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  • 圆柱结构中的环向SH波及洞体内表面波不存在性讨论

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 目前有关圆柱结构中的环向SH波研究仅限于实心柱体与圆柱壳体结构。由于无法直接获得圆柱洞体中传播的SH表面波的解析解,对比研究了实心柱体和多种不同类型的圆柱壳体中的环向SH波,从波结构、应变能密度幅值分布与壳体厚度的关系讨论洞体内SH表面波的存在性。建立柱坐标系下均匀弹性材料与功能梯度材料环向SH波的波动方程; 分别求得方程的贝塞尔函数解和幂级数渐近解; 进一步计算得到其频散曲线、波结构与应变能密度幅值。结果表明:幂级数方法可用于计算圆柱型结构中的变系数波动方程,且具有较高的精度; 圆柱型结构中环向SH波的能量集中在外表面或次外表面,并随着壳体厚度的增加,能量集中现象更为明显; 通过应变能密度幅值分布规律推论出圆柱洞体内表面无法传播环向SH表面波。最后,针对均质结构和梯度结构,采用反证法证明了无法得到满足洞体内SH表面波衰减条件的解析解,从而证明了该推论。

  • 基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 利用沙漠砂研发的蒸压加气混凝土砌块是一种新型砌体材料。为了研究这种新型砌块在村镇建筑中的应用,考虑在不同竖向压应力和构造柱的约束作用下,对4片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体开展拟静力试验,通过对比分析4片墙体在低周反复荷载作用下的破坏特性、力-位移曲线、骨架曲线、刚度退化曲线及延性等性能指标。结果表明:1)墙体主要以剪切破坏为主,未设置构造柱墙体主裂缝沿约45°贯彻整个墙体,设置构造柱墙体主裂缝呈“倒八”字型,且当竖向压应力增大时,墙体的抗震承载力也随之增大,抗侧刚度有所提高,但延性随之减小; 2)竖向压应力相同情况下,对比分析表明设置构造柱墙体的极限承载力约是素墙体的2.22倍,延性提高了约60%,且刚度也有所提升; 3)基于主拉应力理论和库仑破坏理论分别建立了适用于该新型砌块墙体的抗震承载力计算公式,且库仑破坏理论建立的抗震承载力计算公式应用更合理; 4)建立了恢复力模型骨架曲线,能够较好地反映沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的试验特点。

  • 骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 为研究不同骨料粒径混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展特性,开展了骨料粒径为10、20、30、40 mm的混凝土三点弯曲梁断裂试验; 结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)测得试件表面计算区域全场位移变化数据; 对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区(fracture process zones,FPZ)变化和发展进行研究,探讨了FPZ扩展过程与峰后荷载之间的关系。结果表明:随着骨料粒径增大,试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势,M20试件FPZ长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性,其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好; 此外,通过分析不同骨料粒径混凝土试件FPZ的发展规律,可知,骨料粒径为20 mm的混凝土试件,其峰后局部变形能力得到了改善,断裂能及断裂韧度得到了提高,在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的FPZ,因此,合适的骨料粒径为20 mm。

  • 玄武岩纤维缠绕成型管道的损伤及承载能力研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced composite,BFRP)具有耐腐蚀性强、比强度高、环保等优点,正确评价BFRP管道性能的可靠性和承载能力是将其应用于高附加值的油气输送领域的基础。对于玄武岩纤维(basalt fiber,BF)缠绕成型的复合材料管道,首先在细观尺度上获得浸胶纤维束的强度。然后,沿着管道的轴向和环向分别截取试件,测量了两种试件的拉伸强度; 基于试验结果和有限元模拟,研究了管壁结构层在拉伸、压缩以及剪切载荷作用下的损伤演化,得到结构层的宏观本构模型。最后,建立了BF缠绕成型管道的有限元模型,研究纤维性能离散对管道承载能力的影响。结果表明,纤维有效含量对管道承载能力的影响很大,从纤维生产和管道成型工艺等方面降低纤维增强作用的离散性对于准确预测管道的承载可靠性,推动BF复合材料在油气管道领域的应用至关重要。

  • 复式钢管混凝土T形件单边螺栓节点承载力研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: T形件单边螺栓连接节点应用到复式钢管混凝土结构中可充分利用双层钢管的截面特点,传力性能好且抗震性能高。对5个节点试件进行柱端水平往复加载试验并进行了数值模拟分析,试验中T形件因加肋方式不同出现了3种变形特征,而节点整体的破坏形态均为T形件屈服后钢梁塑性变形,数值模拟结果与试验结果吻合较好。根据试验和有限元结果分析了节点传力构件的受力机理,提出T形件受拉模型,分别计算T形件翼缘和加劲肋提供的抗弯承载力,从而得到节点的抗弯极限承载力计算公式,计算结果与试验结果误差较小,与数值模拟结果也十分相近。研究结果表明采用T形件受拉模型计算的节点承载力公式适用于T形件与单边螺栓强度相匹配的情况,T形件加肋形式对节点极限承载力影响最大,其次为T形件翼缘厚度,T形件腹板厚度影响很小; 此外随着T形件翼缘厚度的增加节点承载力提高越来越小,故得出了单边螺栓直径与T形件翼缘厚度的最大临界值和最佳匹配值,为该节点工程应用提供理论参考和设计依据。

  • 截面型式及槽宽比对高填明洞土压力影响分析

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-04-19 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 利用离散元软件PFC2D,考虑到土体的离散性与不均匀性,通过分析洞顶平均竖向土压力、内外土柱相对沉降差以及颗粒间接触力链的变化规律,探讨截面型式(矩形、1/4拱形、1/2拱形)及槽宽比(B/b=1.5:1,2:1,3:1,4:1)变化对高填黄土明洞土压力的影响,结合顾安全公式,分析高填明洞沉降差与土压力间的函数关系,并修正该函数,使其可以适用与不同的截面型式与槽宽比下的高填明洞。结果表明:①B/b确定,明洞采用矩形截面时,接触力链在洞顶分布,平均土压力更大,明洞采用拱形截面时,平均土压力更小,但拱顶存在局部应力集中现象; ②明洞截面型式一定,随着B/b的增大,洞顶平均竖向土压力与沉降差均随之增大,当B/b较小时,边坡作用增强,外侧土柱沉降降低,对内土柱的作用力变小,从而导致明洞顶竖向土压力更小; ③内外土柱沉降差与附加土压力呈线性相关,相对于矩形截面,拱形截面下较小的沉降差会产生相同的附加土压力,更有利于结构的稳定。

  • Interaction of multiple micro-defects on the strengths and failure mechanisms of UD composites by computational micromechanics

    分类: 材料科学 >> 复合材料 分类: 力学 >> 固体力学 分类: 航空、航天科学技术 >> 飞行器制造技术 提交时间: 2024-04-09

    摘要: 单向纤维增强塑料(UD-FRP)的力学性能受到内部微缺陷的影响,如随机纤维排列、纤维错位和微空隙。本研究旨在通过计算微观力学研究这些多个微观缺陷如何相互作用,以及它们如何影响UD-FRP的强度和失效机制。通过对具有代表性的体积单元进行有限元分析,模拟了失效行为;对于不同的载荷及其组合,考虑了基体和界面的破坏。研究发现,这些微观缺陷显著削弱了UD-FRP沿纵向的抗压强度。特别是纤维波纹度放大了纤维排列的影响,而微空隙则减小了这种影响。此外,纤维排列和微空隙显著削弱了UD-FRP的横向拉伸和压缩强度。此外,横向和纵向剪切强度受微孔隙的显著影响,但只有纵向剪切受纤维排列的影响,这种影响也因微孔隙而减弱。最后,得到了纵向压缩和横向荷载共同作用下的损伤包络线,并与Tsai Wu失效准则进行了比较。结果表明,Tsai Wu准则可以有效地估计这种双轴加载条件下的失效包络线。

  • 除尘器箱体立柱稳定性增强方法研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 除尘器箱体立柱主要的破坏方式是丧失稳定性。为提高其承载能力,优化除尘装备结构设计,研究箱体立柱稳定性增强构造方法。采用非线性有限元方法,针对除尘器箱体加劲钢墙板—H型钢立柱结构体系,考虑初始缺陷影响,研究箱体立柱失稳机理。受墙板蒙皮作用,立柱呈现为前翼缘与腹板组成前半部分截面整体弯扭与腹板局部鼓曲相伴发生的相关失稳,且失稳发生在邻近柱顶的高压应力区域。针对失稳特征提出立柱稳定性增强构造措施,即在顶部区域立柱前翼缘两侧加焊加固钢板,加固钢板上、下边界与L形横隔板焊接连接。考察了加固钢板宽度、厚度,L形横隔板厚度以及加固钢板布置范围等因素对于立柱稳定承载力的影响,在此基础上提出了立柱稳定性增强构造的合理设计方法。采取该稳定性增强构造措施后,立柱稳定承载力得以明显提高。

  • 土与反滤层接触面上入渗角对反滤效果的影响

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 坝体内部渗流方向通常因渗流部位的不同以及上下游水位的波动而产生变化,渗透水流在被保护土与反滤层之间的接触面上的入渗角并非正交。由于筑坝土料和反滤层两者的渗透系数差异较大,渗流入渗角引起接触面水力性状发生变化,进而会影响反滤层的反滤性能。利用PFC-3D软件分别建立渗流方向与接触面呈30°、45°、60°和90°夹角的数值模型,通过模拟计算被保护土颗粒的实时侵入率及其移动进入反滤层的深度,研究了不同方向渗流作用下的接触侵蚀与反滤效果。结果表明:渗流初始阶段,不同渗流方向下被保护土颗粒的侵入率、侵入深度差距较小; 随着渗流时长的增加,呈90°夹角时的侵入率比较稳定且数值较小,侵入深度和接触面处的渗流速度最小,反滤层阻挡被保护土颗粒移动的能力较强; 60°、45°和30°夹角时的滤土效果依次减弱,说明渗流方向与接触面的夹角越大,反滤效果越好; 利用渗流折射原理讨论了计算结果的合理性,并与有关文献的试验结果进行了对比分析,认为在堤坝等水利工程中应重视填土与反滤层之间接触面的渗流入渗角的变化,尤其是界面上小角度入渗水流对反滤效果影响较大。

  • 集输小口径管道腐蚀弱磁检测定量评价

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 集输小口径管道在油气田分布广泛,但使用传统腐蚀检测方法难度大、费用高且必须开挖取样点后才能定量评价腐蚀程度。为了弥补这种不足,实现非开挖条件下进行定量评价:分析磁偶极子模型得到腐蚀缺陷附近产生的漏磁场的磁信号特点; 通过有限元仿真模拟,得到了腐蚀缺陷深度及宽度与磁信号间的关系; 将SY/T 6151—2009《钢制管道管体腐蚀损伤评价方法》中对腐蚀评价所需的缺陷宽度和深度参数,结合磁偶极子模型理论推导计算与磁信号特征参数的关系,得到了一种可应用于非开挖条件下的管道腐蚀弱磁检测定量评价方法,并在某油田管道进行了工程验证,为非开挖条件下管道腐蚀检测定量评价提供一定的理论依据。

  • 非对称荷载下内撑式基坑支护结构参数分析及设计优化探讨

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 非对称荷载作用下,内撑式基坑会向荷载小侧整体偏移,这将不利于基坑的稳定,因此有必要对支护结构进行设计优化。本研究以某偏压综合管廊基坑为例,通过有限元软件PLAXIS 2D对该基坑进行了仿真模拟,模拟结果与实测数据吻合良好,验证了模型的有效性。进一步对该基坑进行参数分析,研究了支护结构长度、等效厚度和弹性模量对支护结构变形和基坑安全性的影响。研究结果表明,在两侧支护结构均按偏压侧进行设计的基础上,增大某侧支护结构长度,会使该侧支护结构水平位移最大值增大,分别增大两侧支护结构等效厚度、弹性模量,均可以减小该侧支护结构水平位移最大值和非偏压侧支护结构顶部逆向位移。基于参数分析,提出一种针对非对称荷载基坑的简单有效、经济可行的优化思路,并通过数值模拟对优化效果进行了分析,证明了该优化思路的可行性。

  • 圆钢管型钢再生混凝土组合柱滞回性能非线性有限元分析

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明:再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低; 提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大; 随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差; 型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显; 增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。

  • 界面黏接对软电介质薄膜临界击穿场强影响的试验研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究:首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律; 其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。

  • 锚杆支护方式对深埋洞室隔冲击效果影响的数值模拟研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 与浅埋洞室相比,随着埋深增加而产生的高地应力现象使深埋洞室安全性评价更加复杂。本研究在考虑地应力平衡的前提下,采用有限元与无限元相结合的方法,对冲击荷载作用下深埋洞室的锚杆支护方式进行了设计与优化。计算结果表明:在平衡初始地应力之后,Mises应力会随着锚杆长度、疏密程度的增加略有增长。当锚杆长度和疏密程度增至某一特定值时,洞室洞壁的位移和塑性应变将达到最小值,洞室围岩将达到相对安全状态。锚杆间隔布置下,长锚杆数量的增加将提高洞室围岩的安全性。当对洞室拱脚进行重点支护时,整个洞壁的位移均有所减小。

  • TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2024-02-07 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 刀盘作为硬岩掘进机(tunnel boring machine,TBM)工作过程中的核心受力载体,承受多方向的随机载荷,容易萌生裂纹导致疲劳失效,影响施工进度和安全,因此研究其裂纹疲劳可靠性具有重要意义。本研究通过受力分析得到刀盘易萌生裂纹区域及应力特征,并使用子模型技术法计算刀盘裂纹应力强度因子,研究刀盘裂纹损伤特性; 然后结合裂纹疲劳理论,构建了以裂纹扩展寿命为基本变量的TBM刀盘裂纹疲劳可靠性评估模型,应用JC法求解刀盘在不同工作环境下的可靠度,并讨论了不同因素对刀盘可靠度的影响。研究表明:裂纹尖端最深处的裂纹扩展以张开型和撕开型为主,而裂纹两端3种扩展形式都存在; 刀盘的裂纹疲劳可靠度随着初始裂纹深度的增大而显著减小,随着裂纹形状比的增大而增大,而临界裂纹深度的变化对可靠度的影响不明显。

  • 面外法向集中力作用下水平悬链线的构形与张力研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 悬链线理论在大跨度的空间柔性管线设计等领域应用日益广泛,但在应用中主要考虑面内竖向力或水平力的工况,利用悬链线理论来直接求解面外问题的研究仍不完善。针对这一问题,本研究从二维悬链线理论出发,建立了面外法向集中力作用在水平悬链线任意位置处的非线性方程组,并得到了面外法向集中力作用在悬链线中点处的解析解。采用二分法和Newton-Raphson迭代法分别对解析解和非线性方程组进行求解。利用柔索试验装置、有限元计算对本研究计算结果进行验证。结果表明,试验、有限元计算得到的构形与特征张力和理论计算的构形与特征张力吻合较好,理论研究成果可以解决柔性管线在竖向分布力和面外法向集中力共同作用下的初始构形找形与特征张力计算问题。

  • 基于Lade-Duncan强度准则的软岩损伤本构模型研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 为研究损伤阈值对存在天然缺陷软岩损伤力学特性的影响,基于损伤阈值理论,结合修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律,推导出软岩损伤阈值表达式,利用Weibull分布理论及Lemaitre应变等价理论构建软岩统计损伤本构模型,同时结合三轴压缩试验对其开展验证。研究结果表明:基于修正的Lade-Duncan强度准则与弹性胡克定律求解出的软岩损伤阈值过于保守,同时天然缺陷对岩石的轴向应变影响较大; 以岩石中天然缺陷为修正变量,对损伤阈值进行修正后,软岩的损伤变化规律、破坏过程描述及应力-应变演化更贴合实际,验证了本研究软岩损伤本构模型的科学性、合理性。

  • 考虑基坑失稳前土体状态转变效应的非极限主动土压力计算方法

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 为了拓展深基坑失稳破坏前非极限主动土压力计算的适用范围,依据深基坑失稳破坏前的土体状态转变效应即黏性土类流体特征和墙背扰动域区划分,借助土的流变模型和流体运动动量方程推导出一种考虑时间和位移的非极限主动土压力计算方法; 利用COMSOL Multiphysics仿真软件对计算方程进行求解,计算得到深基坑失稳破坏变前关于时间和位移的主动土压力数值。通过与试验实测值和已有文献计算值对比,结果表明,基于基坑失稳破坏前土体状态转变效应的非极限主动土压力计算结果与试验实测值更加接近,误差在3%以内,具有更高的精度; 通过对计算模型中的流变参数进行分析,得出土的瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏滞系数对非极限主动土压力的影响规律,其中黏滞系数影响最为显著,分析结果对于指导深基坑失稳破坏的防治具有工程指导意义。

  • 基于有限差分的高填减载明洞土拱形态与结构响应的时效性研究

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 回填场地是短期内重构形成的,与自然场地相比,回填材料等因素对其结构内力影响显著。为了保证高填减载明洞在使用过程中的长期安全性,需要对其进行时效性研究。基于有限差分软件FLAC3D,建立高填减载明洞模型,分析施工完成后,上方土体内部土拱形态发展和结构响应时效性。结果表明:当上方回填土体后期蠕变性能明显时,随着时间流逝,土体内部的土拱会逐渐退化至消失,结构响应也会发生较大变动,而且前期的变化速率较大,中期会逐渐变小,后期将变为零; 回填高度和回填材料对高填减载明洞各方面的时效性有较大影响,增加回填高度,土拱形态和结构响应有显著变化,但回填高度的改变并不会影响两者随时间的整体变化趋势; 若材料的蠕变性能较弱,随着时间推移,土拱形态会更加明显,而结构响应变化较小。该研究成果可对该类结构的设计及工后安全监测提供参考。

  • 设计参数对双钢板混凝土偏压构件受力性能的影响

    分类: 力学 >> 固体力学 提交时间: 2023-12-18 合作期刊: 《应用力学学报》

    摘要: 为探究管幕预筑结构受力机理,对双钢板混凝土偏压构件受力性能进行研究。完成了4根双钢板-混凝土组合构件的偏压试验,建立有限元模型,通过计算结果与试验结果的对比,验证了模型的正确性和可靠性。以端部约束形式、界面连接形式、偏心距为参数进行数值分析,结果表明:钢板混凝土偏压构件中,当端部约束足够强(看作刚臂)时,混凝土与两侧钢板共同参与受力,截面应变基本符合平截面假定,不存在界面滑移,在不考虑屈曲的前提下,连接件的设置对构件承载力没有影响,承载力最高; 当端部约束不够强,外荷载不能同时作用在混凝土和两侧钢板上时,在钢板与混凝土间设置连接件可提高构件的承载力,钢板与混凝土界面设置为合并重合结点时,构件承载能力最高。