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基于杆系离散元理论的结构屈曲显式弧长法研究

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工程力学 2024年第3期41卷 9-18页

作者：叶继红许强中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学徐州市工程结构火灾安全重点实验室江苏徐州221116

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推... 详细信息

基于杆系离散元理论,提出了一种显式弧长法用于结构弹性屈曲全过程分析。建立了新型接触单元-铰固接触单元的本构模型,分别采用离散元法和结构力学方法对铰固接触单元在已知端部位移工况下进行受力分析,并通过端部内力相等建立方程,推导了接触刚度系数;采用动力阻尼技术简化了颗粒运动方程的求解过程,然后引入总位移约束弧长法,详细阐述了与离散元法相结合的求解策略和实施过程,并给出了相关分析参数的计算公式;通过算例验证了该方法的准确性和适用性。在追踪结构屈曲平衡路径时,该方法无需组集刚度矩阵、不涉及矩阵奇异等不收敛问题,且参数少、稳定性好,与传统有限元弧长法相比更具优越性,为结构分析提供了新的算法工具。

关键词：杆系离散元法弧长法接触本构模型屈曲分析数值模拟

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惯质黏性阻尼器对悬索桥隧道锚减振的影响

振动．测试与诊断 2024年第3期44卷 431-438,614,615页

作者：杨国俊张树涛吕明航杜永峰唐光武兰州理工大学土木工程学院兰州730050 招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁工程结构动力学国家重点实验室重庆400067

为研究隧道锚(tunnel-type anchor,简称TTA)锚岩接触面对动荷载影响的敏感性,寻求一种适用于散索鞍至锚碇缆索处的减振装置。首先,利用有限差分软件建立隧道锚数值模型,监测并分析锚岩接触面共9个测点的速度位移响应;其次,利用滚珠丝杠... 详细信息

为研究隧道锚(tunnel-type anchor,简称TTA)锚岩接触面对动荷载影响的敏感性,寻求一种适用于散索鞍至锚碇缆索处的减振装置。首先,利用有限差分软件建立隧道锚数值模型,监测并分析锚岩接触面共9个测点的速度位移响应;其次,利用滚珠丝杠构件的位移转换放大原理,提出一种适用于前锚室处的惯质黏性阻尼器;最后,利用能量耗散守恒方法,模拟并检验安装该阻尼器后隧道锚的减振效果。结果表明:在动荷载作用下,锚塞体两底角部位测点响应明显大于顶部测点,中部锚岩接触面位移增长较前部与后部更为迅速;隧道锚受低幅值动荷载影响更为明显,动力系数约为1.3,随着荷载幅值的增加,动荷载对于隧道锚的影响会减弱;振动前期较为剧烈,加载0~1 s内剪应变增量增幅明显,后期增量基本不变;设置阻尼器后,锚岩接触面速度位移响应减小,位移减小幅度接近20%,速度响应在1 s内基本衰减至0;阻尼器的减振效果与荷载幅值有关,锚塞体处于中低载荷时,设置阻尼器所带来的减振效果最好,减小效果可以达到24%。

关键词：隧道锚阻尼器动荷载动力分析减振研究

一维六方准晶纳米尺度孔边周期Ⅲ型裂纹断裂力学分析

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固体力学学报 2024年第5期 610-621页

作者：童鸣肖俊华燕山大学工程力学系燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室

本文理论研究了一维六方准晶弹性体中孔边Ⅲ型周期多裂纹的断裂力学问题.基于表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和周期裂纹)的表面效应，利用解析函数边值问题理论并结合保角变换技术得到了问题的应力场，推导了裂纹尖端的声子场和相位子... 详细信息

本文理论研究了一维六方准晶弹性体中孔边Ⅲ型周期多裂纹的断裂力学问题.基于表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和周期裂纹)的表面效应，利用解析函数边值问题理论并结合保角变换技术得到了问题的应力场，推导了裂纹尖端的声子场和相位子场应力强度因子和能量释放率的解析表达式.讨论了孔径尺寸、裂纹数量、裂纹长/孔径比、声子场-相位子场耦合系数和施加载荷对无量纲场强因子和无量纲能量释放率的影响.研究表明：不考虑表面效应时耦合系数、施加载荷和孔径尺寸对无量纲场强因子无影响；考虑表面效应时无量纲场强因子和无量纲能量释放率都存在着显著的尺寸依赖效应；声子场和相位子场之间有明显的耦合效应；裂纹数量对无量纲场强因子和能量释放率的影响受到缺陷尺寸的制约；施加的声子场和相位子场载荷对无量纲场强因子和能量释放率的影响不同.

关键词：表面效应表面弹性理论一维六方准晶纳米孔边周期裂纹应力强度因子能量释放率

考虑表面效应时涂层纤维增强复合材料的动态有效力学性能

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工程力学 2024年

作者：郭强肖俊华燕山大学工程力学系燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室

本文研究了SH波在横观各向同性的纳米涂层纤维增强复合材料中传播。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论，利用广义自洽模型(GSCM)和多重散射法给出了复合材料中波传播的有效相速度、衰减以及动态有效弹性常数，讨论了涂层的几何尺寸、材料... 详细信息

本文研究了SH波在横观各向同性的纳米涂层纤维增强复合材料中传播。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论，利用广义自洽模型(GSCM)和多重散射法给出了复合材料中波传播的有效相速度、衰减以及动态有效弹性常数，讨论了涂层的几何尺寸、材料常数、界面性能对复合材料动态有效力学性能的影响。分析表明：表面效应对复合材料动态有效力学特性的影响显著，纤维半径越小、涂层壁厚越大、波频率越高，表面效应就越明显。特别软或特别硬的涂层都会掩盖复合材料中纤维模量的作用，涂层界面性能的影响随着涂层模量增大而减弱。

关键词： SH波表面效应纳米复合材料广义自洽方法动态模量

基于碎片化分区的桥梁网络震后修复优先级分析与优化

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工程力学 2024年第5期41卷 211-223页

作者：杨国俊毛建博田里唐光武兰州理工大学土木工程学院甘肃兰州730050 招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁工程结构动力学国家重点实验室重庆400067

为了研究区域性桥梁的抗震优化问题,针对城市桥梁网络的震后修复优先级,引入基于交通密度的网络碎片化分区方法(FaDPa),提出了考虑恢复性和经济性的双重韧性指标,并针对震后短时抢救以及长时修复的时段特征引入了分阶段优化方法,尤其在... 详细信息

为了研究区域性桥梁的抗震优化问题,针对城市桥梁网络的震后修复优先级,引入基于交通密度的网络碎片化分区方法(FaDPa),提出了考虑恢复性和经济性的双重韧性指标,并针对震后短时抢救以及长时修复的时段特征引入了分阶段优化方法,尤其在长时修复阶段基于不同的修复需求对其进行了分时期处理;在抢险救灾阶段和长时修复阶段分别融入碎片化理论,前者以恢复韧性、时间为目标对抢救顺序进行优化,后者以综合韧性、碎片恢复性、时间对修复顺序进行优化。研究结果表明:基于密度的碎片化理论对桥梁网络不同修复阶段的地震损伤程度做出了不同的划分,此基础上展开的分阶段修复工作在抢险救灾过程中对其综合韧性提升程度达到52.3%,在长期修复过程中不影响韧性优化的前提下增加了碎片恢复性,其功能水平提升可达20.3%;修复优化阶段,经过考虑不同修复方向的双重韧性指标以及分时期处理的优化理论可以根据决策者的需求进行灵活调整,且面临不同修复环境时都具有一定的适应性。

关键词：城市桥梁网络网络碎片化分区抗震韧性震后修复优先级分析

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变速旋转运动功能梯度圆板热弹主参数共振

工程力学 2024年

作者：董嫚嫚胡宇达燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室燕山大学建筑工程与力学学院

对温度影响下变速旋转运动功能梯度圆板主参数共振进行研究。给出热传导方程和依赖于空间位置与温度变化的物性参数表达式，基于薄板理论，考虑几何非线性，得到功能梯度圆板动能和势能表达式，运用哈密顿变分原理推导出非线性动力学控... 详细信息

对温度影响下变速旋转运动功能梯度圆板主参数共振进行研究。给出热传导方程和依赖于空间位置与温度变化的物性参数表达式，基于薄板理论，考虑几何非线性，得到功能梯度圆板动能和势能表达式，运用哈密顿变分原理推导出非线性动力学控制方程。使用伽辽金方法离散时间与空间，给出变速旋转运动功能梯度圆板主参数非线性振动微分方程，得到由于旋转及温度引起的径向、横向静挠度方程组。应用多尺度法求非线性振动微分方程，得出幅频响应方程，并对系统进行稳定性分析。通过算例分析，得到系统的幅频曲线图、参数-振幅图、动相平面轨迹图与时程图，从中得到系统主参数共振的非线性变化规律，结果表明，当无量纲后的固有频率分别接近于1和2时，系统会出现两种共振现象；随着温度场温度升高及转速增大，系统振幅增大，共振区域减小。

关键词：功能梯度圆板变速旋转主参数共振稳定性分析温度场多尺度法

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间距对公铁双幅主梁气动特性影响的试验研究

铁道科学与工程学报 2024年第4期21卷 1482-1494页

作者：刘路路何旭辉邹云峰杨甲锋中南大学土木工程学院湖南长沙410075 轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室湖南长沙410075

为研究间距对非对称公铁双幅主梁气动特性的影响,以某大跨度公铁双幅斜拉桥主梁断面为背景进行节段模型风洞试验,在间距L/Br=0.2~2.0范围内,测试了2种不同来流方向下双幅主梁的气动特性,分析非对称双幅主梁气动力系数、表面风压分布并... 详细信息

为研究间距对非对称公铁双幅主梁气动特性的影响,以某大跨度公铁双幅斜拉桥主梁断面为背景进行节段模型风洞试验,在间距L/Br=0.2~2.0范围内,测试了2种不同来流方向下双幅主梁的气动特性,分析非对称双幅主梁气动力系数、表面风压分布并推断主梁周围绕流特征,明确间距对非对称公铁双幅主梁气动干扰规律的影响规律。结果表明:无论风向角α=0°或α=180°,上游主梁气动力系数、表面风压分布和绕流方式受间距影响程度相对较小,与单幅主梁气动特性和绕流方式相似;但下游主梁气动特性受间距影响较大,且完全不同于单幅主梁,间隙处的绕流形式随间距的增大而发生变化,下游主梁气动力系数、平均风压系数曲线和脉动风压曲线也表现出完全不同的规律;且间距越大,下游主梁气动特性和绕流方式越接近于单幅主梁。公路主梁的流线性相比于铁路主梁更强,这种气动外形差异导致2种来流方向下非对称双幅主梁气动特性和绕流形式不同,间距在L/Br=0.2~2.0范围内,气动干扰对其影响规律也完全不同。如α=0°时,双主梁上表面始终为“单一钝体流态”;但α=180°时,双主梁上表面属于“剪切层附着流态”,间距不同,上游公路主梁尾流附着于下游铁路主梁的位置不同,据此可再细分为2种不同的绕流方式。研究成果可为同类型非对称双幅桥梁间隙距离设计提供参考。

关键词：间距效应双幅桥公铁平层桥气动干扰风压系数风洞试验

FRP-混凝土组合式护栏防护重型车辆撞击的能力

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重庆大学学报 2024年第4期47卷 51-63页

作者：郑植杨波袁佩耿波重庆大学土木工程学院重庆400045 招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁工程结构动力学国家重点实验室重庆400067

为提高低等级混凝土护栏防护重型车辆的能力,设计了3种不同构造形式的复合材料护板,分别设置在混凝土护栏表面形成组合式护栏。建立车-护栏精细化有限元模型,通过与实车碰撞试验结果对比,验证了有限元模型的可靠性。考虑撞击力、碰撞角... 详细信息

为提高低等级混凝土护栏防护重型车辆的能力,设计了3种不同构造形式的复合材料护板,分别设置在混凝土护栏表面形成组合式护栏。建立车-护栏精细化有限元模型,通过与实车碰撞试验结果对比,验证了有限元模型的可靠性。考虑撞击力、碰撞角度、车辆轨迹、货厢尾部抬高、车辆动态外倾值、车辆外倾角6个评价指标,对比分析了3种方案护栏的防车撞性能。结果表明,在整体式货车撞击下,3种方案护栏均能顺利引导车辆转向,不带阻坎的方案一的各主要指标均优于其他方案,防护能力最优;在拖挂式货车撞击下,方案一的护栏导向与阻挡性能依然良好,驶出角仅为0.75°;改造后的组合式护栏防护能量达到650 kJ,防护能力是改造前的4倍。

关键词：组合式护栏碰撞仿真防车撞能力复合材料

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磁电弹性体中纳米孔边任意位置贯穿裂纹的解析解

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固体力学学报 2024年第1期45卷 61-73页

作者：肖俊华信玉岩燕山大学工程力学系秦皇岛066004 燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室秦皇岛066004

本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的Ⅲ型断裂力学性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应,利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了... 详细信息

本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的Ⅲ型断裂力学性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应,利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了纳米缺陷表面为磁电不可通条件下磁电弹场的精确解,给出了贯穿裂纹两端裂尖的磁电弹场强因子的解析表达.所得结果与已有研究比较说明了本文方法的有效性.讨论了裂纹位置、裂纹相互作用与施加多物理场载荷对无量纲磁电弹场强因子的影响.结果表明:贯穿裂纹裂尖的无量纲磁电弹场强因子尺寸效应显著;缺陷表面效应对裂纹耦合尖端场的影响受裂纹位置的制约;无量纲磁电弹场强因子受贯穿裂纹两端的裂纹长度比与施加力电磁载荷的显著影响.

关键词：磁电弹性材料纳米尺度多缺陷孔边贯穿裂纹尺寸效应裂纹位置