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• 2016年, 37卷, 第1期
  刊出日期：2016-03-25

    

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  双材料梁界面力学及其应用：综述

  乔丕忠,刘庆辉

  2016, 37(1): 1-14. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.001

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  双材料结构在工程中得到了广泛应用，如薄膜涂层、压电材料、复合材料层合板和夹层板、粘结接头、FRP加固混凝土结构等；然而，这些结构的破坏通常是从界面及其附近开始的．通常利用损伤力学的方法（材料强度的方法）来预测裂纹的萌生，利用断裂力学的方法来预测裂纹的扩展；因此，开展双材料结构的界面应力分析和具分层双材料结构的断裂以及相关分析是至关重要的．首先介绍双材料梁粘结界面应力分析的基本模型，从而为预测裂纹的萌生提供了有力工具．然后综述双材料梁界面断裂力学分析的基本方法，并详细介绍解析解求解的裂纹尖端法及其相关模型，重点强调裂纹尖端变形对分析结果的影响．最后介绍界面分层对双材料结构其它力学特性的影响，例如屈曲和振动特性．
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  基于非标准Lagrange函数的动力学系统的Routh降阶法

  周小三,张毅

  2016, 37(1): 15-21. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.002

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  研究基于指数Lagrange函数与Lagrange函数幂函数两种非标准Lagrange函数的动力学系统的循环积分与Routh降阶法．首先，给出了循环坐标的定义，并利用循环坐标与基于非标准Lagrange函数的系统的Lagrange方程，得到了循环积分的形式；其次，将Routh降阶法加以推广，建立了基于非标准Lagrange函数的动力学系统的Routh方程，并举例说明结果的应用．
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  流变岩土体中浅埋隧道围岩力学响应的理论解

  王华宁,张玉栋,蒋明镜

  2016, 37(1): 22-32. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.003

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  浅埋隧道施工不仅会使开挖面周围岩土体发生变形，还会引发明显的地表位移，造成既有建筑物、基础、管线等发生破坏．针对黏弹性流变岩土体中浅埋隧道施工问题，用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系导出开挖位移和应力场的求解方法和理论解答，并与相同模型下的有限元解进行了比对验证．本文解答可以针对任意黏弹性模型岩土体进行计算，同时可以考虑纵向推进效应和任意时刻施加的任意大小均布内压．根据解答分析了浅埋隧道开挖引发的不同时刻地面沉降槽的大小、范围；位移随深度的变化形式以及洞周变形随角度的变化规律．相比数值方法，本文给出的理论解可更方便地进行参数分析和初步设计，而且给出的位移、应力场的理论解可以用于隧道和基础、地下管线的相互影响分析．
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  方腔内自然对流与混合对流的有限差分格子Boltzmann研究

  阳海成,杨帆,郭雪岩

  2016, 37(1): 33-44. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.004

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  基于有限差分法，建立了贴体坐标系下求解流体流动和传热的双分布格子Boltzmann模型．在密度分布函数和温度分布函数对应的离散速度方程中，时间项采用四阶Runge-Kutta法离散，空间离散采用二阶迎风和二阶中心差分的混合形式．采用此模型分别对瑞利数为103、104、105、106的方腔自然对流以及理查森数为0.1、1、10的方腔混合对流进行了数值模拟，获得了流体速度与温度分布的典型特征，得到的努塞尔数也与基准解高度吻合．计算结果表明了本文采用的数值方法和计算程序的有效性．
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  定常Chetaev型非完整系统的组合梯度表示

  陈向炜,梅凤翔

  2016, 37(1): 45-55. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.005

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  提出了6类组合梯度系统的定义，分别给出了这6类组合梯度系统的微分方程，并进一步研究了定常Chetaev型非完整系统的组合梯度表示．得到非完整系统的相应完整系统成为组合梯度系统的条件，从而将定常Chetaev型非完整系统化成各类组合梯度系统．最后利用组合梯度系统的性质来研究系统的稳定性．举例说明结果应用．
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  具有任意截面形状的各向异性平面杆系结构静力分析的回传波射矩阵法

  胡立新,聂国华

  2016, 37(1): 56-64. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.006

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  基于Timoshenko梁静力理论和各向异性材料的本构关系，对于一般截面形状的杆系结构，推导了杆端内力与杆端位移之间的关系，并给出了作用于杆件上的荷载转化为等效节点荷载的方法．以混合节点为例，根据结构节点的力平衡和位移协调条件，推导了常见形式节点的传递分配矩阵和载荷源向量，进而得到结构的回传波射矩阵列式，求解以杆端位移为基本未知量的矩阵方程，给出了杆端位移和内力的计算公式．文中给出了算例分析．与有限元法数值结果的比较表明，回传波射矩阵法用于分析各向异性材料平面杆系结构的静力问题是有效和精确的．
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  正交各向异性功能梯度圆柱壳的应力分析及材料剪裁

  聂国隽,龚恬怡

  2016, 37(1): 65-73. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.007

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  假设正交各向异性功能梯度材料的弹性系数沿圆柱壳的径向按照任意连续函数变化，采用应力函数法和加权残值法导出了圆柱壳在非轴对称载荷作用下应力分析的一种新的数值解．建立了圆柱壳内部应力状态给定时材料剪裁问题的基本方程，提出了实现圆柱壳内部一种特殊的应力分布时所需要的材料弹性系数沿径向变化的解析解．通过数值算例验证了本文所导出的应力分析的数值解的正确性和收敛性，分析了弹性系数沿径向的变化对圆柱壳内部应力分布的影响．数值算例还给出了实现圆柱壳内部环向应力和切应力沿径向均匀分布时功能梯度材料的弹性系数沿径向的三种不同变化形式．所得研究结果可为正交各向异性功能梯度材料圆柱壳的设计提供一定的参考，同时材料剪裁的解析结果也可作为其他数值方法计算结果验证的考题．
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  含轴向运动效应的裂纹梁横向振动频率研究

  杨鄂川，李映辉，赵翔，秦营

  2016, 37(1): 74-80. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.008

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  针对含轴向运动效应开口裂纹梁，借助裂纹梁连续等效刚度模型，将裂纹效应引入轴向运动梁的横向振动方程．应用传递矩阵法推导了求解其振动频率的特征方程，计算得到裂纹和运动参数连续变化情况下梁的一阶和二阶固有频率数值解．对裂纹和轴向运动参数对梁的振动频率的联合影响机理进行了分析，研究表明，对于梁的一阶和二阶固有频率，轴向运动速度和裂纹深度具有耦合作用效应．裂纹加深使得由轴向速度带来的频率衰减加速；同时，速度提升导致由裂纹引起的频率衰减变得更加剧烈．相较于二阶频率，耦合作用效应对于一阶频率表现得更加显著．
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  考虑变质量效应的柔性两级火箭动力学研究

  吕稀,罗梦翔,蔡国平

  2016, 37(1): 81-88. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.009

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  研究了考虑变质量效应的柔性两级火箭的动力学建模问题．首先采用Kane方法和模态截断法建立了变质量柔性体的动力学方程，然后将火箭简化为带喷嘴的梁模型，将变质量柔性体的动力学方程应用到火箭动力学建模过程中，分别推导了针对喷嘴和梁的动力学方程，进而组集得到整个系统的动力学方程．在建模过程中，考虑了外部气动力以及两级火箭级间分离时间间隔的影响．文章最后通过数值仿真揭示了火箭柔性效应对系统特性的影响，以及单级火箭和两级火箭在动力学特性上的差异．
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  新的动态光弹性主应力分离混合法研究

  曾伟明,池瑛斌,张林春,杨国标

  2016, 37(1): 89-95. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.010

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  动态光弹性法是研究动态问题的一种重要方法，但要实现动态光弹性主应力的分离以及等倾线的获取和分离还存在较大的困难．针对动态光弹性法的主应力分离问题以及相关的试验技术展开研究，以相容方程作为动态光弹性试验的补充条件，将动态光弹性法与数值计算方法结合起来，提出一种用于动态光弹试验主应力分离的新方法：动态光弹性-数值计算混合法，研究并实现了动态光弹性试验中的等倾线的获取和分离．并选用了典型的圆盘试件进行动态光弹性试验及应力分析，对该混合法的可靠性和准确性进行了论证．
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  多孔压电驻极体材料的孔洞微结构优化研究

  金燕,万永平

  2016, 37(1): 96-103. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.011

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  孔压电驻极体是带有分布电荷的孔洞聚合物材料，是一种新型的压电材料．多孔压电驻极体材料的宏观压电性与内部孔洞微结构的构型和分布密切相关．将多孔压电驻极体材料看成含周期微结构的复合材料，采用渐近均匀化理论求解宏观等效系数性质，基于变密度法和拓扑优化方法，利用ANSYS的APDL参数化设计语言编制基于有限元分析的优化程序，给出最优的孔洞微结构拓扑，获得最大压电系数．
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  基于SPH模型的冰雹高速冲击复合材料结构响应规律研究

  胡宗文,袁国青

  2016, 37(1): 104-113. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.012

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  作为一种特殊的外来物损伤，冰雹冲击致暴露的复合材料结构损伤的规律值得研究．由于实验需要耗费大量的人力物力，且实际操作中存在着各种难以克服的困难，因此，数值方法就显得尤为重要．针对复合材料层合板结构，在充分考虑了冰雹流体特性下，建立了经与经典实验比对证明具有足够分析精度的冰雹光滑粒子流体动力学SPH模型，利用大型显式动力分析软件LS-DYNA模拟研究了冰雹高速冲击复合材料板壳时结构参数对冲击结果的影响规律，表明：冲击响应随板壳形状、尺寸和铺层方案的变化而变化，板块长宽尺寸越大，抗冲击性能越好；板壳曲率越小，抗冲击性能越好；准各向同性铺层比同厚度的单向铺层和反对称正交铺层抗冲击性能优越．论文进一步展望了其应用前景．
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  II型模态控制下的GFRP-混凝土界面 断裂韧度测定

  程惠莹,刘庆辉,乔丕忠

  2016, 37(1): 114-123. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.013

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  介绍了一种适用于评价GFRP-混凝土界面断裂性能的理论分析模型，并结合端部开口试件的四点弯曲试件(4ENF)试验，测得了该类界面在II型模态控制下的断裂韧度．该模型考虑了试件各子梁中的横向剪切变形对能量释放率的影响，引入一阶剪切变形梁理论对界面断裂过程进行模拟；同时由于混凝土在受剪及受拉区域容易发生破坏，故试件设计过程中引入钢筋进行加强，有效减少了实验数据的离散性；进一步通过与有限元仿真进行对比发现结果吻合较好，这说明本文方法能够有效测定II型模态荷载控制下复合材料-混凝土界面的断裂韧度，评价复合材料增强混凝土结构的界面断裂性能，预测界面的起裂、裂纹扩展和失效容差．
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  不同围压下草本植物根系对土体加筋效应试验研究

  文伟,李艳荣,李光范,胡伟,李铁,刘惠江,项文

  2016, 37(1): 124-130. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.014

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  通过从野外直接挖取草本植物狗牙根根系，并将其与海南地区红粘土随机混合，采用一次性成样方法对根土复合体进行了多个围压下的室内常规三轴试验，其围压分别为20kPa、30kPa、40kPa、100kPa、200kPa、300kPa；对根土复合体的抗剪强度指标、加筋效果进行了分析及评价，指出了在不同围压作用下复合体抗剪强度指标的变化情况．试验数据分析可知：(1)单根狗牙根的抗拉力与直径呈正相关线性关系，而抗拉强度与直径呈衰减形幂函数形式；(2)狗牙根根系的存在可有效提高土体的抗剪强度，根土复合体的主应力差增长速度快于素土，且其应力应变曲线应变后期明显不同于素土，复合体曲线应变后期呈现应变硬化现象；(3)根土复合体的抗剪强度随围压而变化，高围压作用下土复合体的粘聚力及内摩擦角与素土相比分别提高了159.23%和13.56%，在小围压作用下的增长幅度分别为35.87%和10.86%；因此，采用大围压进行试验显得不合适宜，小围压作用下的根土复合体更加符合草本植物根系的浅层加筋作用．小围压作用下的根土复合体三轴试验研究成果对进一步开展小型边坡防治、水土保持提供了参考依据．
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  格拉晓夫数Gr对侧向局部加热腔体内对流结构的影响

  李开继,宁利中,宁碧波,田伟利

  2016, 37(1): 131-138. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.015

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  通过二维流体力学基本方程组数值模拟，研究了Pr=6.949时侧向局部加热腔体内不同格拉晓夫数对对流结构的影响．发现随着格拉晓夫数增加出现以下四种情况：准定常流单局部周期滚动双局部周期滚动定常流．还分析了周期对流阶段的对流特性．随着格拉晓夫数增大，对流卷随时间移动的周期减小．随增大，在和范围内对流卷逐渐消失，在和范围内对流卷由单对流卷变为多对流卷．
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  受圆柱面约束弹性细杆的摩擦平衡分析

  薛纭,刘昭

  2016, 37(1): 139-148. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.016

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  以一类工程对象为背景，研究圆柱面约束下的弹性杆的摩擦平衡问题．在对圆柱面上圆截面弹性杆位形和运动分析的基础上，导出了计入分布摩擦力的弹性杆平衡微分方程并无量纲化．由此得到了无摩擦时螺旋杆解的存在条件，以及存在摩擦时的不滑动的条件．分析表明，截面章动角对弧坐标的一阶导数和自转角对弧坐标的二阶导数表达的变形是分布摩擦力所致．就5类特殊的平衡位形，分别计算了内力和分布摩擦力集度，部分进行了数值计算，给予了静止与否的判定．为曲面上弹性杆的摩擦平衡或动力学分析提供方法和思路．
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  一种新的确定应力强度因子的数值方法

  刘小妹,卞永明,梁拥成

  2016, 37(1): 149-153. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.017

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  应力强度因子是一个非常重要的参数，可以用来估算裂纹和切口的断裂．这篇论文提供了一种基于包含应力集中区域一定体积上的平均应变能密度，来确定应力强度因子的数值方法．对于I型或是II型裂纹的单一加载方式，应力强度因子都可以直接从一定体积上的平均应变能密度的表达式求得其解，但是对于I-II复合型裂纹，情况相对复杂．因此，作者们提出了利用围绕切口尖端一定体积上几组不同关于裂纹切口平分线对称区域上的平均应变能密度，来拟合复合加载下I型和II型应力强度因子的数值方法．为了验证，计算了I-II复合型裂纹的半圆形三点弯曲试样应力强度因子，并与文献中给出的应力强度因子进行了比较．结果表明，提出的数值方法可靠，为平均应变能密度准则的工程应用提供了一种新的思路．
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  核电厂安全壳施工和运行阶段应力分析

  王恒,郭全全

  2016, 37(1): 154-160. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.018

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  核反应堆安全壳是确保核电厂安全的关键设施，同时也是防止放射性物质扩散的最后一道屏障．基于法国电力集团(EDF)进行的缩尺比例为1/3的无钢衬里安全壳Benchmark试验模型，应用大型通用有限元软件ABAQUS建立了其有限元模型．有限元模型中混凝土、普通钢筋和预应力筋采用分离式建模；通过在预应力筋单元上加预拉应力的方法考虑了预拉应力的作用．分析了该有限元模型在预应力张拉过程以及0.52MPa的绝对内压下的受力性能，重点研究了模型穹顶和圆柱形筒壁的内外表面在这两种工况下的拉应力分布．分析表明，该安全壳模型在两种工况下基本处于受压状态，拉应力集中的区域是预应力筋分布稀疏或预应力值较小的区域，预应力筋良好的起到了防止混凝土受拉的作用，能够满足设计要求；危险部位是穹顶与环梁连接处、洞口周边、筒壁底部、筒壁和基础底板相接处．
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  缆索热铸锚具的精细化建模和有限元分析

  肖华裕,王春江,李金阳

  2016, 37(1): 161-169. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.019

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  编写了适于参数化分析的热铸锚具的数值仿真命令流，锚具的精细有限元数值模型中分别采用三维两节点梁单元Beam188来模拟钢丝，三维八节点实体单元Solid185来模拟锚杯和铸体；通过设置多点约束中的刚臂单元MPC184来模拟钢索的截面影响，通过刚臂与实体单元节点之间的点点接触单元Conta178模拟钢丝与热铸锚铸体之间的接触和摩擦；通过面面接触单元Conta173来模拟锚杯内侧面与铸体浇注面之间的连接．在此基础上研究了钢丝束直径和股数对锚具受力的影响，并进行了比较分析；对锚具进行了设计荷载和破断荷载下的静力分析，给出了锚具的应力和变形分布．最后，考虑到施工工艺误差和安装偏差等因素，锚具节点在实际受力时经常承受局部弯矩，研究了在轴向力和侧向水平力共同作用下的热铸锚具的应力变化．本文研究结果表明：热铸锚具内部应力分布不均匀，应力集中主要出现在锚杯与铸体连接处和锚杯杯口位置，其他部位的应力相对较小；在侧向荷载作用下，应力分布发生了较显著变化，最大应力点的位置也发生了侧向偏移．
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  拱形防撞装置摆锤碰撞试验及数值模拟研究

  马希钦,余葵,吴俊,刘洋

  2016, 37(1): 170-175. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.020

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  为了验证拱形桥梁拱形防撞装置船撞有限元结构计算中结构应变响应的准确性以及寻找计算中影响应变响应的因素，通过拱形防撞装置1:25比例模型摆锤碰撞试验以及有限元数值模拟进行对比验证分析．对拱形防撞装置1:25比例模型进行摆锤碰撞试验，采集试验中碰撞力和关键点的应变响应曲线，并对试验进行漂浮状态下无阻尼和有阻尼两种情况的数值模拟对比分析．分析发现无阻尼模型计算出的应变响应不论是响应趋势还是应变峰值点的大小都与试验相差较大．通过在有限元无阻尼模型中引入Rayleigh质量比例阻尼分析，试验采集到的应变峰值与有限元数值模拟分析出的应变峰值之间的误差约为8.7%，应变响应趋势也基本一致．因此，有阻尼计算模型可应用于实际结构的计算中，应变峰值误差也可作为实际结构应力计算结果评价的参考指标，并可将该误差作为工程安全系数的一部分来考虑．
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  势流中可渗透圆柱壳的变形与压力分析

  郝亚娟,石运会

  2016, 37(1): 176-183. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.021

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  应用弹性薄壳和流体力学的基本方程，采用相容拉格朗日-欧拉法研究了可渗透圆柱壳在理想流体横向绕流时的弯曲变形及流体压力．假定流体的渗透仅沿变形表面的法线方向，各参数沿壳体表面连续．根据边界条件给出流体势函数的表达式，由相同角度的余弦系数相等得到流体对壳的法向力和切向力．根据求得的作用力并给出圆柱壳变形函数表达式，得到可渗透圆柱壳理想流体绕流的变形表达式．通过具体算例与文献结果进行比较，结果吻合较好．所得结果具有较好的通用性，不可渗透圆柱壳理想流体横向绕流变形问题可以看成本文研究内容的特殊情况．
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  温压炸药坑道口部爆炸冲击波毁伤效应研究

  茅靳丰, 陈飞, 侯普民

  2016, 37(1): 184-193. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.022

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  对100kg温压炸药坑道口部爆炸过程及冲击波传播过程进行了比例尺为1:6的缩比例数值模拟研究．通过与等质量TNT炸药模拟结果的对比，分析了温压炸药爆炸冲击波峰值超压、正压作用时间沿坑道纵深的变化规律，着重对不同伤亡等级下的冲击波毁伤范围进行了研究．结果表明：①温压炸药爆炸冲击波衰减缓慢，持续时间长，远场优势明显，在计算范围内，其峰值超压最高可达TNT的1.52倍，正压作用时间最高可达1.1倍；②拟合得到峰值超压沿坑道纵深衰减经验公式，为毁伤范围的确定奠定了基础；③拟合得到爆炸场特征方程，结合等死亡率方程及超压毁伤阈值，可以确定不同伤亡等级下的爆炸冲击波毁伤范围．
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  考虑土-结构相互作用下桥梁震动的半主动控制研究

  刘鹏飞,王波,汪正兴

  2016, 37(1): 194-200. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.01.023

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  研究了考虑土-结构相互作用下桥梁结构的MRD半主动震动控制．将桥梁结构简化成14自由度模型，作动器布置在桥台和主梁之间．采用子结构方法考虑土-结构之间的相互作用．为简化计算，地基阻抗函数采用与激励频率无关的时域阻抗函数．分别用LQR和H∞控制算法控制桥梁结构的响应．研究表明：在场地土较弱时，土-结构相互作用明显改变结构的动力特性，对桥梁结构的MRD半主动控制的控制效果有重要的影响； 控制理论设计的控制器更具有鲁棒性，在剪切波速较大时，控制效果和LQR半主动控制接近；在剪切波速较小时，仍然对桥梁结构有控制效果，而LQR半主动控制的控制效果变差，甚至是增大结构的响应．