复合材料正弦型波纹板的等效刚度

基于复合材料均质化理论,把碳纤维/树脂基复合材料(CFRP)正弦型波纹板等效成正交各向异性板,根据应变能守恒原理,建立等效的正交各向异性板刚度矩阵中各个刚度分量的计算方法。利用有限元方法,建立复合材料正弦型波纹板的代表单元模型,根据复合材料层压板本构方程,通过构造六种边界条件,对刚度分量的理论计算方法进行了验证。验证结果表明,理论计算结果与有限元模拟结果具有较好的一致性。利用验证的刚度计算方法研究了控制正弦型波纹板形状的两个主要几何参数(半高和半波长)对波纹板刚度的影响,并将某一波纹板的等效刚度与其构成的层压板刚度进行了对比研究,结果表明:半高和半波长对波纹板刚度分量的影响均呈非线性;相对于层压板,波纹板在波纹方向的拉伸刚度大幅降低,在垂直波纹方向的弯曲刚度大幅升高。

纵向槽钢和轴力共同作用的盾构隧道等效刚度解析解

为准确快速地预测纵向槽钢加固技术对盾构隧道等效刚度的影响,开展了纵向槽钢加固技术的理论研究。解析地提出了纵向槽钢和纵向轴力耦合作用的盾构隧道等效刚度理论解,并与经典理论、模型试验和数值模拟对比验证了本方法的可靠性。结果表明盾构隧道的中性轴φ随槽钢、纵向轴压力的增加而减小,其大小直接改变了隧道管片间的接触状态,从而影响了隧道的等效刚度;盾构隧道的等效刚度与纵向轴压力呈S曲线正相关,与弯矩呈非线性反相关,与隧道管片宽度、槽钢截面面积、数量、弹性模量呈线性正比关系;盾构隧道的等效刚度贡献大小顺序依次为纵向槽钢数量、截面面积、弹性模量。从理论上诠释了纵向槽钢等敏感性参数对隧道等效刚度的影响机理,可准确快速地预测纵向槽钢加固效果。

基于渐近均匀化方法的准周期梁结构等效刚度数值实现方法研究

相比周期梁结构,准周期梁结构沿轴向梯度变化,具有更大的设计自由度,能够获得更好的结构性能。由于其非均质性,一般将其均匀化为具有等效性质的均质梁结构,但现有工作很少涉及准周期梁结构等效性质的计算。本文针对由周期梁结构映射而成的准周期梁结构,通过引入雅可比矩阵,基于渐近均匀化方法推导的单胞方程及其等效性质计算列式,并建立了其单胞方程及等效刚度的有限元求解列式。该方法可以处理沿轴向变形的任意微单胞构型,数值算例验证了其正确性和有效性。

基于等效刚度法优化的风力机叶片刚度计算

风力机叶片刚度由于非线性且截面变化程度大的特点,针对叶片建模初期刚度的评估问题通常采用刚度展项分布图体现叶片刚度,存在评估叶片刚度的参考参数不够直接、宏观的问题。基于变刚度梁挠度计算的等效刚度法,将叶片等效成变截面悬臂梁,根据叶片特征合理选取边界条件,以叶片建模的截面数据特点为基础,优化原始等效刚度法的计算方式,使该方法更加贴合叶片模型,从而适用于叶片,达到方法优化的目的。利用ANSYS有限元软件进行叶片的预应力模拟实验,得出叶片的挠度模拟数值,以该模拟计算的挠度值为参考,验证优化后方法的有效性。结果表明:优化后的等效刚度法得到的刚度值,在低均布载荷值22.5 Pa下理论计算的挠度值与试验挠度值的误差达到9.68%,减小原始方法计算的误差贴近叶片模型,可用于叶片刚度估算,为叶片的刚度计算提供新方法。

基于渐近均匀化的梯度板等效刚度数值计算

基于梯度板结构的渐近均匀化方法,简化梯度板微单胞的单胞方程及等效刚度列式,并推导其有限元求解列式,实现梯度加筋板微结构等效刚度的高效数值求解。相比仅能处理矩形单胞的经典数值均匀化方法,该方法可以处理一般平行四边形微结构,具有更好的普适性。数值算例通过比对梯度加筋板及其对应的等效均质板挠度,最大挠度数值相对误差均在5%以内,验证了所提数值方法的正确性及可行性。

圆形深基坑环梁径向等效刚度系数研究

弹性支点法是我国现行规范推荐的深基坑支护结构计算方法。在弹性支点法基础上,针对圆形深基坑环梁作为支护桩弹性支点的刚度系数提出明确算法,达到更合理地计算支护结构内力和位移的目的。通过弹塑性力学厚壁圆筒理论,得到环梁径向位移公式,进而推导出环梁径向等效刚度系数和环梁换算截面的等效材料抗力计算公式。将径向等效刚度系数和等效材料抗力作为弹性支点的参数,计算支护结构内力和位移。采用此方法计算沈阳某圆形深基坑支护结构的内力和位移。结果表明:采用等效刚度系数的二维弹性支点法计算得到的支护结构的内力与位移,与现场监测数据比较吻合,比三维有限元计算结果更安全,比常规刚度系数计算结果更经济合理。

基于子结构等效刚度修正的抗震混合试验方法研究

为了研究试验子结构等效刚度对结构抗震混合试验结果的影响,以结构固有频率设计为基础,并根据振动台的尺寸和承载能力要求设计两榀三层三跨的钢框架模型做地震模拟振动台试验;根据结构的对称特性选取框架底层1/4及1/2结构为试验子结构并利用结构变形协调原理对试验子结构边界自由度进行缩减,设计了双通道作动器协同控制加载技术对试验子结构边界条件进行模拟,最后对所设计的三层钢框架模型进行混合试验,混合试验结果与振动台试验吻合较好,这表明在结构振动台抗震性能试验受限于台面尺寸和承重等因素时,基于子结构等效刚度的混合试验方法可为结构抗震性能分析提供一种有效的途径。

某部分框支剪力墙结构等效刚度比控制分析

转换层下部结构刚度对部分框支剪力墙结构的竖向刚度规则性和地震剪力传递突变程度有较大影响,等效刚度比是衡量转换层下部结构相对刚度的重要设计指标。本文对8度区某部分框支剪力墙结构等效刚度比的控制进行分析讨论。首先,通过转换层下部结构高度线性插值对等效刚度比进行修正,其次,通过调整转换层层高和转换层下部结构剪力墙厚度两种方式,分析不同等效刚度比对结构整体指标、构件受力和结构整体抗震性能的影响。结果表明,等效刚度比越大,转换层与其上一层的层间位移角比和有害层间位移角比越小,等效刚度比小于1.0时,转换层与其上一层的有害位移角比突变增大;设置转换层对转换层以上3层的地震剪力分配产生了较大影响;框支框架的相对刚度比越大,水平力传递突变程度越小;随着等效刚度比增加,结构主要屈服部位由结构底部转移至转换层以上部位。

高烈度区设置摩擦阻尼器等效刚度及减震结构附加阻尼比取值研究

以某高地震烈度区住宅工程为背景,结构形式为剪力墙结构,并在X、Y两个主轴方向设置连梁阻尼器进行消能减震结构设计,由于连梁阻尼器的非线性属性,对消能减震结构进行动力时程反应分析,重点介绍了连梁阻尼器等效刚度及减震结构附加阻尼比的计算步骤及取值方法建议。为了后续施工图设计阶段的便捷,提出采用等效模型振型分解反应谱法的计算分析。结果表明,通过能量消耗原理计算的连梁阻尼器等效刚度及减震结构附加阻尼比的取值方法合理可行,等效模型和真实非线性模型相似度高且偏于安全。利用振型分解反应谱法计算分析的等效结构各种计算指标和结果均满足规范要求,说明采用等效结构进行结构配筋设计是安全可靠的。最后,对消能减震结构进行了大震弹塑性分析,通过滞回曲线看到连梁阻尼器在提供抗侧刚度的同时耗能明显,有效保护了主体结构构件的损伤,且大震弹塑性位移角满足规范相应要求。

动态压剪试验机水平等效刚度测量技术的优化研究

本文针对动态压剪试验机在进行水平等效刚度测量时面临的问题进行研究,旨在提出优化的测量技术。文章首先回顾了动态压剪试验机的工作原理及其在现代工程中的应用,并分析了现有测量技术的不足。其次,深入讨论了水平等效刚度的定义及其测量方法,并对影响测量精度的因素进行了详细分析。在此基础上,提出了一套新的测量方案,并对该方案进行了系统的优化设计。文中进一步通过实验验证了所提技术的有效性,并探讨了其在不同情况下的适用性。结果表明,优化后的测量技术具有更高的准确性和操作的简便性,对提升动态压剪试验机的测试性能具有重要意义。

高速陶瓷滚动轴承等效刚度分析与试验

高速旋转机械,尤其是微小型发动机广泛采用陶瓷滚动轴承。轴承支承刚度对高速转子——支承系统的动力特性有重要的影响。滑动轴承已有比较系统的动力特性数据库可供参考使用;滚动轴承一般按经验公式估算其刚度特性或简化为定常的弹性元件,但误差较大。本文分析了影响滚动轴承等效刚度的主要因素,提出了滚动轴承等效刚度的计算方法,并设计了试验装置,对陶瓷轴承的等效刚度进行测试。理论分析和试验取得了比较一致的结果。

基于代理模型和等效刚度模型的加筋柱壳混合优化设计

针对轴压作用下的加筋柱壳后屈曲性能优化计算较大的问题,本文提出了一种基于代理模型和等效刚度模型的混合优化策略,即运用基于等效刚度的平铺模型进行有限元后屈曲分析以代替试验设计中大量的精细加筋模型分析,并通过控制等效模型的单元尺寸来调整其分析精度,而等效刚度模型计算时长仅约为精细加筋模型的1/3。对构建的代理模型采用多岛遗传算法进行极限承载力等约束下的轻量化设计,调用精细模型有限元后屈曲分析对代理模型进行更新,从而保证代理模型的拟合精度并得到优化解。工程算例结果表明,本文提出的混合优化方法,使加筋柱壳结构在满足承载力情况下减重效果明显。

深基坑内支撑等效刚度数值计算影响因素分析

深基坑平面内支撑结构等效刚度的计算常采用有限元等数值计算方法,通过分析深基坑支护结构的4种典型平面内支撑结构型式,探讨了数值计算模型中内支撑结构的单元划分长度、约束弹簧刚度、约束弹簧间距、约束弹簧布置型式等因素对内支撑等效刚度计算结果的影响。经计算分析可知,在其他影响因素不变而只改变某个影响因素时,平面内支撑结构的等效刚度随腰梁单元长度的增加、约束弹簧刚度的增加呈增加的趋势,随约束弹簧间距的增加呈降低的趋势,但基本不受约束弹簧布置型式、除腰梁之外的其他内支撑构件单元长度的影响。在此基础上,得出了数值计算中上述各影响因素的建议取值范围和约束弹簧的布置型式。

弹性车轮等效刚度对车辆动力学性能的影响

基于橡胶件材料的Mooney-Rivlin本构模型建立压剪复合型弹性车轮有限元模型,分析橡胶件的材料参数、预压缩量及环境温度对弹性车轮等效刚度的影响。在弹性车轮传统模型基础上建立其6自由度复合动力学模型及整车动力学模型,研究弹性车轮等效刚度对车辆动力学性能的影响。结果表明:弹性车轮等效刚度随材料参数、预压缩量及环境温度增加而增加,其中材料参数和预压缩量对等效刚度的影响较大,预压缩量由3.5mm增至5.5mm时每增加1mm其径向刚度分别增加48.26和65.11 MN·m^(-1),其他方向刚度也表现出同样的趋势;径向刚度主要影响轴箱垂向振动加速度和轮轨垂向力,这2个指标随径向刚度的增加而减小;轴向刚度与轮轨垂向力呈正相关,增加轴向刚度有利于提高曲线通过能力;偏转刚度对车辆动力学性能的影响与轴向刚度基本相似;各向等效刚度的变化对车辆平稳性的影响较小。

新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法

针对薄壁复合材料格栅加筋结构的受力特点,在改进原有力学假设的基础之上,推导了一种新的平铺等效刚度计算方法,它充分考虑了筋条和面板之间的相互作用．通过格栅单元结构布局形式的参数化表示,建立了通用的力学分析模型;该模型可用于分析各种结构布局形式和面板铺层方式下的结构总体屈曲问题,故对于航空航天结构设计非常有用．结合Rayleigh-Ritz方法,推导出了求解格栅加筋板屈曲载荷的通用线性特征方程;最后,分析了多种类型格栅结构的算例,并与现有的各种方法进行了比较,结果更为精确,因而对格栅加筋结构的优化设计具有很好的应用价值．

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。

钢结构框架中组合梁等效刚度的确定方法

刚接或半刚性连接的组合梁在荷载作用下,在梁的长度范围内既有正弯矩作用段,又有负弯矩作用段,由于组合梁截面在正弯矩作用和负弯矩作用下截面抗弯刚度不一致,因而在弯矩为零的点处梁的截面抗弯刚度发生突变,而组合梁框架分析的关键是确定组合梁刚度突变分界点的位置及确定在整体分析中所采用的等效梁的刚度。本文根据应变能相等的原理对钢结构框架中组合梁的等效抗弯刚度进行了研究,推导了其等效刚度的表达式,并给出不同荷载作用形式下刚接框架组合梁等效刚度简化计算公式,为组合梁钢框架的整体分析提供了便利。最后分析了水平荷载以及梁柱连接特性对组合梁等效刚度的影响,分析结果表明,采用本文提出的组合梁等效刚度进行半刚性连接框架整体分析偏于安全。

连续档导线面内及面外等效刚度研究

针对边界条件对架空输电线路舞动的重要影响,建立了简化相邻档导线及绝缘子串为等效弹簧的计算方法。首先根据悬垂索的抛物线理论推导单档导线和两档导线的面内等效刚度计算公式,然后将其推广到任意档导线的面内等效刚度计算;依据小弧垂及水平张力不变假设推导了两档和三档导线面外等效刚度的计算方法。将具体算例与有限元计算结果进行比较,最小误差仅为0.4%,表明等效刚度的计算方法具有较高的精度。同时,算例分析表明:单档导线、两档导线、三档导线的面内等效刚度差异均较大,最大误差可达35%;两档导线和三档导线的面外等效刚度差别较小,最大误差仅为0.68%。等效刚度计算方法为覆冰导线舞动研究所需边界条件计算提供了方便有效的工具。

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于复合材料机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的简化结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板(等效板)上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。通过编程实现了自动化生成等效模型,极大地减少了建模和分析时间。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。

微位移机构中变截面柔性铰链等效刚度的求解方法研究

对变截面柔性铰链的等效刚度k进行研究,提出了k值的两种求解方法:修正系数法与变截面法。通过实例计算,两种方法求得的结果基本一致,而变截面法更具有通用性且计算简便。采用变截面法计算了柔性微位移放大机构中变截面柔性铰链的等效刚度k,在此基础上,对机构进行了分析,求得不同载荷作用下机构的输入、输出位移及其放大比,同时对其进行有限元分析,两种结果具有较好的一致性,验证了k值计算的正确性,表明了变截面柔性铰链等效刚度计算方法的有效性。