基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度相似缩比准则研究

在对船体结构进行相似缩比试验设计时,通常采用方向性量纲分析法。然而,传统的基于弹性理论的量纲分析法不能反映结构材料非线性过程,因而限制了其在船体结构缩比模型极限强度试验中的应用。本文基于有限相似方法,通过匹配物理空间与试验空间中的输运方程,获得结构几何尺寸、材料密度和时间的比例因子,推导得到加筋板结构缩比模型与原模型的非线性过程相似关系,分析材料参数对非线性相似过程的影响。通过开展不同缩比比例、不同材料参数的加筋板轴压极限强度数值计算,验证基于有限相似方法缩比准则的有效性。分析表明,基于有限相似方法的轴压加筋板极限强度缩比准则可以很好地体现材料的非线性特性,可以通过缩比模型结果对原模型的极限强度取得良好的预报效果。

基于小波核极限学习机的烟叶烘烤过程的智能识别

烟叶烘烤设备操作复杂、技术含量高、熟练掌握烟叶烘烤技术人员不足等问题,影响了烟叶的烘烤质量。针对上述问题,本文提出了基于小波核极限学习机的烟叶烘烤过程的智能识别方法。实验中对三段式烘烤过程中的叶片变软、主脉变软、勾尖卷边、小打筒、大打筒和干筋6个烘烤阶段分别提取了颜色、纹理和温湿度特征,组建了9维特征向量进入小波核极限学习机,通过增量型算法自适应地选择神经元个数,快速准确地识别了6个阶段,得到了98.33%的识别率。实验结果表明本文提出的基于小波核极限学习机的烟叶烘烤过程的智能识别方法具有一定的可行性,为研发烟叶烘烤智能调控系统奠定了理论基础。

Cu-4Ag合金微细丝拉拔极限预测模型

采用三室真空冷型竖引连铸设备制备了Cu-4Ag合金铸态杆坯,并利用连续冷拉拔变形得到了不同线径的Cu-4Ag合金微细丝,通过拉拔实验获取了不同线径下材料的屈服强度和抗拉强度;基于线径与强度的关系,构建了微细丝拉拔极限预测模型。结果表明,在拉拔过程中,Cu-4Ag合金微细丝的线径与抗拉强度密切相关,具有明显的尺寸效应;修正后的拉拔极限模型能够较为准确地预测不同线径的Cu-4Ag合金微细丝能够达到的拉拔极限。将拉拔极限模型产出的数据导入MATLAB中,构建了三维曲面模型,可以更为直观地分析材料的拉拔极限。

间断焊接包管加固圆钢管构件轴压极限承载力研究

为研究间断焊接包管加固杆件的轴心受压性能,设计了13组试件进行单调加载静力试验。对试件极限承载力、破坏模式、荷载-位移曲线和截面应变发展规律进行分析,对比了负载加固与非负载加固对试件极限承载力的影响。结果表明:包管构件的破坏模式可分为整体失稳破坏和内管外伸段强度破坏;包管构件内外管协同工作、共同受力,内管和外管都在屈服后发生整体失稳破坏;负载加固与非负载加固试件的极限承载力基本一致,相差2.2%,非负载加固试件与未加固试件相比,极限承载力最大提高了479.9%。根据试验结果对包管构件的ABAQUS有限元模型进行修正,并用该模型分析了各主要影响因素对包管构件极限承载力的影响规律。提出了包管构件极限承载力经验计算公式,且公式计算结果与试验结果吻合较好。

自动驾驶汽车避撞极限研究

精确计算不同避撞控制策略的极限避撞距离是自动驾驶汽车避撞决策与控制的基础。为厘清差动制动控制对避撞距离的影响,探究转向和差动制动集成控制的极限避撞能力,提高极限避撞距离的计算精度,本研究基于非线性车辆集成动力学和最优控制理论提出一种自动驾驶汽车极限避撞距离计算方法。首先,建立了非线性7自由度车辆动力学模型和复合滑移工况的Pacejka轮胎模型。进一步地,基于上述模型构建了极限避撞距离求解问题,并将其转化为最优控制问题。然后,设计了高斯伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题并求解。最后,分析了转向控制、制动控制、转向和制动集成控制、转向和差动制动集成控制的极限避撞距离,并与基于质点模型计算和CarSim测试的结果进行了对比。结果表明:转向和差动制动集成控制能够进一步减少自动驾驶汽车的避撞距离,显著提高其避撞能力;本研究所提方法能够显著提高极限避撞距离的计算精度和避撞决策结果的可靠性。

基于极限梯度提升和探地雷达时频特征的水泥路面脱空识别

针对探地雷达(GPR)数据解译依赖于人工经验,存在费时费力和主观偏差的问题,提出了基于极限梯度提升(XGBoost)和GPR时频特征的水泥路面脱空识别方法。采用正演模拟、室内试验和现场试验获得了脱空病害数据源,建立含有标签的脱空GPR数据集;通过重采样方法统一GPR数据采样频率,并对预处理后的GPR数据进行时频域特征提取,建立了包含18个时域和12个频域特征的数据集。以时频域特征为输入,是否存在脱空病害为输出,采用XGBoost算法构建脱空识别模型,并与随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)算法进行对比。结果表明,模型的识别准确率排序为XGBoost(98.10%)>ANN(95.10%)>RF(93.17%),XGBoost模型识别精度最高,并能在实际路面上准确定位脱空区域。

基于优化极限学习机模型的边坡稳定性预测研究

边坡稳定性预测对工程安全及地质灾害防治极其重要,目前机器学习在边坡稳定性预测较广泛,例如BP神经网络、支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)等。但传统的ELM模型在预测边坡稳定性时存在易陷入局部最小值、难以选择合适学习率的问题,针对此问题,提出了一种基于主成分分析法(PCA)和爬行动物搜索法(RSA)并行优化极限学习机(ELM)的边坡稳定性预测模型。此模型利用PCA算法对数据进行降维,减少数据的冗余性,并利用RSA算法优化ELM模型的输入层权值和隐含层偏置,极大地提高了模型的预测精度和预测效率。将传统的ELM模型、RSA-ELM模型、PCA-SVM模型及PCA-RSA-ELM 4种模型进行对比,从而得到PCA-RSA-ELM模型在边坡稳定性预测这类问题上的精确性更高,为边坡稳定性预测分析提供新的思路,对防灾减灾及保护国民经济安全具有重大意义。

不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

静压桩残余应力对极限承载力影响

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明:卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%,卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定;沉桩结束后,桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍,卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体;桩端土体应力消耗越多,桩端残余应力越小,卸荷后桩端土体回弹量越多;沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小,从而桩端土体能够提供的承载力降低,致使桩体承载力降低。研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素,卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。

基于极限分析下限法的筒型基础地基承载特性研究

筒型基础凭借其成本低、工期短且对地基扰动相对较小的优势,已成为中国海上风电的重要基础形式之一。由于其基础结构形式复杂,经典的地基计算方法无法准确评估其地基竖向承载力。利用有限元极限分析下限法,建立了考虑筒-土间摩擦的筒型基础地基竖向承载力的下限解求解程序,在此基础上分析了土体强度不均匀性、筒型基础长径比及筒外壁-土间摩擦对筒型基础地基竖向承载力的影响,提出了综合考虑以上因素的筒型基础地基竖向承载力计算公式。

基于极限平衡法的危岩倾覆稳定性三维计算方法

目前危岩防治工作中,危岩稳定性评价主要以简化后的二维剖面作为计算模型。由于自然界中的危岩形态极不规则,采用二维剖面计算模型并不能真实反映危岩受力情况。为了研究危岩稳定性三维计算方法,在前人研究基础上,基于极限平衡理论,提出了由后缘裂缝抗拉强度控制的危岩倾覆稳定性三维计算公式,采用数值积分和空间几何方法给出了在危岩单体三维模型基础上求解危岩后缘岩体抗拉力、水压力及其力矩计算公式和实现流程。以三峡库区瞿塘峡吊嘴危岩为实例开展了应用,并通过数值分析进行了验证。通过不同形态危岩的三维稳定性分析,讨论了三维与二维稳定性计算结果的关系,对比发现危岩形态对稳定性计算结果有明显影响,三维计算较二维计算更准确和实用。

基于灰色关联度分析-极限学习机的低阻油层及水淹层测井识别——以渤海P区块馆陶组为例

历经近20的开发,渤海P区块进入高含水期,馆陶组发育的大量低阻油层与水淹层在测井曲线形态上差异不明显。为了精确进行水淹层识别以及水淹层等级划分,采用了机器学习算法。首先采用灰色关联度分析,筛选低阻油层和水淹层识别的敏感参数曲线;其次构建了极限学习机水淹层识别模型,对模型进行训练,获取最优参数。将其应用于实际资料处理,结果表明,基于灰色关联度分析极限学习机的低阻油层及水淹层测井识别方法对低阻油层与水淹层的预测精度较高,符合率达89.3%,远远优于未经过灰色关联度分析筛选的预测结果,具有实际应用价值。

超深井套管卡瓦效应的拉伸极限载荷理论计算

针对新疆某油田超深井井口套管悬重过大,造成卡瓦牙对套管外壁齿入损伤,且累计损伤导致卡瓦悬挂器套管断裂失效的事故频繁,提出了“卡瓦效应的拉伸极限载荷”来评价井口卡瓦悬挂器夹持部分套管的强度设计,具体为基于第三强度理论和第四强度理论,分别建立了井口卡瓦悬挂器夹持套管的“卡瓦效应拉伸极限载荷”计算模型。计算结果表明,从安全角度评价套管强度,采用第三强度理论计算卡瓦悬挂器套管的卡瓦效应拉伸极限载荷更合理,但为更充分利用材料的力学性能,应采用第四强度理论进行评价,还得到在四通有限空间内,可以保证有较大的卡瓦效应拉伸极限载荷的最佳卡瓦半锥角为23°~25°,最佳卡瓦有效接触长度为135~145 mm。研究方法和结果将为卡瓦悬挂器井口套管的强度设计、各种安全施工作业等提供理论依据。

基于准静态法的船体梁极限强度试验设计方法

为了应对采用传统试验法求解船体梁极限强度问题时存在的成本较高的情况,有必要在开展试验之前进行预设计。针对船体梁极限强度试验预设计问题,采用四点弯曲理论对船体梁极限强度开展试验设计,给出具体的试验工装设计方案和加载方案,并采用准静态法分析该方案在中拱状态下的极限强度。将采用该方法所得计算结果与理想状态下的数值计算结果相对比对比,结果发现误差仅为0.08%,表明该试验设计方案可靠、可行。研究结果可为船体梁极限强度试验的开展提供参考。

考虑极限诱导分岔的静态电压稳定域

随着高比例可再生能源在电力系统中的广泛应用,可再生能源的波动性和随机性对电力系统静态电压稳定评估带来挑战,电力系统静态电压稳定域(static voltage stability region,SVSR)可以全面分析和监测电力系统电压稳定性,其关键是快速准确地构建稳定域边界。针对传统连续潮流法和非线性规划法计算量大的问题,提出一种基于SVSR边界拓扑性质的SVSR边界构建优化模型,根据边界连续且光滑的性质,由已知边界点通过预测-校正方法直接计算相邻边界点。在此模型基础上提出一种极限诱导分岔识别方法,构建考虑极限诱导分岔的SVSR边界。最后通过算例分析验证了所提方法的可行性和准确性。

钢壳沉管隧道耐火极限标准与防火保护技术研究——以深中通道沉管隧道为例

为提高我国超大断面钢壳沉管隧道火灾防控水平,以深中通道海底沉管隧道为例,采用热力耦合模拟和材性试验等方法开展钢壳沉管隧道耐火极限标准研究,考虑到龙骨、拼缝等防火构造薄弱环节,进行管节结构和管节接头耐火试验,并提出相应的防火保护技术方案。主要结论如下:1)管节结构的耐火极限标准为火灾时,应将结构内侧钢壳最高温度控制在300℃以内;2)OMEGA橡胶管节接头的耐火极限标准为OMEGA橡胶超过70℃的时间小于2 h,超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;3)GINA橡胶管节接头的耐火极限标准为GINA橡胶超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;4)管节结构可采用35 mm单层防火板L型拼缝,对接面涂热膨胀胶;5)管节接头可采用35 mm防火板+50 mm陶瓷纤维毯双层防火保护体系,龙骨自由端取500 mm,拼缝处采用防火胶封堵。

考虑硬化历史的圆筒形件二次拉深极限拉深比的解析模型

以圆筒形件二次拉深成形为例,基于主应力法和板料弯曲理论,考虑材料硬化历史、壁厚比t_(min)/t_(max)、凹模圆角半径和摩擦因数的影响,建立了一种预测圆筒形件二次拉深极限拉深比的解析模型,并对SUS304不锈钢板料进行了拉深试验验证。结果表明:解析模型的预测值与试验结果吻合较好;考虑硬化历史的解析模型与未考虑硬化历史的模型相比二次拉深极限拉深比相差约10%;摩擦因数、凹模圆角半径对二次拉深极限拉深比有显著影响,摩擦因数越大,二次拉深极限拉深比越小;凹模圆角半径越大,二次拉深极限拉深比越大。

开挖前抽水条件下基坑围挡两侧非极限土压力计算模型

基坑开挖前的坑内抽水可引起围挡发生厘米级的侧移,但现行基坑设计理论仅提出了基于弹性支点法的土方开挖诱发围挡受力变形的计算方法,却并未提出如何计算基坑开挖前抽水引起的围挡侧移。若要沿用弹性支点法进行抽水侧移的计算,则如何确定抽水过程中围挡两侧土压力分布成为关键。为了提出基坑开挖前抽水条件下围挡两侧土压力的计算模型,首先提出了基坑开挖前抽水过程中围挡两侧土体受扰动区形态与范围;然后探明了扰动区内土体应变分布规律并提出土体应变分布模式;进一步地,建立了土体应变与围挡侧移的数学方程,并结合土体应力−应变方程最终构建了开挖前抽水条件下考虑基坑围挡侧移影响的土压力计算模型。所提出的土压力模型能够反映基坑开挖前抽水过程中围挡侧移对土压力的非线性影响,公式形式简单,参数取值方便,可为后续预测抽水引起的基坑围挡侧移提供重要基础。

基于非极限土压力的基坑开挖引起隧道变形的计算方法

由于基坑开挖引起邻近隧道变形,继而影响地铁在隧道中的安全运行,因此如何准确预测邻近隧道变形是个值得研究的问题。根据非极限土压力计算方法,计算基坑开挖卸荷坑壁上的土压力,利用Mindlin求解公式,获得基坑开挖阶段旁侧隧道上的附加荷载,将隧道结构看作Winkler地基梁上的Euler梁,建立弹性地基梁微分方程,给出隧道水平位移变形的解析方法。基于该方法分析了基坑开挖引起邻近隧道的水平位移。研究结果表明:随着基坑开挖深度的增加,隧道水平位移相应增加;考虑非极限土压力计算得到的隧道水平位移结果与实测值较为接近,误差总体保持在20%以内;相较于传统隧道水平位移求解方法,笔者方法更加符合实际。