基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强,两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际,考虑巷道两帮煤岩体的可变形性,建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型,分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律,提出了基于煤巷基础刚度效应的"控帮护巷"支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度,控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏,并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态,抑制顶底板变形破坏,提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验,对基础刚度效应和"控帮护巷"原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下,巷帮煤体压缩变形明显,顶板岩层随基础变形而弯曲下沉,两帮基础刚度对顶板变形量影响显著,是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下,加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小,还有效地控制了顶底板的变形破坏情况,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识,揭示了控帮护巷的支护机理。

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。

岩石试样声发射的加载体刚度效应

基于加载体刚度对岩石试样产生声发射率时间序列的影响，利用统计细观损伤力学对加载体和岩石试样组成的简单力学模型产生的声发射进行了理论分析，推出了具有围压作用的应力－应变全过程关系，并利用计算机对全过程进行了仿真模拟．结果表明，加载体刚度的变化通过影响岩石试样变形速率的方式来参与影响岩石试样声发射率的时间序列．理论结果和实验值吻合较好．

旋转运动柔性梁的压电质量和刚度效应

对旋转运动柔性梁的压电质量效应和刚度效应进行了研究,给出了基于经典层板理论的压电层合结构的等效抗弯刚度.研究中考虑了大范围运动已知和未知两种情况.仿真结果显示,当压电长度很短时,压电材料对系统动力特性的影响不大,可以忽略不计;当压电长度较长且小于梁长度的一半时,压电刚度对系统特性有着较大影响,而压电质量的影响较小;当压电长度大于梁长度的一半时,压电质量对系统特性有着较大影响,而压电刚度的影响较小.

预加力对开裂预应力混凝土梁体刚度效应的影响分析

为了研究预加力对预应力混凝土梁桥开裂梁体刚度效应的影响,以公路桥梁中常用的预应力混凝土小箱梁和T梁为研究对象,基于设计规范中开裂预应力混凝土受弯构件刚度计算原理,采用统计分析、室内试验梁和实桥试验相结合方法,分析开裂预应力混凝土梁受拉区预压应力与梁体短期抗弯刚度的关系。结果表明:小箱梁和T梁受拉区混凝土开裂后,随预加力在受拉区混凝土所产生预压应力的增大,开裂梁体短期抗弯刚度提高;对于开裂预应力混凝土梁桥,采用增设体外预应力钢束的加固方法进行加固,可以有效地提高梁体短期抗弯刚度,较好地抑制梁体受力裂缝的发展。

盾构隧道衬砌结构接头处刚度削弱效应的试验研究

基于某地下铁路工程盾构施工试验段管片衬砌结构的弹性模型试验,研究正常工作状态下衬砌结构纵向接头处在拱顶弯矩作用下的抗弯能力,得出不同螺栓预紧力作用下管片接头抗弯刚度的削弱系数,给出弯矩与接头变形能力和管片接头局部范围内的应力—应变关系曲线,为衬砌结构的优化设计提供参考。

非结构构件的刚度效应在抗震变形验算中的分析

本文通过分析非结构构件的刚度效应对主体结构变形的影响，指出了现行抗震设计中关于非结构构件刚度效应考虑的不足，提出了考虑非结构构件刚度的合理方法，并对结构层间弹性位移角限值的合理取值提出了建议．

考虑填充墙平面刚度分布的RC框架结构抗地震倒塌能力研究

为研究填充墙对RC框架结构抗震性能的影响,以汶川地震中发生倒塌的漩口中学教学楼A为原型,基于ABAQUS软件建立了有限元模型,对结构底层各柱的剪力进行分析,发现由于填充墙的布置使得结构平面刚度分布不均,造成地震剪力在各榀框架之间分布不均匀。为了定量地考虑平面各轴线刚度分布对结构抗震性能的影响,设计了4个沿轴线各榀填充墙框架不同刚度分布的结构模型,通过IDA(增量动力分析)分析对比评估4个模型的抗地震倒塌能力。结果表明:平面刚度均匀分布的结构模型倒塌概率最低,具有良好的地震韧性;当某轴线的刚度高于平面各轴线平均刚度的30%时,结构的倒塌概率大幅提高,抗倒塌安全储备不足,建议在设计中平面各轴线的刚度不应超过此限值。

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.

考虑轴承刚度软化的转管炮身管组固有频率分析

为研究高转速下轴承刚度软化对转管炮身管组固有频率的影响,采用有限元法建立转管炮身管组转子-轴承系统动力学模型,开展模态分析。基于Jones-Harris滚动轴承分析方法建立考虑间隙效应的滚动轴承刚度模型,分析轴承刚度随转速变化的规律。将轴承刚度作为转管炮身管组模态分析的基础数据,计算不同转速下转管炮身管组前5阶固有频率及其对应振型,进而揭示轴承刚度软化对转管炮身管组固有频率的影响规律。分析结果表明:转速较低时,轴承刚度基本不变,对转管炮身管组固有频率影响很小;当转速超过一定值时,轴承刚度随转速增大而急剧减小,转管炮身管组固有频率随之降低;减小轴承间隙能大幅度提高轴承刚度和身管组固有频率。研究结果为转管炮固有频率与射速匹配设计提供了理论支撑。

基坑支护桩结构的圈梁效应分析

根据空间杆系有限元方法,建立了排桩支护结构的空间模型,分析了圈梁的轴力效应、边长效应和刚度效应。

非挤土桩对于砂土地层地震液化的影响机制研究

如何通过工程措施实现地基抗液化能力的有效提升,是岩土工程领域近年来研究的热点问题之一。非挤土桩作为地基处理的常用措施,其加固后地层的抗液化能力能否得到提升,在学术界还存在着一定争议,主要原因是其对于砂层地震液化的影响机制尚未明确。针对该问题,本文开展了干砂及饱和砂土原状场地与非挤土桩加固场地的超重力模型试验,通过对比不同试验中地层的动力响应与超静孔隙水压力的发生发展规律,首次发现非挤土桩对于地层的作用机制并非仅有“刚度效应”,还有因振动过程中桩-土变形不协调而产生的附加作用力,该作用力将显著提升浅层土体的应力及应变水平,加大其液化的可能性,且随着埋深增加,该附加作用力逐渐变小,“刚度效应”将逐渐占据主导地位,相关研究成果可为进一步揭示非挤土桩抗震加固机理、评估其加固效果提供一定的基础和支撑。

特高压电网不等高差短导线的受力性能

目前中国的特高压电网技术得到了快速发展。然而,工程中常由于忽视对导线受力性能的分析而酿成绝缘事故。根据导线两端挂线点的空间位置,其连接方式可分为等高差导线连接和不等高差导线连接。为此,本文提出了一种计算不等高差短导线端子在不同方向上受力性能的经验公式。通过改变挂线点之间的水平间隔距离、竖直高度差两个因素,开展了不同空间布局组合状态下的导线端子的受力特性分析,提出了可供设计参考的导线端部力学分析公式。结果表明经验公式具有良好的工程适用性。导线两端的受力特性不仅与环境荷载有关,与导线型号、两端竖直高度差、两端水平间隔距离等因素有关。

岩爆微震特征的支护体系刚度效应初探

隧道工程岩爆案例表明初期支护结构体系的类型与刚度影响着破裂及微震活动的特征、机制和阶段划分,这是一个较少被探讨且亟待被揭示的问题。依托巴陕高速公路米仓山特长隧道构造碎粒岩围岩段的岩爆现象及微震监测成果,建立围岩–支护复合体系的刚度评价方法,基于震源参数指标初步探索了岩爆特征的支护体系刚度效应,揭示了刚度条件由弱变强的岩爆微震特征及演化:(1)在岩爆发育期,对围岩卸荷边界施加刚性更强的约束条件,围岩内部破裂活动趋向发生能量积累和能量转移;岩爆发育期延长,微震事件的能量、视体积类型及比重发生改变。(2)在岩爆发生期,围岩内部破裂活动趋向发生更高量值的能量释放,现场岩爆及大能量冲击灾害表现更大波及范围的特点;微震事件在短时间内迅速出现,事件率和能量率极大提升。相关研究成果可帮助认识支护结构影响下围岩破裂活动的特征、机制与阶段划分,考虑支护结构影响的围岩破坏前兆预警判据,可为科学合理的支护方式遏制岩爆风险提供实际数据和理论参考。

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。

微机电混合陀螺仪的系统设计与仿真

研究了一种新型的微机电混合陀螺仪,它既具有实现传统动力调谐陀螺仪较高精度的潜力,又具有硅微陀螺仪体积小、价格低等优点.研究了该陀螺接口电路,推导了该接口信号灵敏度公式,分析表明增加检测电容Ct和Cb或者减小寄生电容Cp都可以提高信号灵敏度.同时,还推导了力矩器的力矩传递系数和信号器的电容信号传递系数公式,分析表明减小电容间距d和内环半径R1或者增加外环半径R2都可以提高电容信号器灵敏度.提出一种利用力矩器负刚度效应对微机电混合陀螺进行调谐的方法,并研究了全解耦闭环反馈控制电路.开环仿真表明,残余刚度将导致转子自转轴进动,而调谐后转子自转轴能保持原方位稳定.闭环仿真表明,研究的全解耦闭环反馈控制电路是可行的.

硅微陀螺仪闭环校正控制系统设计

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,提高系统的机械灵敏度.最后,在无频差情况下,设计一个带有无源阻抗网络的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)校正环节,校正后系统的相角裕度为52°,幅值裕度为18dB,闭环带宽为931 rad/s,实现了闭环系统校正.仿真和实验表明闭环校正电路是可行的.相对于开环检测,闭环校正系统的量程增加了1.6倍,标度因数非线性减小了45.6倍,零偏稳定性提高了2.56倍.同时,标度因数对称性、标度因数重复性、阈值和分辨率等性能都得到较大改善.

简支梁裂纹位置识别的一种简单方法

由等效线弹簧来模拟裂纹引起的软化效应 ,基于铁摩辛柯梁理论得到含裂纹简支梁横向振动的频率计算式 ,由此获得识别裂纹位置的一种近似方法。文中利用梁的二维有限元模态分析数据进行裂纹位置的识别 ,结果表明该法在较宽的高跨比范围内 ,有好的效果 ;

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型.研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响.通过仿真算例与另两种不同建模理论(传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型)作了对比.随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势.对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多.此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大.

加筋材料动态松弛有限元模型的建立及应用

为分析加筋材料的抗弯刚度对加筋性能的影响,加筋材料采用梁单元形式。基于动态松弛法,通过定义梁单元的刚度矩阵,求解内力矢量,随后定义虚拟质量密度而建立总质量矩阵,将加筋材料的梁单元有限元模型嵌入到已有的动态松弛法求解程序中。通过对简支梁的简单加载模拟验证了该梁单元模型的准确性能。随后,将该有限元模型与已有的动态松弛法计算程序结合(含砂土本构及弱面单元模型),对加筋砂土地基室内模型试验进行了数值模拟。将梁单元的模拟结果与杆单元(梁单元的特例)模拟结果进行了比较,并分别探讨了抗拉刚度和抗弯刚度对加筋砂土地基承载性能的影响。结果表明:抗拉刚度对承载能力的影响较小;抗弯刚度对承载力的影响程度与加筋材料的布置形式有关,特别是当加筋砂土中出现剪切带以后,其影响逐渐增大。因此,在分析加筋砂土结构的增强机制时,建议采用梁单元(具有一定的抗弯刚度)对加筋材料进行模拟。