大尺寸非标碟簧承载性能仿真分析

以某锤击式振打系统中的大尺寸非标碟簧为研究对象,对其在不同载荷作用下的响应特性进行了研究。分别采用理论及仿真模拟方法,对标准碟簧及大尺寸非标碟簧的载荷-变形及载荷-应力状态进行了分析;并采用仿真分析方法,研究了对合状态下重载非标碟簧的响应特征。研究结果表明,对于大变形工况,有限元法能更准确地描述大尺寸非标碟簧的承载性能;大尺寸非标碟簧承受载荷小于额定载荷时,其载荷-变形量呈现线性特征;承受载荷超过额定载荷后,载荷-变形量呈现非线性特征。分析认为,碟簧载荷与变形量的理论计算方法适用于结构的小变形状态,当载荷超过额定载荷时,碟簧的变形较大,小变形的线弹性理论已经不适用于大载荷工况。随着载荷变大,对合状态碟簧接触面的接触状态会发生突变,从面-面接触变成线-面接触,接触状态的改变会造成碟簧局部应力产生变化,影响碟簧的安全使用。

钢筋混凝土拱桥加固施工次序方案及效果评价

为研究钢筋混凝土拱桥最优的加固施工次序,以一座在役4跨箱形拱桥的加固方案为背景,设计了3组针对性的加固方案,并对不同拆除加固施工次序下的主拱圈力学性能进行了分析;采用恒载应力变化率(αD)和荷载效应变化率(αN)评价了施工中拱圈的应力变化规律及加固后原拱圈的荷载效应。研究结果表明:拱上结构的拆建次序对加固后主拱圈的力学性能影响较小,但对加固过程中主拱圈的受力状态影响较大;拱顶对称拆除时αD<0,结构处于“卸载”状态,有利于拱桥施工中的受力;αN随着拱上结构恒载减小而增大,且增速减缓,故加固层材料利用率也随拱上结构恒载减小而增大,且增幅变缓;αN越大,则加固效果越好。

垭口微地形下档内线路不均匀覆冰研究

明确垭口地形因子对垭口输电线路覆冰的影响规律,对山区输电线路的差异化防冰非常关键。该文基于水文分析中反地形理论提出山腰垭口,建立垭口风场数值模型,并通过风洞实验验证该模型。依据垭口风场分布,选定3类垭口线路的架设路径,得出垭口线路的风速区间。将初始状态下导线单次覆冰冰层厚度不得超过线径的7%作为覆冰步长取值依据,循环计算流场、粒子传输模型、热力学方程得出线路风速区间内导线的覆冰情况,进而得出垭口线路的冰荷载曲线,山腰、山脉、双山垭口线路冰荷载曲线在弧垂区分别出现了弯折、下行、下凹的走势。通过野外垭口线路自然覆冰实验,验证了覆冰计算的有效性,证实横跨垭口线路的不均匀覆冰性,不均匀覆冰规律与计算冰荷载曲线类似。计算不同地形因子组合下3类垭口的冰荷载曲线,并提出最大应力比概念,作为评判覆冰所引起线路事故可能性的标准,量化了不同垭口地形因子与线路最大应力比之间的关系。

扰动诱发高应力岩石动力响应及岩爆灾变机制

为揭示深部矿山岩爆发生机制,以硬质红砂岩为研究对象,利用岩石动静组合加载试验系统开展了无轴向静压及4个轴压条件下的不同入射能冲击试验,获得了纯动载及动静组合加载下岩样的力学行为与破坏特征。结果表明:试样最终形态分为完整、轴向劈裂、表面剥离、即时型粉碎和滞后型粉碎五类,其中,表面剥离和滞后型粉碎两类破坏模式表现出“岩爆”特征,即Ⅰ型应力−应变曲线、峰后释放能量、岩石自身静应变储能驱动碎片弹射、明显压剪破坏面;根据碎片弹射与动力加载的相对时间,进一步将表面剥离与滞后型粉碎破坏分别对应深地工程中的“即时型”和“滞后型”岩爆;动力扰动是岩爆的关键诱发因素,触发岩爆的临界扰动能随轴压比升高而逐渐降低。

径向游隙对深沟球轴承疲劳寿命影响精细分析

采用Romax Designer工程分析软件,应用ISO/TS 16281寿命计算方法,根据经典的滚动轴承理论,对某风机用电机轴深沟球轴承,在不同径向游隙时的轴承内部载荷分布、接触应力、套圈滚道当量动载荷和ISO/TS 16281寿命进行了大量的计算,重点对轴承的疲劳寿命进行了精细分析,分析了径向游隙对轴承ISO/TS 16281寿命的影响。研究结果表明,径向游隙对寿命的影响不仅仅是通过对轴承内部载荷分布、接触应力和套圈滚道当量动载荷的影响而对寿命产生影响,还通过对寿命修正系数等因素的影响而对寿命产生影响;相同工况条件下,存在一个相对最优的径向游隙,由于所研究电机的两个轴承所受载荷不同,因而相对最优的径向游不同。研究结果可为深沟球轴承的优化设计提供参考。

动载扰动诱发巷道冲击的风险性分析

巷道冲击地压发生机理与风险性评估问题,对不同区域应力场中的巷道围岩分区能量释放规律进行分析,考虑动载事件扰动,建立了始态应力场、动载事件产生的瞬态应力场与巷道围岩破坏之间的力学联系,提出了动载事件扰动下的终态巷道围岩塑性区边界计算方程,阐述了动载事件与始态应力场共同作用诱发冲击地压的机理,并对不同因素变化下的巷道冲击风险性进行了分析,以震动事件发生角为指标对动载事件发生的不同区域进行了风险强度的划分。研究结果表明:区域应力场不均匀程度的增大使得巷道围岩系统在扰动平衡后的能量释放量增大,且能量释放的主要区域为区域应力场的最大围压方向;巷道冲击地压是巷道围岩受始态应力场与动载事件的瞬态应力场2者共同作用的结果,动载事件的影响会使得巷道围岩系统的终态应力场产生偏转,而围岩协调所释放的能量是冲击产生的主要原因;当始态应力场处于蝶形风险区时,受动载事件影响后的巷道冲击风险性更大,且动载事件的有效释放能量的增大、震源距离的减小与横波能量占比的增大会使得巷道冲击风险性随之增大;震动事件发生角影响着巷道冲击风险性,当动载事件发生在强风险区与次强风险区时,微小的动载事件也极易诱发冲击地压,巷道冲击风险性较高;当动载事件发生在弱风险区时,较大的动载事件也不易引起冲击地压,巷道的冲击风险性较低。

基于截面增大法的扣放角钢焊接加固负载H型钢的轴压承载力研究

负载下焊接加固是既有结构加固的重要形式,然而当前对加固形式及加固效果的研究仍然较为缺乏.因此,提出了一种新型负载焊接加固构造,设计了8组扣放角钢焊接加固H型钢试验.研究了焊接过程中的截面应力重分布规律以及焊接加固H型钢柱的轴压力学性能.试验中加固构件的截面为加固前的1.53倍~1.55倍,焊接加固后构件极限承载增大为加固前的1.74倍~1.90倍;加固构件和原构件协同工作,获得了良好的加固效果,虽然焊接热输入降低了构件焊缝间隔处的屈曲应力,但负载加固的构件表现出相对零载加固构件更高的极限承载力.随后建立并验证了一种新型焊接加固H型钢柱的数值模拟方法,探究了不同截面面积加固构件的加固效果;揭示了不同焊缝间隔以及焊接热效应对加固构件极限承载力的影响,并建立了相应的设计方法.

冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明:不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。

山岭铁路盾构隧道荷载及结构受力特性研究

研究目的:为研究山岭盾构隧道的荷载分布特征及其衬砌结构力学行为,依托某铁路工程,基于FLAC3D建立数值模型,研究山岭铁路大断面盾构隧道管片上的荷载分布及大小,分析不同影响因素下双层衬砌的内力分布特征。研究结论:(1)衬砌周边围岩应力在盾构通过前后,有瞬间增大再减小再增大最后保持不变的趋势,且稳定后衬砌上竖向和侧向地层压力均呈两端大中间小形状分布;(2)隧道在不同赋存条件下应选用与其相适应的荷载计算理论,如在50 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用普氏理论,100 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用铁路隧道规范理论;当围岩条件较差及埋深较浅时荷载计算理论结果略微偏于不安全,当埋深较大以及围岩条件较好时荷载计算理论结果均偏保守;(3)双层衬砌结构中二次衬砌相比管片内力很小,且围岩稳定性对二次衬砌的受力特性影响较大;(4)本研究成果可为山岭盾构隧道结构设计提供技术支撑。

煤层群下行开采底板应力演化规律与合理巷道错距研究

为解决近距离煤层开采遗留煤柱下伏回采巷道合理布置工程问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,基于半无限平面体理论建立遗留煤柱底板岩层应力分布力学模型,系统研究了遗留煤柱下伏底板岩层应力分布特征及减压区相对位置关系,提出遗留煤柱非均布载荷影响的底板水平/垂向距离判别方法,揭示了遗留煤柱水平/垂向间距对下伏煤层回采巷道应力变化率的影响程度。结果表明:垂直应力集中是导致下伏巷道失稳的主控因素,以垂直应力变化量0.2γH作为评判应力影响程度的临界指标,探究了不同因素影响下的应力扰动程度,随着遗留煤柱尺寸、煤层间距、埋深与岩层垮落角逐渐减小,底板岩层应力影响深度呈递减趋势;随着水平错距增大,巷道围岩垂直应力值、应力变化率差值不断减小,界定两者数值低于0.2γH与0.01时,围岩达到可控稳定状态;现场试验21320回风巷采用外错式25 m进行实测验证,优化布置后巷道顶板相对位移量控制在45 mm以内,服务期间巷道围岩工况稳定,验证了所得安全错距的合理性。

多层交通荷载下非对称一体化地下结构的动力响应

地下结构在交通荷载作用下的动力响应对其运营期的安全稳定有重要影响。为了探究大断面非对称一体化地下结构在多层交通荷载作用下的动力响应特征,依据工程典型断面建立有限元模型,模拟施加路表、市政、轨道三层交通荷载,分析了非对称一体化地下结构的振动响应和应力分布特征,探究了多层交通荷载共同作用产生的结构动力响应叠加规律。结果表明:非对称一体化结构的振动响应在市政交通层的左幅顶板中部最大,达0.5~0.7 m/s^(2),动应力在轨道交通层底角处最大,达0.08~0.10 MPa;地铁列车荷载是结构动应力的主要影响源,但土钉支护与桩基支撑能够有效降低动应力的影响;作用于地面的车辆荷载会对一体化结构的振动响应产生较显著影响,运营期应重点关注位于地面车辆行驶密集路段的结构。研究结果可为地下非对称一体化结构的优化设计、运营期养护提供参考。

海上移动平台直升机甲板圆管支撑结构安全评估

圆管支撑结构是海上移动式平台直升机甲板设计的重要部分,由于海上恶劣的风浪环境,使结构整体受风载荷的影响较大.现有直升机甲板圆管支撑结构的安全评估内容主要集中于圆管的静强度分析,缺乏风振响应分析,文中以海洋石油163平台直升机甲板为例,研究圆管支撑结构的静力和动力载荷输入,通过有限元强度分析和理论经验公式计算对比静力、风载荷作用下直升机甲板圆管支撑结构的受力情况,考虑风振涡激效应的准静态分析,在此基础上提出了直升机甲板圆管支撑结构的安全评估方法,探究了风载荷对结构整体安全的影响.

岩体弱化方法及其在深部高应力硬岩机械化开采中的应用

战略性矿产资源的安全保供是国家重大战略需求,向地球深部要矿产资源在未来相当长一段时间内具有不可替代的战略性。为了保障矿产资源需求,深部高应力硬岩的安全高效开采是深部采矿必须解决的重大问题。首先,本文阐述了深部高应力硬岩采矿的技术挑战及“变害为利”的采矿变革思路,提出了高应力硬岩弱化后再开展机械破岩以实现商业化开采的关键技术对策。然后,总结了“接触式”和“非接触式”岩体弱化方法的机理、具体特点与发展现状,并对比分析了两类岩体弱化方法在辅助高应力硬岩机械破岩领域的发展潜力。最后,展望了以深部高应力硬岩热剥落损伤弱化辅助机械破岩为代表的安全高效连续采矿技术,为深部战略性矿产资源安全保供与深地工程发展提供了有益指导。

切顶沿空留巷充填体—矸石协同承载机理及控制技术研究

针对深部沿空留巷顶底板移近量大、充填体大变形破坏失稳等问题,采用数值模拟和现场实践相结合的方法,分析了传统沿空留巷和切顶卸压协同承载沿空留巷围岩应力演化规律和变形特征,揭示了切顶沿空留巷充填体—矸石协同承载机理。在此基础上,以朱庄煤矿Ⅲ635工作面沿空留巷为工程背景,提出了一种巷旁充填体—矸石组合结构体协同承载的切顶卸压沿空留巷技术,建立充填体—矸石协同支撑顶板力学模型、推导出顶板挠度方程,并进行工程应用。数值模拟结果表明:采用切顶卸压协同承载沿空留巷技术后,实体煤帮和充填体的垂直应力峰值分别降低了28.3%、44.4%,巷道顶底板移近量降低了58.2%。现场应用结果表明:采用该技术后,顶底板和两帮移近量分别为382.9、253.6 mm,工作面支架平均支撑力下降了45.3%,有效控制了巷道变形。可为类似条件下沿空留巷围岩控制提供参考。

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展:采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。

基于不同标准的煤炭漏斗车车体焊缝疲劳寿命研究

利用接触非线性分析技术,基于AAR标准的名义应力法和ASME标准的结构应力法研究煤炭漏斗车车体焊缝的疲劳问题。首先,建立漏斗车重载车体强度分析模型,利用修正D-P本构模型的实体单元模拟散粒煤、接触单元模拟散粒煤与车体结构的作用,并通过主要载荷作用下车体静强度试验结果验证车体仿真分析结果,应力最大误差小于15%。其次,运用名义应力法,在标准和实测载荷谱下分析车体焊缝疲劳寿命,结果表明:端墙与端漏斗板焊缝寿命最短,为2.72×10^(6)km;基于标准纵向载荷谱的焊缝寿命小于基于实测的计算结果,表明标准的纵向载荷谱相对恶劣。最后,在标准中100t漏斗车重车心盘载荷谱和实测纵向载荷谱下运用结构应力法对车体焊缝进行应力与寿命分析。结果表明:基于结构应力法的焊缝疲劳寿命不及基于名义应力法的疲劳寿命,主要原因是结构应力法的疲劳性能参数适用于各类接头形式,且分析承载复杂焊缝时考虑了面内剪切结构应力的影响。因此,对接头几何形状和应力状态复杂的车体从板座及底架区域的焊缝建议采用结构应力法对其进行疲劳寿命分析。

考虑风载因素的玻璃幕墙清洁机器人设计

围绕高楼玻璃幕墙机器人自动清洁中的风载问题,设计了一款考虑风载因素的真空吸盘吸附的框架式爬壁机器人。针对玻璃幕墙清洁机器人的框架式结构进行步态规划。基于空间力学理论建立了玻璃幕墙清洁机器人在风载下的力学平衡模型,得到了风载大小与机器人吸盘吸附力之间的力平衡方程。在Workbench中对风载作用下的清洗机器人本体进行了有限元分析,得到了机器人模型的应力云图与变形云图。实验测试结果表明:在极限风载作用下,机器人的最大应力点位于吸盘支架,最大变形点位于主架板中心。在真实风载下对机器人进行攀爬运动仿真分析,机器人可以在极限风载下稳定地工作,不会发生滑移和倾覆,验证了力学模型和设计模型的正确性。

动态空心圆柱扭剪试验的离散元模拟研究

为了揭示应力主轴旋转效应对土体宏细观动力特性的影响,提出土体动态空心圆柱扭剪试验的数值模拟方法,该方法采用FDM-DEM耦合技术模拟物理试验中的完全柔性边界条件,并基于动态伺服原理实现柔性约束下循环动剪应力的精确加载。以重载列车荷载为例,建立“心形”复杂应力路径下重载铁路路基土体动态空心圆柱扭剪的数值试验模型,并通过物理试验验证数值模拟方法的正确性,分析应力主轴旋转效应对土体颗粒的运动状态、局部孔隙率、平均配位数、组构等细观特性的影响。研究结果表明,重载列车荷载引起的应力主轴旋转效应加剧了表征土体细观结构各项参数的变化程度,并加快了重载铁路路基土体竖向塑性累积变形的发展。此研究实现了复杂应力路径下空心圆柱试样的动态加载数值模拟,可为阐明土体在复杂应力路径下的宏细观动力特性演化规律提供参考。

高铁隧道内地下水作用下双块式无砟轨道道床板裂缝扩展研究

针对我国高速铁路隧道内CRTSⅠ型双块式无砟轨道施工阶段道床板开裂问题,运用有限元软件建立隧道-无砟轨道三维实体模型,研究地下水作用下隧道内无砟轨道各结构层位移隆起变化规律,并结合FRANC3D软件,在道床板结构受力最不利位置插入不同形状的预制三维裂缝,分析水压、裂缝长度对道床板裂缝扩展的影响。研究结果表明:(1)三角形荷载作用相较于均布荷载作用时,道床板位移隆起量虽有所减小,但地下水压的反复作用始终会影响轨道结构的平顺性,甚至导致道床板与仰拱填充间出现离缝;(2)裂缝长度是裂缝失稳扩展的控制因素,在排水系统完全堵塞时,建议将裂缝长度控制在200 mm以内;(3)水压为裂缝扩展的关键影响因素,同等条件下水压越大,道床板裂缝扩展越迅速,均布荷载下道床板裂缝尖端应力强度因子是对应三角形荷载下的1.2~1.4倍。

在役连续配筋混凝土路面横向裂缝传荷能力评价新方法

通过建立带横向裂缝的连接配筋混凝路面(CRCP)结构仿真模型,计算CRC板在不同挠度传荷系数(L_(TE))下的最大应力,对比CRC板最大应力的有限元解和基于实测L_(TE)的应力计算值,从理论上分析以挠度传荷系数作为CRCP横向裂缝评价指标的适用性,并提出用于在役CRCP横向裂缝传荷能力的计算与评价新方法。研究结果表明:采用常用的挠度传荷系数(L_(TE))评价CRCP横向裂缝传荷能力不科学且结果偏保守;基于CRCP横向裂缝处板底水平应力动力响应分析,引入应力折减系数(S_(RC))来表征横向裂缝的传荷能力,以解决用L_(TE)来评价CRCP横向裂缝传荷能力结果偏保守的问题,并提出以S_(RC)为25%作为传荷能力强的临界值。CRCP板底最大水平应力随板厚增加不断减少,板厚变化对S_(RC)影响显著,对横向裂缝传荷能力评价时需考虑板厚的影响;通过非线性回归建立考虑CRCP板厚的L_(TE)与S_(RC)换算公式,实现基于实测挠度采用S_(RC)评价不同板厚下CRCP横向裂缝传荷能力的目的;运用提出的评价新方法评价CRCP实体工程横向裂缝传荷能力,评价结果基本符合实体工程的实际服役能力,解决了原有评价方法结果过于保守的问题,可为CRCP养护决策提供依据,实现对CRCP横向裂缝的精准控制。