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考虑剪切效应的螺旋缠绕结构多尺度分析研究

考虑剪切效应的螺旋缠绕结构多尺度分析研究

作者：周保顺大连理工大学

学位级别：硕士

螺旋缠绕结构广泛地被应用于工业领域中,如应用于深海油气开发的水下生产系统柔性复合管缆（柔顺性管道和脐带缆）。螺旋缠绕结构兼备良好的柔顺性和轴拉承载能力,从而保证其能够适应复杂的工况荷载。由于螺旋缠绕结构构型十分复杂,使... 详细信息

螺旋缠绕结构广泛地被应用于工业领域中,如应用于深海油气开发的水下生产系统柔性复合管缆（柔顺性管道和脐带缆）。螺旋缠绕结构兼备良好的柔顺性和轴拉承载能力,从而保证其能够适应复杂的工况荷载。由于螺旋缠绕结构构型十分复杂,使得通过解析理论准确计算其刚度性能和强度性能存在较大的挑战。目前往往采用数值方法计算该类结构力学性能。此外,螺旋缠绕结构往往整体呈现细长特征,其整体与局部结构存在较大的尺度差异,对其直接数值模拟往往计算量巨大,使得高效的结构分析和优化设计变得不可能。因此,本文将原非均匀的三维螺旋缠绕结构等效为一维均匀的梁结构进行多尺度分析,升尺度上计算结构的等效刚度性能,降尺度上计算结构的等效应力性能。本文主要研究工作如下:首先,根据螺旋缠绕结构一维周期性的特征,引进了渐近均匀化理论,将原螺旋缠绕结构等效为考虑剪切效应的铁木辛柯梁,提出了针对螺旋缠绕结构的多尺度等效分析方法。进一步给出了以单胞为计算模型的数值格式,从而使螺旋缠绕结构力学性能的分析效率得到了显著提高。其次,在升尺度分析中确定了螺旋缠绕结构单胞有限元模型最合适的建模方式,进而计算了该类结构的等效拉伸、弯曲、扭转以及剪切刚度。进一步基于快速等效分析方法,研究了螺旋缠绕结构剪切因子随结构长细比的变化趋势,发现了剪切效应对深短梁（尤其长细比小于5:1时）的影响十分显著。并对非等尺度截面螺旋缠绕结构的刚度性能开展了等效分析,发现当外部缠绕构件的数量增加时,其截面等效弯曲刚度和剪切刚度呈非线性增长趋势。最后,在降尺度分析中考虑剪切效应对应力的影响,推导了螺旋缠绕结构等效应力的一阶近似计算公式,给出了相应的数值格式。并以精细有限元数值模型为参考基准,对拉伸、弯曲以及拉弯组合工况下的螺旋缠绕结构开展了等效应力的误差分析,对比了考虑剪切效应和忽略剪切效应的应力等效计算误差,发现在弯曲和拉弯组合工况下,考虑剪切效应的等效计算更为精准;而在拉伸工况下,两种等效方法精度相当。本研究依托于辽宁省高等学校创新人才支持计划“深水柔性管缆结构多尺度优化设计”（LR2017001）项目开展,针对等尺度截面和非等尺度截面螺旋缠绕结构的力学性能进行了等效分析,所提出的等效快速分析方法对该类型结构分析和设计具有一定的指导意义。

关键词：螺旋缠绕结构一维周期性剪切效应等效刚度等效应力

纤维模型中考虑剪切效应的RC结构非线性特征研究

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纤维模型中考虑剪切效应的RC结构非线性特征研究

作者：臧登科重庆大学

学位级别：硕士

作为用来模拟构件非线性反应的一种细化模型,纤维模型引起了各国研究者的普遍关注。已有研究成果表明,这种模型在较大的非线性变形状态下能较好与构件的实际变形相吻合,较之传统方法精度更高。然而,虽然纤维模型可以模拟构件的弯曲和轴... 详细信息

作为用来模拟构件非线性反应的一种细化模型,纤维模型引起了各国研究者的普遍关注。已有研究成果表明,这种模型在较大的非线性变形状态下能较好与构件的实际变形相吻合,较之传统方法精度更高。然而,虽然纤维模型可以模拟构件的弯曲和轴向效应,并能很好地考虑弯曲和轴向效应的耦合,但它不能模拟构件的剪切效应。对于纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法,国内外研究甚少。为了模拟构件的剪切变形,本文提出了考虑剪切效应的模型化方法。基于考虑剪切效应的模型化方法,以国外新近开发的结构非线性分析工具OpenSees为平台,重点研究了以下几个方面的内容:第一,在OpenSees中实现考虑剪切效应的模型化方法,从而形成对剪切效应的模拟;第二,基于试验结果的统计分析与回归对小跨高比连梁、短柱与剪力墙的剪切恢复力特征参数进行在中国实际情况下的校核与修正,并提出适应中国国情的定参公式。以几片典型剪力墙的抗震性能试验结果为标准点,对前面的模型化方法进行校准,得出:基于OpenSees平台纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法能较好地模拟出剪力墙构件的实际抗剪承载力与最大位移,并且能够较好地模拟出试验中的刚度退化、强度退化和捏缩效应,具有一定的可靠性和稳定性。以此经过校准的模型化方法作为后续研究的理论依据;第三,以经过校准的考虑剪切效应模型化方法,对剪力墙的非线性变形能力进行系列分析。研究了剪跨比、轴压比、墙板配筋率、边框暗柱配筋率、混凝土强度、加载方式等主要因素对剪力墙非线性性能的影响规律;第四,基于本文提出的纤维模型中考虑剪切效应的模型化方法,借鉴已有研究结论,通过初步探讨研究得出,中性轴处最大的轴向变形可作为延性水平的标志,它与抗剪承载力有着一定的函数关系。本文通过引入一组与中性轴处最大轴向变形相关的剪力-剪应变骨架曲线,近似考虑了轴向、弯曲效应与剪切效应的耦合作用,并详细阐述了截面的剪切滞回模型,编制了程序流程图;第五,本文针对一严格按照我国规范设计的设防烈度为八度(剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为二级)的高层民用建筑钢筋混凝土三维框架-剪力墙为例,以考察剪切效应对空间框架-剪力墙结构在罕遇地震作用下的非线性反应影响规律为重点,完成了以下研究内容,主要结论如下:①考虑剪切效应框架-剪力墙结构的整体反应明显大于不考虑剪切效应的整体反应。②考虑剪切效应的剪力墙模型可以更合理地反映剪力墙的实际抗剪承载力、剪切刚度、刚度退化、强度退化、捏缩效应及耗能情况,对比分析结果表明,不考虑剪切效应模型高估了剪力墙的抗剪承载力与剪切刚度及弯曲耗能能力,低估了剪力墙的剪切耗能能力。③在罕遇地震(a=0.46g)双向作用下,考虑剪切效应与不考虑剪切效应的空间框架-剪力墙的屈服机制、薄弱环节位置基本相同,考虑剪切效应模型的屈服杆件数量大于不考虑剪切效应模型的杆件数量。考虑剪切效应模型杆件损伤程度普遍大于不考虑剪切效应模型的杆件损伤程度,不考虑剪切效应的模型化方法低估了结构、构件的延性需求。这说明,不考虑剪切效应的模型化方法低估了整个空间结构的局部反应,对于整个空间结构的抗震性能评价是不利的。

关键词：纤维模型剪切效应钢筋混凝土结构非线性分析空间框架-剪力墙

考虑剪切效应的梁柱纤维模型分析异形柱的适用范围研究

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考虑剪切效应的梁柱纤维模型分析异形柱的适用范围研究

作者：王玉芳重庆大学

学位级别：硕士

本文研究内容是国家自然科学基金项目“异形柱结构空间非线性动力反应分析方法和整体抗震性能研究”(项目编号50478067)的一个组成部分。《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006明确规定异形柱应采用空间分析模型。异形柱截面的弯心... 详细信息

本文研究内容是国家自然科学基金项目“异形柱结构空间非线性动力反应分析方法和整体抗震性能研究”(项目编号50478067)的一个组成部分。《混凝土异形柱结构技术规程》JGJ149-2006明确规定异形柱应采用空间分析模型。异形柱截面的弯心、剪切中心和形心不重合,内力分析时双向弯曲耦合、轴向变形与弯曲变形耦合,常处于压、弯、剪、扭的复杂受力状态,因此其内力分析必须建立一个能够综合考虑空间效应的压、弯、剪、扭的杆元模型才能得到正确的计算结果。目前适用于矩形柱的一般空间杆元分析模型无法解决双轴及多轴加载下的耦合问题,故不适宜分析异形柱。纤维模型梁柱单元是目前解决梁柱空间分析中双向弯曲耦合以及轴向变形与弯曲变形耦合问题最有效的单元模型,是目前分析异形柱构件和结构最理想的模型。但纤维模型目前尚不能考虑剪切效应影响,导致在分析时纤维模型与构件实际受力结果比较误差仍较大。已有研究表明,异形柱构件在应用未考虑剪切效应的纤维模型进行分析时只适用于大剪跨比构件。在实际工程中,异形柱的剪跨比通常较小,此时剪切效应对截面变形的影响将不可忽略,能否继续适用于杆元分析取决于构件的剪切变形相对于弯曲变形在构件总变形中所占的比例是否可以忽略。因此在纤维模型中加入剪切效应影响,并分析改进后的模型对于钢筋混凝土异形柱截面分析的适用范围,对于纤维模型杆单元的进一步完善和计算精度的进一步提高,具有重要的理论和实际意义。围绕这个目标,本文主要完成以下工作:①通过和实体模型对比分析肢高厚比4:1等肢L形柱,验证一般空间杆单元在不适宜分析异形柱,纤维模型梁柱单元是目前分析异形柱的理想模型。②分析剪切效应对杆元分析影响;基于有限单元柔度法,在传统考虑压、弯效应的纤维模型基础上,加入剪切效应影响,建立可以综合考虑压、弯、剪、扭四种效应的空间梁柱纤维模型,并验证加入剪切效应理论的正确性。③在弹性阶段以剪跨比λ、肢高厚比η和等肢不等肢等影响剪切效应的主要因素为参量,在构件层次上以柱顶侧移和柱顶转角误差作为依据,对《混凝土异形柱结构技术规程》规定的L形、T形、十形柱分别适用考虑剪切效应前后的纤维模型梁柱单元分析的适用性进行定量探讨,给出异形柱适用考虑剪切效应纤维模型杆元分析的剪跨比λ和肢高厚比η范围,为异形柱进一步的工程应用提供参考建议,也为非线性阶段应用考虑剪切效应纤维模型分析异形柱打下基础。

关键词：纤维模型梁柱单元剪切效应异形柱剪跨比肢高厚比

考虑剪切效应的钢筋混凝土框架结构非线性全过程分析

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考虑剪切效应的钢筋混凝土框架结构非线性全过程分析

作者：杜和醨重庆大学

学位级别：硕士

钢筋混凝土结构的实际受力状态十分复杂,特别是材料非线性性能的影响,使得对实际工程中钢筋混凝土结构的受力反应的预测较为困难,并且由于结构试验研究受到许多因素限制,如试验规模、试验数量和技术水平等等,因此计算机模拟分析作为一... 详细信息

钢筋混凝土结构的实际受力状态十分复杂,特别是材料非线性性能的影响,使得对实际工程中钢筋混凝土结构的受力反应的预测较为困难,并且由于结构试验研究受到许多因素限制,如试验规模、试验数量和技术水平等等,因此计算机模拟分析作为一种辅助手段起到了很大的作用。对于钢筋混凝土框架结构而言,如何在非线性分析中综合考虑轴力、剪力、弯矩的耦合作用,并将其运用到数值模拟中,前人已经做了许多工作,但是仍然存在不少问题。这些问题包括:程序或者算法的通用性不强、只能用于特定的构件;分析对象集中在构件层次,对结构整体的受力反应分析进行得较少等。针对上述问题,本文主要进行了以下工作:基于有限单元刚度法和力学基本理论,通过材料、截面、单元、结构这一由微观到宏观、由局部到整体的思路,推导了针对钢筋混凝土框架结构的非线性分析过程,采用能考虑剪切效应的纤维模型来模拟在压弯剪耦合条件下的钢筋混凝土构件和结构的非线性性能,并将有限单元刚度法及考虑剪切效应的纤维模型应用于结构整体分析中。本文建立了适用于材料非线性与考虑了压弯剪耦合效应的平面框架梁柱单元,并且在截面层次就能考虑轴力、弯矩和剪力的耦合效应,以此为基础,在FEAP程序平台上编制了钢筋混凝土框架结构非线性全过程反应分析程序。采用本文编制的钢筋混凝土框架结构非线性全过程分析程序,对相关试验进行了数值模拟分析,对程序进行了初步验证。程序比较成功地模拟了钢筋混凝土框架结构中梁柱构件在单调加载路径下弯矩和剪力之间的耦合现象,为进一步的改进打下了基础,并且在一定程度上也可用于整体结构在单调加载情况下的受力分析。本文在分析过程中发现:无论是梁柱构件,还是结构整体的受力反应,考虑剪切效应后均和未考虑之前有明显差异。这些现象主要表现为:刚度下降速度加快,峰值承载力下降,屈服位移增大等等,且构件为受剪破坏时,现象更加明显。因此在综合考虑轴力、弯矩和剪力的作用时,特别是在各项作用难以忽略的情况下,结构或者构件的各项性能指标和单独考虑某一作用的情况是有较大区别的。

关键词：纤维模型剪切效应非线性分析钢筋混凝土框架

考虑剪切效应的纤维模型在RC剪力墙非线性分析中的应用

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考虑剪切效应的纤维模型在RC剪力墙非线性分析中的应用

作者：陈志强上海师范大学

学位级别：硕士

RC剪力墙构件在工程建设中有广泛的应用，其非线性性能研究得到了工程技术人员和科研人员的重视，另一方面，纤维模型主要用来模拟细长构件的轴向和弯曲耦合效应，并且在构件非线性分析中具有良好的模拟效果，很多研究人员在此基础上考... 详细信息

RC剪力墙构件在工程建设中有广泛的应用，其非线性性能研究得到了工程技术人员和科研人员的重视，另一方面，纤维模型主要用来模拟细长构件的轴向和弯曲耦合效应，并且在构件非线性分析中具有良好的模拟效果，很多研究人员在此基础上考虑模拟非线性剪切效应，把纤维模型引入到模拟剪力墙构件的非线性分析中，本文主要试图在这方面做一些有益的尝试，并做数值模拟验证比较。本文由剪应力在弹性范围内在截面上按抛物线状分布假设截面上剪应变也是按抛物线状分布的，剪切与轴向和弯曲不耦合，在考虑剪切时剖分截面得到独立的剪切纤维，一种方法是只从纵向剖分，因为假设的剪应变分布与截面的纵向坐标无关;另一种方法是纵横两个方向都进行剖分，且剖分的剪切纤维与轴向纤维一一对应。这两种方法中的剪切纤维都依靠独立的剪切滞回规律得到复杂加载路径下当前状态的刚度值，叠加所有剪切纤维的恢复力得到整个截面的剪切反力。轴向和弯曲部分的模拟方法由传统纤维模型给出，综合不耦合的上述两部分很容易得到单元的截面刚度矩阵，再根据虚位移原理和内力型函数得到单元的刚度矩阵。单元在荷载作用下进入非线性阶段会产生残余变形，需要通过内外两个迭代过程来消除，才能得到单元的精确位移。根据模型编写对应的FORTRAN语言程序做数值模拟计算，同时选取一片实验室剪力墙试验结果，把剪力墙的数值试验结果与实验室试验做比较，验证提出的模型的有效性;根据文献编写截面只有一根剪切纤维的改进的纤维模型程序，做剪力墙非线性分析模拟实验，把模拟结果与本文提出的两种模拟方法的结果做比较，验证提出的模型的优越性。模型的有效性得到证明之后，选择一个模型来对剪力墙构件作非线性分析，分别改变剪力墙的高宽比、轴压比、配筋率、混凝土强度来研究剪力墙相关非线性性能的变化。

关键词：纤维模型剪切效应剪力墙非线性分析

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基于剪切效应的气动雾化喷嘴的实验研究

基于剪切效应的气动雾化喷嘴的实验研究

作者：高可可江苏大学

学位级别：硕士

气动雾化喷嘴是实现液体雾化的有效手段之一,与传统喷嘴相比,气动雾化喷嘴因结构简单、操作压力低、能耗低以及雾化效果好等特点被广泛应用于脱硫、材料制备、食品加工、农业喷药、空间消毒等流程中。本文在相关研究的基础上,提出一种... 详细信息

气动雾化喷嘴是实现液体雾化的有效手段之一,与传统喷嘴相比,气动雾化喷嘴因结构简单、操作压力低、能耗低以及雾化效果好等特点被广泛应用于脱硫、材料制备、食品加工、农业喷药、空间消毒等流程中。本文在相关研究的基础上,提出一种基于剪切效应的气动雾化喷嘴,采用风机将气体增压后通过多个气流孔喷入混合腔流动,液体靠低压自动吸入混合腔,而后气液在混合腔内发生混合。本论文重点对影响雾化质量的喷嘴结构参数进行研究,通过初步实验发现气流孔的数量、孔径、孔的形状和气体流量对雾化液滴直径及速度均有影响,且气流孔径和气体流量的影响更为显著。设计了三种气流孔径分别为8.0 mm、9.0 mm、10.0 mm的喷嘴,以清水为实验介质,采用激光粒度分析仪和激光多普勒测速仪分别对雾化液滴直径和液滴速度进行测量,重点分析了雾化液滴直径与液滴速度之间的关系,本文主要工作及结论如下:(1)在同一气体流量条件下,气流孔径为10.0 mm的喷嘴的雾化液滴速度最高,且液滴直径最小。随着气体流量增大,雾化液滴的速度增加,直径减小。随着距喷嘴的轴向距离增大,雾化液滴直径先减小后增大,液滴速度先增加后下降,液滴直径最小位置与速度最大位置基本一致。(2)雾化液滴的尺寸和体积分布均呈现单波峰的特点,曲线先上升后下降;累积分布曲线趋势也基本一致,呈先陡升后缓升的趋势;随着气流孔径增大及气体流量增大,液滴体积分布曲线的峰值增大,小尺寸雾化液滴数目增多;累积分布曲线略向左偏移,较小雾化液滴的占比增加。(3)在距喷嘴不同轴向距离处,不同气流孔径的喷嘴沿径向的轴向速度分布规律不同;对于气流孔径为10.0 mm的喷嘴,不同气体流量条件下,液滴轴向速度在流向断面的分布规律基本一致。(4)在同一气体流量条件下,气流孔径为9.0 mm的雾化锥角最大,液体流量最大;随着气体流量增大,雾化锥角减小,液体流量增大。

关键词：气动雾化喷嘴剪切效应实验液滴直径液滴速度液体流量

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剪切效应梁单元刚度和质量矩阵的推导及应用

重庆交通大学学报（自然科学版） 2008年第4期27卷 502-507页

作者：杜柏松项海帆葛耀君朱乐东重庆交通大学土木建筑学院重庆400074 同济大学桥梁工程系上海200092

从工程梁理论中的梁位移微分方程出发直接推导出考虑剪切效应的空间梁单元的刚度矩阵,并从动力荷载的虚功原理出发推导出考虑剪切效应的其质量矩阵。编制了简单的有限元程序去验证,通过计算实例分别比较考虑剪切效应和不考虑剪切效应对... 详细信息

从工程梁理论中的梁位移微分方程出发直接推导出考虑剪切效应的空间梁单元的刚度矩阵,并从动力荷载的虚功原理出发推导出考虑剪切效应的其质量矩阵。编制了简单的有限元程序去验证,通过计算实例分别比较考虑剪切效应和不考虑剪切效应对结构固有频率的影响,结果表明在剪切系数较大时,不考虑剪切效应会引起较大的误差。

关键词：剪切效应单元刚度矩阵单元质量矩阵剪切系数

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加剂原油轻组分挥发对低速剪切效应的影响

油气储运 1998年第9期17卷 1-2页

作者：杜国敏张劲军中国石油天然气总公司计划局石油大学

在加剂输送管道中,油样为密闭带压输送。在非密闭状态下进行长时间加剂原油管输模拟试验时,轻组分会挥发,分析了轻组分挥发对加剂混合原油低温粘度及原油凝点的影响,轻组分的挥发加剧了中低速剪切作用的影响,即掺入适当轻质油可进一步... 详细信息

在加剂输送管道中,油样为密闭带压输送。在非密闭状态下进行长时间加剂原油管输模拟试验时,轻组分会挥发,分析了轻组分挥发对加剂混合原油低温粘度及原油凝点的影响,轻组分的挥发加剧了中低速剪切作用的影响,即掺入适当轻质油可进一步改善加剂原油的耐剪切性能。因此,在进行慢速降温的管流剪切模拟试验时,应使用密闭耐压罐。

关键词：原油降凝剂轻烃管道运输工艺剪切效应

考虑剪切效应的钢筋混凝土框架非线性滞回分析

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考虑剪切效应的钢筋混凝土框架非线性滞回分析

作者：曾代彬重庆大学

学位级别：硕士

长期以来人们对钢筋混凝土结构进行非线性分析时,只考虑轴力和弯矩的作用,忽略剪切的影响。这对于剪跨比较大的构件通常能得到相对较准确的结果,但对剪跨比较小的情形就可能引起非常大的误差。目前国内外许多学者进行了相关研究工作... 详细信息

长期以来人们对钢筋混凝土结构进行非线性分析时,只考虑轴力和弯矩的作用,忽略剪切的影响。这对于剪跨比较大的构件通常能得到相对较准确的结果,但对剪跨比较小的情形就可能引起非常大的误差。目前国内外许多学者进行了相关研究工作,当前较为成熟的能考虑剪切变形影响的研究方法之一是将修正斜压场理论（MCFT）引入到钢筋混凝土杆件单元非线性分析中。国外已能较为准确的进行钢筋混凝土结构在单调和低周滞回荷载作用下考虑剪切变形影响的非线性分析。国内则主要是在钢筋混凝土构件截面层次进行非线性分析,构件层次目前还只能进行单调分析。针对上述问题本文主要工作如下: 基于有限单元刚度法和MCFT,沿着材料、截面、单元、结构这一由微观到宏观、由局部到整体的思路,推导了考虑剪切变形影响的钢筋混凝土梁柱单元分析理论,采用能考虑剪切效应的修正纤维模型模拟压、弯、剪耦合下截面力和变形之间的复杂非线性关系,并将有限单元刚度法及考虑剪切效应的修正纤维模型,应用于整体结构在低周滞回荷载作用下的非线性分析中。编制了能考虑剪切变形影响的混凝土二维滞回本构关系,重新编制了一维钢筋滞回本构关系。并成功解决了一些只有在滞回分析中才可能出现的迭代不收敛、材料历史变量储存更新等问题。将程序功能由原钢筋混凝土框架在单调荷载作用下的非线性分析扩展为能在低周滞回荷载作用下考虑剪切变形影响的非线性分析。对代表性试验进行了数值模拟,验证了所编制程序的有效性和可靠性。程序比较成功地进行了钢筋混凝土框架结构在滞回加载路径下全过程分析,得出了考虑剪切变形影响后能更好的模拟试验这一结论。在本程序适用范围内能较好模拟滞回加载路径下构件的极限荷载,但不能很好地模拟滞回荷载下的“捏缩效应”,主要是本文选用的滞回规则较简单,许多因素未予以考虑,滞回规则有待完善。

关键词：剪切效应纤维模型非线性分析钢筋混凝土框架