大空间索支承结构火灾下力学性能理论分析与数值模拟

大空间索支承结构近年来在我国大型公用建筑中得到了迅速的发展，然而，由于多采用高强度钢索等作为主要承重构件，而钢材在火灾高温下弹性模量和屈服强度都会急剧下降．此外，钢索往往无法进行防火保护．基于这样的背景，对几种典型的大空间索支承结构——索桁架、张弦梁和预应力索网等火灾下的力学性能进行了分析研究，推导了考虑几何非线性与高温下钢索材料非线性等影响因素下的理论计算公式，对于部分难以解析求解的情况，利用ANSYS有限元计算软件进行了数值模拟，得到了火灾升温过程中计算模型位移以及钢索中预应力随温升的变化规律，并给出了大空间索支承结构火灾升温下的具体计算公式与设计中应注意的问题，可以为设计人员提供一定的借鉴作用．     

杂交应力实壳单元对压电结构的非线性分析

给出8节点实壳单元对压电结构的几何非线性分析. 为了克服剪切、梯形和厚度锁定, 采用了假设自然应变方法, 特别是修正广义层合刚度矩阵. 由修正广义层合刚度矩阵得到的广义应力被单独假设, 导出了推广的Hellinger-Reissner 泛函, 通过选择广义应力假设实体单元的应力假设, 导出了杂交应力实壳单元的表达式. 非线性数值算例说明给出的单元模型对分析非线性压电结构的有效性.     

基体开裂对黏弹性层合圆柱壳延迟失稳的影响

研究了基体蠕变开裂对黏弹性层合圆柱壳的前屈曲变形特征和分岔蠕变屈曲的影响．采用Schapery的耦合基体开裂的积分型本构关系描述铺设单层的力学行为，由细观力学方法将损伤变量值与基体裂纹密度相关联，并建立基体裂纹密度演化与拉伸应力的幂型关系．基于Donnell型扁壳理论和Karman．Donnell几何非线性关系得到黏弹性层合圆柱壳在轴向压缩下的前屈曲变形与分岔屈曲控制方程，综合应用有限差分、三角级数展开以及Taylor的卷积积分数值递规算法求解问题．针对多组几何参数、损伤演化参数以及两端边界条件，分析对称铺设玻璃纤维／环氧复合材料圆柱壳在耦合基体蠕变开裂时的分岔蠕变屈曲行为．数值结果表明：基体横向开裂损伤显著降低了短圆柱壳分岔蠕变失稳的临界时间和持久临界荷载，但这种影响随着圆柱壳径厚比的增加而减弱直至消失，对中长圆柱壳，损伤效应与圆柱壳两端的边界条件有关．     

混凝土材料三维弹塑性本构模型

非线性统一强度准则将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数.本文将非线性统一强度准则作为屈服函数,以塑性剪应变的函数作为硬化/软化参数,硬化/软化函数参考单轴压缩条件下的应力应变关系给出,建立了混凝土材料的非线性统一弹塑性本构模型.通过混凝土材料单轴、双轴和三轴试验结果对本构模型的验证,以及偏心受压构件试验结果对数值模拟结果的验证表明,所建立的非线性统一弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,并可反映应变软化特性,将模型用于数值计算时易于获得收敛解,且具有较高的精确度和计算效率.     

空间薄壁截面梁的双重非线性有限元模型

本文根据Bernoulli-Euler梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑剪切变形及其耦合、弯扭耦合和二次剪应力影响的空间薄壁截面梁双重非线性有限元模型.以TL格式描述几何非线性应变,并推得几何刚度矩阵.同时考虑了材料非线性,假定材料为理想弹塑性体,符合Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割的方法,由数值积分得到空间薄壁截面梁的弹塑性刚度矩阵.算例表明本文所建模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析.     

大空间内仓室火灾机械排烟的实验研究与模拟计算分析

首先理论分析得到了仓室火灾时大空间机械排烟换气量的计算模型. 通过全尺寸热烟测试实验, 研究不同换气率(air change per hour, ACH)情形下仓室火灾在大空间内的蔓延过程, 实验表明规范设计换气量情形下, 仓室火灾的热释放速率为0.34 MW, 0.67 MW, 1 MW时, 有效空气高度大约分别为6 m, 4 m, 2 m. 通过自发展的大空间-仓室双区模拟程序进行数值实验, 比较0.25 ~ 4 MW的仓室火灾在不同ACH情形下大空间内的烟气控制效果, 计算表明烟气层控制在5 m以上的换气率分别为3 ACH, 6 ACH, 10 ACH, 10 ACH, 指出集中排烟量的需求要远超过规范的设计量. 针对这个问题, 提出了对高火灾荷载仓室进行辅助分布式机械排烟控制的方法, 通过火灾算例预测, 表明如果从安全和经济两个角度考虑, 辅助地采用分布式仓室排烟设计, 可以有效的减少大空间机械排烟换气率的设计值的需求量.     

刚交错桁架结构的抗震性能分析

为研究新型结构体系-钢交错桁架结构在地震作用下的动力特性,首先提出一种新的计算模型--伪空间模型,在通过模态分析和Pushover分析验证了由伪空间模型研究钢交错桁架结构横向抗震性能的可行性之后,对10层、15层和20层钢交错桁架结构分别进行IDA分析,并通过分析结构的动力响应,评估其抗震性能,研究成果对分析钢交错桁架结构的动力特性具有一定意义.     

观测器特征型随机非线性系统输出反馈镇定

考虑了一类具有稳定零动态观测器特征型随机非线性系统的输出反馈镇定问题. 应用一系列的状态变换, 将系统转化为下三角结构以便于应用积分反推设计方法设计控制器. 设计了输出反馈控制器, 证明了闭环系统的概率意义下的有界性. 当扰动向量场在原点处消逝时, 闭环系统为概率意义下渐近稳定. 此控制器还满足非线性系统的平衡条件.     

大展弦比飞机几何非线性气动弹性稳定性的线性化方法

基于动力学小扰动假设建立了具有大展弦比机翼柔性飞机的全机几何非线性气动弹性稳定性分析的线性化方法和工程求解流程,并通过复杂算例验证了该方法的工程适用性.对某高空长航时无人机,计算了飞机在平飞设计载荷以及阵风载荷作用下的非线性静变形,在对应的非线性平衡态下对全机进行动力学线性化,计算了考虑静态大变形因素的全机固有振动特性,采用偶极子格网法计算了非定常气动力,进一步分析了全机的气动弹性稳定性,并与传统线性计算结果进行了对比研究.计算结果表明,由于结构大变形引起的几何非线性会引起机翼面内弯曲和扭转的运动耦合,改变相应模态的频率和振型,从而影响气动弹性耦合关系,降低颤振临界速度.传统的线性方法不但不能得到准确的颤振临界速度,而且有可能给出错误的稳定性结论.因此,对于具有大展弦比机翼的高空长航时无人机,以及类似的大柔性飞行器,必须在其设计过程中进行几何非线性气动弹性稳定性分析.     

层状二硫化钼纳米薄膜的制备及其光学特性

通过化学气相沉积法(CVD),以三氧化钼(MoO_3)粉末和硫(S)粉末作为反应物,将二硫化钼(MoS_2)纳米薄膜直接沉积到石英衬底上.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行了观察.发现所生长的MoS_2薄膜为纳米层状结构.通过拉曼光谱和光致发光光谱对生长的薄膜进行结构及光学性能分析.结果表明生长的纳米薄膜中有单层、双层和三层MoS_2薄膜的存在,同时在单层、双层和三层MoS_2薄膜中观察到了光致发光现象.并分析解释了MoS_2纳米薄膜从体材料向单层转变时能带结构的变化.     

大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.     

城市轨道交通线路承载力影响因素的量化分析——以上海市为例

根据城市轨道交通承载力的特点,对影响承载力的因素进行分析和研究,分别建立了理想状况、考虑列车折返能力因素、考虑线路换乘能力因素以及考虑线路服务水平因素等4种状况下的承载力计算模型。并结合上海轨道交通的实际运营条件,分析了不同状况下的线路承载力,最后通过比较分析计算结果,得出了各个因素对线路承载力的影响程度。     

基于视频图像的火灾探测方法

图像型火灾探测是利用摄像机作为探头,对拍摄到的现场视频进行处理和分析,通过形体、颜色等变化特征探测火灾.本文提出一种基于视频图像的火灾探测方法,首先探测视频中是否存在移动区域,然后对移动区域内满足火焰颜色特征的区域利用HIS模型进行分割,分别分割计算区域的圆形度,面积变化率,闪烁频率及面积变化趋势特征等,最后通过分析特征进行火灾的探测.在此基础上,对提取的各项特征进行综合分析,从而实现火灾的探测和判别.仿真实验结果证明了算法的有效性.     

连续模态Pushover分析法在钢交错桁架结构中的应用及改进

连续模态Pushover分析(Consecutive Modal Pushover,简称CMP)是一种能够考虑结构高阶振型的Pushover分析方法.为研究该法是否适用于钢交错桁架结构的抗震性能评估,分别时10层、15层和20层钢交错桁架结构体系进行CMP分析和非线性时程分析,并通过比较由CMP分析和非线性时程分析所得结构的反应,对CMP分析法提出相应的改进方案.分析结果表明,改进后的CMP分析法对于铜交错桁架结构的抗震性能评估是一种行之有效的方法.     

重力波波包在临界层附近的传播

应用二维可压大气线性与全非线性数值模型, 模拟了重力波波包在临界层附近的传播. 对线性传播的波包来说, 临界层相互作用与线性理论描述非常一致. 大初始振幅尽管会使对流不稳定条件在传播过程中得到满足, 但波包并不会因此变得不稳定. 在无风背景中, 重力波波包的位能和动能可以自由转化. 在进入切变风场后, 在线性传播中这种转化将立即停止; 而非线性传播过程中该转化仍将继续. 非线性作用显著改变了背景平均流, 减小了波包的动量和能量传输速度, 降低了临界层高度; 并使得波包的部分区域变得不稳定, 破碎成更小尺度运动. 波破碎首先消耗动能. 在破碎发展到一定程度后, 位能也开始损耗. 这表明, 是剪切不稳定首先导致了波破碎的发生.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

微穿孔板吸声体混合结构的声学性能研究

为解决单层微穿孔板吸声体中高频吸声效果较差、多层微穿孔板尺度较厚且高频吸声效果较差的问题,通过在单层微穿孔板前侧增加多孔材料构建了混合吸声结构。继而在单层微穿孔板等价多孔材料模型的基础上,提出了微穿孔板混合结构的吸声系数计算方法,利用VA One软件的Foam模块建立了混合结构的模型,模拟计算混响室中的扩散场吸声系数。仿真结果表明,该结构可显著提高低、中、高三个频段的吸声系数,在不增加额外厚度的基础上实现全频段高吸收(吸声系数接近1)的效果,所采用的仿真计算方法简单高效。提出的混合结构及其计算方法对指导设计宽频吸声结构具有参考意义。     

某型航空用棘轮棘爪离合器动力学仿真分析

棘轮棘爪离合器是航空发动机双速传动装置的重要组成部分,棘轮棘爪机构能否安全稳定的运转,直接关系到该离合器能否顺利实现啮合转换过程以及能否正常可靠地工作,从而确保飞行安全.通过计算得到各工况下棘轮棘爪结构的动力学特性参数,利用Solid Works建立棘轮棘爪离合器的结构模型,并将其导入ADAMS多体动力学仿真软件进行仿真,将仿真结果与实验数据对照验证模型的正确性及可靠性,并在此模型的基础上建立离合器平面涡卷弹簧各预紧力矩下的脱啮转速变化曲线,得到了平面涡卷弹簧的理想工作区域.通过改变模型参数实现棘轮棘爪离合器加工及装配误差下的特殊工况,深入探讨了离合器的加工参数对脱啮转速的影响,并在力学理论上对影响因素及产生原因进行分析;同时,研究了离合器装配误差状态下的脱啮转速及状态的变化特性,得到了离合器装配误差的有效控制范围.通过研究,以期能够对此型离合器的结构设计及维修提供理论依据和技术支撑.     

一种确定双重孔隙介质黏聚力与内摩擦角的方法及其有限元分析

对于双重孔隙-裂隙介质岩体,考虑裂隙对孔隙基质强度的弱化作用,提出了一种确定此种岩体表征单元中任一平面上黏聚力N c及内摩擦角N?的方法,通过本方法得到计算结果与Attewell法所得岩体强度各向异性变化曲线基本一致,证明了所建立的N c,N?值计算式是合理的.将上述求N c,N?的方法引入所研制的二维弹塑性有限元程序中,针对岩体中不同裂隙状态的一个矩形地下洞室,对3种不同工况进行计算与分析,结果显示:随着裂隙组数的增加,岩体的黏聚力和内摩擦角减小,围岩中应力、位移的量值及分布发生明显变化,且塑性区的面积非线性急剧增长.     

基于变形时间效应的高速铁路地基压缩层厚度计算方法

路堤荷载作用下地基变形是高速铁路路基沉降的主要来源,地基有时间效应的变形是引起高速铁路长期服役性能劣化的核心因素,掌握具有变形时间效应的地基土层区域是合理计算地基工后沉降、优化地基加固方案的技术关键.基于分形的无标度特性,确立塑性变形速率随时间的分形关系,揭示了地基土变形随荷载水平呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四种演化状态类别,提出了表征变形速率变化快慢的土体变形状态"分维数判别法";开展了单元结构填土模型和三轴流变试验,获得了中低压缩性粉质黏土的变形状态荷载阈值及其与抗剪强度或极限承载力的比值;基于摩尔-库伦准则,采用强度折减方法,获得了地基土变形状态强度参数,结合地基土中应力,得到了由库伦强度理论表达的变形状态控制方程,明确了地基沿深度具有时间效应变形区域的深度即为基于变形时间效应的地基压缩层厚度.提出的"时间效应法"确定压缩层厚度为进一步完善高速铁路的地基沉降计算提供了理论依据和实验支撑.