拉索的受力特点.由于密度低,CFRP拉索自重应力、垂度约为钢拉索的1/5,承载效率也比钢拉索高许多,其承载极限长度为钢拉索的7倍,且随跨径增大,钢拉索的等效弹性模量下降非常快,而CFRP索仍保持较高值.由于CFRP线胀系数比钢材的线胀系数要小得多,约为其1/14,在温差与约束相同时,无垂度CFRP索温度应力仅为无垂度钢索的1/23.当有垂度时,钢索的温度应力降低,CFRP索的温度应力变化很小.     

加筋土地基模型试验边界效应与承载性能分析

为进一步探讨边界效应对加筋土地基的影响,基于室内方形基础下加筋土地基大模型试验,采用ABAQUS有限元软件建立加筋土地基数值模型,主要分析了模型宽度L和加载板宽度B对加筋土地基承载性能、地基内部土体应力应变及筋材变形的影响.结果表明:无筋地基与加筋土地基极限承载力均随L/B的减小而增大,当L/B＞5时,可忽略边界效应对...     

钢桁腹式混凝土组合箱梁的扭转效应分析

结合钢桁腹式混凝土组合箱梁的结构特点,基于薄壁箱梁扭转理论,推导出组合箱梁闭口断面的混凝土顶底板和换算钢腹板的扭转翘曲应力表达式,进而推导出组合箱梁约束扭转控制微分方程;利用初参数法求解微分方程,并分析出翘曲双力矩以及扭转翘曲正应力随梁跨的变化规律.通过有限元模拟分析,将有限元值和理论值进行比较,结果吻合良好.研究表明,翘曲双力矩在集中扭矩作用处达到最大值,并且衰减速度很快,使得该处箱梁截面的翘曲应力达到最大值,箱梁的翘曲双力矩在远离集中扭矩作用处几乎为零,翘曲正应力也几乎为零;有限元数值与理论数值的差值百分比在10％以内,说明本文建立的理论计算方法合理可行.     

考虑损伤效应的双层结构界面蠕变应力分析

针对导致多层结构失效的界面应力问题,利用 ABAQUS 大型有限元程序,对比分析了线弹性、蠕变、蠕变-损伤条件下 Silicon/Epoxy 双层材料受到温度载荷作用时界面切应力和界面剥离应力的分布规律.分析结果表明:蠕变-损伤分析所得到界面切应力和界面剥离应力的结果要比线弹性有限元及蠕变有限元分析的结果小,其中线弹性分析得到的结果是三者中最大的;最大损伤出现在双层结构的界面边缘处,且损伤随着两种材料之间弹性模量差别的增大而增大;损伤沿界面的分布规律与界面剥离应力沿界面的分布规律类似.     

Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的高温拉伸变形特性分析

利用热/力模拟试验机,对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢进行了950℃~1200℃高温范围内的拉伸试验;采用有限元方法对试样的均匀变形过程进行了分析。高温拉伸过程中,试样在达到最大应力后并不立即颈缩,而是还要经历一段宏观均匀变形后才颈缩。分析结果表明:最大应力之后,试样端部区域等效应力降低,横截面积收缩量减小,而中心区域横截面积收缩量增大,形成了潜在颈缩区;在应变速率敏感性的作用下,潜在颈缩区的变形抗力随应变速率的增大而增加,使变形不能在该区域集中,而转向其它位置,保持了试样的宏观均匀变形,且颈缩未在最大应力后立即发生;在高温拉伸条件下,材料应变速率敏感性的增大是颈缩延迟发生的主要原因,随着变形温度升高,应变速率敏感性增大,也使得试样颈缩前的均匀变形量增大。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

考虑拉压不同模量压力隧洞应力和位移弹性解

岩石拉压弹性常数并不相同.基于拉压不同模量理论,考虑衬砌和围岩模量差异性,推导了压力隧洞的应力、位移新解及围岩弹性抗力表达式,并分析了模量差异对压力隧洞力学行为的影响.结果表明,新解可退化为经典解答;径向应力新解大于经典解,而切向应力则反之,位移经典解小于新解;围岩弹性抗力系数随压拉模量比增大呈抛物线变化.衬砌和围岩模...     

内爆炸下钢管混凝土结构变形与破坏的试验分析及数值模拟

钢管混凝土结构由于具有良好的力学性能和低经济成本而受到广泛应用,因此对它的研究很多,但对它在爆炸作用下尤其是内爆炸作用下的研究很少,故分析钢管混凝土结构在内爆炸下的变形与破坏具有重要意义.本文通过试验与数值模拟方法,分析了内爆炸下钢管混凝土结构在具有二条预制狭缝时的变形与破坏情形.结果表明,钢管变形主要发生在靠近狭缝处,变形大小随药量的增加而增大,最终导致钢管在狭缝两端出现约45°方向的裂纹,引起钢管混凝土剪切破坏.     

Nb_3Sn复合超导体中复杂形貌晶粒及晶界的力学变形分析

Nb_3Sn复合超导体中的晶粒具有复杂的形貌,本文基于密排纤维增强复合材料的相关理论与多晶体有限元分析方法,建立Nb_3Sn复合超导体中晶粒及晶界变形的尺度耦合计算模型,该模型能较为真实地反映细观尺度下Nb_3Sn复合超导体的结构特征;利用该模型研究Nb_3Sn复合超导体在轴向拉伸与压缩加载模式下柱状晶区和等轴晶区的微观局部应力以及晶粒与晶界变形特征,并分析荷载下Nb_3Sn复合超导体中沿晶界的弹性变形变化特点。研究结果表明:在拉压加载条件下,Nb_3Sn多晶体的Mises等效应力表现出非均匀分布的特征,Nb_3Sn等轴晶晶界处以及柱状晶区域与等轴晶交界处为主要的应力集中区域;局部应力与加载应力的比值范围集中在0.11～1.28并沿晶界波动变化,变化幅值依赖于晶粒形貌和复合材料结构。相关结果有助于理解和揭示极低温环境下Nb_3Sn复合超导体的变形和其超导电性能力学效应的起源。