钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

专业课程教学中的通识教育——以一般力学类课程为例

探讨在专业课程教学中进行通识教育。通过对通识教育理念的分析,明确在专业课程中进行通识教育要聚焦与专业知识密切相关的基础性心思和心智结构。以一般力学类课程理论力学、振动力学和高等动力学为例,说明相关的心思和心智基础性结构,包括科学精神、研究方法、变化描述、数量关系和基本概念。

CPTU数据校准上海深层软土参数的随机力学-贝叶斯方法

城市深层地下空间的开发需要开展科学计算。合理的本构模型和准确的岩土参数是岩土力学分析的两大支撑。修正剑桥模型(modified cam-clay,MCC)的岩土参数简单直观,被广泛应用于岩土工程实践。室内土工试验由于取样扰动、试验误差等不可避免的缺陷,难以精确获得深层岩土参数。结合先验知识、室内试验数据和孔压静力触探(piezocone penetration test,CPTU)测试数据,将关键岩土参数视为随机变量,采用随机力学-贝叶斯方法,校准深层软土的关键岩土参数,如临界状态应力比、压缩系数、回弹系数和超固结比。以上海市苏州河深层排水调蓄管道系统工程——云岭竖井基坑工程为背景,以基础底板处的深部第(8)层土为研究对象。首先,利用MCC模型的柱孔扩张理论,揭示了CPTU数据(锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力)与极限扩孔应力之间的力学转换机理,利用苏格兰Bothkennar岩土试验场地的试验数据,验证CPTU测试数据力学模型的适用性;其次,建立关键岩土参数与CPTU数据之间的二次非交叉响应面,利用MCMC(Markov-chain Monte Carlo)抽样算法,获得关键岩土参数的后验统计特征;最后,结合岩土参数的后验均值,开展超深基坑工程的数值计算。结果表明,经过柱孔扩张随机力学-贝叶斯方法校准后,关键岩土参数的不确定性大幅度降低,后验均值的预测结果与监测值较为接近,证明了该方法的高效、合理性。

中耳力学:骨传导与骨传导助听器

除常用的气传导(air conduction)途径外,人类还可通过骨传导(bone conduction)途径感知声音。骨传导指声音以振动形式通过颅骨及软组织等传导至耳蜗引起听觉感知的物理-生理过程。在几百年前,人类便已认识骨传导现象,并开发了一些利用骨传导的听觉装置。Békésy(1961)发现纯音经骨传导形成的听觉可以被经仔细调节强度相等、相位相反的一个同频率气导纯音所抵消,因此指出骨传导和气传导在耳蜗感知层面具有相同的物理生理机制。骨传导传声过程中大部分能量绕过了外耳、中耳直接刺激内耳,故传导性听力损失患者的骨导听阈并无太大影响,也因此骨传导成为该类患者一种可行的助听方案[1]。一些中耳疾病也常使骨传导听阈形成频率特异的切迹。因此,骨传导成为中耳力学的重要研究课题之一。本文介绍骨传导传音感音的途径与机制,并着重阐述骨传导助听技术的临床应用及其听力学增益。

中耳力学:有限元仿真研究进展

中耳听骨链系统是一个构造精巧的传声装置,通过自身振动将空气中的压力变化(声)信号传导至内耳,克服空气和内耳淋巴液间的阻抗差异。各种中耳病变均会引起这一传声系统的工作异常,导致传导性听力损失。对中耳生理功能和病理机制的深入研究有助于相关临床诊断和治疗技术的发展。实验测量和仿真分析是中耳力学研究的常用方法[1]。实验测量手段的不足主要在于侵入测量困难,获取数据有限,且特殊病理状态的测试样本极难获得。有限元仿真方法基于动力学的理论,在计算机上对中耳传声过程进行再现,不仅成本低廉、可获得多种数据,而且便于研究一些实验中难以模拟的中耳状态。本文介绍有限元仿真技术在中耳生理功能和病理机制研究中的应用,尤其是近年来的进展。

中耳力学:鼓膜的生理和病理

鼓膜是中耳的“门户”,将环境声压转换为听觉器官结构振动,是中耳实现声音传导和放大的重要组成部分。鼓膜具有特殊的形态和结构,不仅在低频和高频传声中具有不同的振动形态,以适应中耳传声特性的需求,还可通过主动调节保护听力。同时,鼓膜是中耳中最易受损的组织之一,也是人类听觉系统中罕见的具有自愈和再生功能的结构。鼓膜修复材料和技术是生物材料、组织工程研究的重要前沿。本文从生物力学角度阐述鼓膜的生理和病理,总结近年来相关领域的最新研究进展。

中耳力学:声导抗测试原理及进展

鼓室声导抗(tympanometry或acoustic immittance)测试是中耳功能评估的无创方法,通过向耳道发射探测音,对中耳反射的声压进行测量,形成鼓室图(tympanogram)。鼓室图的曲线变化反映中耳功能的变化,进而用于中耳病理的诊断。近年来对于中耳病变精细化诊断的需求促使了宽频声导抗(wideband acoustic immittance,WAI)的发展,相比临床传统采用单一频率(226 Hz)探测音的鼓室声导抗测试,WAI在更广范围的听觉频率区间对中耳功能进行评估,因此具有更好的敏感性和特异性,有望在临床上广泛应用。本文介绍声导抗测试的基本原理,并总结宽频声导抗相关研究进展。

带有斜向惯容的悬挂式隔振系统动力学特性仿真研究

首先,将惯容器、阻尼器和弹簧进行组合,设计实现全并联隔振单元,并将其斜向布置,构成新型悬挂式隔振系统;其次,以软件ADAMS与MATLAB联合仿真的方式,构建带有斜向惯容器、阻尼器和弹簧的悬挂式隔振系统以及仅带有斜向阻尼器和弹簧的悬挂式隔振系统的仿真模型,并对两种隔振系统进行对比研究,探讨斜向惯容的作用;然后,针对带有斜向惯容器、阻尼器和弹簧的悬挂式隔振系统的加速度传递特性进行研究,改变隔振系统参数观察传递率曲线变化,并探讨了在ADAMS环境下以数值方法、半数值半模型方法表示惯容结构的可行性;最后,以半数值半模型的方法表示惯容,在随机激励下对带有斜向惯容器、阻尼器和弹簧的悬挂式隔振系统中的惯容施加速度与相对速度、加速度与相对速度、相对加速度与相对速度三种半主动控制方式,探讨不同控制方式对隔振性能的影响。研究结果表明,斜向惯容器可以改善悬挂式隔振系统对低频振动的隔离效果,但会增加高频部分的传递率,相对加速度与相对速度和加速度与相对速度的控制方式可以明显提高悬挂式隔振系统对随机激励的衰减效果。

部分排水条件下静力触探试验力学机理研究

在自然状态下,大部分土体的约束条件介于完全排水和不排水两者之间。在孔压静力触探试验(piezocone penetrationtest,CPTU)的贯入过程中,受探头尺寸、贯入速度和岩土材料等因素的影响,将发生部分排水现象。为研究排水条件对CPTU试验数据的影响,开展三轴压缩试验。引入应变增量比,建立考虑渐近状态的修正剑桥(Modified Cam-Clay,MCC)模型。推导考虑渐近状态MCC模型的柱孔扩张理论,提出CPTU测试数据的力学模型。通过数值模拟和模型槽试验,研究归一化贯入速度与排水系数的规律。结合CPTU数据的力学模型,获得应变增量比与排水系数的数理关系。最后以上海市苏州河地区深层排水调蓄管道系统工程的测试数据为背景,验证力学模型的正确性。结果表明:在部分排水条件下,利用考虑渐近状态的MCC模型,能够描述土体的应力-应变关系,合理解释CPTU贯入的力学机理。

新型金属-黏弹复合阻尼器力学模型与抗震性能研究

为克服传统黏弹性阻尼器与金属阻尼器的不足,提出了新型金属-黏弹复合阻尼器(metallic-viscoelastic hybrid damper,MVHD),并对MVHD力学模型的滞回性能及应用进行研究,提出了MVHD的滞回曲线、刚度方程和数值计算方法。针对所提出的新型MVHD的构造特点,分析了耗能金属梁的长度、长高比、高厚比、加载频率和耗能占比等因素对新型MVHD性能的影响规律,为MVHD的优化设计提供依据。并通过将MVHD的理论公式计算结果与数值模拟结果进行对比,相互验证了其计算方法的准确性。采用简化的非线性力学模型,对一栋采用MVHD的5层钢筋混凝土结构的抗震性能进行了分析研究。结果表明,MVHD能有效地耗散地震能量,使框架结构的动力响应显著减小。对新型MVHD设计方法所作的系统研究可为类似工程提供参考。

低屈服点钢研究进展与力学性能数据分析

为对低屈服点钢进行进一步的研究,同时促进其在工程中的应用,全面综述了国内外学者对低屈服点钢材料的研究成果,主要包括单调拉伸性能、循环加载性能以及低屈服点钢材料的应用。并将文献中的力学性能参数进行统计,采用K-S检验法对屈服强度与抗拉强度进行检验。结果表明:低屈服点钢具有良好的延性与滞回性能,力学性能参数基本满足规范要求;3种钢材的伸长率均随厚度增大而增大;低屈服点钢屈服强度符合正态分布,抗拉强度则不符合正态分布;实际工程中对低屈服点钢耗能构件的应用仍相对较少,还需进一步对其进行深入研究,以提高其应用比例。

“理论力学”名称的由来

本文探讨"理论力学"作为第一门大学力学课程名称的起源和演化。通过对英语、法语、俄语、德语和汉语教材的分析,说明"理论力学"起源于牛顿所称的"理性力学",由法国学者作为课程名称,并影响俄国和中国有了"理论力学"的课程名称,直到现在。同时英国和美国一度也使用过"理论力学"作为教材名称。

刍议大类招生形势下力学专业怎么办？

在大类招生形势下,不少高校力学专业出现了修读生源减少、生源质量下降的情况,不利于力学学科的整体发展。针对此问题,从力学专业招生面临的形势、力学学科的优势、以及大类分流工作的实践三个方面,探讨如何做好力学专业大类分流工作。

金属复合型摩擦阻尼器力学性能试验研究

提出了一种金属复合型摩擦阻尼器,通过预紧力试验和力学性能试验,研究了螺栓预紧力对阻尼器摩擦系数及摩擦荷载的影响,并以剪切型摩擦阻尼器作对照,对使用刹车片磨材的金属复合型摩擦阻尼器的力学性能进行分析。试验结果表明:摩擦阻尼器的摩擦系数会随着预紧力的增加而小幅减小,因此摩擦荷载衰减比例低于预紧力衰减比例;刹车片磨材具有良好且稳定的性能;金属复合型摩擦阻尼器滞回曲线表现为三线型,实现阻尼器的分阶段屈服,双阶段耗能效果;金属复合型摩擦阻尼器的预紧力损失和阻尼力衰减较剪切型的要更小。

耳蜗力学:基底膜行波测量技术进展

耳蜗是听觉系统实现感音换能的核心器官,可对声音信息进行频率分离、主动放大等预处理,兼具宽频率和强度范围声音感知、高灵敏低耗能的优点。耳蜗精巧的结构、特殊的组织材料特性是其功能实现的基础。基底膜的行波现象是耳蜗进行实时频率分离的载体;外毛细胞电致运动则主动放大行波响应,是提高耳蜗敏感性的关键。

纤维混凝土对深埋调蓄盾构隧道管片力学性能的影响

以上海苏州河段深埋调蓄盾构隧道工程为背景,采用多功能回型框架试验系统对3组不同纤维混凝土和1组无纤维混凝土浇筑的管片梁和管片接头进行足尺静载试验,探究了3种纤维混凝土对深埋调蓄盾构隧道管片力学性能的影响.管片梁试验结果表明:合成纤维可以提高混凝土的抗拉能力,在内水压达到0.5 MPa时不同纤维可使钢筋应力降低8%-22%不等;合成纤维可以有效延缓裂缝的出现并抑制其发展,其中Barchip纤维管片裂缝宽度降低了40%,同维纤维降低了20%,钢纤维降低了28%.管片接头试验结果表明:合成纤维可以提高接头试件的整体刚度,其中Barchip纤维提高了24%,同维纤维提高了10%,钢纤维提高了17%;合成纤维混凝土可以有效降低接头受压区在螺栓屈服时出现碎角破坏的程度.总体而言,Barchip纤维在抑制裂缝发展和提高管片和接头整体刚度等方面的表现均优于钢纤维,而同维纤维在相关方面的表现则劣于钢纤维.

基于分布式光纤传感技术的地铁基坑支撑的力学性能研究

开展围护结构和支撑体系的监测对于控制基坑开挖变形、保证结构安全具有十分重要的意义。传统传感器监测多为点式测量,其自动化程度低、测量值与实际值误差大、难以发挥传感器工程预警的作用。基于布里渊散射光频域分析技术(Brillion Optical Frequency Domain Analysis,BOFDA)的光纤传感器具有空间分辨率高、精度高、信噪比高的优势。通过在4根原有传统钢筋计支撑上布设分布式光纤传感器,文章对布里渊散射光频域分析技术(BOFDA)与传统监测手段进行了对比,分析了支撑体系全断面受力特性,探讨了分布式光纤感测技术在基坑工程监测中的优势。研究结果表明:分布式光纤传感器可反映不同开挖工况下支撑轴力变化规律以及支撑通长方向轴力的不均匀性,实现支撑体系的全断面受力分析以及基坑开挖过程的安全预警。

远场爆炸荷载作用下钢箱梁桥的动力响应及毁伤评估

针对大规模爆炸后桥梁结构的毁伤评估问题,以三跨连续钢箱梁为对象,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和显式动力学方法,研究了冲击波入射角度与冲击波强度对桥梁结构破坏模式的影响规律,建立了桥梁毁伤程度与冲击波特性之间的映射关系。结果表明:通过CFD数值模拟得到的爆炸荷载可以反映冲击波的绕射和消波效应,可以为桥梁结构的抗爆计算提供可靠的爆炸荷载;桥梁的破坏模式与冲击波入射角有关,而桥梁的毁伤程度与冲击波强度有关;入射角度为0°时,桥梁的迎爆面腹板发生局部屈曲,非迎爆面桥墩发生破坏。

考虑“筒中筒”耦合作用的深水隔水管柱与钻柱碰摩运动规律

深水钻井时,旋转钻柱与海洋环境力作用下发生振动的隔水管柱易发生接触,造成钻柱与隔水管柱的碰撞或者摩擦。为了解隔水管柱与钻柱间的运动状态,减轻两者间碰摩,保证作业安全性,提出了一种模拟深水隔水管柱-钻柱组成的“筒中筒”耦合系统模型,通过分析二者间的位移与接触力,实现海洋深水钻井作业时隔水管柱与钻柱的耦合动力学模拟的建立。模拟结果表明,考虑隔水管柱与钻柱接触的情况下,海流作用和涡激作用对钻柱的动力学特征具有较大影响;海流速度增加,隔水管柱弯曲程度变大,隔水管柱的振动特征会限制钻柱运动;井口转速增加对钻柱的涡动特征影响小,但会增大钻柱与隔水管柱内壁的接触力,增大钻柱与隔水管柱的失效风险。该理论为海洋深水钻井摩阻分析提供了新的借鉴。

珊瑚砂与土工格栅界面的剪切特性及本构模型

采用南海原位级配珊瑚砂和聚丙烯双向土工格栅,开展了不同法向应力下珊瑚砂和筋土界面大型直剪试验。试验结果表明,珊瑚砂和筋土界面剪应力—剪切位移曲线呈现明显的应变软化特征,峰值抗剪强度线呈现双折线形态,残余抗剪强度线则呈现较好的线性关系;各级法向应力下珊瑚砂与土工格栅界面摩擦比均值达到1.37左右,远高于石英砂与土工格栅界面摩擦比,说明在珊瑚砂中加筋能充分发挥加筋效果;珊瑚砂和筋土界面在剪切过程中总体上经历了相对剪缩—相对剪胀—相对剪缩的过程,对珊瑚砂加筋可显著减小其剪缩变形;珊瑚砂和筋土界面直剪试验试样的相对破碎率接近,均随法向应力的增大而增大,但增幅逐渐趋缓。采用邓肯—张模型和剪切软化模型分别描述南海原位级配珊瑚砂与聚丙烯双向土工格栅界面峰前和峰后剪应力—剪切位移曲线,所建立的筋土界面本构模型能够很好地反映其剪切特性。