碎冰区海冰与船舶结构相互作用的离散元分析

采用离散元模型对碎冰区海冰与船舶结构的相互作用进行了数值模拟。碎冰由三维圆盘单元构成,并考虑了其在海流作用下的浮力、拖曳力、附加质量;采用单元组合的方式构造了船体的简易模型。通过海冰与船体单元间的接触判断和接触力计算确定海冰与船体结构之间的相互作用。采用以上离散单元模型对不同冰速、冰厚、冰块尺寸、密集度条件下海冰与船体的动力作用过程进行了数值计算,并对比分析了不同海冰参数下冰对船体作用力的幅值。结果表明：冰对船体的作用力随冰厚、流速、密集度、冰块尺寸的增加而增大。本文工作可为冰区船舶的安全运行和结构设计提供参考。     

基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析

离散元方法广泛应用于海冰,特别是碎冰区的动力过程及其对海洋结构作用过程的数值模拟。为构造碎冰区中的冰块几何特性,基于二维Voronoi图方法对计算域进行随机切割以生成碎冰区中冰块的几何形态,并采用球体单元对每个碎冰块单元进行填充,从而确定碎冰区的初始分布场。在采用Voronoi图进行碎冰区构造时,可对冰块尺寸、几何形态和密集度等海冰参数进行设定。为确定冰块的不同几何规则度,综合采用排斥法和扰动法以定量地控制碎冰块几何形态从完全随机分布到规则分布的连续变换。为分析不同几何规则度下碎冰块的几何特性概率分布规律,对计算域内冰块的面积和边数等参数进行统计分析,从而可更合理地参数化控制初始冰场中碎冰块的几何特性。在此基础上,本文基于粘接-破碎的球体离散元方法对不同冰况下锥体结构的冰荷载进行了数值计算,讨论分析了碎冰区的海冰密集度、冰块面积和几何规则度对冰载荷的影响。     

平整冰和碎冰区单桩锥体风电基础结构冰载荷离散元分析

在渤海和北黄海海域,冰载荷是影响风电基础结构振动响应及疲劳寿命的关键因素.对于单桩风电柔性结构而言,在水线处安装抗冰锥可有效降低冰载荷,保障海上风电安全运行.为分析海冰对锥体风电结构的冰载荷,基于扩展多面体离散元方法模拟了平整冰和碎冰对锥体风电结构的作用过程,分析了不同锥径和海冰密集度下的锥体风电结构冰载荷及冰激结构振...     

折射式激光多普勒测速系统

为了测量透明物体横向运动时的位移速度,提出了一套基于激光外差干涉技术的折射式激光多普勒测速系统,并对该系统所采用的多普勒效应测速方法进行了研究。首先,通过外差干涉系统使测量光与参考光发生干涉,利用信号探测系统探测它们合光束光强变化波形。然后,使用信号分析软件分析此波形,得到合光束的拍频,即测量光与参考光的频率之差。最终,利用此拍频值进行理论计算,求出垂直于探测光方向匀速运动时三棱镜样品的位移速度,并分析了整个系统的测量误差。实验结果表明,对20μm/s、80μm/s、140μm/s、200μm/s等给定的位移速度,该系统的速度测量误差不超过1.5%。测量结果具有良好的可重复性,证实了该系统的有效性与可靠性。实验系统原理简单,输出信号信噪比较高,测量精度高,具有广泛的适用性。     

复合材料修补结构腐蚀扩展特性实验研究

为了研究腐蚀环境对复合材料修补结构疲劳特性的影响,开展以某型飞机加速环境谱为基础的预腐蚀试验,并采用递进式的试验方法分别完成对未修补未腐蚀、修补但未腐蚀、又修补又腐蚀的试样疲劳裂纹扩展试验。利用试验数据计算了复合材料修补构型、腐蚀环境对裂纹尖端应力强度因子影响的修正系数,并确定了通过试验验证的修补结构疲劳裂纹扩展修正模型。该模型预测腐蚀环境下修补结构的疲劳寿命与试验值一致。试验数据和预测模型可为海军飞机复合材料修补结构的损伤容限设计提供参考。     

极地船舶冰区操纵性能的六自由度离散元分析

极地船舶操纵破冰性能是破冰船设计建造过程中需重点考虑的问题。为分析极地船舶操纵性能,本文发展了冰区船舶六自由度操纵破冰运动模型,采用扩展多面体离散元模拟海冰,舵桨操纵模型提供破冰力。开展平整冰区定常直航模拟计算,并与Lindqvist船体冰阻力经验公式展开对比验证;开展雪龙号敞水35°舵角操纵性仿真,并与实船试航结果进行对比。在此基础上,开展冰厚及舵角影响下的船体结构冰载荷及破冰轨迹计算,模拟得到操纵破冰航行中船体垂荡、横摇及纵摇运动时程;最后分析操纵破冰船体线载荷分布与直航破冰下的差异。     

海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中,冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型,可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求,建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算,采用网格排序方法创建单元邻居列表,以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外,还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性,对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算,并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析,获得了海冰的破坏特性,确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析,为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.      

弹性半空间地基与四边自由异性矩形板相互作用的研究

选用弹性半空间地基模型分析四边自由各向异性矩形地基板的弯曲和稳态振动解析解。将异性薄板控制微分方程与基于弹性半空间地基位移解建立的板与地基变形协调方程相结合,先按对称性分解,然后采用三角级数法得出了弹性半空间地基上四边自由各向异性矩形薄板的弯曲和稳态振动解析解,包括地基反力(幅值)、板的挠度(幅值)、板的内力(幅值)的解析表达式。克服了数值法的弊端,取消了对地基反力的假设,得到了板的内力(幅值)及地基反力(幅值)更切实际的分布规律。算例结果不但与文献结果吻合良好,而且表明对于异形板,对称载荷能引起反对称的内力和变形。该方法使得半空间地基上各向异性矩形薄板这一复杂的接触问题的求解统一化、简单化、规律化。     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

火灾情况下混凝土板温度场的解析解

针对火灾情况下火场温度和构件边界的温度均随时间不断变化的问题,应用杜哈美尔定理分析了边界温度按一定规律随时间变化的热传导问题。推导得到了火灾情况下混凝土板温度场的解析解公式,并应用MATLAB编程计算得到了解析解结果。比较解析解的计算结果和试验结果发现:两者得到的截面温度场都呈非线性分布;两者的变化趋势一致,即近火面的温度梯度很大,距受火面越远,温度梯度越小;温度曲线都是凸向坐标轴。因此,推导得到的解析解公式适合于求解火灾时混凝土板横截面的温度场。同时,只要能够求出非齐次项与时间无关时的辅助问题的解,便可应用杜哈美尔定理求解该热传导问题的温度场,因此该方法可推广应用于火灾情况下其它构件温度场解析解的计算。     

钢管混凝土柱抗火性能的试验研究

对2个钢管混凝土柱进行了抗火性能的试验研究。试验采用足尺试验形式,柱长3800mm,钢管外部有20mm厚砂浆保护层。通过试验,得出钢管混凝土柱的截面温度场分布规律和耐火极限。试验结果表明,砂浆保护层的存在使得钢管表面温度比炉内温度降低大约300℃～500℃,提高了钢管混凝土柱的耐火极限。钢管混凝土柱第一次受火达到炉内最高温度810℃,没有破坏,冷却到常温,第二次受火,柱子破坏,破坏时炉内最高温度为828℃。与一次受火破坏钢管混凝土柱相比较,炉内最高温度降低了122℃,二次受火钢管混凝土柱耐火极限温度明显降低。上述结果可为今后结构抗火性能的研究提供依据。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料Griffith强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明:强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。     

小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离L为-6m～19m时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明:未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从19m减小到10m时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从10m变为5m时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

静电雾化锥射流模式下液锥形态的研究

本文分析了静电雾化锥射流模式下液锥表面静电应力、表面张力应力分布特性,基于应力平衡建立了液锥力学模型,并对流量、荷电电压及针形喷嘴的内半径等参数对液锥结构形态的影响进行了预测。首先设计了针形喷嘴静电雾化实验装置,应用高速摄影技术观测了静电雾化的典型雾化模式和液锥形态演化特性。实验结果表明:锥射流雾化模式仅在一定的荷电电压范围内才会出现;针形喷嘴的流量增加,液锥锥角减小,液锥长度增长;随着荷电电压或针形喷嘴内半径的增加,液锥锥角增大,液锥长度缩短。实验结果与液锥力学模型的预测结果一致。     

压电套筒式拉压双向受力主动杆件设计及测试

压电堆具有体积小、频响快、能耗低以及集传感与驱动于一体等优点。结合二次驱动机械设计原理,开发了适应于结构振动控制的压电套筒式拉压双向受力主动杆件。本文介绍了主动杆件的设计方法及构成部件,并给出了详细的工作原理图,阐述了主动杆件为充分发挥压电堆良好受压性能而将拉力转化为压力的传力途径,并运用Hamilton原理,对主动杆件进行了有限元建模。通过对压电堆的性能测试,得到了压电堆的电压-位移输出关系以及动态性能曲线;通过对压电主动杆件的动力性能测试,得出压电主动杆件适宜于在20Hz～50Hz频段范围内工作;由驱动性能测试,得到了主动杆件的增益函数。本文结论可为进行结构抗振提供设计参考。     

淋溶作用下煤矸石产酸/产碱动力学的实验研究

为研究煤矸石在淋溶作用下产酸/产碱过程的化学动力学参数,以辽宁阜新矿区新鲜煤矸石为研究对象,采用改进的静态淋溶实验方法,对三种不同矿物组分煤矸石在淋溶过程中的产酸/产碱速率进行了实验研究。结果表明:淋溶作用下煤矸石的产酸/产碱过程可分为快速和慢速两个时期。快速期内产酸/产碱速率分别受硫铁矿及方解石矿物含量的影响;慢速期内的产酸/产碱速率分别受其他硫化物和硅酸盐矿物含量的影响。经计算,实验所用三种煤矸石的快速产酸速率分别为5.184、3.504、4.465mmol.kg-1.day-1;慢速产酸速率分别为0.256、0.844、0.395mmol.kg-1.day-1;快速产碱速率分别为8.64、6.16、6.72mmol.kg-1.day-1;慢速产碱速率分别为0.109、0.320、0.429mmol.kg-1.day-1。煤矸石淋溶液酸碱性演化过程可根据影响表观pH值的矿物成分划分为方解石碱性期、硫化物产酸期、硅酸盐滞后产酸期和硅酸盐产碱期四个阶段,但受不同煤矸石所含矿物组分的差异的影响,上述四个时期的持续时间各异。     

铁路道砟破碎特性的离散元分析

为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用。本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小。道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合。     

牵张力使大鼠实验性牙齿移动对PTHrP表达的影响

通过探讨牵张力对甲状旁腺激素相关蛋白(Parathyroid hormone related protein,PTHrP)表达、分布的影响,为深入了解正畸牙齿移动过程的骨改建机理提供参考,本文使用体重200±20g、6～8W龄的健康雄性Wistar大鼠42只适应性喂养1W后随机分为7组,每组6只。选择每只大鼠的左侧上颌第一磨牙作为实验牙,以左侧上颌切牙作为支抗牙,安装正畸用0.012英寸(inch)步镍钛螺旋拉簧,力值为50g(0.49N)。分别于安装牙齿移动装置后1d、3d、5d、7d、14d、21d处死实验组大鼠,取含左侧上颌第一磨牙及其周围牙槽骨的组织块,常规进行HE染色和SABC法免疫组织化学染色。利用图像分析系统(0BI200高清晰度彩色病理图文分析系统),对每张免疫组化染色后的切片做定量分析。SPSS17.0建立数据库并进行统计学分析,显示在张力区牙周膜及牙槽骨组织中的成骨细胞、成纤维细胞以及间充质细胞PTHrP呈阳性表达,且张力区牙周组织中PTHrP的表达在加力第5天达到高峰。表明PTHrP牙周组织的改建有一定的调节作用,使张力区与压力区向不同的方向发展。     

基于提升小波的压电埋入式超声信号的改进阈值降噪

在传统小波阈值降噪的基础上,提出了一种基于提升小波的改进阈值降噪方法,用于不同信噪比条件下实测压电传感器输出声信号的降噪,并与传统的硬、软阈值降噪方法进行对比。结果表明:该方法降低了硬、软阈值法降噪后信号的振荡,相比于硬阈值和软阈值降噪,信噪比SNR值最多可提高58.32%,降噪均方差MSE值最多可降低64.28%。最后通过Wigner-Ville时频分布进一步验证了该方法的有效性。