基于高性能桩单元法的海上风机单桩支撑结构水平承载力研究

海上风力发电机单桩支撑结构由单桩、过渡段和锥形塔筒组成。海洋土体变异性大和风机塔筒变截面的特点大幅增大了使用离散弹簧法进行支撑结构计算的梁单元划分量。为实现对风机支撑结构的高效模拟,该文提出了一种改进的欧拉-伯努利梁单元,该单元实现了桩土相互作用关系的内置和对单元变截面的考虑,相较于传统梁单元大幅度减少了单元划分量。该文在单层与多层土体中验证了上述单元的精确性与高效性,并研究了新型单元在风机单桩支撑结构计算中的适用性。在此基础上,进行了风机单桩水平承载性能参数分析,研究了桩长与桩径对大直径桩水平变形规律和承载力的联合影响,研究给出了不同于现有规范的刚性短桩-中长桩划分的相对刚度特征值临界范围。

施威德勒型球面网壳结构非线性屈曲分析及优化设计

以某施威德勒型单层球面网壳采光顶为例,建立了其计算模型。首先利用通用的有限元分析软件An-sys对其进行弹性屈曲分析,得到原设计方案的前三阶弹性屈曲临界荷载。然后将特征值屈曲分析的一阶模态作为初始缺陷,采用几何非线性屈曲分析得到非线性屈曲荷载。最后在非线性屈曲分析结果的基础上对原方案进行了优化设计,计算结论对工程设计有参考价值。

城市环境中太阳能建筑规模化应用的案例研究

在当今日益恶化的能源与环境危机背景下,城市环境中的太阳能建筑逐渐由建筑单体走向规模化应用。西方国家早在20世纪90年代就开始了太阳能建筑规模化发展的实践,经过几十年的发展积累下了丰富的经验与教训。该文结合西方国家太阳能建筑规模化应用的相关案例,分别从不同的类型探讨并归纳了规模化发展的模式和问题,为我国未来太阳能建筑的发展,尤其是大规模光伏集中示范区的建设提供了经验与启示。

基于高性能有限单元法的多层地基水平受荷桩受力分析

多层地基水平受荷桩的受力变形特性分析是设计中的关键步骤。针对传统有限单元法在准确性与计算效率上的不足,提出了一种用于分析该类桩基的高性能有限单元法。该法构建了一种桩单元,并采用分布在单元内部的连续"土体弹簧"反映非线性桩-土相互作用。其最大特点是在桩单元内部整合了"土体弹簧",即桩单元同时包含了桩体与土体信息。推导了适用于多层地基中的桩单元,并引入高斯-勒让德方法简化总势能求和过程;推导了单元刚度矩阵并运用在牛顿-拉夫逊增量迭代数值分析中,引入割线关系减少迭代过程中的累计误差。此外,该法还通过更新拉格朗日方法来考虑几何大变形。算例结果表明:高性能有限单元法与解析解及现场试验结果吻合较好;在多层地基条件下,桩单元模型较离散弹簧单元模型可大幅减少单元数目及计算时长,可有效提高计算效率。

混沌电路综合设计性实验教学平台的开发

综合设计性物理实验是当前实验教学的研究热点。针对综合设计性物理实验,开发一套基于Matlab的混沌电路实验教学平台。该平台主要有三大功能:1.提供经典混沌方程库,可观察和分析方程的混沌吸引子、Lyapunov指数、分岔图等特性;2.提供设计混沌方程和设计参数的窗口,可设计混沌系统吸引域和功率谱范围的大小以及旋转对称性等,以实现自主设计混沌模型;3.提供方程处于混沌状态时的参考电路及电路参数,为混沌模型电路实现提供可行方案。利用混沌电路实验教学平台,可开展从混沌现象观察到混沌模型设计再到混沌模型实现的阶梯性、探索性实验教学,为综合设计性物理实验教学提供一种新的模式。

基于MFC的拉扭复合系统界面设计

为了方便对拉扭复合系统中2台伺服电机的控制,设计了基于MFC的上位机界面。通过串口通信,使用不同的按钮操作设置伺服驱动器相应参数,从而控制2台伺服电机的运行。上位机实时接收伺服驱动器监控数据绘制出转速、位移、转矩曲线。针对在数据接收过程中信息帧接收错误的情况,使用拼接两相邻错误信息帧的方法进行修复。结果表明:上位机界面实现了系统功能及对电机运行工况的监控。

非对称开口薄壁型钢截面构件的稳定性设计理论

冷弯薄壁型钢截面构件制作简易且材料利用效率高,被广泛应用于建筑结构中。此类钢构件一般较为细长,在工程应用中易发生屈曲,且失稳模态也较为复杂。目前的稳定性设计方法主要是基于线弹性分析并结合经验修正公式进行设计,通常较为保守。此外,冷弯薄壁构件也常采用非对称异形截面,而这类截面的典型特点就是剪切中心和几何中心并不重合。若采用基于对称截面假定(即"两心"重合)的传统梁柱单元来分析此类构件,则会高估其屈曲承载力。为此,引入了基于含翘曲自由度及非对称截面假定的新型翘曲梁柱单元,提出适用于各类复杂异形截面冷弯薄壁型钢构件的稳定性分析理论。该方法可在分析中直接检验构件的稳定性,无需采用计算长度等经验性的假定。阐述了所提出的稳定性设计理论,并介绍了新型翘曲梁柱单元的推导过程和异形薄壁截面的分析方法。最后通过算例,验证了所提出的稳定性设计理论的准确性和适用性。

基于高性能有限单元的单桩稳定性分析法

现行的桩基设计方法主要基于线弹性理论及采用半经验假定,难以准确地检验长桩在土体非线性条件下的稳定性。基于非线性有限单元分析理论,提出了高性能桩单元分析法用于非线性分析,可直接检验单桩稳定性且无需假定桩的计算长度系数。在桩单元推导过程中,通过整合在单元内部的连续弹簧以考虑土-结构相互作用(SSI),能够大幅提升计算效率。使用牛顿-拉夫逊迭代法进行迭代运算,利用推导的相应单元切线刚度矩阵预测位移,并通过割线关系减少每一步迭代中产生的误差,在桩的大变形条件下采用更新拉格朗日法确定平衡条件。算例验证表明,桩单元模型在考虑土体非线性条件下,能高效、可靠地对单桩进行分析和设计。

中空夹层圆钢管混凝土短柱的压弯承载力计算法

中空夹层圆钢管混凝土短柱在轴压作用下,混凝土材料受到内外钢管约束处于三向受压状态,其抗压承载力较普通混凝土有较大提升。提升幅度与侧压应力有直接关系,侧压应力大小取决于截面尺寸及其所受轴力。现行设计方法认为同一构件在轴压和纯弯状态下侧压应力大小相同,对于偏压状态下的侧压应力如何考虑未明确说明。对此,引入与轴力相关的侧压应力系数β修正混凝土的本构关系,明确在各种受力状态下如何考虑侧压应力的影响。还提出一种应力积分算法用于计算短柱构件的极限承载力,得到短柱截面的轴力-弯矩(N-M)曲线。最后,提供若干构件在轴压、纯弯和偏压状态下的算例,验证修正后的本构模型和应力积分算法,计算结果与试验结果吻合较好。

工字形变截面构件直接分析法的理论及应用

变截面构件具有造型优美、自重轻及用料省等特点,被广泛应用于幕墙、厂房、桥梁、网壳等大跨度结构。传统变截面构件的设计方法采用一阶线性分析理论,无法反映构件在复杂结构中的真实内力与变形。基于有限元理论,提出适用于大变形、大转角等非线性问题的变截面构件直接分析法。推导出构件最不利几何缺陷模型及包含该缺陷的高阶变截面欧拉-伯努利梁柱单元,提出用于稳定设计的变截面构件承载力计算公式。验证算例表明,该一单元一构件的分析设计方法准确高效,可应用于任意变截面结构形式的分析与设计。