基于横观各向同性模型的片岩隧洞稳定性研究

以四川大渡河丹巴水电站引水隧洞为研究对象,结合三轴试验和自主研发的空间多角度片理抗拉强度测试技术,对不同片理夹角下石英云母片岩的力学参数进行测定,得出石英云母片岩的弹性模量、c和φ与围压之间的关系,并分别给出干燥和饱和条件下各力学参数围压敏感性排序。通过表征各向异性的参数k1、k2,对不同片理夹角下石英云母片岩的各向异性与围压的关系进行评价,并进一步指出不同高度岩样抗拉强度随片理角度的变化规律。采用横观各向同性本构模型,通过设定材料主轴空间方位,可模拟片理空间任意角度展布的岩体。针对大区域模型存在的不足,提出一种主应力构造精细应力场的新方法,避免了大模型的应力边界效应,可方便快捷对局部区域进行精细应力构造。根据片理走向及不同倾角选定15个不同片理空间展布模型进行计算分析,分别得出应力、位移、塑性区随片理角度的变化规律,并指出不同片理展布条件下的最不利工况。

一种新的用于各向同性损伤模型的四参数等效应变

基于Hsieh-Ting-Chen强度破坏准则的思想,提出由于求解混凝土各向同性损伤模量的等效应变。首先通过混凝土试件材料特性以及强度试验资料来确定四参数,然后求解出由多轴应力状态下的应变退化得到的等效应变以及相应的损伤模量。对一混凝土立方体试件进行有限元分析,计算结果表明:采用该等效应变计算所得的应力应变曲线与试验曲线吻合性较好,从而说明了该等效应变的合理性,并且可说明利用该等效应变的损伤模型不但可以描述单轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线,而且能描述多轴应力状态下混凝土破坏的全过程曲线。该等效应变形式单一,计算简单。

含湿热效应的各向同性耦合粘弹模型

为了表征高聚物的行为并反映湿热和应力的相互影响,针对各向同性粘弹性材料,从不可逆热力学出发,引入刻划材料粘性行为的内变量,采用Helmholtz自由能建立了包含湿热效应的各向同性粘弹性材料的本构方程。讨论了该本构方程与目前计算中常采用模型的关系。

二维横各向同性弹性随机介质中的波场特征

本文通过交错网格有限差分正演，模拟了平面地震波在二维横各向同性弹性随机介质模型中的传播及其自激自收时间记录．为研究横各向同性弹性随机介质模型中的波场特征，我们在五个不同的时间区段上，分别计算剖面的三个统计特征(横向中心频率、纵向中心频率、波场能量相对值)．这样，对应每一个横各向同性弹性随机介质模型，均可计算得到15个不同的波场特征量．我们通过在二维横各向同性弹性随机介质中的正演模拟，研究当自相关长度以及介质的各向异性系数变化时，对应的上述波场特征量的变化特点．证实了在随机介质模型中，各向异性系数的变化会引起波场记录上的某些统计特征的变化，归纳得出了若干结论．

3种斜面月平均总辐射模型评估及光伏阵列最佳倾角研究

为分析倾角变化对斜面辐射和光伏发电量(或效率)的影响,对武汉地区正南朝向斜面月平均总辐射计算方法和光伏阵列最佳倾角问题进行理论研究和探讨,并通过湖北省气象局多倾角光伏组件观测试验系统进行试验验证,结果表明:1)Hay模型最适合散射辐射较多的武汉地区斜面辐射计算;2)武汉地区固定式光伏阵列年最佳倾角理论值和实测值均为20°,该倾角年总辐射量相比水平面增加4.0%,而年发电量增加14.9%,最佳倾角安装下系统效率为86.1%,装机年发电量约1.02 k Wh/Wp;3)分冬/夏半年调整一次安装倾角,可使斜面年总辐射量增幅较大,冬/夏半年的最佳倾角理论值均小于实测值(45°/10°),该方式下年总辐射量相比于水平面增加7.5%,而年发电量增幅高达18.1%。

基于岩石物理模型的页岩气储层横波速度估算方法

页岩的微观结构相对于常规储层更加复杂,目前大多数应用于估算横波速度的岩石物理模型仅适用于各向同性岩石。考虑页岩储层中黏土颗粒的定向分布和水平缝引起的各向异性,综合自相容近似(SCA)、微分等效介质模型(DEM)、Backus平均和Brown-Korringa方程,构建了一种适用于页岩的各向异性模型;然后将矿物组分、孔隙度和孔隙纵横比等代入到所建立的各向异性模型中,即可获得相应的横波速度。将广泛应用的各向同性模型(Kuster-Toks9z理论,SCA,Xu-White模型)和构建的页岩的各向异性岩石物理模型应用于实际页岩工区的岩心和测井数据的速度估算。计算结果表明,利用构建的各向异性岩石物理模型估算页岩的横波速度与实测数据吻合得很好,与各向同性有效介质模型相比具有更高的精度。

基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计

为了满足多相材料结构动态性能要求,提出一种基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化设计方法。采用序列固体各向同性料插值模型惩罚刚度矩阵和质量矩阵,以多个动载荷作用的多相材料结构总动态柔顺度最小化为优化目标,以结构质量和成本为约束条件,构建多相材料结构动态拓扑优化模型,利用等效静态载荷法将多相材料结构动态拓扑优化问题转化为多工况下的多相材料结构静态拓扑优化问题,以降低灵敏度分析的复杂程度;采用移动渐近线算法求解多相材料结构动态拓扑优化问题。数值算例结果表明所提方法是有效性的,与传统的拓扑优化方法相比,基于等效静态载荷法的多相材料结构动态拓扑优化求解时间节省了75%,大大提高了计算效率;与单相材料拓扑优化结果相比,多相材料结构动态拓扑优化设计获得的结构具有更好的动态性能。

双标量描述的土的损伤模型及其应用

根据双标量各向同性弹性损伤理论,提出了一个土体损伤模型,给出了相应的损伤演化方程。将其运用到地基土的静载荷试验中,采用修正分层总和法得到了地基土的理论荷载-沉降曲线,与实测曲线进行比较,验证了本模型的正确性。

一种粘弹塑性边界面粘土模型的损伤函数引入研究

针对各向同性粘弹塑性边界面模型不能模拟粘土不排水蠕变三轴试验中的土样开裂后变形的问题,通过试算研究,提出了一个损伤函数.通过将该函数与Kaliakin和Dafalias所提出的各向同性粘弹塑性边界面模型中过载函数相乘的方式,将该损伤函数引入到了模型之中,由此形成了一个各向同性的粘弹塑性损伤边界面新模型.根据该模型和对应的损伤参数,对加拿大温哥华市附近的Haney粘土试验进行了模拟验证.数值模拟结果表明,对于不同粘土土样的高偏应力加载等级,采用合适参数值的损伤函数对于模拟三轴不排水蠕变试验中的蠕变开裂及破坏变形令人满意,表明该损伤函数的引入有效可行,具有良好的理论及应用价值.

基于拓扑优化方法的大兆瓦级风机主机架设计及应用

本文针对某大兆瓦海上风力发电机组主机架,在考虑强度约束条件的情况下,采用基于固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)的拓扑优化方法,首先开展质量最小化设计,并进一步针对壁厚尺寸约束、制造工艺约束实现了对优化模型的几何重构。相比主机架的原始模型,重构模型具有更优的传力路径,可实现减重5.0吨,可设计域减重比为25.4%,材料用量由4.4t/MW降低为3.9t/MW。该优化设计思路改善了传统经验设计方法的局限性,大大提升了设计空间。

地铁十字换乘车站施工关键技术研究

随着轨道交通网络逐步形成,地铁枢纽换乘车站日益增多,经常遇到车站埋深增加、已运营车站近旁开挖、结构改建等技术难题。以上海市轨道交通大连路四平路枢纽换乘车站为依托,结合现场已有监测数据,确定各土层的计算参数,采用土体横观各向同性弹塑性模型和薄层单元接触面模型,对车站设计施工中新建车站穿越已建车站两侧基坑开挖、地下封堵墙凿除及换乘段结构受力体系转换等关键技术进行数值模拟。着重比较了运营车站两侧基坑对称开挖与非对称开挖对车站结构的不同作用,研究了换乘段两侧地下封堵墙凿除对运营车站轨道的影响,分析了上述关键工况引起的新、旧车站结构变形和内力变化的规律。研究结果表明,采用对称开挖、对称凿除封堵墙对运营车站结构更为有利。最后提出了对已运营线路和周边环境的保护建议。

缺失声波条件下的页岩储层地应力测井解释方法

针对页岩储层各向异性和现场双极测井数据有限的实际情况,提出了基于加权平均思想,通过中子、密度、伽马等测井资料回归声波数据,并利用横观各向同性模型来提高页岩储层地应力解释精度的方法.利用该方法以美国某页岩区块为例进行了现场地应力计算应用,并结合QEMSCAN技术对地层各向异性程度进行了对比分析.结果表明,该地区各向异性参数Eh/Ev值在1.4～1.9,水平杨氏模量的大小比垂直弹性模量高,且垂直弹性模量更符合垂向的岩性解释结果,垂向泊松比则比水平泊松比要略大,受各向异性影响较小.应用横观各向同性模型地应力值较常规模型偏大,且Blanton法比Higgins法要高,两者同小型压裂数据吻合度较高,也更能反映岩性差异引起的构造应力改变和带来的地应力差异,证明了在各向异性页岩储层中更好的适用性,同时也侧面反映了通过综合测井数据和临井声波资料在回归声波结果上也具有较好的解释精度.

金属复合屋面板用硬质聚氨酯泡沫的力学性能

针对金属复合屋面板用硬质聚氨酯泡沫材料分别进行了发泡方向和涂层方向的拉伸、压缩力学性能试验,对各向基本力学参数进行了测定.结果表明:硬质聚氨酯泡沫材料在发泡方向和涂层方向的拉伸和压缩力学性能不相同,不能简单看作为各向同性材料.在拉伸情况下,硬质聚氨酯泡沫材料呈脆性破坏,但压缩时存在明显屈服平台且无明显破坏特征.硬质聚氨酯泡沫材料发泡方向与涂层方向的力学参数差异明显,其发泡方向的拉、压弹性模量仅约为涂层方向的1/2,拉伸极限强度及压缩屈服强度也都明显低于涂层方向.根据试验数据,建议了适用于硬质聚氨酯泡沫的横观各向同性本构模型并对主要参数进行了拟合.

基于变密度法的周期性拓扑优化

板条状结构的设计域具有较大的长宽比,常规的拓扑优化方法无法获得清晰的、周期性的拓扑形式或求解困难。以结构的最小柔度为目标函数,单元相对密度为设计变量,构建周期性拓扑优化问题的数学模型。提出一种基于变密度理论固体各向同性微结构材料惩罚模型法(Solid isotropic microstructures with penalization,SIMP)的周期性拓扑优化的方法。在数学模型中设置额外的约束条件,保证优化结构可以得到周期性的拓扑形式。通过优化准则法推导出虚拟子域设计变量的迭代公式,利用体积约束计算出拉格朗日乘子。引入过滤函数解决拓扑优化容易出现数值计算不稳定,导致棋盘格、网格依赖性等问题。利用所提出的方法,通过平面矩形悬臂梁结构算例,获得平面矩形悬臂梁结构的周期性拓扑形式。结果表明,在优化过程中,出现周期性的孔洞。随着迭代次数的增加,孔洞数目没有增加,说明该方法具有较强的稳健性。子域数目取值不同时,均可以得到具有周期性的拓扑形式,且具有良好的一致性。

武汉地区光伏组件最佳倾角的实验研究

为求得大气环境下光伏组件的最佳倾角及其与理论值的差异,在武汉地区开展了15块正南朝向、不同倾角光伏组件发电的一年期对比观测与统计分析。结果表明:所有组件发电量为单峰型年、日变化;最佳倾角在冬半年(3月除外)均为45°,即大于纬度角,其发电量比水平面增幅大,最大达63%,在夏半年为5°～20°即小于纬度角,其发电量比水平面增幅较小,不超过10%;四季最佳倾角分别为20°、10°、30°、45°,年最大倾角为30°,其发电量比水平面高19%;实测与理论推算的逐月最佳倾角趋势一致,且高于或等于理论值(11、12月除外);天空各向异性模型最佳倾角斜面获取的能量多于各向同性模型,冬季相差可达6.8%。冬季增大光伏阵列倾角或夏季减小光伏阵列倾角,会使发电效果得到明显(或一定)改善;对可调光伏阵列,一年调节4次(3、5、9、10月),就能达到较高的发电效率。研究成果对最大程度利用太阳能资源具有指导作用。

典型船舶板架拓扑与形状优化设计

以典型板架结构(船底板架和上层建筑板架)为研究对象,探讨结构拓扑与形状优化设计方法在船舶设计中的应用。对船底板架结构进行形状和尺寸优化(优化目标是指定应力约束条件下结构重量最小),优化后的结构重量减少了15.82%。为改善舱室顶部空间布局,提高舱室顶部板架结构的固有频率,对上层建筑板架进行拓扑优化,寻求材料最优分布,并在对其进行静力分析和模态分析的基础上,以体积百分比为约束条件,以板架固有频率为目标函数,得到拓扑优化后的结构型式,新结构型式使材料分布更加合理,有利于舱室顶部管道和电缆等的铺设。研究表明,在目前的板架结构设计中,可广泛应用结构拓扑与形状优化设计技术。

整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构的微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-固体各向同性材料插值(Solid isotropic material with penalization,SIMP)模型,运用优化准则(Optimization criterion,OC)算法对所建立模型求解,采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件进行静力学仿真分析与对比,结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面三自由度全柔顺并联机构与传统并联机构具有相同的微分运动特性,定性验证了基于拓扑方法对平面全柔顺并联机构设计的有效性。

基于无网格径向点插值方法的简谐激励下的连续体结构拓扑优化

针对用有限元法进行连续体结构拓扑优化时需不断重构网格来处理网格畸变和网格移动,且存在数值计算不稳定等问题,基于无网格径向点插值方法(Radial Point Interpolation Method,RPIM)对简谐激励下的连续体结构进行拓扑优化.选取节点的相对密度作为设计变量,以结构动柔度最小化为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体微结构(Solid Isotropic Microstructure with Penalization,SIMP)模型建立简谐激励下的优化模型;采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式;利用优化准则法求解优化模型.经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明该方法的可行性和有效性.

昆明地区倾斜面上太阳辐射的计算与分析

利用K-T法,由水平面上的实测太阳辐射量,用MATLAB程序估算了昆明地区不同方位、任意倾角斜面上的太阳辐射量,分析了昆明地区倾斜面上的太阳辐射特征,为建筑设计、太阳能利用等提供基础数据。

高强度U型槽钢链模成形有限元仿真分析

链模成形工艺稳定,适用于性能波动较大的高强钢材料在复杂工况下成形。基于ABAQUS软件平台,建立了高强度钢U型槽链模成形的有限元仿真模型,采用各向同性硬化模型和随动硬化模型分别进行仿真。以高强度U型槽钢链模成形过程的板料中间翼缘边部的纵向应变为研究对象,将仿真结果与试验数据进行对比,比较了两种硬化模型对仿真结果的影响,进一步分析了板料的成形过程,验证了仿真模型的准确性。基于已验证的仿真模型,通过数值试验的方法进一步探究了屈服强度和摩擦系数对纵向峰值应变的影响。结果表明,板料屈服强度对翼板边部纵向峰值应变的影响不大,板料与模具间的摩擦系数对纵向峰值应变的影响也不显著。