基于能量转化机制的岩石强度的演化机理研究

针对岩石强度的演化机理是提高强度准则计算精度与适用性的前提,基于能量转化是物质物理过程的本质属性,弹性应变能是材料破坏的内在机理,通过试验与理论研究,探究了围压、中间主应力及泊松比对岩石强度演化规律的影响.结果表明:岩石破坏与应力状态及岩石变形特性有关,忽略泊松比的影响是中间主应力效应提出的理论依据,并指出围压效应与中间主应力效应忽略变形影响,既与试验结果不一致,又是据此建立的强度理论精度较差的内在原因.岩石强度的演化是围压、中间主应力及泊松比共同作用的结果,并据此研究了静水应力状态下材料破坏特性、围压区间性及三轴拉伸强度恒大于三轴压缩强度条件.理论及试验表明,体现了围压、中间主应力及泊松比影响的强度理论具有较高计算精度与适用性.研究成果对于精准地描述岩石破坏特性,建立普遍适用的强度理论具有重要意义.

不同应力路径及围压下煤岩损伤能量演化

为研究煤岩体损伤演化过程中能量的转化机制,以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象,利用HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器,采用非接触式数字图像处理技术开展了不同应力路径及围压下三轴加载试验.研究结果表明:(1)不同应力路径及围压下三轴加载过程中煤岩损伤能量演化可分为压密、弹性与脆性跌落3个阶段;(2)试件在不同加载路径与不同初始围压下各阶段能量值相差较大,表现为在同一初始围压下,常规三轴加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量均大于三轴循环加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量;(3)三轴加载过程中,不同加载路径下试件轴向应变从压密到破坏阶段表现为整体波动与局部集中→局部集中→局部集中→整体波动与局部集中的发展规律;(4)不同加载路径及围压下破坏阶段试件的应力集中不同,常规三轴加载路径下破坏阶段试件的应力集中在低围压下以新生应力集中为主、高围压下以继承应力集中为主,三轴循环加载路径下破坏阶段试件的应力集中在高、低围压下主要以继承应力集中为主.

圆形基坑极正交各向异性支护结构变形解析分析

考虑圆形深基坑支护结构轴向和环向配筋的差异,将支护结构简化为极正交各向异性圆柱薄壳,研究了分层土体中具有弹性支撑环梁约束的支护结构轴对称变形和内力特征.首先,将弹性支撑环梁的约束解除,代之以沿环向分布的未知集中力,基于弹性环梁和圆柱壳的边界条件和变形协调条件,得到了分层土体中具有弹性支撑环梁支护结构轴对称变形的解析解.其次,以上海地区某一圆形深基坑支护结构为例,揭示了支护结构环向和纵向弹性模量、环梁刚度、土体重度和静止土压力系数等因素对支护结构内力和变形的影响,结果表明:支护结构以环向承压为主,轴向弯曲为辅,故其环向刚度对径向位移的影响要明显大于其轴向刚度的影响,但材料参数对内力分布影响较弱;环梁刚度的增加可有效限制支护结构的变形,但会引起支护结构在支撑环梁处内力的显著增大;土层性质相差不大区域的支护结构可按均质土中支护结构进行分析,而土层性质有较大突变区域的支护结构分析则需考虑土层的分层效应.

极限下限分析的区域光滑径向点插值法

极限分析的高效数值计算方法在结构设计和安全评定中具有非常重要的作用.为了更加有效地求解极限分析问题,将区域光滑径向点插值法与二阶锥规划相结合,提出了理想弹塑性结构极限下限分析的一种新方法.将问题域离散为简单的三角形背景单元,每个单元进一步划分成若干个光滑域.为了将复杂的域积分转化为简单的边界积分,并且避免计算形函数的导数,采用广义梯度光滑技术对每个光滑域进行应变光滑处理.由于径向点插值法构造的形函数满足Kronecker delta性质,本质边界条件可以直接施加.依据下限定理,在满足以等效积分弱形式表达的自平衡应力场平衡条件的基础上,用二阶锥规划成功构建了极限分析下限法的计算模型,从而可方便地通过基于原始-对偶内点法的数学规划求解器MOSEK直接求解该问题.数值算例结果表明,本文所提方法有效地克服了维数障碍问题,具有较高的计算精度,并且计算结果对网格畸变十分不敏感.

骨料含量和试件尺寸对混凝土单轴受压细观性能影响

为了研究粗骨料含量对混凝土单轴受压性能及尺寸效应的影响,通过编写Python脚本在Abaqus中建立二维混凝土随机骨料模型.该模型涵盖了骨料、砂浆和界面过渡区三相混凝土细观结构,使得模型更加接近真实混凝土结构;通过设置骨料含量和模型尺寸这两个变量,研究了其对模型力学性能的影响.研究结果表明,在同一试件尺寸下,随着骨料含量的增加,混凝土损伤破坏渐趋严重,弹性模量略有增大,抗压强度呈下降趋势;相同骨料含量下混凝土的尺寸效应明显,随着试件尺寸的增加,细观非均质性增强,导致混凝土抗压强度降低,损伤破坏现象更趋明显.分析尺寸效应对模型的影响规律,为实际情况下缩尺模型的性能预测提供参考.

基于LightGBM与SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型

传统的机器学习模型主要围绕如何提升模型预测精度进行研究,从而忽略了预测结果的可解释性.本研究基于LightGBM (Light Gradient Boosting Machine)建立了预测掺气设施空腔积水深度的黑箱模型,与常用的机器学习模型如RF (Random Forest)、SVM (Support Vector Machine)及XGBoost (Extreme Gradient Boosting)对比结果表明LightGBM拥有较高的预测精度.进一步通过贝叶斯优化技术对LightGBM的四个超参数进行优化,较大程度上提升了模型的R^(2)(决定系数)得分.应用SHAP (Shapley Additive Explanation)事后解释方法对LightGBM的预测结果进行全局解释和局部解释.全局解释结果表明:流速、水舌冲击角、坎高及流量是影响空腔积水形成的主要因素,特征交互解释可以用来解释特征之间的复杂非线性关系,局部解释则可以显示单个样本各特征的影响大小.研究建立的基于LightGBM-SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型在掺气设施体型优化及模型试验方案优化方面有很好的应用前景.

三维二十面体准晶弹性半平面周期接触问题研究

借助平面弹性复变方法,研究了周期刚性压头作用下三维二十面体准晶弹性半平面的周期有限摩擦和周期粘结接触问题.从应力、位移分量的复变函数形式表达式出发,利用半平面Hilbert核积分公式、Plemelj公式,得到两类周期接触问题的解答.针对周期有限摩擦接触问题,得到了三类周期刚性压头(直水平、直倾斜和圆形基底)作用在准晶体半平面上接触应力的封闭解.针对半平面周期粘结接触问题,求得接触边界上作用周期尖劈形位移时接触应力的显式解答.当不考虑相位子场的作用时,文中求得的理论结果可退化到正交各向异性材料平面弹性周期接触问题的对应结果.数值算例说明准晶弹性常数对接触应力分布规律及大小的影响.本文结论可为分析准晶材料压痕实验结果及准晶材料性能提供一定理论依据.

三角迷宫式侧堰的水力特性研究

迷宫式侧堰具有较大的泄流能力,广泛应用于流量控制、农田灌溉和排水系统.为研究三角迷宫式侧堰的复杂水力特性、泄流规律及泄流影响因素,本研究首先基于FLOW-3D软件和RNG k-ε湍流模型,对侧堰的15种工况进行数值模拟计算,获得侧堰水面流态、流速分布等水力特性.同时,通过白金汉π定理推出影响迷宫式侧堰流量系数的无量纲参数,探究流量系数C_(d)与无量纲参数之间的变化规律,利用人工智能遗传规划(Genetic Programming,GP)算法拟合出流量系数计算公式.结果表明:主渠道内水流为缓流,堰顶角θ较小时,二次流使得水面流态变化,流速在靠近侧堰时发生急剧变化,堰内产生回流.随着θ的增大,堰顶上方水舌从对称分布变为偏右侧下泄,堰内回流现象消失;C_d随上游弗劳德数Fr和溢流前沿与堰顶水深之比l/h_(1)的增加而减小,随堰高与堰上水头之比p/h_(1)的增加而增加,θ越大,C_(d)变化趋势越大;流量系数预测公式在测试阶段的决定系数R^(2)=0.913,均方根误差RMSE=0.045,流量系数预测值与试验值的散点图拟合效果良好,数据点分布均匀且关于拟合线对称,表明GP模型得出的结果较为准确,满足灌区量水精度要求.该研究成果可为迷宫式侧堰在实际工程中的应用提供理论依据和技术支撑.

基于概率密度演化的大跨越导线铝部风振疲劳可靠度分析

为了掌握微风作用下大跨越架空输电导线铝股疲劳特性及其可靠度,提出了基于概率密度演化的大跨越输电导线铝部疲劳可靠度计算方法.首先建立了大跨越塔线体系有限元模型,研究了微风激振下导线悬挂点处振动位移时程,然后构建了导线节段有限元实体模型,以微风激振作用下导线位移时程为激励,研究了大跨越导线内外层铝股风振疲劳应力时程响应,最后采用概率密度演化方法,考虑线路风速风向概率分布,分析了大跨越导线疲劳可靠度,并与Miner线性累积损伤结果进行比较.结果表明:微风风速越大,大跨越导线振幅越大;微风作用下大跨越导线的外层铝股应力大于内层铝股,外层的钢股应力亦大于内层;大跨越导线运行年限越大,导线内外层铝股可靠度越小,但内层铝股可靠度大于外层铝股可靠度;基于Miner原理计算的铝股疲劳可靠度偏大,建议开展大跨越输电导线疲劳设计时考虑分层特性.

基于KPCA⁃XGBoost机器学习的大跨体育场风荷载预测

大跨空间结构风荷载的取值是该类结构抗风设计关注重点,通常借助风洞试验或数值风洞确定,但其费用高周期长等特点限制其广泛应用.机器学习方法近年受到关注,逐渐应用于结构的风荷载预测并取得了不错的效果.利用核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)对数据进行降维处理,借助可以集成学习的XGBoost机器学习模型,采用十折交叉验证对超参数进行选择,编写了基于机器学习的大跨空间结构风荷载预测程序.通过对多个已有工程项目风洞试验结果的学习训练和预测结果比对,证明该方法具有处理数据能力较强、预测效率较高及泛化能力较强等特点.随机选取未参与模型训练的风向角下数据进行模型准确性验证,结果表明模型的R2值均达到0.9左右,预测值与试验值较为接近,体型系数在迎风区的预测精度略低于背风区,而极值风压则在背风区的预测精度好于迎风区.

基于跨模型模态应变能变化的结构损伤识别两阶段法

为提高结构损伤识别精度,采用跨模型模态应变能变化(Cross-model Modal Strain Energy Changes,CMSEC)代替传统的模态应变能变化(Modal Strain Energy Changes, MSEC)建立先定位后定量的结构损伤识别两阶段法.与传统模态应变能(Modal Strain Energy, MSE)计算时仅利用结构损伤后的振型不同,跨模型模态应变能(CMSE)的计算同时利用结构损伤前后的振型.先利用CMSEC构建CMSECI (Cross-model Modal Strain Energy Index)损伤指标来确定损伤位置,筛选出疑似损伤构件后,再利用CMSEC建立定量识别损伤程度的灵敏度方程.采用基于奇异值截断的迭代法求解该方程,以避免迭代过程中可能出现的病态方程问题.根据公式构成可以定性判断CMSEC比MSEC更难被噪声干扰.某简支梁算例表明,本文方法在损伤定位和损伤定量两个阶段均比传统方法具有更高的识别精度.为了深入考察本文方法的优越性,采用蒙特卡洛法从宏观的相对误差上界和具体的相对误差分布这两个视角解释了本文方法优于传统方法的原因.

磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究

在磁电弹性材料断裂力学框架下,利用表面弹性理论和解析函数边值理论,解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题,确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解.基于以上解析解,通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律.研究发现:考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同.各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应,但随着缺陷尺寸的增加,表面效应的影响呈下降趋势,并趋于经典弹性理论值.研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导.

叠合板底板弯折钢筋与附加钢筋连接试验研究

为研究边缘叠合板U型钢筋和叠合区域预制底板钢筋弯折高度的影响,进行了1个现浇板和4个叠合板受弯性能试验,对比分析了试验板的裂缝发展、破坏模式、挠度、承载力以及钢筋应变情况.结果表明:配置U型钢筋的叠合板承载能力和变形能力与现浇板接近,U型钢筋的销栓作用限制了裂缝沿叠合斜面的发展;预制底板钢筋采用90°弯折措施的叠合板在叠合区域根部开裂以后,随着荷载的加大,叠合板的裂缝宽度沿叠合斜面发展很快,不利位置出现在板的叠合斜面处,导致叠合板承载能力和刚度降低;预制底板90°弯折钢筋叠合板在破坏时,叠合斜面根部位置钢筋达到了屈服强度,表明底板钢筋弯折构造措施可以让钢筋充分发挥性能.最后,提出了采用预制底板90°弯折钢筋边缘叠合板的设计建议.

几何偏差对多螺栓复合材料接头螺栓载荷和应力分布的影响研究

本研究建立了考虑间隙的复合材料双搭接结构的半解析模型,描述了几何偏差对螺栓载荷和应力分布的影响.首先,从典型复合螺栓接头中提取螺栓/孔局部结构作为代表单元,建立考虑随机几何偏差与接触状态的螺栓/孔对的局部刚度模型.基于Reddy高阶剪切板理论,建立复合材料层合板有限元分析模型.将螺栓/孔对的局部刚度模型与层合板全局刚度模型相结合,形成了综合考虑螺栓/孔间隙和孔拉伸变形的多螺栓复合材料接头装配力学分析模型.随机螺栓/孔组合间隙分析结果表明,合理的螺栓间隙设置可以得到更均匀的钉载分布,为多螺栓接头的排孔设计提供理论指导.

温湿变参数旋转复合材料薄壁梁扭转振动特性

复合材料梁具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐高温以及抗疲劳等诸多优良性能,在工程中有广泛的应用,如风力机叶片、直升机螺旋桨等.基于湿热环境下旋转复合材料薄壁梁振动方程,研究了梁的扭转运动.采用Rayleigh-Ritz法求解振动特性,分析了温度、湿度、转速、安装角、铺层角等因素对固有频率和模态振型的影响.采用有限元方法验证了计算结果的精确性.研究表明:前2阶频率随着温度和湿度的升高而降低;与湿度相比,温度对频率的影响更为显著;T=325~425 K且铺层角为15°~30°时,温度对频率的影响略小;铺层角在0°或90°附近时,湿度对频率的影响不大;频率随转速增大而增大,随安装角增大而降低;铺层角对频率有较大影响;温度、湿度、转速、铺层角和安装角对前2阶模态振型影响很小.

变含水量泥流本构及泥流-桥墩冲刷的流固耦合分析

泥石流是山区主要的地质灾害之一,对山区桥梁破坏严重.在流动过程中,泥石流受到含水量的影响较大,其本构模型会发生变化.本文对泥石流的一种特殊形式——泥流的质量含水量进行分析,将含水量引入泥浆的Herschel-Bulkley模型中,提出质量含水量及剪切速率同时变化下的泥流材料本构模型,并与成都黏土泥浆流变实验对比,验证该模型的正确性.而后基于两相流体的Navier-Stokes方程,将该本构模型应用于三维泥流-桥墩立柱冲击的流固耦合分析中,通过与相关规范及文献冲击压力经验公式计算结果对比,证实了模型的实用性.

柔性液态金属剪切力传感器

使用柔性微管液态金属传感器作为应力测量元件,设计制作了一种剪切力传感器.剪切力传感器由弹性聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)杆件、支撑垫片和柔性微管传感器组成.探讨了剪切力传感器的工作原理以及测量元件的传感机制.弹性PDMS杆件受到剪切力作用后变形,使用剪切力传感器对杆件的剪切角进行测量,并将测量结果与灰度重心法测得的参考值进行对比,系统分析了装配间隙δ、微管布置距离L对测量精度的影响.结果表明:当以弹性PDMS杆件为变形体时,剪切力传感器可在0.004 7~0.038 rad的转角范围内进行有效测量;测量误差随着装配间隙δ的增大而增大,随着微管布置距离L增大而减小.所设计剪切力传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点,为剪切力的测量提供了一种新的工具.

高弹性橡胶止水模型实验及全周鼓起变形测量

针对涵洞、隧道等水工建筑物在长期运营过程中出现的渗漏问题,利用高弹性橡胶进行封堵止水是一种行之有效的措施.为了评价不同橡胶的封堵效果,提出一种高弹性橡胶止水实验模型,将橡胶安装在模型伸缩缝中,通过施加静水压力测试橡胶的封堵性能.同时,提出一种利用电动旋转台的全周三维数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法,利用单套三维DIC系统,即可测量得到内侧橡胶在不同静水压力、各个视角下的鼓起变形.按照1∶1比例浇筑了实物模型,开展了静水压力实验,并测得了所选橡胶能承受的最大水压力和全周鼓起变形,验证了止水模型实验的可行性和全周变形测量方法的有效性.

CAP 1400蒸汽发生器干燥器性能分析及试验研究

针对CAP1400蒸汽发生器汽水分离装置干燥器的研发设计,本文从汽液分离机理、研发方式、工程设计等方面对国内外研发设计机构开展了广泛调研,并创新性地提出一种适用于先进核电厂蒸汽发生器干燥器的研发技术.本文采用数值模拟分析替代传统冷态试验对波形板进行选型研究,并采用各向异性多孔介质模型对干燥器整体三维结构模型进行数值计算,得到干燥器波形板入口蒸汽速度分布.根据计算得到的最高流速,对汽水分离装置试验件开展有针对性的热态性能试验,得到其在不同入口蒸汽流速、不同入口蒸汽湿度下的工作性能曲线,确定该型号干燥器的允许工作范围,以论证干燥器所有波形板入口处的蒸汽流速均在试验件热态试验确定的临界蒸汽流速以内,确保蒸汽发生器出口蒸汽的品质满足电厂安全稳定运行要求.

混合边界矩形薄板静力问题解析研究

本文利用Hamilton体系中的“辛-叠加”方法,基于弹性薄板理论,对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一混合边界条件矩形薄板静力问题进行了解析研究.首先基于Hamilton求解体系辛几何方法对对边简支这一经典边界条件矩形薄板问题进行了解析求解,然后以此为基本体系采用叠加法思想对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一复杂混合边界条件矩形板问题进行了求解,最后采用有限元数值模拟对本文方法的正确性和收敛性进行了验证.本文方法同时具备辛几何方法的理性和叠加法的规律性优点,其求解过程中无需预先假定解的形式,直接由弹性力学基本方程出发,通过逐步严格推导来获得解析解.该方法通用性强,可用于一些传统方法难以解析求解的矩形板问题中.