螺栓连接大变形梁非线性振动特性的实验研究

柔性机械臂、大型可展开天线等机械结构的动作精度受运动过程中大变形几何非线性和连接处接触非线性的影响十分显著。以含螺栓连接结构的大变形梁作为研究对象，针对动力学建模和振动特性开展了实验研究，通过数值计算验证了实验发现的非线性振动特性。搭建了含螺栓连接柔性大变形梁的实验台架，开展了敲击和正弦激振的实验测试。实验结果表明，螺栓连接的柔性梁较连续梁的（无螺栓连接）模态频率降低，阻尼增加，反映出随着激励能量增大，模态频率降低的非线性模态特征。改变螺栓连接位置会显著影响结构的模态频率，其变化规律可由求解线性矩阵特征值定性反映。     

弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性

采用简化的变系数内孤立波传播方程来描述弱非线性内孤立波在不同坡度斜坡上的传播演化过程.结果表明:弱非线性内孤立波在通过斜坡的传播过程中产生了不同程度的分裂现象,分裂为首波和尾波列.在通过斜坡的传播过程中内孤立波主要受到由地形诱导产生的浅化效应和能量耗散作用.对于非线性较弱的内孤立波,地形导致的浅化效应占主导作用,振幅逐渐增大并趋于稳定,而波速逐渐减小并趋于稳定.在相同的地形条件下,随着初始振幅增大,振幅的增加量减小,波速的减小量增加.随着斜坡坡度的增大,非线性内孤立波在传播过程中受到的能量耗散作用逐渐大于浅化效应,使得内孤立波在传播过程中振幅先增大后减小.当经过临界点(上下层流体深度相同的点)后,内孤立波由下凹型转变为上凸型.     

接触行为对颗粒材料中应力波波速与能量的影响

采用离散单元法,研究线弹性接触模型、Hertz接触模型、线性平行粘结模型对不同排列颗粒材料中波传播的影响,分析了三种接触模型下波的波速变化和能量变化,同时也研究了弹性模量对颗粒材料中波传播的影响.最后对颗粒材料样本采用Hertz接触模型,探究了不同围压条件下颗粒材料中波的波速变化和能量衰减.研究结果表明:不同接触模型下波传播的波速和能量衰减率不同;当颗粒样本从规则排列到随机排列,波传播的波速变小,能量衰减率变大;随着颗粒弹性模量的增大,波速呈对数增大;在波传播过程中能量快速耗散,随着围压的增大,波速和能量衰减率都增大.     

考虑粗糙表面接触的连接面黏滑摩擦建模

基于Kragelsky-Demkin粗糙接触理论和Iwan迟滞非线性模型,建立了一种考虑界面粗糙度参数的连接界面非线性力学模型。首先建立了连接界面恢复力分布与表面粗糙度参数之间的关系,导出了临界滑移力的分布密度函数;然后结合连续Iwan迟滞非线性唯象模型,导出了连接界面切向载荷与切向相对位移之间的关系,以及界面单位周期能量耗散与切向振荡载荷幅值之间的关系;最后研究了粗糙度参数对界面宏观力学行为的影响。结果表明:建立的模型能够直接反映界面宏观力学响应与表面粗糙度参数之间的关系;连接界面切向恢复力与相对位移之间为非线性关系,切向连接刚度随相对位移增大而减小;激励幅值相同时,表面粗糙度参数越大,则切向连接刚度越大,单位周期的能量耗散越小;当激励幅值不足以引起宏观滑动时,单位周期能量耗散与激励幅值之间为幂函数关系。     

全螺栓连接和焊接连接钢板剪力墙力学性能分析

为了避免焊接造成的残余应力,通过螺栓连接的端板将上下2块钢板连接,形成一种延性和耗能能力更好的全螺栓连接钢板墙.通过有限元建立全螺栓连接和传统焊接连接钢板墙模型,对比两种钢板墙在单向推覆和往复荷载作用下的荷载位移曲线、抗侧承载性能、能量耗散系数、刚度退化和承载力退化等性能.结果表明,在单向推覆作用下全螺栓连接钢板墙的抗侧承载力与传统焊接形式较为接近,但初始刚度比传统形式下降了11%;在往复荷载作用下,全螺栓连接形式表现出更好的整体耗能能力,刚度退化更平缓.该类钢板墙还便于生产和安装,在今后的工程应用中值得广泛的推广和应用.     

具有大倾斜角的纤维桥联分析

将基体作为纤维在垂直和水平方向的弹性支承,考虑基体剥落与纤维拉出的完全耦合,基于基体的支承刚度和破坏条件,利用杆件非线性弯曲模型和有限元法,分析了具有大倾斜角的层间短纤维的桥联力与层间裂纹张开位移的关系·数值算例表明,桥联纤维的弯曲变形是局部的,主要是拉伸,在基体剥落与纤维拉出的影响下,韧性较好的芳纶短纤维桥联张开位移较大,可以在桥联中产生较大的能量耗散和增韧作用     

有限形变和粘弹性阻尼对纵向应变孤波的影响

本文用微扰理论方法,详细地研究了非线性弹性杆中纵向应变孤波在有限形变和线性粘弹性阻尼作用下的演变规律.发现有限形变和线性粘弹性阻尼对纵向应变孤波的主要影响是:a.孤波发生形变;b.孤波的传播速度减小;C.孤波的能量发生耗散;d.孤波后面会生长出一条振荡形状的小尾迹.当忽略有限形变和线性粘弹性阻尼时,应变孤波的能量是一个常数,这种能量的聚集可能导致杆的非线性结构断裂.     

螺栓联接的有限元建模方法研究

对螺栓联接的有限元建模方法进行研究和评估.以螺栓-法兰联接为例,基于有限元分析软件ANSYS,建立了3种螺栓联接的有限元模型,即实体螺栓联接模型、梁单元联接模型和刚性单元联接模型.模态试验和应力分析表明,实体螺栓联接模型和梁单元联接模型具有广泛的适用性,可准确分析螺栓联接结构的静态特性和动态特性.相比实体螺栓联接模型,梁单元联接模型在保留了关键细节的同时提高了建模和计算效率.刚性单元联接模型不能模拟螺栓预紧和接触,只适用于模态分析.试验和仿真均表明,螺栓预紧力的大小对结构模态影响很小.仿真表明,螺栓联接表现出复杂的非线性特性,如应力的非线性变化、法兰之间接触状态的变化、螺栓总拉力的非线性变化等.      

考虑螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析

以含螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳为研究对象,采用商用有限元分析软件ANSYS建立了系统的全实体/梁-壳混合有限元模型.基于所建立的模型,分析讨论了自由/约束边界,法兰/吊挂处预紧力对系统固有特性的影响,并通过试验进行了对比验证.研究结果表明:本文所建立的有限元模型能较好地模拟螺栓连接处界面接触压力及其分布情况,且在保证一定精度的前提下,梁-壳混合模型较全实体模型的计算效率高;吊挂约束的存在对系统的固有频率和振型影响较大;法兰处螺栓预紧力对系统第5~8阶固有频率影响较大,而吊挂处螺栓预紧力对系统前3阶固有频率影响较大.     

库伦摩擦对波箔气体轴承特性的影响

为了深入了解库伦摩擦对波箔气体轴承特性的影响,考虑了波箔片与平箔片间摩擦力以及波箔片与轴承座间摩擦力,通过有限元梁单元模型计算波箔轴承单个波拱的位移,采用能量耗散的方法对波箔轴承的刚度和阻尼特性进行了评价,分析了载荷基准值和载荷波动幅值以及摩擦因数对库伦阻尼耗散能量以及箔片刚度特性的影响规律。研究结果表明：随着载荷基准值和载荷波动幅值增大,库伦阻尼耗散能量明显增加,有助于提高轴承运行的稳定性;载荷波动幅值增大,波箔轴承刚度先迅速减小然后逐渐趋于稳定;载荷基准值变化对波箔刚度影响较小,波箔刚度基本不发生变化。载荷由最大值逐渐减小时,波箔拱顶部摩擦力刚开始时仍为滑动摩擦力。进入滞止阶段后,滑动摩擦力逐渐转变为静摩擦力且摩擦力方向逐渐由同向变为反向。箔片轴承设计过程中,应以支撑刚度或阻尼耗散为目标,选择最优的摩擦因数。     

基于FUNWAVE-TVD模型的岸礁次重力波数值模拟

为了研究不规则波条件下岸礁上次重力波的传播规律,采用完全非线性的Boussinesq数值模型FUNWAVE TVD对波浪水槽的物理模型试验进行了数值模拟。在对短波、次重力波有效波高与时均水位模拟结果验证的基础上,采用互相关分析与小波二阶谱研究了次重力波的生成、传播过程及相关的非线性能量传递。结果表明：礁前次重力波从谱峰频段获得能量;礁前斜坡上水深变浅时,非线性作用加剧,更多波能从谱峰频段传至高频段与低频段并伴随着约束波的成长;礁坪上次重力波主要由破碎点移动产生,礁坪末端能量传递主要发生在低频段之间。     

水下爆炸能量耗散特性分析研究

基于特征线理论得到了水中冲击波的近似传播规律,提出了炸药水下爆炸冲击波传播过程中的熵变及能量耗散特性的近似评估方法.使用该评估方法,对TNT和RS211两种炸药水下爆炸近场冲击波传播过程中的能量耗散进行了计算.研究表明,水下爆炸近场的冲击波超压峰值迅速衰减,熵增与能量损失主要发生在水下爆炸近场的10倍装药半径范围内.对于TNT和RS211两种炸药,20倍装药半径处水中冲击波的能量耗散分别约为水下爆炸总能量的34%和32%,与水下爆炸试验结果基本一致.     

基于非静压方程的波浪破碎模拟

在保证数值精度的基础上,为了提高非静压波浪模型在近岸波浪传播破碎模拟中的计算效率,基于非静压方程模型(SWASH)建立了近岸波浪破碎数值模型.数值模型通过将描述波浪破碎的非静压方程退化为非线性静压浅水方程并引入波浪破碎后能量衰减的紊动模型以减少模拟破碎时的垂向分层数.利用斜坡、潜堤以及沙坝上的波浪破碎水槽实验对模型进行了验证.结果表明,所建立的模型只需要在垂向划分较少的网格层数,即可合理地描述波浪破碎点位置和破碎后波高,进一步提高了非静压波浪模型在实际工程应用中的吸引力和竞争力.     

夹层对陶瓷/装甲钢复合结构应力波传播及抗弹性能影响

选取陶瓷/装甲钢复合结构为研究对象,开展霍普金森压杆试验(SHPB),研究夹层材料对复合结构应力波传播与能量耗散的影响;采用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同夹层复合结构进行靶试验证,开展夹层材料对复合结构抗弹性能的研究. 结果表明:在陶瓷/装甲钢复合结构中引入合适的夹层材料作为过渡层,对应力波衰减起到一定改善作用;能显著提高复合结构的抗弹性能.     

浅水非线性不规则波数值模拟

在洪广文等提出的缓变水深、水位与流场水域中完全频散性的非线性传播数学模型的基础上,建立了非线性不规则波的计算模型。计算不规则波的主要谱参数,分析比较不同模式下不规则波传播变形的规律和差异等,得出数学模型能够较好地模拟出非线性不规则波的传播,适用于工程应用。     

预应力方套管连接胶合木梁柱节点抗弯试验

提出在胶合木结构中采用预应力方套管螺栓连接,该连接采用高强螺栓和钢套管作为连接件.通过单调加载和往复加载下的梁柱节点抗弯试验,对比了方套管节点和传统螺栓群连接节点的破坏模式、弯矩-转角曲线、滞回曲线、强度、刚度和耗能性能.结果表明,由于摩擦阶段钢管与钢板间的摩擦力确保了初始传力,套管节点的初始转动刚度显著提升,耗能能力也得到改善.     

建筑物对爆炸地震波传播的影响

爆炸地震波传播会受环境介质等因素的影响,从厂房防护和炸药储存安全距离方面考虑,了解建筑物对爆炸地震波传播造成的影响很有必要。通过建立钢筋混凝土厂房模型,在模型外部及内部进行爆炸试验并测得相应的地震波信号,对其峰值速度拟合以及采用小波包变换的分析方法,研究建筑结构对地震波传播峰值速度和振动频率的影响。由于建筑结构的存在,改变了地震波传播的环境介质,使其峰值速度产生了较大的衰减,频率中高频成分所含能量减少。研究补充了建筑结构对爆炸地震波传播造成的影响,为炸药生产厂房及储存仓库安全距离的判定提供了参考依据。     

Numerical study of the propagation of small-amplitude atmospheric gravity wave

By using a two-dimensional fully nonlinear compressible atmospheric dynamic numerical model, the propagation of a small amplitude gravity wave packet is simulated. A corresponding linear model is also developed for comparison. In an isothermal atmosphere, the simulations show that the nonlinear effects impacting on the propagation of a small amplitude gravity wave are negligible. In the nonisothermal atmosphere, however, the nonlinear effects are remarkable. They act to slow markedly down the propagation velocity of wave energy and therefore reduce the growth ratio of the wave amplitude with time. But the energy is still conserved. A proof of this is provided by the observations in the middle atmosphere.