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• 2015年, 36卷, 第4期
  刊出日期：2015-12-25

    

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  振动控制研究进展综述

  徐鉴

  2015, 36(4): 547-565. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.001

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  由于工程中巨大的需求，振动控制技术和相关的研究，一直都是国内外研究的前沿热点．经典的振动控制方法有着严密的理论体系，一直都被工程师广泛应用．但是这些振动控制技术也有其明显的缺陷，因此，国内外学术界多年来一直致力于改善这些缺陷，或提出新的振动控制结构和新方法来抑制振动．本文综述近年来国内外学术界新的方法和技术，主要是从被动抑制和主动控制两个方面进行综述．
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  核燃料裂变气体辐照肿胀的相场模拟与分析

  丁雪健, 黄灏, 霍永忠

  2015, 36(4): 566-573. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.002

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  采用修正的Cahn-Hilliard方程研究辐照下核材料中气泡微结构演化过程，采用基于经典形核理论的形核算法模拟空洞形核过程，分析微结构对核材料力学性质的影响，着重考察了气体辐照肿胀应变的演化规律．分析了不同辐照强度下气泡密度和气体辐肿胀应变的演化规律，并与实验结果进行对比．
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  液滴二次雾化破碎模式数值模拟

  张雨树, 薛雷平

  2015, 36(4): 574-585. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.003

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  在许多现代工程领域中，二次雾化对于增强液体雾化以及提高混合率都起到了关键的作用．基于SIMPLE方法对这个问题进行了数值模拟，VOF方法与Level-Set方法耦合捕捉界面，自适应网格的运用平衡了对提高计算精度以及降低计算成本两方面的要求．在Oh数较低(Oh < 0.1)的情况下，通过数值模拟得到了四种典型的液滴分裂模式，并且对其中相对复杂的第二第三种分裂模式进行了详细的分析与比较．得出了该模式形成的条件与相关特性．最后，将以上结果与前人的实验结果作了对比，在大多数重要特征方面，两者有非常好的一致性．
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  黏滞阻尼器在超高层结构体系中的效率研究

  何斌, 施卫星, 刘成清

  2015, 36(4): 586-593. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.004

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  250m以上的超高层结构主要有框架-核心筒、框筒-核心筒和巨型框架-核心筒等三种结构体系．由于超高层结构的高宽比通常较大（5以上），结构的侧向变形往往成为控制因素．随着消能减震技术的不断成熟，黏滞阻尼器越来越多的应用于建筑结构领域．本文分别将黏滞阻尼器均匀布置在上述三种超高层结构体系中，对比其消能减震效果并分析原因，最后建议了黏滞阻尼器在这些结构中的较优布置．
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  考虑关节摩擦的空间机器人动力学建模与参数辨识

  王靖森, 刘晓峰, 段柳成, 蔡国平

  2015, 36(4): 594-601. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.005

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  研究了考虑关节摩擦影响的空间机器人系统的动力学建模与参数辨识问题．采用单向递推组集方法和虚功率原理建立了含有关节摩擦的多体系统动力学方程，推导了关节摩擦对系统动力学方程的贡献，采用基于腕力传感器信号和最小二乘法的辨识方法进行了系统惯性参数的辨识．数值仿真结果验证了数学模型的正确性与辨识方法的有效性．
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  电致伸缩圆柱体电场冲击响应研究

  蒋泉, 高存法, 徐鑫龙

  2015, 36(4): 602-610. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.006

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  根据弹性力学轴对称平面应变问题的基本方程，采用有限Hankel变换及其逆变换辅以Laplace变换技术，得到了轴对称径向突加电场载荷条件下电致伸缩材料实心圆柱体的动态位移和应力响应的解析解．由于电冲击引起圆柱体内弹性波的传播，动态位移和应力随时间呈不同峰值的周期性变化．数值计算表明，随着半径增大，位移的响应相应增加，在圆柱表面达到静态位移数值的5倍以上；在圆柱表面附近，动态应力响应呈周期性拉压变化，最大幅度可达到静态应力的20倍左右．因此，在计算位移和应力场时，必须考虑电场冲击因素．
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  一种考虑虚拟质量力的两相压力波速经验模型

  孔祥伟, 林元华, 何龙, 邱伊婕

  2015, 36(4): 611-617. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.007

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  前人建立的两相压力波速经验模型未考虑虚拟质量力，本文考虑虚拟质量力、管壁弹性、管壁粗糙度等因素，通过求解双流体模型的小扰动，提出了一种新的气液两相压力波速经验模型．以一个具体的工程实例为背景，运用数值方法对其求解，得到的计算结果与前人实测的实验数据一致．结果表明，当空隙率较小时(0＜Φ＜15%)时，虚拟质量力对压力波速的影响不大，当空隙率较大时(Φ≥15%)，考虑虚拟质量力计算的压力波速远大于不考虑虚拟质量力计算的压力波速．经验公式也可达到准确求解压力波速的目的．
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  导电圆柱薄壳的热磁弹性效应分析

  边宇虹, 赵海涛

  2015, 36(4): 618-626. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.008

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  研究了磁场环境中受机械载荷作用的导电圆柱薄壳的热磁弹性问题．首先，根据电动力学方程和广义Ohm定律，得到了导电薄壳电流密度的分布，考虑到Joule热效应及热平衡方程，得到了导电薄壳的温度分布．其次，通过几何方程、物理方程、运动方程和电动力学方程导出了导电薄壳在机械场、电磁场以及温度场作用下的基本方程．最后，采用差分法及准线性化方法，得到了可以应用离散正交法求解的准线性微分方程组．对于导电圆柱薄壳，得到了Lorentz力表达式，并且推导了温度场积分特征值．讨论了导电圆柱薄壳应力、温度及变形随外加电磁参量的变化规律，并通过实例证实了可以通过改变电、磁、力场的参数来实现对薄壳的应力、应变、温度的控制．
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  带圆开孔的弹性约束适度椭圆板的自由振动分析

  常海啸, 聂国华

  2015, 36(4): 627-635. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.009

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  采用弹性理论并结合边界摄动技术，对带中心圆孔的适度椭圆薄板的自由振动基频进行了分析．当薄板的内边界受弹性约束，外边界为自由，导出了自由振动基频的解析解．同时，利用ANSYS软件进行了数值模拟，通过经典边界条件下基频结果的对比，验证了基于本文理论解的计算结果的精确性．本方法可以有效用于处理具有曲线边界的薄板结构的自由振动问题．
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  多维地震波作用下地铁车站及场地的地震反应

  李鹏飞, 陈清军

  2015, 36(4): 636-644. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.010

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  研究了不同类型多维地震波作用下地铁车站及软土场地的地震反应特征。以上海软土场地条件下的某双层地铁车站为背景，采用有限元方法建立了描述场地土与地铁车站结构相互作用的二维非线性力学模型，其中利用等效线性化方法模拟了土的非线性。以不同类型基岩的多维(含水平向和竖向）地震波作为输入，运用ANSYS软件数值分析了软土场地中地铁车站结构及场地的地震反应，比较了不同类型地震波作用下地铁车站结构和场地地震反应的差异．算例结果表明：在长周期地震波作用下地铁车站结构的内力响应峰值以及场地地表的加速度响应峰值和位移响应峰值均明显大于普通地震波作用下的相应值；考虑竖向地震动时双层地铁车站底层中柱的柱底轴力较单一水平向地震动作用的情形有明显增大；地铁车站的存在使结构上覆土层加速度响应峰值和位移响应峰值有所降低．
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  一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的解析解

  赵雪芬, 李星

  2015, 36(4): 645-654. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.011

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  利用复变函数方法研究了一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的反平面剪切问题，得到了星形裂纹尖端处应力强度因子和动应力强度因子的解析解．当裂纹条数给定时，由此可得到直线裂纹，Griffith 裂纹，共点均匀分布三裂纹，对称十字形裂纹，米字型裂纹（对称八裂纹）静力学和动力学问题的解析解．当k=4时，用数值算例讨论了声子场-相位子场耦合系数和裂纹运动速度对动应力强度因子的影响．当速度趋于0时，运动裂纹的解可以退化为静态裂纹的解．
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  混凝土损伤识别中的时间逆转成像方法

  顾建祖, 周春杰, 骆英, 徐晨光

  2015, 36(4): 655-661. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.012

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  时间逆转成像技术具有定位准确和操作简单之特点，本文将其运用于混凝土结构损伤的检测．通过提取各换能器单元的发射信号和损伤散射信号构建超声波传播的传递矩阵然后对其进行奇异值分解，获得包含损伤信息的奇异向量；采用多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法，分别基于数值模拟数据和实验实测数据对混凝土结构内部损伤进行成像，实现了准确的损伤定位，并将成像结果与偏移成像法进行对比．此工作探索了将时间逆转成像技术应用于混凝土结构内部损伤实际工程检测可行性，为无损检测技术人员定性或定量分析混凝土结构的内部缺陷提供理论参考．
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  任意光滑梯度变化的功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性分析

  胡寒, 聂国隽

  2015, 36(4): 662-670. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.013

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  假设功能梯度材料为理想弹塑性材料，其屈服强度和弹性模量均沿梁的高度方向按任意光滑函数连续变化，在小变形及平截面假定下，导出了功能梯度材料纯弯曲梁弹性极限弯矩及塑性极限弯矩的解析表达式，建立了弹塑性应力状态下截面弯矩和截面的弹、塑性应力分布之间的解析关系．研究表明，功能梯度材料梁存在多种可能的屈服模式，其最先屈服的点不一定位于截面应力最大处，而可能位于截面的其他任意位置；屈服强度及弹性模量的梯度变化对梁的弹塑性力学性能有很大影响．研究结果可为功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性问题研究提供一定的参考．
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  临近空间高超声速气动布局研究

  徐国武, 张莽, 陈冰雁

  2015, 36(4): 671-677. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.014

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  临近空间飞行器存在多种不同的布局形式，而针对不同气动布局概念之间的系统研究则相对缺乏．采用数值模拟方法，对临近空间飞行器三类典型气动布局概念——扁平升力体、翼身融合体和翼身组合体开展系统的计算与分析，通过对比不同布局的升阻特性、静稳定特性、舵效特性等，获得不同布局概念气动性能优劣的初步评估．结果表明：扁平升力体的升力和阻力比较大，升阻比最低，容积率则最大，侧向稳定性最好；翼身组合体的升力和阻力比较小，升阻比最高，容积率比较低，侧向静稳定性较差；翼身融合体布局的特性介于翼身组合体和扁平升力体布局之间．
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  基于气动特性翼型参数化方法的适用性研究

  陈婉春, 孙刚

  2015, 36(4): 678-689. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.015

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  翼型的优化设计在飞机的研发生产过程中占据相当重要的地位，因为翼型的几何外形会直接影响到飞机的整体气动性能．合理选择恰当的翼型表达方式是翼型优化设计成功的关键之一，其中，参数化方法在近年来得到了广泛应用．针对翼型参数化方法，提出“几何鲁棒性”和“性能鲁棒性”作为评判方法优劣的重要参考标准．选取三种常用的翼型参数化方法——NURBS、CST和PARSEC方法，七种不同类型的翼型，采用四项指标作为系统的评判准则来研究各方法的拟合精度与多点扰动下的几何鲁棒性，并利用Foil Design软件计算气动性能的相关数据，研究各方法在多点扰动下的性能鲁棒性．经对比分析，这三种参数化方法对大部分翼型均具有良好的表达能力，且不同程度地体现了一定的几何鲁棒性与性能鲁棒性．
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  基于统一强度理论的钢管混凝土柱承载力计算

  史庆轩, 戎翀, 任浩, 张婷

  2015, 36(4): 690-696. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.016

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  从Von Mises屈服准则和双剪统一强度理论出发，对钢管和核心混凝土的受力性能进行分析．从核心区混凝土所受侧向压应力的角度出发，基于大量实验数据，得到核心区混凝土约束系数计算公式．从而完善了钢管混凝土柱的轴心受压承载力计算公式，使公式的精确性和适用性有所提高．所得计算结果与试验结果吻合良好，并与目前公式的计算结果进行对比，说明所提出公式的合理性．从尺寸大小和材料强度两个方面，对钢管混凝土柱承载力的影响因素进行探讨．
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  片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

  王章琼, 晏鄂川, 王亚军

  2015, 36(4): 697-702. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.017

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  在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压，使试件内部微裂隙自由扩展、连通，以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤，从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件，用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验，并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现，纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．
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  基于等效弹簧模型的裂纹Euler-Bernoulli梁弯曲变形分析

  孙嘉琳, 杨骁

  2015, 36(4): 703-712. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.018

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  考虑裂纹的缝隙效应，研究了开闭裂纹Euler-Bernoulli梁的弯曲变形．首先，将裂纹等效为内部旋转弹簧，利用广义函数，给出了考虑裂纹缝隙影响的Euler-Bernoulli梁的等效抗弯刚度，推导了具有任意数目开闭裂纹梁弯曲变形的显式通解．在此基础上，研究了均布载荷作用下上侧单裂纹简支梁以及裂纹处承受集中力和集中力偶共同作用的固支梁的弯曲变形，分析了梁长细比、裂纹深度和位置以及载荷等对裂纹开闭状态和梁弯曲变形的影响。结果表明：梁挠度分布在裂纹处存在尖点，而转角分布存在跳跃；梁挠度与载荷的响应关系一般为双折线形式，分别对应于裂纹的张开和闭合状态；且裂纹张开时，裂纹梁的柔度随着梁长细比的增加和裂纹深度的减小而减小。这些结果对梁裂纹无损检测具有指导意义．
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  功能梯度板动力分析的光滑有限元法研究

  段文峰, 周立明, 蔡斌, 朱盼盼

  2015, 36(4): 713-720. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.019

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  为提高功能梯度板动响应问题求解精度，基于一阶剪切变形板理论，提出了求解功能梯度板自由振动问题的Cell-Based 光滑有限元格式．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化，计算系统刚度矩阵时在光滑域内进行光滑梯度操作，可提高求解精度．采用Cell-Based 光滑有限元法，讨论了长厚比、形状因子和边界条件对两种典型功能梯度方板无量纲频率参数的影响，并与FEM法的解和文献中的解做了对比．数值算例的结果表明，光滑梯度操作可改善有限元系统的刚度，Cell-Based 光滑有限元法的计算结果更加逼近真实解，从而为功能梯度材料的进一步应用打下基础．
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  超静定连续梁弹塑性过程分析的单位荷载法

  李会知, 杨建中, 程站起, 郭彦波

  2015, 36(4): 721-727. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.020

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  讨论了分析超静定连续梁弹塑性受力和变形全过程的单位荷载法，运用该方法分析了集中荷载作用下一次超静定两跨连续梁的弹塑性加载和变形全过程．根据受力变形的特点，集中荷载作用下两跨连续梁的弹塑性加载过程可分为四个阶段，分别是弹性阶段、集中荷载作用点附近塑性区扩展阶段、集中荷载作用点保持为塑性铰而附近区域线性卸载阶段、两跨连接点附近塑性区扩展直至形成第二个塑性铰阶段．给出了加载过程中各阶段的弯矩内力和竖向位移随外荷载而变化的解析公式．研究结果表明：在相同的单跨荷载工况下，连续梁的变形过程不同于单跨一次超静定梁，其塑性铰形成顺序不同，静定结构形成顺序不同，但塑性极限破坏荷载相同．
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  单面连接单角钢压杆承载力试验研究

  郭小农, 黄玮嘉, 周锐

  2015, 36(4): 728-739. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.021

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  单角钢构件的工程应用已有上百年的历史，我国的钢结构设计规范采用了强度折减法来计算单面连接单角钢压杆的承载力．相关研究表明，我国规范的计算公式不够精确，尤其对于短肢连接的不等边角钢，计算误差较大．本文首先完成了16根单面连接单角钢压杆的试验，并搜集了前人的试验数据，最终得到了31个有效试验数据点；然后建立了单面连接单角钢压杆的有限元数值模型，分析了初偏心、残余应力、初弯曲、节点板厚度等参数对构件承载力的影响；最后拟合得到了单面连接单角钢压杆的整体稳定承载力计算公式．通过和试验数据以及各国规范计算公式的对比表明，本文公式具有更高的精度．
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  三角形格构式塔身杆件风荷载及流动干扰特性

  党会学, 赵均海, 张宏杰

  2015, 36(4): 740-748. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.022

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  针对输电塔结构精细设计及优化设计对杆件风荷载准确输入的要求，选用完全结构化的多块网格，通过求解N-S方程得到了不同风向角条件下的三角形塔身节段模型流场并利用风洞试验对其体型系数进行验证．与各国规范的对比分析表明，《英国杆塔荷载规范》可用于相关设计工作；分析了不同杆件风荷载随风向角变化的成因，指出了迎风面积变化主导了最上游主材的风荷载特性，而其它两根主材的风荷载同时受到迎风面积变化及上游杆件流动干扰的影响；利用不同高度、不同展向位置的截面流线方法研究了塔身节段模型杆件之间的流动干扰性态，结果表明，如下四种流动干扰行为共同决定了节段模型的杆件风荷载特性：a）相互独立的流动干扰杆件群；b）屏蔽作用；c）两组独立的斜置阵列的流动干扰作用；d）尾迹干扰作用．
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  基于微分求积法的钢筋混凝土梁静力分析

  曹志刚

  2015, 36(4): 749-756. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.04.023

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  采用广义微分求积法(GDQM)对钢筋混凝土(RC)梁进行了准静力分析，得到了其抗静载的强度特性．首先，基于虚功原理导出了考虑钢筋和混凝土材料的非线性的RC梁准静力分析控制微分方程，并根据广义微分求积法对其离散，从而得到有限自由度的非线性代数方程组，进而采用Newton-Raphson迭代求解格式，建立了荷载增量法数值分析模型．其次，通过本文GDQM与有限元法分析结果比较，表明了新建算法的正确性；与有限元法的收敛性对比表明本文算法较有限元法有优越性．