分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 船舶爬壁机器人与陆地机器人的不同之处在于其兼具移动和吸附功能,能够于倾斜的船舶壁面上完成爬壁运动,通过配备除锈、清洗、焊接所需的高压水枪、焊枪、图像识别等装置完成对应作业任务,每种作业任务需要的运动机械结构和运行方式也有不同。通过介绍近年来设计制造的爬壁机器人及其爬壁平台,按照其吸附原理和运动特点将其分为磁吸附、负压吸附和仿生类等爬壁平台设计方法,介绍了各类爬壁平台的机械结构设计、运动性能和适用范围,期望能够为未来船用机器人的设计制造和技术发展提供灵感。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 混凝土的断裂性能直接影响着结构的安全性和耐久性。研究裂缝在混凝土中的扩展规律,是分析混凝土断裂性能的基础。具有非均质和非线性特性的混凝土是一种多相材料,在其内部存在大量初始裂缝,因此混凝土的断裂机理十分复杂,影响因素颇多。目前,普通混凝土断裂性能的分析方法比较成熟,针对混凝土的非线性特性已经建立了两类模型:便于数值分析的缝面软化模型和便于解析计算的等效弹性裂缝模型。此外,地聚合物是一种低碳环保的建筑材料,具有优异的机械性能、耐久性能和耐高温性能。因此,对于地聚合物复合材料(geopolymer composite,GPC)的断裂性能研究是推广其工程应用的必要前提。地聚合物与普通混凝土具有相似的脆性,研究者们基于普通混凝土断裂力学的分析方法,开展了GPC断裂性能的研究。本综述梳理了混凝土断裂力学发展历程,概括了GPC性能的主要影响因素,总结了原材料组成、碱激发剂和纤维对GPC断裂性能的影响,并对GPC断裂性能的未来研究方向进行了展望。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2024-01-03
摘要： 现有教材中点的合成运动速度和加速度定理的证明都比较复杂，给课堂教学与学生学习带来较大困难。本文提出一种基以旋转变换矩阵的新的定理证明方法，以期帮助学生能更快的掌握、理解与应用速度和加速度合成定理。本文利用合成运动法和旋转变换矩阵法，建立点的绝对运动、牵连运动和相对运动的解析关系式。将该解析关系式对时间求一阶导数，得到平面运动、平行移动及定轴转动时的点的速度合成定理。进一步将解析关系式对时间求二阶导数，得到平面运动、平行移动及定轴转动时的点的加速度合成定理。本文的证明过程数学思路简明流畅、物理概念清晰明了、非常适合教学。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 拓扑互锁是一种新兴的结构设计理念,因特别的构成和连接方式,具有较优的力学性能,包括杰出的结构韧性、抗裂纹延展及抗局部破坏能力、较好的能量吸收能力等,近年来在众多领域内引起广泛关注。很多学者对此展开多方面的创新研究,取得了很大进展。首先在性能特征方面,目前关于拓扑互锁材料在准静态变形过程中的力学性能的分析研究已经较为全面,结构动态响应的分析也已有所开展; 基于力学性能的研究,材料结构优化是近年研究的一个重点、正在系统化地完善之中; 在工程应用方面,拓扑互锁结构在工程防护、航天材料、建筑设计、新型材料等一些领域都有应用研究,而且近年呈现出多元化、新颖有趣的趋势。本研究从拓扑互锁结构的优势特点、结构类型和应用等几个方面介绍近年来拓扑互锁结构国内外研究的进展及现状; 在分析研究现状的基础上,也对拓扑互锁结构的未来发展趋势及可能拓展的工程应用进行了展望。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 探讨构建足-鞋三维复合有限元模型的方法,基于所建模型开展生物力学应用研究,为跑鞋设计优化及足部潜在损伤预防提供科学依据。基于足-鞋三维CT断层影像数据进行逆向重建,结合实验三维空间参数定义模型加载及边界条件,建立个体化足-鞋非完全接触有限元模型。细划足底和鞋底压力分区,与实验测试结果对比全方位验证模型的可靠性,并采用Bland-Altman分析、Pearson相关性分析以及配对T检验进一步验证方法的一致性及有效性。应用模型模拟分析裸足/着鞋状态,不同鞋底材料刚度对人体静态站立工况下跖骨区应力的影响。结果如下:1)除前足外,其他所有分区模拟与实验结果相对一致。进一步统计分析发现,两种方法有显著相关性(r=0.986; P<0.001),所有压力差值点均处于95%一致性界限区间内,且数据无显著性差异(P=0.202),表明方法的一致性和有效性均相对较好; 2)静态站立工况下应力主要分布在第二、三跖骨体,其中第三跖骨所受应力最大。与着鞋站立相比,裸足时跖骨区应力峰值明显上升; 3)随着鞋底材料刚度的增加,跖骨间应力峰值差异也逐渐增大,应力趋向集中于第二、三跖骨。基于上述研究结果,本研究得出以下结论:1)前足模拟压力不足或与其纵向应变过大相关,后续研究应考虑优化约束条件; 2)裸足及鞋底刚度增加会导致跖骨应力异常变化,建议在进行裸足跑鞋或碳板跑鞋研发设计时,可考虑在前足跖骨区域添加缓冲结构,协助优化跖骨应力分布,降低潜在损伤风险。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性,具有独特的力学响应特性,呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程,研究了溶液流变学特性,发现溶液拉伸应力随应变率呈现出拉伸硬化-稀化-硬化的强非线性特征。研究了蠕虫状胶束溶液绕圆柱流动的特性,在低雷诺数(Re～0.01)下,当维森贝格数Wi>1时,流场出现较强的不稳定性,绕流尾迹区流场呈现随时间波动的特征,通过功率谱分析发现流场波动具有拟周期特征,当胶束断裂引起流体拉伸应力对弹性响应的非线性增强时,流场波动的不规则性增强。圆柱后缘附近出现一对周期性变化的对称涡,表明流体弹性会促进流动分离的发生,流体拉伸应力对弹性变化的强非线性响应是造成低雷诺数绕流流动不稳定性的根本原因,揭示了蠕虫状胶束溶液在低雷诺数高黏弹性时绕流流动不稳定性的产生机理。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 采用空间杆单元模拟结构杆件,基于徐变作用下钢管与核心混凝土黏结良好因而应变协调的特点,结合徐变的时间步增量分析方法,建立适合钢管混凝土空间桁拱徐变分析的单一单元模型并开发了程序,对湖南茅草街大桥(主跨为368 m的中承式钢管混凝土拱)进行了《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG-T D65-2015)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)规定的两种徐变模式下拱肋下挠、截面应力以及杆件内力重分布的对比分析。结果表明:本研究的钢管混凝土杆件单一单元模型相对于常规的双单元模型能提高计算效率; 两种徐变模式下计算的由徐变引起的拱肋下挠、截面应力重分布非常明显,杆件内力重分布不太明显; 相对而言,后一种徐变模式下徐变对拱肋受力行为的影响更强些。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 本研究主要研究混凝土徐变特性的分数阶模型拟合及其多参数识别问题。在模型方面,提出利用修正的分数阶Maxwell模型和分数阶Poynting-Thomson模型两种模型模拟混凝土的徐变实验数据,并将结果进行对比,通过数据拟合和误差分析验证两种模型的有效性。在多参数识别方面,分别采用贝叶斯算法和布谷鸟搜索算法两种算法识别两个模型中的多个参数。研究表明:修正的分数阶Maxwell模型和分数阶Poynting-Thomson模型在刻画混凝土徐变特性中均是有效的; 贝叶斯算法和布谷鸟搜索算法在分数阶模型的多参数估计问题中均是可行的,但布谷鸟算法搜索速度更快、误差更小、效率更高,在分数阶模型的多参数识别问题中性能更优。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 本研究提出了适于模拟岩石类材料变形-拉裂过程的三维可开裂拉格朗日元方法,其实质是三维拉格朗日元方法与断裂力学中虚拟裂缝模型的耦合方法,主要适用于立方体单元。以三维拉格朗日元方法为基础,引入虚拟裂缝模型的具体过程主要包括3个关键步骤:首先,通过节点周围单元的应力获取节点的应力,进而利用节点的最大主应力和岩石单轴抗拉强度进行节点分离判断; 然后,选择与节点最大主应力垂直平面最接近的单元边界作为裂缝扩展方向; 最后,引入虚拟裂缝模型模拟裂缝的萌生和扩展过程。利用该方法模拟了单轴拉伸岩样和三点弯曲岩梁的变形-拉裂过程,并初步分析了Ⅰ型断裂能、岩样高度和单元尺寸的影响。同时,通过将本研究结果与单轴拉伸岩样峰值应力、临界位移的理论解和前人位移控制加载条件下三点弯曲岩梁的载荷-位移曲线的数值解进行对比,验证了本研究方法的正确性,这为将来的工作奠定了良好的基础。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 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。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 钢纤维的平均方向效应系数是表征纤维综合取向性对混凝土性能影响的一个重要因素。为了从细观层次探究平均方向效应系数对钢纤维增强混凝土复合材料损伤开裂的影响,本研究基于有限元软件参数化语言,建立了由钢纤维、水泥砂浆以及界面过渡区三相材料构成的二维钢纤维混凝土模型,并模拟了不同平均方向效应系数下钢纤维混凝土单轴拉伸破坏的全过程。结果表明:混凝土的抗拉强度随着平均方向效应系数的增大而提高; 钢纤维对混凝土的阻裂增韧效应也随之增强,进一步揭示了钢纤维混凝土在单轴拉伸条件下混凝土的损伤破坏机理。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验,导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难,因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征,采用三维颗粒流离散元法,通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验,进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明:采用改进平行黏结模型,基于细观矿物特征,通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型; 加载前期,岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹; 随加载进行,岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏,其微裂纹呈指数增加,而结构面微裂纹先激增后趋于稳定; 相同轴向应变时,岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加,而结构面剪切微裂纹减少; 岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段,其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏; 溶蚀使岩体强度降低,溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为研究服役后X56双层海底管道钢的疲劳裂纹扩展速率,对外层管上截取的标准紧凑拉伸试样分别在空气和海水环境下进行不同最大疲劳载荷(Pmax=9 kN,10 kN,12 kN)的疲劳裂纹扩展试验。与空气环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率相比,裂纹生长至15.38 mm时,9、10、12 kN载荷下海水环境中CT试样的疲劳裂纹扩展速率分别提高了1.82倍、1.54倍、1.43倍; 随着裂纹扩展长度增大,外界载荷起主导作用,海水腐蚀的影响越来越小。综合分析最大疲劳载荷对疲劳裂纹扩展的影响,结果发现相同裂纹长度的前提下,疲劳载荷增加,应力强度因子幅值(K)和疲劳裂纹扩展速率(da/dN)增加,海水腐蚀影响逐渐减小。疲劳裂纹扩展试验中所施加的最大疲劳载荷对CT试样的疲劳寿命具有较大影响,对Paris常数的影响较小。扫描电镜下CT试样的疲劳断口均为穿晶型断裂。海水环境中CT试样的疲劳断口表现出更多的二次裂纹和更高的撕裂脊。随着最大疲劳载荷增加,解理断裂形成的解理台阶晶面面积和高度差逐渐增大,疲劳断口越粗糙,解理特征越明显。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为探讨注浆微型钢管桩的抗弯性能,对不同钢管管径、壁厚以及砂浆强度的12根试件,采用正交试验方案进行纯弯曲试验,基于试验结果提出极限抗弯承载力表达式,并采用有限元软件ANSYS建立模型进行验证。结果表明:注浆微型钢管桩的弯曲全过程可分为3个阶段,即,弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段; 对注浆微型钢管极限荷载敏感性大小为,钢管管径>钢管壁厚>砂浆强度等级; 不同规程计算的极限抗弯承载力与试验差异较大,本研究所提出的注浆微型钢管桩极限抗弯承载力表达式与试验结果吻合较好,钢管的抗弯承载力约占注浆微型钢管桩总抗弯承载力的78%,管内砂浆约占22%; 有限元模拟结果显示,管内砂浆对微型钢管桩的抗弯性能有较大的提升,验证了所提出的注浆微型钢管桩抗弯承载力表达式的正确性。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为研究冷弯薄壁型钢与轻骨料混凝土间的界面黏结性能和磷酸镁水泥(MPC)作为界面黏结剂的可行性,为今后组合结构中增强界面黏结强度的研究提供参考。通过8组试件的推出试验,对其破坏现象、荷载-滑移曲线、界面黏结能量指标及界面损伤进行分析。结果表明:试件的开裂荷载、峰值荷载和残余承载力均会随纤维的掺入而增加; 黏结界面涂抹MPC后,黏结承载力会进一步提高,荷载-滑移曲线对应的屈服平台变得更明显。MPC的应用对试件黏结能量指标的提高幅度要大于纤维的作用,其中对弹性变形能的提高幅度更为明显,使试件达到破坏状态的速度大幅延缓,并对加载全程的损伤发展都起到抑制作用,将其应用在LC30级轻骨料混凝土和钢纤维轻骨料混凝土中会取得更好的效果。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 岩体内部存在大量不同尺寸裂隙,形成不同结构形式的裂隙岩体,裂隙的存在会降低岩体的力学性能,对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析,基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响,采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出,岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大; 随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势,其中裂隙倾角为30时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 隧道支护结构计算时常假定为正圆形,但与工程实际存在差异。本研究结合谢家烋围岩压力计算理论,改进日本山本法支护结构计算模型,提出一种山岭浅埋隧道三心圆支护结构计算模型。应用于某红黏土隧道支护结构,将改进山本法计算结果与山本法、隧道设计规范电算结果和现场实测值比对。研究结果表明:改进山本法所得围岩压力和支护结构轴力结果与实测数据最接近,最大误差12.9%,且趋于安全; 改进山本法所得弯矩结果显示拱脚处弯矩最大,与现场结构破坏形式相符; 根据计算结果确定荷载集中部位,制定专项加固方案,保证隧道施工和运营安全。研究成果可为优化类圆形隧道断面理论提供参考,为隧道支护结构计算提供一种新方法。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 导线舞动是长期以来影响输电线路度冬安全的重要因素。以包含耐张绝缘子串的新月形覆冰八分裂输电线路为对象,FLUENT及ABAQUS为平台,开展了导线的气动特性及驰振稳定性分析,研究了分裂导线的扭转刚度及动力特性,考察了不同绝缘子串连接形式、风速及初始风攻角对幅值、位移时程及运动轨迹等舞动特性的影响。计算结果表明,多联耐张绝缘子串较单联会增大八分裂输电线路扭转刚度,明显改变低阶固有频率,竖直与扭转振动不易发生耦合; 多联耐张绝缘子串较单联对输电线路舞动特性影响大,明显改变舞动形态,增大了竖直方向舞动幅值; 随风速增大输电线路舞动幅值增大; 随初始风攻角不同线路舞动特征有明显变化,且与驰振稳定性计算区间相符。研究结果为输电线路舞动特性分析及防舞控制方法的研究提供了指导。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 导线舞动是长期以来影响输电线路度冬安全的重要因素。以包含耐张绝缘子串的新月形覆冰八分裂输电线路为对象,FLUENT及ABAQUS为平台,开展了导线的气动特性及驰振稳定性分析,研究了分裂导线的扭转刚度及动力特性,考察了不同绝缘子串连接形式、风速及初始风攻角对幅值、位移时程及运动轨迹等舞动特性的影响。计算结果表明,多联耐张绝缘子串较单联会增大八分裂输电线路扭转刚度,明显改变低阶固有频率,竖直与扭转振动不易发生耦合; 多联耐张绝缘子串较单联对输电线路舞动特性影响大,明显改变舞动形态,增大了竖直方向舞动幅值; 随风速增大输电线路舞动幅值增大; 随初始风攻角不同线路舞动特征有明显变化,且与驰振稳定性计算区间相符。研究结果为输电线路舞动特性分析及防舞控制方法的研究提供了指导。
分类： 力学 >> 基础力学 提交时间： 2023-11-09 合作期刊: 《应用力学学报》
摘要： 为了提高铁路重力式桥墩的延性性能,提出了在墩底局部设置无黏结钢筋的设计方法。设计5个不同无黏结钢筋类型的桥墩,采用数值分析方法研究无黏结钢筋数量及无黏结高度对桥墩抗震性能的影响。研究结果表明:墩底设置无黏结钢筋可有效改善铁路重力式桥墩的延性性能,且对桥墩的承载能力和刚度影响较小,但是会增加桥墩滞回曲线形状的捏缩效应; 无黏结钢筋比例越大,桥墩的延性性能越好,钢筋无黏结高度在一定范围内对桥墩延性性能的影响较大; 数值分析验证了在墩底布置无黏结钢筋的方法提高延性抗震性能的可行性。本研究成果可应用于铁路重力式桥墩抗震设计研究领域。
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