海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型,采用有限体积法,将入射波波场作为人工的分布源项加入动量方程, 提出了适用于VOF方法的源造波-消波技术。通过对行波及驻波的计算,分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟,并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明,数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响,文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明,若按重力相似换算越浪量,计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大,建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用。轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障。高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料。这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料。本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势。

自由液面大晃动的流固耦合数值分析方法研究进展

本文较为全面地评述了国内外对具有自由液面大晃动的流固耦合问题的研究。在第2节,以两种典型的工程问题(石油化工储液罐抗震性和提离机理问题和液态金属快中子增殖堆主容器流固耦合问题)为背景全面评述了这类流固耦合问题的有关研究进展;文章的第3节较为深入讨论了这类流固耦合问题研究中所采用的分析方法(包括解析方法、半解析方法和数值方法以及问题描述的ALE格式等)和分析模型(包括位移-位移模型和多种的位移-势模型等);第4节首先从问题求解方面,说明了具有自由液面大晃动的流固耦合问题的性质和特点,然后讨论了交替求解方法及其对求解此类问题的特别适应性;最后,本文给出了这方面今后应进一步研究的问题。

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土-结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题,本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法,探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响,提出了侧向人工边界合理位置的具体建议;然后利用层土动力Green函数建立边界元模型,通过对埋入式条形基础的动力反应分析,探讨了底部水平人工边界的合理位置,提出了相应的建议。

飞行器非线性气动弹性和颤振主动控制研究进展

首先,针对发展性能先进的新一代飞行器所涉及到的非线性气动弹性理论与分析技术,结合国内外研究进展情况,着重从建模技术、求解方法、非线性气弹特性分析几个方面进行概括总结。其次,对在飞行器设计中一直颇受关注的、智能材料在飞行器结构颤振及振动主动控制中应用研究现状也给予简要的介绍。最后指出一些尚待进一步研究的问题。

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S+(文中近似取S+=S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S+的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。

传递矩阵法分析中心荷载下对称刚性板地基沉降及反力

利用传递矩阵法对横观各向同性地基上受中心荷载的对称刚性板问题进行了分析,文中分析了坚向的弹性模量Ev、水平的弹性模量Eh、坚直面上的剪切模量Gv以及Eh和Ev的比值n、Gv和Ev的比值m、水平向应力引起的正交水平向应变的泊松比νh、竖直向应力引起的水平向应变的泊松比νvh对沉降和基底反力的影响;同时采用成层地基进行分析,将其计算结果与常规方法中采用对弹性模量和泊松比在计算深度内按深度加权平均的计算结果进行比较;可对比看出传递矩阵法更符合地基的实际情况,结果也趋合理。

数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用

本文结合工程实际背景分析了数字图像相关方法应用在桥梁裂缝变形监测中的可行性及优越性,根据桥梁裂缝变形的特点采用数字图像处理技术中的位移梯度法进行所选区域的相关匹配搜索并对相关系数的计算公式加以改进,使实验过程得以简化,计算结果全场化、直观化。本文对数字图像处理软件的测量精度和在实际测量中的测试误差进行了分析和研究,证明该软件能够更加精确地测定裂缝在各种荷载作用下的变形量值。实际的桥梁测试也验证了该方法的可行性和优越性。若图像记录设备的分辨率是12.47pixel/mm(0.0802mm/pixel),本文所涉及到的桥梁裂缝边缘的位移测试精度为0.000802mm。

双圆盾构隧道施工过程中管片力学性状的原位测试研究

本文介绍了双圆盾构隧道管片在施工过程中结构内力的现场测定试验及结构内力在施工荷载作用下的变化情况。盾构隧道管片内力的计算方法有许多种,但其在实际施工过程中的结构内力及其变化情况许多年来一直没有比较详细的研究。在我国首次进行的双圆盾构隧道施工过程中,隧道股份对双圆隧道管片在拼装、成环、推进等施工过程中的结构内力变化进行了详细的监测分析,掌握了大量的第一手监测数据,对双圆盾构管片在施工过程中的力学特性变化有了比较详细的分析研究。为今后的双圆隧道建设提供了详实的研究基础。

改进单向搜索遗传算法的工程结构优化设计

本文基于规范规定的约束条件和各项技术标准要求,建立了离散变量结构优化模型。针对遗传算法在迭代过程中经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大和迭代过程缓慢等缺点,提出一种新的遗传算子———单亲遗传算子,用于对遗传算法的改进。并提出一种离散变量结构优化设计的单向搜索算法与遗传算法结合在一起解决问题。优化设计结果表明,这种改进单向搜索遗传算法的收敛特性得到了很好的改善,即发挥了单向搜索算法局部搜索能力强的特点,又发挥了遗传算法全局性好的特点。该方法是一种有效的工程结构优化设计方法。

炮孔堵塞长度的计算与实验研究

炮孔堵塞是爆破施工中的一个必要环节,它对爆破质量有着直接的影响。首先分析了炮孔堵塞作用机理及堵塞物的整体运动,分析了在不同装药结构条件下的爆生气体压力的变化规律。然后从牛顿第二定律入手推导出了堵塞物长度与堵塞物在炮孔中整体运动时间的关系式,令岩体破碎成块所用时间等于堵塞物在炮孔中整体运动时间,建立了计算堵塞物最优长度的计算模型,该模型考虑了众多影响因素,符合实际情况。最后在南宁市阳光新城岩体地基爆破开挖现场进行了不同堵塞长度的爆破效果实验,实验结果表明:在堵塞长度为0.4米时,爆破效果是最好的,而在实验的爆破条件下通过理论模型计算出最优堵塞长度是0.35米,理论值与实验值比较接近,证明了理论模型具有一定的正确性,所建立的模型可为爆破施工提供理论指导。

考虑材料拉压异性的固支圆板塑性极限统一解

本文采用最新的统一强度理论求出了固支圆板的塑性极限荷载,内力场及速度场的统一解;得出了强度理论参数b及材料的不同拉压比a对塑性极限的影响曲线。所给出的解可以灵活地适用于各种不同特性的材料及机械、土木、航空等工程的相关结构中。文献中已有的Tresca解,Mises解和双剪统一屈服准则解均为本文的特例,本文的统一解还给出了一系列新的结果。统一解大于Tresca,Mohr-Coulomb的单剪理论解,它可以更好地发挥材料的强度潜力,工程应用可以取得明显的经济效益。

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟,研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律,指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富,回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上,进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程,展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况,对大涡模拟得到的数值结果进行了统计,得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。

大直径超长灌注桩弹塑性有限元分析

本文在对包含点面接触单元的弹塑性有限元模型进行分析和验证的基础上,以苏通大桥的大型灌注桩为例进行了数值模拟计算。结果显示,该包含点面接触单元的弹塑性有限元法是可靠的,能模拟桩土之间的大变形,其数值模拟结果可为工程的桩基设计提供依据。

RNG κ-ε模式在工程湍流数值计算中的应用

自Yakhot和Orszag提出RNG k-ε湍流模式以来,很多学者对其进行了修正和发展,并将其应用于某些实际湍流问题的数值模拟,取得了一些与实验近似一致的结果。本文主要从工程湍流计算的角度出发,结合作者的部分研究工作,对近年来RNG k-ε模式在湍流流动数值研究中的应用现状及进展情况进行了总结,指出了该模式存在的问题,并对其应用前景进行了展望。

浅埋隧道围岩应力场的解析解

隧道围岩应力和变形分析是隧道设计的重要内容。对深埋隧道的研究已取得了很多结果。但对于受地表边界和地面荷载的影响,浅埋隧道围岩分析在数学处理上仍存在一定的困难,一般采用边界元或有限元等数值方法,未见有解析解的报导。本文采用复变函数解法研究地面荷载作用下浅埋圆形隧道围岩的平面弹性问题。该解法利用复变函数保角变换将物理平面上的研究域映射到像平面上的圆环域内。将复势函数进行罗伦级数展开,通过边界条件得到罗伦级数展开式系数的递推公式,并由复势函数确定应力分量和位移分量。最后通过算例给出了围岩应力分布和沉降曲线。所得结果适用于任意分布荷载的情况,具有通用性。

梁柱不同混凝土强度的高层框架节点试验和有限元分析

高层框架结构设计时,梁板与柱常常会采用不同的混凝土强度等级,柱的混凝土强度等级往往高于梁板。对于梁柱的节点,一般多采用与柱相同的强度等级,这给施工带来很大麻烦,如果采用与梁板相同强度等级混凝土时,虽然方便了施工,但降低了节点的抗震性能。本文的研究是通过对此类节点采取加强措施,以弥补混凝土强度等级降低的不利影响。通过节点模型试验,研究其受力性能及破坏机理,验证加强措施的有效性。并在试验研究的基础上,用有限元方法对受力复杂的节点进行分析,结果表明节点区混凝土存在应力集中和应力扩散现象以及存在混凝土侧向受拉的现象,证实了梁加腋和增设X型钢筋后节点受力性能得到了改善和加强。这些研究成果对目前高层建筑梁柱节点采用不同混凝土强度等级的设计、施工提供了有益的参考。

焊接热影响区断裂性能试验研究

钢框架梁柱节点在最近几次地震中经历了大量断裂破坏现象。可以采用杆端非线性弹簧模型对这种破坏模式进行数值模拟。为了确定断裂分析模型的参数,本文进行了结构钢(Q235c、Q345c)焊接热影响区断裂性能试验研究,获得了两种材料在焊接热影响区的J_R阻力曲线。通过比较不同的断裂准则,考虑了裂纹失稳扩展前的稳态裂纹累计,根据J积分撕裂模量法建立了裂纹失稳的失效评定图。采用两种材料分别制作了一组外形尺寸一致、初始裂纹尺寸不同的单边裂纹焊接板,测出相应的极限拉伸应力,并和理论曲线进行了对比。最后,对于本文研究结果的适用范围做了说明。

具有大负分离比的混合流体局部行进波对流

从流体层底部加热引起的对流运动是研究非平衡对流的时空结构或斑图(Pattern)及非线性动力学特性的典型模型之一。本文通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有强Soret效应的混合流体局部行进波的形成过程,发现当分离比ψ=-0.6时,在局部行进波的存在范围内,向局部行进波过渡的不同过程依赖于相对瑞利数r。进一步,讨论了具有强Soret效应的混合流体局部行进波流速场,温度场,浓度场的结构和特性,分析了局部行进波的存在区间对分离比ψ的依赖性。发现随着Soret效应的增强或负分离比ψ的绝对值的增加,局部行进波稳定存在的区间Δr也在增加。

具有间歇性缺陷的混合流体行进波对流斑图

本文通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有中等Soret效应的混合流体行进波斑图的动力学特性。当分离比Ψ=-0.3时,首次发现一种没有源缺陷的左右相对传播的CPW(Counter propagating waves)状态向行进波状态的过渡形式,并且在r=1.50-1.60的范围内,行进波对流斑图中存在着间歇性缺陷结构。这种缺陷出现的周期随瑞利数r增大而增加。在缺陷出现的周期内,对流振幅也以行进波的周期在周期的变化,对流振幅的振动次数或行进波的周围数也随相对瑞利数r增大而增加。当r增加到1.65时,行进波对流斑图中的缺陷结构消失。由于缺陷引起的对流振幅的周期性变化也随之消失,而以行进波的周期在整个时间段上周期的振动。