基于显-隐式格式的三维时域土-结相互作用分析的异步并行算法

提出了一种分析三维时域土-结构动力相互作用的并行计算方法.该方法利用显式和隐式积分格式各自的优点,采用集中质量显式有限元和黏弹性人工边界模拟无限域地基,采用隐式积分格式有限元法计算上部结构的响应,两者可采用不同的时间步距.在此基础上,采用MPI通信协议,提出了土-结构系统中土体区域的并行计算方法,以及土体区域与结构间的异步并行计算方法,并通过自编的Fortran源程序实现了地震作用下土-结相互作用分析的并行计算.以某一核电结构模型为例,分别采用串行算法和并行算法分析了土-核电结构体系在SV波输入下的反应,验证了本文并行算法的可行性和高效性.     

考虑结构非线性的铁路弹性车轮动态特性研究

为研究结构非线性(包括弹性车轮橡胶材料非线性和接触边界非线性)对弹性车轮力学行为的影响,设计静动态试验获得弹性车轮中橡胶材料非线性本构关系并探讨了橡胶黏弹性特性;推导弹性车轮系统中橡胶弹性模量与刚度的转换关系,并确定黏弹性橡胶材料的刚度特性;基于橡胶Yeoh本构模型,建立整体车轮、线弹性车轮、考虑材料非线性特性的弹性车轮(以下简称:非线性弹性车轮)以及同时考虑材料与接触非线性特性的弹性车轮(以下简称:接触弹性车轮)等四个动力学模型,研究四种车轮模型在轮轨垂向力激扰下车轮的动态规律,并探明橡胶材料参数对弹性车轮动态特性的影响.研究表明:弹性车轮能有效降低车轮垂向振动;线弹性车轮的端点和中点较之非线性弹性车轮分别最大增加10%和13%的变形量,且橡胶中点变形量小于端点变形量;线弹性车轮较之整体车轮最大能降低17%的垂向振动,非线性弹性车轮较整体车轮最大能降低22%的垂向振动,同时考虑橡胶材料非线性和接触非线性对弹性车轮的动态特性影响不显著;四种车轮振动主频均为3～5, 10以及22 Hz;弹性车轮的振动和变形量随材料硬度增加而增加.     

地震荷载下露天矿边坡动力稳定性模拟分析

以某风积土边坡为研究对象,通过对模型进行简化,研究了静荷载和动荷载荷载作用引起风积土的边坡静力安全系数、边坡动力安全系数、屈服地震系数以及破坏类型和动力稳定性判别,探讨了该边坡在地震荷载作用下产生的动力稳定性问题.研究结果表明,地震荷载作用下此类边坡会因风积土液化而产生流滑破坏.应用 ADINA软件对此边坡在地震荷载作用情况下进行了模拟,获得了动荷载作用前后的位移与应力变化关系和此边坡的动力动力安全系数.据此判别出该边坡在 EICentro波动荷载作用下会因风积土液化而产生流滑破坏.该研究结果对风积土边坡的动力稳定研究具有重要的参考价值     

交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度理论模型

交叉滚柱直线导轨广泛应用于机床等精密机械中,静刚度为交叉滚柱直线导轨的重要性能指标,然而到目前为止,尚未见到该导轨静刚度的理论模型的报道.本研究建立交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度的理论模型.首先,基于Hertz线接触理论与弹性理论的Boussinesq解,采用分片法推导了滚柱-滚道接触力及接触力矩的函数表达式;在此基础上,建立直线导轨结合部变形协调方程、物理方程与静力平衡方程,迭代求解方程获得交叉滚柱直线导轨五自由度静刚度.其次,以一款交叉滚柱直线导轨为例,开展了导轨五自由度静刚度的实验测试,并与理论模型计算结果进行了对比,验证了本模型的正确性.最后,分析讨论了预紧力对交叉滚柱直线导轨各向位移及刚度的影响,为交叉滚柱直线导轨预紧力的调节奠定理论基础.     

一种模拟弹性波在层状地基中传播的简化高阶双渐近透射边界

在强烈地震作用下,层状地基与结构之间的动力相互作用将对结构的动力响应产生重大影响,其难点是模拟波动在无限层状地基中传播引起的辐射阻尼效应.基于比例边界有限单元法(SBFEM)构建的层状介质标量波高阶双渐近透射边界能够在全频范围内快速收敛到准确解,具有很高的计算精度和计算效率,并且具有良好的数值稳定性.以二维水平等高层状地基为研究对象,将弹性动力学方程强行解耦得到两个独立的标量波方程,基于解耦的标量波方程构建了一种层状地基弹性波传播模拟的简化高阶双渐近透射边界.同标量波高阶双渐近透射边界一样,该透射边界具有良好的计算性能.数值算例结果表明,该透射边界对底部为固定边界条件的水平层状地基具有良好的模拟精度.     

水垫塘反拱底板静动力耦合分析及安全评价

泄水建筑物水垫塘底板稳定是实现泄洪消能防冲的关键所在,反拱底板工作条件复杂,其受力和破坏过程表现为高度非线性、耦合性．针对工程实践中所关注的水垫塘反拱底板安全问题开展了系统的研究．揭示了反拱底板在复杂工作条件下的受力机理和失稳模式;研究了水垫塘内的水动力荷载特性;基于粘结滑移、非线性接触理论,提出一种适用于反拱底板结构体系的非线性耦合静动力分析方法,该方法可反映水动力荷载-底板-锚筋-基岩（拱座）的耦合作用和底板结构失稳的动态过程．该方法充分考虑了多种非线性因素及静动力耦合效应,全面揭示了水垫塘反拱底板的工作条件、受力机理、失稳动态过程、影响稳定性的关键因素．     

弹性静不稳定高超声速飞行器姿态综合控制

针对弹性静不稳定高超声速飞行器存在的气动伺服弹性以及强不确定性问题,提出了一种综合相位稳定与线性自抗扰控制的姿态控制器.其中,相位稳定策略通过合理配置速率陀螺传感器的位置,达到镇定弹性模态并增加弹性模态阻尼的目的,相比于幅值稳定方法对弹性振型以及弹性频率的摄动具有更强的鲁棒性,解决了飞行器静不稳定性强且弹性模态频率较低时的气动伺服弹性问题.对于强不确定性,采用线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control, LADRC)对内部不确定性以及外部扰动进行估计和补偿,最后采用H_∞非光滑优化技术对闭环加权性能传递函数进行H_∞范数优化来整定控制器参数.非线性仿真结果表明该方法不仅能有效地抑制弹性模态,而且能够通过简单的增益调度在整个飞行包络内取得满意的控制效果.     

弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解

弹性箔片空气动压轴承被广泛应用于各种透平机械中, 然而由于其结构的复杂性, 对于这类轴承的建模、静动态性能计算以及相应转子系统动力学分析等理论研究一直处在严重滞后于实验研究的被动局面. 通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的静、动变形方程, 给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解, 完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承的静态性能分析, 同样也适用于动态刚度和阻尼的计算, 从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法.     

基于黏塑性损伤模型的高拱坝长期稳定性评价

高拱坝长期稳定性分析对高拱坝长期安全至关重要,除了要考虑坝址区岩体的时效变形及损伤外,还应采取合理的整体稳定和局部破坏的判别指标.基于弹-黏弹-黏塑性模型,提出了一种采用时效塑性余能与超屈服力进行高拱坝长期稳定评价的分析方法.黏弹性模型采用Kelvin模型,黏塑性模型采用Duvaut-Lions模型,基于连续损伤力学的有效应力和应变等效假设,编制了可以考虑损伤的三维有限元分析程序,并应用于高拱坝的长期稳定性分析中.根据塑性余能与时间的关系曲线来评价高拱坝的长期稳定性,根据超出屈服面的超屈服力的发展和分布来评价局部破坏和关键加固部位.结果表明,该方法可有效用于高拱坝的长期安全性评估.     

考虑非线性多孔弹性介质热流固耦合动力响应模型

基于Biot波动方程及热弹性动力理论,Darcy定律及修正的Fourier热传导定律,考虑流固两相介质的压缩性,渗流速度对热扩散的影响及温度梯度对渗流速度的影响,建立了饱和多孔弹性介质热流固完全耦合的动力响应模型（THMD）及控制方程,该模型可退化为基于传统Fourier热传导定律的热弹性动力模型（TMD）.最后,利用Laplace变换分析了地表作用有随时间变化热/力源条件下的一维热动力响应问题,讨论了反映土体缩性的Biot模量、热水渗透系数对结果的影响,并与热弹性动力模型结果进行比较,验证了结果的正确性.     

基于不可逆热力学的黏塑性统一本构模型

以不可逆热力学理论为基础, 选定了包含反映材料运动硬化和等向硬化行为的参量的 Helmholtz自由能函数, 同时, 构造了具有相应内变量的非关联流动势函数, 推导出流动方程以及内变量演化方程, 构建出金属材料的黏塑性统一本构模型, 提出构建黏塑性统一本构模型完整的较一般的理论框架. 与传统的唯象法模型相比, 提出的模型具有满足不可逆热力学基本规律的优点. 本方法不仅为黏塑性统一本构模型进一步的发展奠定了理论基础, 还为其应用于更广泛材料的本构分析提供了理论框架.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

大型直线振动筛横梁结构动力学分析

针对某大型直线振动筛频繁出现横梁断裂问题,应用ANSYS软件,对横梁结构进行了模态分析和谐响应分析,指出结构设计中存在问题。提出横梁结构改进方案,对改进后结构动力学性能进行分析,并与原设计横梁结构的动力学性能进行比较。结果表明：横梁断裂属于低应力断裂;横梁结构静力分析与动力分析的应力值差异较大,采用静力准则的结构设计不能保证结构可靠性;改进后的横梁结构应力状态得到改善,疲劳寿命提高。     

基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法

建立了一种基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法,并基于此方法对弹性机翼进行了静气动弹性分析．基于机翼几何实体模型建立了三维气动力模型,利用高阶面元法计算气动力,通过模态法实现气动与结构的耦合,以AGARD445．6机翼和一个小展弦比机翼为研究对象,分析了机翼结构弹性变形对气动力的影响．本文重点研究了机翼的气动力系数、翼根载荷、结构变形、不同展向位置的压力分布等参数的变化趋势,并将部分结果与风洞试验、基于风洞试验气动力所得弹性结果进行了对比．结果表明：高阶面元法计算所得气动力具有较高的精确性;基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法具有可行性、可靠性和高效性,可以提供较为全面的静气动弹性数据为飞机初步设计参考．     

基于自然边界元与有限元耦合的重叠型迭代算法

了更充分地利用有限元与自然边界元各自的优点,并尽量减少由于方法的局限性造成的在计算量及计算精度上的不足,本文引入了有限元与自然边界元耦合的方法。在文中简单介绍了自然边界元法及其与有限元耦合的原理,通过设置含有重叠区域的圆形人工边界,实现自然边界元与有限元的耦合,并把该方法应用到无界区域的实际算例中。从计算结果的比较中可以看出自然边界元与有限元耦合算法的收敛速度更快,充分体现了耦合法在解决无界区域问题上的优越性。     

应力水平对3D C/C复合材料的弯弯疲劳损伤模式的影响

测定了3D C/C复合材料的弯弯疲劳寿命曲线以及疲劳加载过程中的载荷-挠度回滞曲线, 通过试件实物照片和SEM疲劳断口分析, 研究了在不同应力水平下材料的损伤模式. 研究结果表明, 3D C/C复合材料的弯弯疲劳极限为203 MPa, 应力水平为静弯曲强度的92%, 远高于2D C/C复合材料. 随应力水平的提高, 材料的疲劳载荷-挠度回滞曲线由弹性滞后环向非弹性滞后环转化, 挠度显著增加. 揭示了纤维与基体界面的滑动磨损在疲劳失效中起重要的作用, 应力水平的高低控制着这种滑动磨损的程度和速度.     

裂缝诱导的多次散射波边界元法模拟

提出了一种研究二维弹性动力学散射问题的边界元法,其中,散射体或侵入体散场以Ｈｕｙｇｅｎｓ原理积分形式表达,虚拟场源以适配边界条件来求取,该间接边界元法可以高精度计算包括多次散射在内的全波场。通过对不同空间与尺度分布裂缝所诱导的地震波散射数值计算表明：该方法具有计算多次散射波场的能力,尾波（多次散射波）频率及延续长度受控于裂缝位置及尺度;等效介质弹性参数受控于散射体不同的统计分布。     

基于弹性力学的超构材料

近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的可设计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜力.超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域.借助Milton图重点阐述了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别：例如具有负的质量密度和负弹性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料.不仅如此,还结合变换力学着重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应.最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用.     

极寒环境下铁路扣件新型网孔式弹性垫板动力性能及影响研究

为研究新型网孔式弹性垫板在极寒环境中的动力性能,建立网孔式弹性垫板三维有限元模型,选用MooneyRivlin本构模型和温度因子模拟不同温度下橡胶材料的力学性能,分析网孔式弹性垫板动刚度和阻尼系数的温变特性;并基于车辆-轨道耦合动力学理论,计算和分析网孔式弹性垫板在极寒条件下的行车安全性和平稳性,评价网孔式弹性垫板在极寒环境中的适用性.研究结果表明:网孔式弹性垫板具有明显的低温敏感性,当温度在-10℃之上时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数变化较为稳定,当温度低于-10℃时,弹性垫板的动刚度和阻尼系数随温度降低而急剧增大.温变条件下网孔式弹性垫板对车辆-轨道系统动力学性能有明显的影响:轮轨力和轮重减载率随温度的降低而显著增大,钢轨的垂向动位移量随温度的降低而减小;在极寒的环境中,高速列车的轮重减载率急剧增大,应采用降低列车运行速度的方法确保列车运行安全.     

基于调谐黏滞质量阻尼器的浮置板轨道低频减振方法

本文运用调谐黏滞质量阻尼器(tuned viscous mass damper,TVMD)控制系统的力学特征和工作原理,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了车辆-TVMD浮置板轨道的垂向耦合动力学模型,仿真分析了车辆-TVMD浮置板轨道垂向耦合系统的动力响应特征,并与传统钢弹簧浮置板轨道系统对比,探明了TVMD系统对浮...