固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

不均匀积雪致大跨网架结构局部损伤分析

网架结构管球连接处局部损伤是此类结构的重要安全隐患。在风致雪漂移引起的不均匀积雪荷载作用下,局部损伤会加剧,最终导致结构局部破坏。因此很有必要分析不均匀积雪荷载作用下带伤服役网架结构局部损伤劣化情况。采用CFD数值模拟技术,以一正放四角锥网架结构为研究背景,分析了在90°风向角、12 m/s风速下,持续降雪24 h中网架结构屋面不均匀积雪分布的变化情况,并建立可表征网架结构管球连接处存在裂纹损伤的多尺度模型,分析了网架结构节点存在不同裂纹尺寸局部损伤时,不均匀积雪致网架结构局部损伤劣化程度。结果表明:网架结构风致积雪不均匀程度非常显著,而且当网架结构管球连接处存在局部裂纹损伤时,在降雪中后期,有管球连接损伤的节点大多都出现了不同程度的裂纹扩展,节点为最不利分布的穿透型裂纹时,裂纹扩展最大为15.64 mm。说明在持续特大降雪这种极端荷载作用下,带伤服役网架结构局部损伤将进一步加剧,危及结构使用安全。

全流程数字化技术在超大型空间装饰工程中的研究与应用

建筑工程行业已逐渐从增量时代转向存量时代,市场竞争日趋激烈,其中装饰工程作为建筑工程领域的一个重要分支,通过对数字化技术的初步研究和应用,已在数字化转型过程中初见成效。但面对超大型空间大跨度装饰工程时,常规的施工技术手段和单一环节的数字化技术应用并不能较好地解决该施工技术难题。因此,将数字化技术介入装饰工程的不同实施阶段,探索全流程数字化技术的研究与应用,保证超大型空间装饰工程达到良好的施工效果。

河北宁晋体育馆结构设计及拱脚节点试验研究

河北宁晋体育馆屋盖结构造型复杂,采用钢结构拱桁架结构形式,运用MIDAS Gen软件对钢结构屋盖进行了整体稳定分析和多遇地震下的整体弹性计算,分析结果表明钢结构拱桁架方案可行且安全。因钢结构拱跨度大、拱脚节点受力复杂,为验证节点设计的合理性和安全性,选取了4个典型节点进行了足尺节点受压试验。试验结果表明:节点设计能承受上部结构荷载并留有适当的安全储备。

基于多方法联合的露天转地下境界矿柱厚度优化

以山东黄金集团归来庄金矿露天转地下工程为依托,基于理论计算、比例跨度法和相似条件类比法等多种方法进行联合分析,确定归来庄金矿露天转地下境界矿柱的最优厚度范围为6~15 m.基于FLAC3D,计算不同厚度境界矿柱条件下,地下开采对境界矿柱和边坡稳定性的影响.结果表明,当境界矿柱厚度小于10 m时,地下开挖导致顶板变形量较大,且境界矿柱厚度越小,位移增量越大;当境界矿柱厚度大于10 m时,地下开挖导致的顶板变形较小且趋于平稳,10 m为境界矿柱厚度的最优值.

天长全民健身中心体育场钢屋盖结构铸钢节点施工阶段力学性能分析

大跨度管桁架结构弦杆数量多、交错连接,传统的相贯节点由于截面限制、连接刚度不足、相贯线不足等原因,无法满足复杂大跨度管桁架钢结构杆件间连接要求.铸钢节点具有一次浇筑成型、形状适应性强、材质均匀等优势,被广泛用于空间结构中.以天长全民健身中心体育场钢屋盖项目为背景,对8种典型铸钢节点进行了力学分析,铸钢节点所连接杆件数量从4~12根不等,共分为支座铸钢节点与空间铸钢节点两类.分析时共考虑了合拢和卸载2个主要施工工况,卸载工况考虑了内外圈临时支撑卸载的顺序对铸钢节点的影响,对比了各个工况下铸钢节点的应力云图.分析结果表明:外圈临时支撑完全卸载和内圈临时支撑卸载一半时,最大Von-Mises应力仅为22 MPa,完全卸载时最大应力约为51 MPa.8种典型铸钢节点在5个主要施工工况下,应力分布较为均匀,节点与杆件连接处应力过渡合理,节点核心区域应力分布较小,能够保证大跨度管桁架主结构各杆件之间的有效连接和内力传递.

复杂条件下大规模开采采场结构参数优化研究

针对甲玛矿地表地形变化起伏大、部分区域采场顶板埋深浅、露天和地下联合开采等多重因素制约采场结构参数的复杂条件,采用多种理论解析方法和数值模拟方法,对不同条件下的采场境界顶柱、矿柱及采场顶板稳定性进行了综合优化分析。分析结果表明,采场境界顶柱厚度在32 m以上及高应力区域,建议采场宽度采用15 m,采场境界顶柱厚度在32 m以下时,建议采用12 m及更小尺寸的采场宽度。

复合材料构件宏细观跨尺度分析

本文探讨一种适用于复合材料宏细观间跨尺度分析的细观元方法。细观元法在结构的常规有限元内部设置密集细观单元以反映材料细观构造,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算。此方法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析,而计算单元与自由度又等同一般常规有限元,为解决具有细观结构新材料与构件跨尺度分析提供一种新的有力工具。本文给出用于宏细观跨尺度分析细观元法的基本原理与算式,并以纤维增强复合材料和功能梯度复合材料为例介绍其工程应用。

多孔介质中的流动、传热与化学反应

矿业工程中的许多生产实际问题都可以归结为多孔介质中的传递问题。多孔介质分布广泛,研究其中的流动、传热与化学反应问题具有重要的实际应用和科研价值。评述了多孔介质中流动、传热与化学反应的研究现状,分析了3个过程之间的相互关系。指出流动作为一种输运方式,携带物质和热量沿流动方向进行迁移,引起物质浓度和温度分布的改变,对传热和化学反应过程产生影响;传热通过改变温度分布,引起流体物理性质和化学性质的改变,进而影响流动和化学反应;化学反应通过消耗反应物和生成产物,改变多孔介质的孔隙结构,改变孔隙流体的物理化学性质,改变固体和流体的传热性质,进而影响流动和传热。分析表明,化学反应作为发生在微观尺度上的过程,对宏观的流动和传热过程具有明显的影响,要对这种影响进行定量描述必须发展新的跨尺度的分析、测试和计算方法。

复杂边界条件功能梯度板三维分析的细观元法

发展一种细观分析和宏观计算相结合的计算方法—细观元法。细观元法是使功能梯度构件宏观响应和材料组分的几何、物理、构造参数直接发生关联的分析方法,实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过度分析,为解决功能梯度构件宏、细观跨尺度分析提供了一种有力工具。细观元方法不增加结点自由度,却使得功能梯度板件的任意功能梯度变化、各种复杂边界条件得到反映。用细观元法得到了几种具有不同复杂边界条件的功能梯度板件的力学量三维分布形态。

一种改进的基于最小生成树的遥感影像多尺度分割方法

影像分割是遥感影像面向对象信息提取的基础步骤。基于多特征、多尺度及考虑空间关系的遥感图像分割是主流研究方向。本文基于eCognition软件的多尺度分割思想,引入基于图论的最优化理论,提出了基于最小生成树分割和最小异质性准则的多尺度分割方法。该方法采用相干增强各向异性扩散滤波和最小生成树分割得到初始分割结果,通过最小异质性合并准则同时考虑多波段光谱特性区域形状参数进行区域合并,实现多尺度的影像分割。本次研究选取两景试验影像,对本文方法和eCognition软件的多尺度分割方法开展了目视比较和定量指标评价,结果表明,本文提出的方法是一种有效的影像分割方法,在光谱差异较小区域的细分方面优于eCognition方法。

紊流积分尺度对桥梁抖振响应作用效应分析

紊流积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围,在结构风振响应分析中具有不可忽略的意义。通常在被动发生紊流风洞试验中,来流积分尺度难于有效模拟,紊流积分尺度对于结构风振响应作用效应缺少合理评价。针对我国已建成的几座大跨度桥梁,利用桥梁二维抖振频域分析方法,结合主梁节段模型风洞试验气动力参数识别结果,对不同紊流积分尺度下的桥梁抖振响应进行对比分析,研究了不同紊流积分尺度脉动风作用下,桥梁结构基频对应风谱能量和抖振响应的差别。分析表明,通常情况下,小比例模型(缩尺比1:400-1:600)紊流积分尺度能够较好的满足相似比要求,往往使得风洞试验的抖振计算结果更接近真实值。大比例模型(缩尺比1:20-1:40)的紊流积分尺度相似性严重偏离,需要对风洞试验结果进行修正。

高速车削钛合金刀具宏-介观扩散磨损特性

为了研究不同合金成分对刀具磨损的影响机理,利用宏-介观跨尺度关联法及分子动力学理论,采用YG8、YT15及YW2刀具高速车削钛合金,探明刀具宏观热力学特性及磨损特征,分析了三种材料在切削过程中原子群乱序程度,揭示了不同刀具材料原子群扩散特征.结果表明:YW2前刀面温度最高,原子群乱序运动类型已达到晶面解理,向内扩散程度高,扩散磨损严重;YG8和YT15原子群密度和能量稳定,原子群乱序运动类型为微裂纹扩展,向外扩散程度低,扩散磨损较小.三种材料刀具在高速车削过程中扩散磨损程度由高到低依次为YW2>YT15>YG8.

单室受火对双层双跨组合钢框架抗火性能的影响

单室火灾是常见的火灾工况之一。本文利用自行研制的火灾试验炉,对单室火灾时2榀双层双跨组合钢框架的火灾性能进行了试验研究,火灾工况包括:梁、板、柱同时受火,节点不受火;梁、板受火,而柱、节点不受火二种。试验中量测了各种工况的炉温,H型钢梁、柱的翼缘、腹板及钢筋混凝土楼板中的温度分布,分析发现组合梁在三面受火时裸钢的温度相差很小,而混凝土中的温度与裸钢的差异较大;与钢的升温曲线不同的是,混凝土的升温曲线在加温初期由于内部凝结水等开始蒸发,使温升曲线存在有一平缓阶段,且随着距受火面距离增大混凝土的温升曲线有明显的滞后现象,当炉温和裸钢的温度开始下降时,混凝土的温度却仍在升高。文中还量测了一层框架柱中点、柱顶的水平位移和二层柱顶的位移,对框架的变形性能和破坏现象进行了分析介绍。

油气集输过程产量重标度极差分析方法

针对实际油气集输过程中一定时间区间内平均产量基本稳定,但瞬时产量在小尺度范围内尚有波动的情形,利用分形理论和时间序列统计分析相结合的方法,提出了基于分形无标度区间的集输过程产量时间跨度分析模型。利用该模型,对辽河油田3个采油小站的产量进行了分析计算。计算结果表明,集输过程产量时间序列变化在无标度区间内具有分形特征,无标度区间在1~10 000 s范围内,以天为标度间距过大,依本研究计算结果分形特征会消失。各小站集输过程产量时间序列Hurst指数均小于0.5,说明油气集输过程产量变化具有反持续性。研究结果表明利用重标度极差分析（即R/S分析）模型分析油气集输过程产量时间跨度变化规律是可行的。

全边增长网络模型的生成树

定义了全边增长网络模型,给出寻找全边增长网络模型的具有最多叶子生成树的2个算法,分析了全边增长网络模型的小世界性,并验证具有最多叶子生成树的无标度性,以及最多叶子生成树在平衡集和最小控制集中的应用。

堤防多尺度监测与分析评价

在分析堤防特点和多尺度概念基础上,提出了堤防多尺度监测和分析评价的相关概念及方法,给出了具体监测尺度评价方法,重点研究了监测自动化和信息系统集成,并探讨跨尺度评价方法及存在的问题,为堤防多尺度监测和分析评价提供了参考。

探讨无标度网络(图)的平衡集

无标度网络的无标度性导致其各顶点之间的连接状况(度数)具有严重的不均匀分布性,无法给出无标度网络的具体结构,不能直接观察信息传播的具体路径。基于利用生成树来研究无标度网络(图)的拓扑结构思想,尝试寻找与时间和次要节点无关的无标度网络(图)的普适性结构,研究与生成树密切相关的平衡集,给出一个寻找具有较多叶子生成树的算法。

基于Voronoi图的大比例尺跨度居民地综合算法

探讨了大比例尺跨度下居民地综合特点,对比分析了现阶段点群目标综合算法,结合现有算法在处理大比例尺跨度下居民地综合时存在的不足,提出了一种基于行政区划的Voronoi图构建方法,建立了顾及居民地选取优先级的居民地综合模型,有效地提高了大比例尺跨度下居民地综合的效率和质量。

组织网络中的无标度行为:极端情形的结果

以组织网络中最有可能存在无标度行为的指挥链网络为背景,构建了组织网络演化的层级树生长模型,考察了当管理幅度处于极端同质、极端异质和实际情况时层级树网络的度分布和累计出度分布.结果表明,无标度行为的涌现只是组织网络处于极端情况时的结果,现实组织网络根本不会表现出无标度的度分布或累计出度分布.管理研究者希望借鉴复杂网络领域中有关无标度特性的研究成果来解决组织管理问题的想法是不现实的.此探索性工作对复杂网络与组织管理的跨学科研究具有重要意义.