基于岩石强度应力比的35~50 m跨度硬岩洞室围岩稳定性评价

为了研究35~50 m跨度的大型硬岩地下洞室围岩稳定性,分析了34例18~35 m跨度硬岩洞室的工程资料,就不同岩石强度应力比对不同跨度、不同高度下35~50 m跨度硬岩洞室围岩稳定性的影响进行数值模拟。结果表明:(1)岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段,基本不变与缓变阶段的界限值为7.4~7.8,缓变与陡变阶段的界限值为4.3~4.8,随着洞室尺寸的增大,敏感度曲线界限值有所增加;(2)34例大跨度硬岩洞室的岩石强度应力比均处于基本不变或缓变阶段,敏感度曲线的三阶段划分与工程实践吻合度较高,能较好地评价硬岩洞室设计的可行性;(3)工程类比下硬岩洞室(跨度大于35 m)在岩石强度应力比大于5.0~5.7时围岩变形和塑性区深度与金沙江某硬岩洞室基本一致,具有较好的围岩稳定性。相关研究思路和成果可为大跨度硬岩洞室设计与施工提供参考。

φ2800热精轧机夹送辊轴颈断裂强度应力分析

通过强度应力分析，采用有限元法对φ２８００热精轧机夹送辊轴颈断裂失效进行研究。建立了不同载荷工况下夹送辊整体和断口处局部应力集中有限元计算模型。计算出夹送辊整体应力场和局部应力集中、断口截面的最高应力值，以及有效应力集中系数，初步判断了夹送辊断裂性质，提出了改进措施。

高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比关系研究

岩石强度应力比是表征围岩稳定性的重要指标之一。研究围岩变形破坏与强度应力比的关系,揭示二者间的规律性联系,对高地应力硬岩大型地下洞室群围岩稳定性控制具有重要意义。以具典型高地应力特点的锦屏一级水电站和猴子岩水电站2个硬岩大型洞室群为研究对象,首先系统梳理了2个工程的围岩岩性、岩石强度和初始地应力等工程地质条件,并详细统计了洞室群施工期围岩破坏类型和数量;通过对地下洞室群围岩的岩石强度应力比进行分区,并结合围岩140多个破坏现象和发生部位,建立了高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比之间的联系;采用不同的初始地应力分级标准,并结合洞室群围岩破坏特征,验证了基于强度应力比修正的地应力分级标准对高地应力硬岩洞室群的适用性,揭示了围岩应力诱导型破坏随岩石强度应力比的变化规律。研究成果有助于今后高地应力条件下硬岩大型地下洞室群施工期围岩破坏类型预测,并为提出具有针对性的施工期围岩稳定控制措施提供参考。

强度应力比在软质岩围岩分类中的应用

结合某水电站地下厂房工程实例,通过现场地质调查,分析厂房区挤压性围岩大变形破坏机理,定性的阐述强度应力比与围岩变形状态对应关系。参考类似隧道的经验把这一关系数量化,在此基础上,对水电围岩分类HC法的强度应力比降级进行修正,并运用它对地下厂房的软岩大变形程度进行预测。

基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形研究

软岩挤压变形是深埋或高应力隧洞工程建设过程中的一大难题。由于不同类型的软岩特性千差万别,隧洞在不同条件下开挖后所表现出的挤压变形程度各异。根据滇中红层软岩的流变特性及现有软岩挤压变形程度分级方法,提出了滇中红层软岩挤压变形程度分级标准。根据滇中引水工程一隧洞区地应力测试统计结果,确定了隧洞区的最大水平主应力侧压系数及最大水平主应力方向。在此基础上,计算出引水隧洞中滇中红层软岩洞段各地层各挤压变形程度的界限深度,并对引水隧洞的挤压变形程度进行预测。对引水隧洞的最大埋深洞段在不加支护工况下的挤压变形进行了数值模拟,数值模拟结果与基于强度应力比的软岩挤压变形预测结果基本吻合,验证了基于强度应力比的滇中红层软岩挤压变形预测的有效性。

基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱变化规律研究

围岩承载拱理论可很好地解释隧道施工过程中围岩是承载主体,特别是挤压性围岩隧道支护抗力远小于初始地应力,围岩承载主体地位更为突出。围岩强度应力比是挤压性围岩隧道变形分级的主要判别指标。从围岩承载拱理论出发,推导了基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱理论解,建立了围岩承载拱范围与挤压性围岩隧道变形分级的定量关系。研究结果表明:挤压性围岩隧道围岩承载拱厚度随围岩强度应力比减小而增大,随隧道洞径增大而增大,随围岩强度减小而增大,随初始地应力的增大而增大,随支护抗力的减小而增大;通过地层注浆加固改善围岩强度及通过增大支护刚度而提高支护抗力,均可有效降低承载拱厚度,从而提高围岩稳定性。研究成果可为挤压性围岩隧道设计施工提供理论支撑。

基于强度应力干涉模型的系统共因失效分析方法

随着技术的进步，具有高阶次、多回路、非线性、不确定性等特征的复杂系统越来越多，其中，机械系统具有失效模式多、失效机理复杂的特点，其失效情况多为共因失效。本文以共因失效系统为研究对象，基于强度应力干涉模型，研究了应力一次作用下串联、并联系统组件可靠性计算方法及其相关的性质，并构建了组件间存在共因失效的串并联系统在应力一次作用下的可靠性模型。

门式起重机主梁蚀坑-裂纹模型应力强度因子研究

造船门式起重机长期服役在沿海的潮湿盐雾环境中,主梁多处受腐蚀疲劳形成了蚀坑,影响了结构强度.腐蚀疲劳裂纹成核是一个局部损伤演化的过程,应力强度因子准则是判定蚀坑处萌生裂纹的临界条件之一.在门式起重机有限元模型的基础上建立了蚀坑-裂纹模型,并使用ANSYS软件对复杂边界条件下应力强度因子进行了仿真计算.结果显示,预制裂纹深度和蚀坑深径比影响了应力强度因子的取值,随着蚀坑深径比的增大,蚀坑-裂纹模型的应力强度因子明显增大.应力集中现象可能是引起裂纹萌生的主要因素,蚀坑半径的变化对应力强度因子的影响并不明显.根据半椭球点蚀假设,提出了蚀坑处应力强度因子与应力集中系数的关系式,发现蚀坑对应力强度因子的影响与应力集中系数正相关;随着蚀坑深径比的增大,裂纹萌生位置会随着应力集中位置的变化而变化.

基于辛几何方法测定Ⅰ型应力强度因子

为得到高精度的Ⅰ型应力强度因子,提出了一种基于辛几何方法测定裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子的方法。通过在裂纹尖端构建扇形区域,分离辛几何方法下裂纹尖端的全状态向量,结合裂纹尖端的位移场,计算出裂纹的应力强度因子。利用Ⅰ型裂纹尖端位移场的理论解,研究了扇形区域的特征点个数、圆心角大小以及半径长度对应力强度因子精确度的影响。研究结果表明:特征点个数对该方法求解Ⅰ型应力强度因子的精度的影响较大,特征点个数大于37时,相对误差稳定趋向于0;扇形圆心角对应力强度因子的精度影响较小,但是相同精度要求下,不同的扇形圆心角需要的特征点个数不同;扇形半径过小时,由于断裂过程中裂纹尖端塑性区域的影响,应力强度因子的解不稳定且相对误差较大。对比相对误差可以发现该方法计算得到的Ⅰ型应力强度因子的精度较高,且该方法只需得到裂纹尖端的位移场就可以精确得到应力强度因子,解决了以往求解体系在复杂应力等情况下求解步骤复杂,导致无法精确得到Ⅰ型应力强度因子的难题。

喷丸残余应力对轨道车辆齿轮齿根裂纹应力强度因子的影响分析

高周循环应力工况下齿根裂纹所引发的疲劳断裂是轨道车辆传动齿轮强度失效的主要原因之一。为了分析喷丸残余应力和齿根弯曲应力耦合下对轨道车辆传动齿轮齿根裂纹应力强度因子影响规律与作用机制,针对实际喷丸过程中弹丸位置的随机特性,基于有限元二次开发了20结点奇异元1/4结点位移法,联合建立了FEM-DEM(有限元-离散元)耦合喷丸模型和三维单齿齿根裂纹模型,制定了一套多步骤联合数值模拟方法,并对齿根裂纹应力强度因子在内部残余应力场和外部载荷共同作用下的变化进行了分析。研究结果表明:喷丸强化引入的残余压应力场使得裂纹尖端应力强度因子减小约12%,有效地抑制了疲劳裂纹扩展;喷丸对裂纹扩展的抑制作用在表面与近表面区域最为明显,随着裂纹深度和外加载荷的增大而减弱;残余应力对应的应力强度因子与外载荷无关,仅与初始应力状态有关。

动车组空心车轴应力强度因子研究

为研究动车组空心车轴应力强度因子,首先分析了车轴应力强度因子的影响因素,建立了含裂纹车轴有限元模型,并使用叠加法求解不同载荷下的应力强度因子。然后采用应力外推法和位移外推法计算了应力强度因子,并将计算结果与文献形状因子公式法进行对比。最后根据应力强度因子的一般解析式和位移外推法的计算结果,使用五次多项式对形状因子函数进行拟合,通过设置不同的裂纹深度和载荷验证了形状因子函数和解析式的适用性。结果表明该方法对于求解同一载荷模式下的车轴应力强度因子具有一定的参考价值。

基于广义混合富集元法的应力强度因子分析

以位移元模型为基础求解裂纹尖端应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)的方法众多,但是,当模型网格较稀疏时,位移元模型的刚度偏大;另外,位移元模型不方便直接引入应力边界条件,边界应力结果有失客观性。基于富集元思想,结合广义H⁃R变分原理提出了广义混合富集元列式。基于该列式的有限元模型,一方面消除了经典混合富集元法结果的震荡问题,另一方面兼顾了裂纹尖端应力参量的奇异性和应力边界条件引入的方便性。实例分析表明,利用该方法求解应力强度因子,数值结果稳定可靠且精度较高。

三点弯曲载荷下岩体偏置斜裂隙的应力强度因子

地下巷道(硐室)顶板常因弯曲离层而破断,其破断位置与裂隙几何形态和位置密切关联。为揭示裂隙对岩层断裂的影响,建立了岩体偏置斜裂隙的三点弯曲模型,定义了裂隙的偏置系数和贯通率,分析了裂隙偏置系数、倾角和贯通率三者之间的关系,基于力学平衡原理和σ-K关系导出了偏置斜裂隙与偏置竖裂隙应力强度因子K的关系式。同时分析了裂隙倾角、贯通率和偏置系数对应力强度因子的影响规律。该方法可为裂隙影响下巷道(硐室)顶板的张拉断裂提供判定依据。

逐步Ⅱ型混合截尾下Lomax分布多部件应力强度模型的可靠性分析

基于逐步Ⅱ型混合截尾样本,研究Lomax分布多部件应力强度模型的可靠性分析问题。假设应力和强度具有不同形状参数和共同尺度参数,利用极大似然理论及迭代方法获得可靠度函数的极大似然估计(MLE),并给出渐近置信区间;然后,运用贝叶斯理论,借助Tierney-Kadane(TK)近似方法、MCMC算法,讨论平方误差损失函数下未知参数及可靠度的贝叶斯估计,给出其最大后验密度可信区间(HPD);最后,利用Monte-Carlo模拟方法对估计结果进行对比分析。模拟结果显示:贝叶斯估计整体上优于极大似然估计,并且随样本量的增大,2种估计的均方误差(MSE)均逐渐减小,HPD可信区间的效果优于渐近置信区间。

基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

应力-强度干涉模型下的滚动轴承可靠性评估与设计方法

针对滚动轴承可靠性低、缺乏设计依据等问题,提出一种应力-强度干涉模型下的滚动轴承可靠性评估与设计方法。考虑滚动轴承实际承载当量动载荷和规定当量动载荷的随机特性,假设两者为服从对数正态分布的随机变量,建立滚动轴承可靠性评估与设计模型。其次,对多型号多工况下的深沟球轴承和角接触球轴承进行仿真验证,结果表明:本文提出的滚动轴承可靠性评估与设计方法,通过分析当量动载荷的许用范围,结合轴承设计公式可以使优化后的轴承满足在该工况下的目标可靠性寿命,准确有效的实现滚动轴承的可靠性评估与设计。

非挤土嵌岩预应力高强度混凝土管桩的桩端承载性能研究

施工装备和工艺的不断创新使得非挤土嵌岩预应力高强度混凝土(prestressed high-strength concrete,简称PHC)管桩逐渐得到推广和应用。为揭示嵌入中微风化岩PHC管桩的桩端承载机制,以随钻跟管工法桩为背景,基于泥质粉砂岩地区5组桩径为500 mm的PHC管桩桩端现场静载破坏性试验,分析了不同条件下嵌岩PHC管桩的桩端承载性能及宏观破坏模式,并提出桩端承载力计算方法。试验表明:对于采用敞口桩靴的PHC管桩,未封底时,敞口桩靴削弱了PHC管桩桩端承载性能,呈现刺入岩基的破坏,极限荷载下桩端沉降为11~15 mm;混凝土封底后,显著提高了桩端承载性能,极限承载力较非封底时提升340%,封底混凝土和桩靴的桩端阻力分担比分别为78%和22%,桩端呈整体剪切破坏。基于Hoek-Brown强度准则,提出了嵌岩PHC管桩桩端承力简化计算方法,计算精度得到了试验验证,可供非挤土嵌岩PHC管桩的设计与施工参考。

基于扩展有限元法的传热管贯穿裂纹应力强度因子计算

蒸汽发生器作为压水堆的重要压力边界,其传热管是否破损直接关系到反应堆的运行安全。为解决蒸汽发生器中传热管疲劳裂纹扩展数字孪生中裂纹长度的预测问题,本文通过ABAQUS软件,对已存在贯穿裂纹的传热管进行建模,比较其自带的围线积分法和扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)计算应力强度因子(stress intensity factor,SIF)的准确性。在裂纹尺寸a/W>0.5时,XFEM与公式解结果相差较小。因此,采用XFEM计算其在不同应力下的应力强度因子,发现随着裂纹尺寸、载荷的增大,应力强度因子也随着增大,应力值与应力强度因子成正比关系。

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明:顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。

舟桥单双耳接头裂纹应力强度因子研究

为更准确地评估含表面裂纹缺陷舟桥装备的安全情况,研究了裂纹形状比和倾斜角对裂尖应力强度因子的影响。对裂纹模型及有限单元法进行了分析;利用有限元模型对软件计算准确性进行了验证;通过对不同形状比和倾斜角的裂纹裂尖应力强度因子进行计算,分析了其变化规律。结果表明,在裂纹长度一定时,增大形状比使得裂纹前缘应力强度因子减小,且影响较大;在形状比一定时,与轴向载荷垂直的平面裂纹前缘应力强度因子最大。