地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。

部分饱和岩石的黏弹性Chapman-Kelvin模型的正演模拟方法研究

在讨论地震波传播理论时,大部分情况下是把地震波看作弹性波.事实上,地下介质是非完全弹性介质,这使得传统的均匀、完全弹性介质理论受到了严重挑战.地震波在裂隙岩石中传播受裂隙系统和流体含量的影响较大,以往许多关于频变各向异性的理论大多局限于单相流体假设,但是几乎所有储层中通常被一种以上的流体部分饱和或完全饱和.本文在Chapman理论基础上,提出了基于部分饱和的黏弹性Chapman-Kelvin模型的正演模拟新方法,以提高对部分饱和岩石的黏弹性地震波频变各向异性的认识.该方法基于Chapman和Kelvin理论模型,计算了双相不混溶流体饱和裂隙岩石中的黏弹性波频变各向异性弹性系数的表达式,提出包含喷射流和斑块效应的统一地震波传播的黏弹性Chapman-Kelvin新模型.通过对新模型进行数值试验,讨论了无裂缝和存在裂缝两种情况下,含裂隙储层部分饱和岩石中耦合的喷射流和斑块效应对黏弹性介质频变各向异性的影响.试验结果反映出黏弹性介质下地震波频变各向异性的变化规律,验证了本文提出的新方法和新模型正确.本文将黏弹性介质各向异性与裂缝中的流体流动参数相联系,有利于提高对含裂缝储层部分饱和岩石的黏弹性波频变地震各向异性的认识,以及地震学与油藏工程的结合程度.

基于Kelvin模型的圆形巷道位移反分析的唯一性

讨论了黏弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性问题。以Kelvin模型为研究对象,在圆形巷道位移解析解的基础上,利用参数可辨识条件,对岩体参数进行了位移反分析唯一性的研究。结果表明:无论测量出多少个测点的位移,都不能唯一地反分析出所有岩体参数,至少要已知2个参数,才有可能唯一地反分析出其余参数;随着已知参数的增多,各参数的可辨识性逐渐增强;竖向地应力与水平地应力是否相等,且二者作为已知条件时其大小是否为0对反分析结果有较为明显的影响;适当减少待反演参数的数量对提升反分析结果的唯一性有显著影响;所有参数中地应力具有最好的可辨识性,其次是弹性模量,泊松比及黏滞系数最差。

基于支持向量机的架空直立式码头船舶撞击力预测模型

针对现有结构监测方法尚无法对码头的不规范靠泊进行实时监测的问题。提出了一种基于支持向量机的预测模型用于对架空直立式码头船舶撞击力的实时监测。结合架空直立式码头的结构特点,基于广义结构刚度对码头桩基的重要性进行评估,对监测桩基进行优化选择。以重庆新田港码头一期第10结构段为概化研究对象,按1:20的比尺构建码头物理模型,模拟不规范靠泊作用。将采集的优化桩基的应变数据用预测模型进行训练与验证。该预测模型对于撞击力的作用位置识别精度为0.98,对于撞击力的作用强度预测的平均相对误差为0.234%。

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤,建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型,结合海底管道实际工作条件的变化范围,分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律,将6个参数作为输入层参数,以管道损伤作为输出参数,将数值模拟结果作为训练样本,通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明:坠物撞击能量越大,管道损伤越大,管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓;管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加,管道损伤减小;饱和黏土海床不排水抗剪强度越大,管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型,仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数,模型简单、便捷,能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤,数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件,具有很好的适用性,为海底管道损伤预测提供了新思路。

有限元方法在脑震荡领域的热点:脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进

背景:由身体接触性运动或交通事故造成的脑震荡远比人们想象的更为严重与常见,近年来引起了媒体、医学界及体育界的广泛关注与高度重视。目的:采用文献计量学方法对有限元方法在脑震荡领域的研究热点与趋势进行可视化分析,从而为中国在该领域的研究提供一定的参考。方法:基于Web of Science核心集数据库进行文献检索,检索主题词策略为(TS=(Concussion)) AND TS=(Finite element),利用CiteSpace 6.2.R4可视化工具对纳入文献的作者、国家、机构、关键词及被引文献等进行可视化分析。结果与结论:(1)共计纳入215篇文献,发文量与被引量总体上呈上升趋势;学科分布涉及生物医学工程、生物物理学、运动科学、临床神经学及神经科学等学科,呈现多学科交叉融合的趋势;发文量最多的作者是来自爱尔兰都柏林大学的Gilchrist M,发文量最多的机构是渥太华大学,发文量最多的国家是美国。(2)通过关键词分析发现研究的热点聚焦于脑损伤模型的建立用来模拟和预测脑震荡的损伤;脑震荡损伤机制的解析;防护设备和装置的优化设计。(3)通过文献共被引分析发现脑损伤的预测与评估是该领域的知识基础亦是研究热点。(4)有限元方法运用在脑震荡领域的研究热点主要围绕头部损伤预测为主题展开,结合探索大脑损伤机制以及防护装备的设计与改进。(5)随着人工智能与材料学的进步,未来有限元方法在脑震荡损伤领域的研究热点将集中于脑损伤模型、测试方法与防护装备的改进。

优秀女子橄榄球运动员肩扑搂下肢运动模型及其肌力对撞击力量的影响

目的建立肩扑搂下肢运动模型,分析其肌群运动特征,为技术学习和专项力量训练提供理论参考与依据,提高技术水平和防守能力。方法采用力量测试仪、测力台、肌电、Vicon等系统测试18名女子橄榄球运动员肩扑搂生物力学指标,运用OpenSim Static Optimization(OSO)软件建立下肢运动模型。结果①肩扑搂撞击平均力量为体质量的0.86~1.25倍;②同一体位肩扑搂下肢肌群肌力左右侧存在显著性差异(P<0.05)。③不同体位下肢同侧同名肌群平均肌力:正架肩扑搂右侧股四头肌高位与低位、左侧股四头肌高位与中位、左右侧腓肠肌高位与中低位存在显著性差异(P<0.05)。④肩扑搂下肢肌群肌力与肩扑搂撞击力量呈正相关关系。结论①肩扑搂蹬伸以髋关节臀大肌、优势侧膝关节股四头肌和非优势侧踝关节腓肠肌为主左右侧平衡发力。②在肩扑搂技术中下肢优势侧踝关节是运动链中的薄弱环节,优势侧踝关节腓肠肌收缩力量平均为体质量的0.26~1.45倍,最大为体质量的1.20~3.08倍,是下肢运动肌肉链中的薄弱肌群。

混合相结冰条件下多段翼的撞击黏附与积冰的数值模拟

随着飞机结冰问题研究的深入,混合相结冰问题已经成为研究热点。本文使用了阻力模型、黏附模型和结冰热力学模型来计算混合相结冰条件下的准三维多端翼的结冰情况。首先对多段翼进行了网格划分和空气流场计算。然后进行了数值模拟计算,分析了混合相结冰条件下冰晶的撞击、黏附和积冰特征。结果表明,在本研究的条件下,冰晶的黏附质量流量很高,会对飞行安全造成威胁,并且冰晶在溢流水区域也会发生黏附。此外,随着液态水含量(Liquid water content,LWC)与总水含量(Total water content,TWC)比值的升高,冰晶更容易黏附在表面并参与表面结冰。

子弹撞击下CL-20基PBX装药响应研究

为了提高战斗部安全性,指导CL-20基PBX炸药在战斗部装药中的应用和设计,开展了基于子弹撞击试验的典型战斗部撞击响应特性研究。进行了子弹撞击试验,通过分析战斗部响应后的超压数据、验证板穿孔、试验影像和试验样品回收等,评估了子弹撞击战斗部的反应等级。结果表明,子弹撞击试验中,子弹速度为836 m/s,战斗部在子弹撞击下发生了爆轰等级的反应。此外,开展了不同撞击条件下战斗部安全性数值模拟,研究了不同撞击速度下战斗部的反应过程。结果表明,子弹以850 m/s和750 m/s撞击时,战斗部分别发生爆轰和燃烧等级的反应。该研究为典型战斗部的撞击响应预测及反应等级评价提供了数据支撑。

基于Kelvin模型的曲线梁桥地震碰撞响应分析

选取西北地区某立交桥为研究对象,基于Kelvin碰撞模型,对结构进行地震作用下的碰撞力、位移、内力、应力进行非线性时程分析。计算结果表明,地震作用下桥梁结构的碰撞力、碰撞次数与地震动输入的方向是密切相关的,碰撞作用产生的碰撞力大小是影响结构梁体切向、径向位移的最主要因素,碰撞作用对梁体跨中拉应力的影响很小,而对梁体跨中和梁端压应力的影响很大,特别对靠近碰撞单元的梁孔影响更加显著。

考虑复合故障和撞击力的滚动轴承动力学建模研究

滚动轴承是一种广泛应用于机械领域的零部件,动力学建模对提高滚动轴承性能具有重要意义。对由于滚动体与故障边缘接触而产生的撞击力激励函数进行推导,随着故障宽度及转速的增大,撞击力不断增大。建立一种考虑内外圈复合故障、撞击力激励函数、滚动体随机滑动因素的四自由度滚动轴承动力学模型,采用数值计算方法对动力学模型进行仿真求解。通过试验得到不同转速下滚动轴承的振动响应,验证动力学模型的正确性。

多层甲板邮轮模型的降噪技术试验研究

为了研究邮轮上层甲板舱室乘客的休闲娱乐和生活活动噪声对下层甲板舱室乘客舒适性体验的影响,设计不同的甲板降噪技术,以浮动地板、阻尼+钢片以及阻尼+钢片+矿物棉等3种材料为主要敷层,构建三甲板二层舱室的邮轮样板舱,采用撞击声模拟上层甲板的活动噪声。隔层噪声测量结果为:噪声声压级均随频率增加而下降;降噪层以阻尼+钢片+矿物棉为主的全频率噪声声压级低于45 dB,达到规范噪声控制要求;浮动地板隔层声压级在低频段超出45d B。结果表明以阻尼+钢片+矿物棉为主要敷层,具有良好的隔层降噪效果。

温度对撞击器内颗粒沉积粒径影响的研究

微颗粒的性质几乎与颗粒的粒径紧密相关,为研究气溶胶粒子特性,需获取颗粒粒径分布信息.惯性撞击器是一种基于惯性原理实现大气中不同粒径颗粒沉积分离的装置,在实际使用过程中,经历复杂多变的环境.文章利用拉格朗日多相(LMP)模型对撞击器内的气-固两相流动进行数值模拟,使用有限体积方法(FVM)研究了在绝热和换热两种情况下,气溶胶温度变化(-40℃~60℃)对颗粒沉积率的作用,并分析其对颗粒粒径分离的影响.结果表明:在壁面绝热情况下,随着气溶胶温度的升高,颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散,颗粒收集效率逐渐降低,颗粒收集数量减少;在气溶胶和壁面换热情况下,随着气溶胶温度的升高,大颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散,颗粒收集效率降低,小颗粒正好相反.此外,不同气溶胶温度下的颗粒收集效率曲线存在一个交点,交点两侧大小颗粒的收集效率随温度的变化情况相反.通过研究温度对撞击器颗粒收集的影响,可以对颗粒分径结果进行修正,获得更精确的粒径分布.

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明:低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。

基于牙城湾特大桥的船舶撞击力研究

依托牙城湾特大桥,采用Midas建立全桥杆系模型,计算上部结构对主墩截面的作用反力,并结合仿真分析软件LS-DYNA,建立了DWT3000t船舶撞击牙城湾特大桥主塔承台分析模型,撞击力计算结果与经验公式结果进行对比。并基于建立的船撞桥有限元分析模型,调整船舶与承台的撞击角度。结果表明,船舶撞击力随夹角α的增大呈现减小的变化趋势,且撞击力峰值减小速度越来越快。基于仿真分析结果,对牙城湾特大桥增设主动防撞预警标志及橡胶护舷被动防船撞设施,有效增强了桥梁结构及通行船舶的安全性。

修正广义Kelvin蠕变固结模型研究

软土变形的时效特性产生于蠕变和固结,但蠕变和固结基于不同的变形机制,因此研究蠕变固结耦合效应的计算模型对于软土工程来说是十分重要的。采用将非线性本构模型和Biot固结模型耦合的方法,建立修正的广义Kelvin蠕变固结模型,即非线性弹-黏弹固结模型。首先,根据软土室内试验成果分析变形机制和应变随应力和时间的变化规律,找到函数拟合关系;其次,将Duncan模型和修正的广义Kelvin模型相结合,建立描述上述函数拟合关系的本构模型。然后,将该本构模型代入Biot固结理论的平衡方程,并提出基于非线性变形特征的蠕变固结模型。该模型共有14个模型参数,包括8个Duncan参数,均可通过常规三轴试验确定。通过一个实际工程的计算,完成该模型的计算流程,并对计算结果进行分析和比较,验证所建模型的有效性,探讨软土蠕变对地基中孔隙水压力及应力水平的影响,在此基础上获得一些有益的结论。研究结果表明,采用修正的广义Kelvin蠕变固结模型进行软土变形特性分析是一种合理的方法,具有模型机制明确、参数确定方法简单的优点。另外,虽然蠕变和固结都会给工程带来工后沉降问题,但两者对工程的影响是不一样的,改善地基的排水条件可弱化蠕变效应并提高工程的安全度。

不同湍流模型比较模拟撞击流

构造了计算撞击流流场分布的数值简化模型,并用有限容积法对间距为H的两个对置平板喷嘴间的湍流作用区域进行数值模拟研究.数值模拟采用了三种湍流模型:标准的k-ε模型、RNGk-ε模型(renormali-zation groupk-εmodel)以及雷诺应力模型.数值模拟数据的有效性通过将模拟结果与由对环境温度下两对置喷嘴之间的撞击流试验的结果比较得到证实.通过与实验数据的比较发现,由于考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,RNGk-ε模型在撞击流区域获得的结果要好于用标准k-ε模型和雷诺应力模型获得的结果.

超高车辆撞击钢桥上部结构模型试验研究

针对当前城市交通中凸显的车桥碰撞问题,设计了超高罐车撞击钢箱梁桥和钢板梁桥的缩尺模型试验,并采用动力非线性有限元对撞击试验进行了数值模拟。试验结果表明不同桥型在超高车辆的撞击下,其破坏模式有着明显的差别,钢箱梁桥以整体变形为主,钢板梁桥以局部冲切变形为主。建立的有限元模型和试验结果吻合良好。

高桩基础水平静载和撞击模型试验研究

开展了水平静力和撞击荷载作用下高桩基础的1g大比例模型试验研究,测试获得了桩顶水平静动力作用力、桩身水平静力变形、桩身水平振动响应、桩身静动力弯矩及桩侧静动力土压力等。发现由实测桩身静力弯矩推算的桩周土反力规律与实测静态桩周土压力规律较为一致;水平撞击荷载作用下,动态桩周土反力与撞击力时程曲线密切相关。结合弹性地基梁线弹性动力模型及静动力p–y曲线模型的分析揭示了桩土静动力相互作用机理及其对桩基内力和变形的影响规律。综合比较了上述分析模型的理论计算结果及试验实测结果,推荐采用复合刚度动力p–y曲线模型分析水平撞击荷载作用下的高桩基础,其分析结果与实测桩身振动响应和内力均吻合良好。最后采用该模型对现场防撞桩进行了防撞分析。

基于多尺度模型的RC框架撞击倒塌响应数值分析

为了在保证计算精度的同时提高撞击荷载作用下RC框架结构连续倒塌分析的计算效率,基于有限元软件LS-DYNA,建立了撞击响应分析的多尺度模型。针对该模型分别采用拆除构件法和撞击全过程分析法分析了撞击荷载下框架结构的连续倒塌动力响应。结果表明:拆除构件法在分析撞击作用下结构的连续倒塌时,由于忽略了撞击力及其对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,不能合理反映撞击作用下框架结构的破坏模式;多尺度模型能够准确模拟撞击作用下框架结构的动力响应和破坏模式,同时计算时间仅为精细模型的三分之一,满足整体结构系统撞击倒塌分析的需要。