基于GA-SA算法的无人机巡检输电铁塔三维航迹优化

无人机巡检输电铁塔本体和金具、绝缘子等附属部件的航迹优化属于典型的旅行商问题。由于巡检对象的结构复杂、巡检部件多,采用单一的启发式算法会造成航迹重叠、容易陷入局部最优解等问题。为此,考虑无人机航迹三维空间结构的特点,引入全局搜索能力强的遗传算法(genetic algorithm, GA)与局部收敛速度快的模拟退火算法(simulated annealing, SA)相结合的无人机三维航迹混合GA-SA寻优算法。以无人机巡检500 kV超高压交流双回鼓型塔为例,根据三维有限元仿真得到的无人机电磁防护安全距离为2 m,结合巡检对象及常见缺陷出现的位置确定了61个高空安全悬停点,分别采用GA、SA和混合GA-SA算法对无人机遍历高空安全悬停点的航迹进行优化。结果表明:混合GA-SA算法的迭代收敛次数相比GA和SA分别减小了45.6%与55.2%,最优航迹距离分别缩短了8.1%与8.9%,验证了所提方法的有效性。

饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用

软岩遇水后力学性质软化规律的研究,是水–岩相互作用研究的重要课题之一,在重大工程的设计与实践中具有重要意义。通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩在不同饱水状态的试验设计和力学性质测试,重点探讨了软岩软化的力学规律性。试验按照天然状态、饱水1,3,6和12个月等饱水时间点进行采样分析,测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。结果表明:软岩与水相互作用后,其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律,各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低,最终将趋向稳定;6个月的饱水时间点为软岩力学强度趋于稳定的临界点。以此研究获得的软岩参数为基础,采用非线性有限元强度折减法对广东省东深供水改造工程中BIII2边坡稳定性进行了分析计算,结果表明:在塑性应变区贯通前,该边坡主断面的稳定性系数为0.83,说明BIII2边坡处于不稳定状态。这与实际边坡所处的状态非常一致。表明该试验研究结果用于工程计算中具有较好的意义,亦可为华南地区类似工程的设计、施工和长期稳定性分析等提供具有重要价值的参考。

基于滑移线场理论的边坡滑裂面确定方法

发展了一套基于滑移线场理论,并根据有限单元法的计算结果来确定边坡滑裂面的数值模拟方法,在此基础上研究了流动法则对边坡稳定分析的影响。该方法可以考虑弹性区与塑性区的区别,并可以考虑不同的流动法则。给出了滑移线方向场数值模拟的具体方法和由滑移线方向场追踪滑移线的方法,提出安全系数最小的滑移线即为边坡的滑裂面。算例证明了方法的有效性。研究结果表明,对于无约束的天然边坡,自重作用下其安全系数受流动法则的影响较小,而滑裂面的位置随流动法则的不同而不同;当坡顶有荷载作用时,尤其是边坡的稳定性主要由坡顶荷载决定时,无论是安全系数还是滑裂面,流动法则的影响均很大,采用相关联流动法则可能会高估边坡的稳定性。

非线性有限元模拟计算技术在汽车被动安全性研究中的应用

阐述了可用于汽车被动安全性模拟计算的动态显式非线性有限元法的基本理论与算法，列举了目前在汽车被动安全领域常用的有限元软件。介绍了非线性有限元模拟技术在假人建模、整车碰撞的模拟以及一些零部件和安全约束系统的设计和开发方面的应用。

边坡稳定性分析双折减法的几个问题

在强度参数坐标系中,借助强度储备面积的概念,推导出双折减法的边坡安全系数表达式,其具有理论支持,且与已有的关系式相比未产生较大的偏差,意义更明确。在基于折减比K实现的双强度折减法中,相同的K值,采用不同的数学表达式,将产生不同的折减起步方式,由此出现了不同的虚拟初始点。严格意义上讲,两种方式折减路径确有不同,但结果表明,虚拟初始点的不同所导致的2种折减路径,本质上具有统一性,不会对结果产生影响,建议选取较短的路径,可以减少折减次数;双折减法由于在路径上与传统折减法有所区别,而仅与传统强度折减法计算结果进行偏差分析,难免出现结果失真。围绕强度弱化的本质,提出2个判断标准,一是应满足数值精度的要求,另一个则是必须符合客观事实,即强度折减必须体表现出强度弱化的概念。

大型自卸车翻车保护结构有限元分析

利用通用有限元软件ANSYS建立自卸车机架和安装在驾驶室上的翻车保护结构(ROPS)的非线性有限元模型,再利用通用显式动力分析程序LS-DYNA进行求解和后处理,确定侧向加载的极限载荷,设计侧向、垂向和纵向3个方向的加载曲线,求解得到ROPS加载的变形情况。将有限元分析结果与国际标准ISO 3471:2008进行比较,验证所设计加载曲线的合理性。根据设计的加载曲线进行现场翻车保护试验,提取的试验数据与仿真结果吻合较好,最大相对误差仅为3.33%,说明采用有限元仿真方法替代现场试验对大型自卸车驾驶室安全性进行评估是可行的。

基于拓扑优化的重型矿用自卸车翻车保护结构设计

翻车保护结构(roll-over protective structure,ROPS)是安装在工程车辆驾驶室中的一套被动保护装置,能在翻车事故中为驾驶人员提供有效的保护。为解决ROPS承载能力、刚度、轻量化和侧向吸能效果之间的矛盾,将基于变密度法的拓扑优化技术引入重型矿用自卸车ROPS设计中,以解决ROPS在给定设计域内的材料最优分布问题,提高ROPS侧向吸能效果和垂向、纵向的刚度,减轻自重。首先,利用OptiStruct结构优化模块对ROPS进行拓扑优化设计,以多工况组合应变能最小为优化目标,按照国际标准规定的性能要求施加载荷和约束条件。基于拓扑优化结果,对ROPS进行详细设计。然后,利用显示动力分析软件LS-DYNA对ROPS的最终设计模型进行动态加载分析。最后对优化后ROPS的性能与原ROPS的性能进行对比分析。结果表明:拓扑优化设计后的ROPS在3个工况下都没有入侵DLV(deflection-limiting volume,挠曲极限量),满足国际标准中的承载能力要求;在侧向加载中最大能量吸收达到175kJ,满足国际标准中的侧向能量吸收要求;相较于原ROPS,拓扑优化设计后的ROPS达到侧向能量吸收要求所需的载荷从1 324.5kN减小到1 231kN,加载中心点的垂向位移减小21.3%,纵向位移减小34.4%,质量减小24.1%。研究结果为重型矿用自卸车ROPS的设计提供了新方法,对后续ROPS的设计与改进有一定的指导作用。

运用有限单元法进行植物固坡分析

为了更好地运用理论指导植物固坡实践,通过对现有植物固坡方法进行对比分析,指出目前两种主要方法均存在不足,进而提出有限单元法是一种很好的数值分析方法,并通过实例的计算充分体现其优越性.

强度折减法在三种坡度下的植物护坡应用

以均质黄土和油松根系组成的根土复合坡体为研究对象,在植物固土护坡力学原理的基础上,利用有限元软件ANSYS进行分析。在三种不同坡度下不断植树,采用强度折减法分析滑动面的安全系数,定量分析边坡的稳定性变化情况,从而获得最优的植树方案。由安全系数变化情况可得出:边坡为25°时,前2棵(从坡脚起)油松对于边坡稳定性的提升作用较为显著,最佳树距为3 m;边坡为35°时,为前4棵和2.5 m;边坡为45°时,为前5棵和2 m。结果表明:(1)坡度越大,种植棵数越多,离坡脚越远的树对边坡稳定性的贡献越少(安全系数增幅不断减小);(2)坡度越大,种植间距越小,但不是越小越好,有最佳值;(3)三种坡度下,坡脚处最易失稳,第一棵树根系所承受的拉应力最大,对稳定性的贡献也最大(安全系数增幅最大)。研究结果为植物护坡的植树栽植提供理论支持。

生态袋护岸力学特性与结构安全性能研究——以凯里市鸭塘河治理工程为例

由于生态袋护岸技术具有很高的经济性和实用性,近年来在中小河流治理中备受青睐,且有了一些工程实际经验,但理论研究相对较少,为了能让生态袋护岸技术在工程应用中提供充分的理论依据,本文结合生态袋护岸技术在鸭塘河治理中的应用实例,用有限元方法对生态袋边坡受力特性及稳定性开展数值模拟研究,研究分为施工期和水位骤降期两种工况。研究表明:在两种工况下生态袋边坡具有安全稳定性,其破坏模式均为整体破坏,滑动面呈现圆弧状,前缘沿着层面滑动,生态袋护岸在坡度相对较缓的情况下,边坡整体稳定,结构安全。

±800kV特高压直流输电线路带电更换V型绝缘子串进出电场方式研究

±800 k V特高压直流输电线路一旦投入运行,则很难停电检修。为保证±800 k V特高压直流输电线路带电更换V型绝缘子串作业人员的安全,基于特高压直流输电线路及相应工具的实际参数,分别建立了采用软梯法和吊篮法进出电场的带电作业仿真模型。在不同的等电位作业人员与导线距离下,利用有限元法计算了不同进出电场方式的作业人员体表场强,从不同路径上作业人员体表场强大小这一角度,通过分析对比确定了基于吊篮法的进出电场方式;同时利用有限元法计算了等电位位置处作业人员体表场强,提出了带电作业人员的安全防护措施。现场应用表明:通过采用提出的进出电场方式圆满完成了带电更换特高压直流输电线路V型绝缘子串作业,可为后续特高压带电作业进出电场方式的选取提供参考。