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  • 2018年, 39卷, 第2期
    刊出日期：2018-06-18
      
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    圆柱壳稳定性问题的研究进展
    乔丕忠，王艳丽，陆林军
    2018, 39(2): 223-236. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.001
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    圆柱壳是工程实际中广泛应用的结构，其主要破坏形式是屈曲失稳．作为力学领域的经典问题，圆柱壳稳定性问题的研究非常之多．其中，受均匀轴向压力的圆柱壳由于临界屈曲载荷的理论预测值与早期试验结果之间的巨大差异，更是推动了壳体稳定性理论的不断发展．本文简要回顾了壳体稳定性理论的发展和分类，并对轴压圆柱壳体试验结果分散且远低于理论预测值的原因及含缺陷圆柱壳体的稳定性研究方法进行了总结，然后综述了地下空间顶管、储油罐、加筋圆柱壳及脱层圆柱壳等实际工程中广泛应用的圆柱壳结构稳定性研究的现状和趋势，最后展望了将来对工程应用中圆柱壳结构的稳定性研究的难点和方向．
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    时间尺度上Herglotz变分原理及其Noether定理
    田雪，张毅
    2018, 39(2): 237-248. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.002
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    Herglotz变分原理的作用量是由微分方程定义的，不仅可以描述所有经典变分原理能够描述的动力学过程，还可以对经典变分原理不能适用的非保守系统或耗散系统进行变分描述．时间尺度上微积分理论提供了一种可同时研究离散系统和连续系统的有效方法．本文结合Herglotz变分原理和时间尺度微积分理论来研究时间尺度上的Herglotz变分原理及其Noether定理．首先，给出时间尺度上Lagrange系统的Herglotz变分原理．其次，根据Herglotz变分原理和Dubois-Reymond引理，推导出时间尺度上Lagrange系统的Herglotz变分问题的运动微分方程．再次，基于时间尺度上Hamilton-Herglotz作用量在群的无限小变换下的不变性，给出Noether对称性的定义并导出其Noether等式．最后，建立了时间尺度上Lagrange系统的Herglotz变分问题的Noether定理，给出了连续和离散两种情况下基于Herglotz变分问题的Noether守恒量．文末举例说明结果的应用．
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    一类新型多方向准零刚度隔振平台
    孙秀婷，富展展
    2018, 39(2): 249-257. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.003
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    本文提出了一种新的多自由度非线性隔振平台．利用一组预压的三角机构和曲面边界同时实现了竖直-旋转多自由度上的负刚度特性，结合正刚度原件，实现竖直-旋转多自由度准零刚度特性．首先，文章基于平面问题建立竖直-旋转两自由度隔振平台的力学模型，确定结构参数与非线性刚度之间的关系．可以看到，通过设计预压弹性元件的结构参数可以同时实现两自由度的准零刚度特性．然后，利用谐波平衡法建立振动响应与频率之间的关系，确定有效的振动带隙的宽度，由此确定结构参数的最优取值．本文提出的隔振平台可以用于大型装备的隔振，也适用于微振动的工况，还可以作为教学的演示实验．
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    层状磁电复合材料界面共线裂纹平面问题分析
    田文祥，仲政
    2018, 39(2): 258-269. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.004
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    本文研究了面内电磁势载荷作用下双层压电压磁复合材料中共线界面裂纹问题．考虑了压电材料的导磁性质和压磁材料的介电性质，引入了界面电位移和磁感强度的连续性条件．利用Fourier 变换得到一组第二类Cauchy 型奇异积分方程．进一步导出了相应问题的应力强度因子、电位移强度因子和磁感强度强度因子的表达式，给出了应力强度因子的数值结果．结果表明电磁载荷会导致界面裂纹尖端I、II 混合型应力奇异性，同时还伴随着电位移和磁感强度的奇异性．比较了双裂纹左右端的应力强度因子，发现在面内极化方向上施加面内磁势载荷时共线裂纹内侧尖端区域的两个法向应力场发生互相干涉增强．
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    考虑端部质点的中心刚体-楔形梁系统动力特性研究
    张弛，范纪华，章定国，谌宏，方海峰，吴群彪
    2018, 39(2): 270-279. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.005
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    对带有端部质点的中心刚体-楔形梁系统的动力学特性进行了研究．楔形梁为Euler Bernoulli 梁，其宽度与高度随着长度方向改变．采用假设模态法对楔形梁的变形场进行离散，在考虑梁的横向和纵向变形以及由于横向弯曲而引起的纵向缩短量的条件下，运用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程，并编制动力学仿真软件．通过仿真算例对系统的动力学特性进行研究，结果表明：同等条件下梁的形状与有无端部质点对系统的刚柔耦合动力学响应以及系统频率的影响十分明显．因此采用楔形梁结构进行仿真更具实际意义且仿真结果更加精确．
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    多工况结构拓扑优化的灰色权重折衷规划模型法
    秦浩星，杨德庆
    2018, 39(2): 280-293. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.006
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    针对多工况结构拓扑优化问题中的载荷病态现象，基于RAMP (Rational Approximation of Material Properties)拓扑优化模型，提出应用灰色理论确定工况权重系数，并将应变能目标函数归一化的折衷规划模型法．通过专家评价方法获得工况权重系数的灰色区间，结合灰色理论计算工况权重系数灰色区间的精确值，并采用导重法推导出多工况结构拓扑优化问题的求解迭代表达式．通过定义载荷比描述载荷病态的程度，对多工况结构拓扑优化典型算例在不同载荷比及不同工况权重系数下进行结构拓扑优化分析．优化结果表明，灰色权重折衷规划模型及求解方法对多工况结构拓扑优化问题具有高效、稳定的特点，能够克服载荷病态问题，并通过大跨度甲板强横梁的结构拓扑优化设计证明本文设计方法的有效性．
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    蒸压加气混凝土在乏燃料容器坠落工况下的减振性能分析
    郭全全，王泽易，马英，程刚，周耀
    2018, 39(2): 294-304. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.007
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    在核电厂燃料厂房结构安全性分析中需考虑乏燃料容器坠落所产生的巨大冲击作用的影响，在坠落位置铺设蒸压加气混凝土砌体作为减振层是一种有效的结构防护方法．为了确定合理的减振层厚度并评价其减振效果，本文首先应用ANSYS/LS-DYNA对蒸压加气混凝土砌块的落锤冲击试验进行了有限元模拟，标定了蒸压加气混凝土的MAT96材料模型参数；再通过对减振层缩尺试验的模拟，验证了模拟方法的可行性；最终建立了燃料厂房分层壳模型，模拟设置不同厚度的减振层时乏燃料容器坠落对燃料厂房的冲击响应，并从坠落处楼板冲击力、混凝土应变、跨中挠度以及乏燃料水池加速度响应方面对厂房结构的安全性进行分析．分析结果表明：乏燃料容器坠落时，铺设1 m、2 m厚度的蒸压加气混凝土减振层后，减振效果显著：楼板冲击力分别减小71.5%和76.4%，楼板混凝土破坏明显减轻，跨中挠度明显减小，乏燃料水池竖向加速度峰值分别削减29.2%和43%；同时，2 m厚的减振层并未取得1 m厚度减振层2倍的减振效果．
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    一种非统一黏塑性本构的有限元实现
    杨梦豪，冯淼林
    2018, 39(2): 305-314. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.008
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    在与率相关黏塑性本构模型的背应力分量中加入静态回复项通常用来更精确地描述材料应力松弛效应．本文基于包含静态回复项的非统一黏塑性本构模型，提出了对应的隐式应力积分算法．该模型可简化为两个关于偏背应力和等效应力张量的方程组，通过牛顿迭代法进行求解．在应力积分算法中采用了Return-Mapping求解策略．此外还推导出了材料的一致切线刚度矩阵来判断有限元分析收敛性．在此基础上开发出了适用于ABAQUS工程软件的UMAT用户材料子程序．文中选取了高温下镍合金材料在伴随应力松弛的循环加载路径下的试验结果来验证算法的有效性．从比较结果中可以发现：用户子程序即使在大时间增量下也具有良好的收敛性，静态回复项的引入使得模型对应力松弛效应的模拟更加准确．
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    含分层损伤的变角度纤维层合板后屈曲力学行为研究
    张俊峰，伍章明
    2018, 39(2): 315-327. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.009
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    变角度（Variable angle tow，简称VAT）纤维复合材料层合板的纤维方向能够连续变化．相较于传统的直线纤维层合板，此类层合板通过刚度变化，整体的屈曲性能可以得到很大的提升．本文利用ABAQUS 自带的粘结单元(Cohesive Element)对预制圆形分层的变角度纤维复合材料层合板进行了后屈曲力学行为研究，得出载荷位移曲线，以及分层裂纹萌生和扩展的情况．然后本文分析了预制分层尺寸对板的刚度、前后屈曲阶段和裂纹萌生及扩展的影响．最后通过变角度纤维层合板和直线纤维层合板的后屈曲力学行为进行对比，深入探索了变角度复合材料层合板在抵抗分层裂纹萌生和扩展方面的优势．
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    三角形加劲肋T-Stub钢节点分流系数 与尺寸效应分析
    董事尔，颜平，王毅恒
    2018, 39(2): 328-338. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.010
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    本文针对T型连接件(T-stub)带三角形加劲肋与无加劲肋两种构造形式的初始抗拉刚度的相互转换问题，运用了有限元软件ABAQUS研究了150组不同截面几何参数的带三角形加劲肋与无加劲肋T-stub的初始抗拉刚度，提出了适用于求解带三角形加劲肋与无加劲肋T型连接件初始抗拉刚度转换系数的简化计算公式，即力的分流系数；重点考察了腹板横截面与加劲肋横截面面积比、加劲肋高长比和螺栓到腹板距离与加劲肋长度比对分流系数的影响，该拟合公式计算结果与有限元和文献计算结果很吻合，满足精度要求．本文还分析了三角形加劲肋高度、螺栓到腹板距离和试件翼缘尺寸的变化对带三角形加劲肋T-stub初始抗拉刚度和屈服承载力的影响．
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    气动载荷下旋转运动圆板磁弹性主共振分析
    李文强，胡宇达
    2018, 39(2): 339-349. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.011
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    基于Kirchhoff薄板理论与哈密顿原理，建立旋转运动导电圆板的磁-气动弹性非线性动力学方程．根据电磁场基本原理得到旋转运动圆板所受电磁力表达式，同时采用一种简化的气动模型以描述作用于板上的气动载荷．基于贝塞尔函数形式振型函数的选取，应用伽辽金法得到旋转圆板的磁气动弹性轴对称非线性振动微分方程．应用多尺度法推导出主共振下系统的幅频响应方程，并依据Lyapunov方法得到系统稳态运动稳定性判据．通过算例，得到周边夹之约束下圆板主共振的幅频特性曲线图，以及振幅随磁感应强度和激励力幅值的变化曲线图；阐述了不同参数对系统共振幅值的影响规律，并对解的稳定性进行了分析．
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    基于物理中面FGM中厚板自由振动的有限元分析
    孙云，李世荣，俞剑俊
    2018, 39(2): 350-358. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.012
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    基于物理中面和一阶剪切变形板理论，研究了不同边界条件下功能梯度材料(FGM)中厚板的自由振动问题．假设功能梯度板的材料性质沿厚度方向按幂函数规律连续变化．根据哈密顿原理建立了FGM板有限元形式的自由振动方程，利用MATLAB软件编写程序进行了计算．通过数值算例，讨论了不同边界条件下FGM中厚板的无量纲频率随材料梯度指数和厚宽比的变化情况，并与经典板理论下的频率进行了比较．
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    基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定
    朱飞鹏，孔德阳，龚琰，白鹏翔，雷冬，康新
    2018, 39(2): 359-367. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.013
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    高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用，因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性，利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法，对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试，分别得到了应力—应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率，由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变，因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性，可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．
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    轻质合金压印接头质量判断及其力学性能研究
    张越，何晓聪，高爱凤，赵得锁
    2018, 39(2): 368-373. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.014
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    在结构轻量化的进程中，新型薄板材料被大量使用，新兴的压印连接技术可以实现这些材料的连接．以钛合金为主要材料进行压印连接实验，结果显示材料的母材性能对连接性能、接头强度、失效形式均有一定的影响．压印接头的拉伸-剪切失效形式为颈部断裂时，拉伸-剪切实验过程中载荷位移曲线有两次明显的下降过程，分别是由于圆形压印点的上半部分颈部被拉断，圆压印点的下半部分颈部被拉断造成的．微观分析显示TA1-TA1压印接头断口呈现类解理穿晶断裂，5052-TA1压印接头断口出现拉长韧窝特征，属于塑性断裂，1420-TA1接头断口呈现大面积平面及少量冰糖状花样，属于沿晶脆性断裂．
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    沥青路面弹塑性动力响应分析
    肖军，彭妙娟
    2018, 39(2): 374-382. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.015
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    采用弹塑性理论，建立了沥青路面弹塑性动力响应分析的三维有限元模型，利用有限元法分析了沥青路面的弹性和弹塑性动力响应、以及弹塑性状态下层间接触对沥青路面力学性能的影响．结果表明：在相同条件下，沥青路面为弹塑性状态时得到的弯沉和最大主应变均比弹性状态时大；卸载后，弹塑性状态时存在残余变形，说明沥青路面的弹塑性动力学响应分析得到的结果和路面实际情况较符合；沥青路面在弹塑性状态下，层间完全光滑时其弯沉是完全连续时的6 倍，上面层最大竖向应变是层间连续时的3.7 倍，下面层处最大竖向应变是层间连续时的2.3 倍；卸载后，层间完全光滑时，面层A 点与B 点均存在残余应变；随着层间摩擦系数的增大，路面弯沉值减少，说明在弹塑性状态下，层间接触状态对沥青路面的动力响应有较大影响．
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    电学开路挠曲电悬臂梁自振频率分析
    林晓辉，苏雅璇，周志东，杨建培
    2018, 39(2): 383-394. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.016
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    挠曲电效应是一种新兴的机电耦合效应，在微纳米尺度的传感器、致动器和俘能器方面有广阔的应用前景．本文基于挠曲电材料的变分原理和电吉布斯自由能，推导了表面覆盖电极的挠曲电悬臂梁在电学开路条件下的机电耦合动力学控制方程和相应的力电边界条件．进一步获得了求解电学开路条件下挠曲电悬臂梁自振频率的超越方程．以聚偏氟乙烯(PVDF)材料为算例，讨论了挠曲电系数、末端质量块和梁尺寸对结构自振频率和电学开路/短路条件下结构自振频率有效频移的影响．计算结果表明，挠曲电系数的增大会提高梁的自振频率；末端质量的增大可以降低梁的自振频率，并且末端质量块的转动效应对悬臂梁自振频率的影响很小；悬臂梁结构的有效频移随着结构尺寸减小而增加，并在某一厚度尺寸趋于饱和值．
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    黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析
    周王军，李勇，何录武
    2018, 39(2): 395-404. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.017
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    本文应用格子Boltzmann 方法(LBM)并结合Oldroyd-B 模型，讨论了不可压缩的 Navier-Stokes 方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法，以及两类问题的边界处理格式，实现了黏弹性流体在二维1:3 扩展流道以及3:1 收缩流道中的流动的数值模拟．获得了不同雷诺数Re 和维森伯格数Wi 以及黏度vs 下流动的流线分布，计算给出了漩涡的涡心位置和大小，并分析了参数Re、Wi 和vs 对流动特点的影响．模拟结果表明本文所采用模型和边界处理方法具有良好的精度和稳定性．
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    低周反复荷载下再生混凝土柱损伤演化模型研究
    彭晓晖，王社良，刘康宁，张世民，奚圣华
    2018, 39(2): 405-412. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.018
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    通过对现有的两种混凝土损伤评估模型的分析，本文以刚度退化和累积滞回耗能两个指标来描述在低周反复荷载下再生混凝土的损伤累积过程，提出了一种适用于再生混凝土柱的双参数地震损伤模型．通过24 组文献数据拟合出模型参数的合理值与耗能因子β 同再生混凝土多因素之间关系的表达式．同时对再生混凝土柱的损伤量化标准进行了细分．最后将本文提出的损伤模型同另外两种模型作了比较．对比表明，本文所提出的损伤模型计算出来的损伤值标准差较小，离散性较低，能够更好地反映再生混凝土柱的累积损伤过程．
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    基于贝叶斯信息融合的岸桥有限元模型修正研究
    梁岗，袁武水，王瑞丽，唐炯
    2018, 39(2): 413-423. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.019
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    为建立精确的岸桥有限元模型，研究了基于贝叶斯信息融合的模型修正方法．通过方差分析，确定待修正参数，利用中心复合试验设计获取样本点，根据有限元计算结果与实测的结果残差为目标函数获得响应样本．拟合样本点和响应样本值构建二阶多项式响应面模型，并检验响应面模型的精度．基于贝叶斯理论更新融合系数来优化响应面参数，从而获得修正模型．以宁波大榭3号岸桥为工程背景，对比修正后的模态频率和实测频率，最大频率相对误差不超过5%，进而验证了基于贝叶斯信息融合的动力学有限元模型修正方法的有效性．修正后的有限元模型可进一步应用于岸桥的健康监测和安全评估．
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    用切比雪夫多项式研究短梁的弯曲计算
    吴晓，罗佑新，刘奇元
    2018, 39(2): 424-432. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.020
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    考虑剪切效应，利用切比雪夫多项式构造严格满足表面切应力边界条件的轴向位移表达式，建立了短梁弯曲问题的新理论．利用奇异函数把作用在短梁上的复杂外载荷表示为分布载荷，推导出了短梁弯曲时的截面正应力公式及挠曲线表达式．把采用切比雪夫多项式推导出短梁的弯曲计算公式计算结果与弹性理论计算结果进行比较，可知该方法的计算精度较高．研究结果表明：在复杂外载荷作用下，当长高比小于等于6时，剪切变形对梁的弯曲挠度影响较大，而当长高比小于3时，剪切变形对梁的弯曲应力影响较大；因此建议采用切比雪夫多项式方法给出的挠度表达式、弯曲应力进行计算，因为切比雪夫多项式方法不但给出了复杂外载荷作用下梁截面挠度、弯曲应力的计算通式，而且该方法具有计算过程简便、精度高的优点．
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    腔体高度对Rayleigh-Bénard 对流的影响的二维数值分析
    胡彪，宁利中，宁碧波，王新宏，田伟利，吴昊，宁景昊
    2018, 39(2): 433-439. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.021
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    腔体高度的改变会对Rayleigh-Bénard 对流产生影响．本文利用二维流体力学基本方程组进行数值模拟，在相对瑞利数r=5，腔体高度d=1d0,1.4d0,1.8d0, 2d0, 3d0 (d0=1cm)时，研究了对流运动的动力学特性，发现随着腔体高度d 的增加，稳定对流的对流圈数与之呈线性反比例关系，而对流波数k 随之基本保持恒定；对流稳定后，对流振幅和努塞尔数随腔体高度d 增大而减小，且得出对流振幅和努塞尔数随着相对腔体高度d/d0 变化的函数关系式．在腔体高度d=1d0,1.4d0,1.8d0 情况下，对流振幅和努塞尔数都随相对瑞利数r的增大而增大；且腔体高度d越大，其增长率反而越小．
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    平地机牵引架等效加载分析
    黄会荣，倪亮军，袁博阳，张希
    2018, 39(2): 440-449. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.02.022
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    为研究平地机牵引架的作业负载，分析了平地机最大牵引力及平地机铲刀作用阻力．通过研究工作装置各部件间的运动幅关系，构建了工作装置机构运动简图，建立了工作装置运动坐标系．利用空间坐标系变换理论，将等效铲刀工作负载施加于牵引架上．基于Mechanical APDL及有限元分析理论，对牵引架的Pro/E实体模型进行网格划分．以平地机受最大牵引力作用时的铲刀斜向刮土为例，进行了牵引架静力强度分析．结果表明，牵引架强度在许用强度范围内，经等效加载后的牵引架应力分布与工程实际相符．该工作负载等效方法有效并可简化复杂工况的牵引架受载分析．