基于多目标拓扑优化的复合低屈服点钢阻尼器减震性能分析

鉴于传统低屈服点钢板阻尼器屈服点较高且不能调控的缺点,提出了由低屈服点钢板和普通钢板组合的复合低屈服点钢板阻尼器。提出包括边缘镂空、内部镂空和椭圆镂空等三种钢板阻尼器的新型镂空形式,并将"最大刚度"和"满应力状态"同时作为优化目标,通过交替优化方法对不同镂空形状进行拓扑优化,获得最优形状;对不同形式的复合钢板阻尼器进行有限元数值计算,计算结果表明内部优化模型阻尼器和边缘优化模型阻尼器初始刚度较大、滞回曲线饱满且无应力集中现象。对不同材料配比的两种优化模型阻尼器进行了数值模拟,验证提出的复合钢板阻尼器的屈服点具备可调性;对装有两种优化模型阻尼器的框架整体抗震减震能力进行了仿真分析,结果表明边缘优化模型阻尼器耗能能力更优越,适合应用。

地下洞室拱部全长粘结式锚索受力全过程研究

利用模型试验中的材料参数和获得的结果,采用数值仿真的方法,对设置在地下洞室拱顶部位全长粘结式锚索在洞室开挖、爆破动荷载及爆炸波传播后锚索的受力全过程及性能进行了计算分析,给出了洞室拱顶部位围岩变形过程、锚索轴力峰值和剪力峰值随时间变化曲线等,对比了不同阶段锚索轴力和剪力受力特点,获得了锚索轴向受力规律和剪切受力规律;提出了合理的全长粘结式预应力锚索设计锚固参数建议,以期优化静动载复杂受力环境下地下洞室围岩预应力锚索的加固设计和施工。

基于FRP筋自感知监测技术的隧道衬砌施工全过程应变分析

作为地下结构,隧道衬砌的隐蔽性导致其全天候的实时监测非常困难。提出了一种基于内嵌光纤自感知纤维增强复合塑料(fiber reinforced plastic,FRP)筋的隧道衬砌智能监测方法,将光纤传感器嵌入FRP材料中形成自感知FRP筋并嵌入隧道衬砌中,实现对隧道衬砌不同位置全天候、长时间、高精度监测,监测结果能够定量给出隧道衬砌环向的实时受力状态,反映裂缝生成风险。采用该智能监测方法对广汕高铁陈塘隧道进行了监测,监测数据反映了隧道衬砌施工全过程的力学机制。影响衬砌结构安全的因素主要有隧道围岩压力、水化热导致的温差应力以及混凝土干缩导致的应力;其中,混凝土水化热产生的温差效应导致衬砌内侧受到较大拉应力,需采取合理的施工措施以避免温差效应引起的拉应力过大而产生温度裂缝。所提出的智能监测方法能够全天候、长时间、实时监测隧道衬砌应力-应变状态,此自感知系统将在隧道运营过程中持续、及时反映隧道衬砌开裂风险,为高速铁路列车的运行安全提供技术保障。

基于偏振态颜色编码的晶体应力双折射成像

提出了一种基于双线偏振CCD-全Stokes参量测量的偏振态色度成像新方法.通过分焦面Stokes参量测量与RGB颜色编码相结合,设计并研制了基于双线偏振CCD-全Stokes参量测量的偏振态色度成像系统.利用该系统,获得了晶体模型应力双折射分布的偏振态色度图像,并与传统的光弹性应力测量法进行了比较,偏振态色度成像法不仅可以较高精度地测量应力双折射率,还可以测量其方向分布.基于偏振态色度成像法的独特优势,结合共焦显微成像技术,对具有双折射效应的单层Sr 2 TiSi 2 O 8微晶进行了偏振态色度成像的研究.结果表明:所提方法能够在一幅图中直观地反映物体的全部特征信息,有效地辨别由于晶体内部结构排列不同而导致的双折射特性差异,还可以通过观察微晶生长过程中双折射特性的变化,获取微晶的生长取向等相关信息.研究结果为功能型微晶材料生长过程的动力学行为研究提供一种简单、有效的可视化方法.

基于应力与时间双阈值的岩石全时态非线性蠕变损伤模型

为了更恰当地描述岩石蠕变损伤过程的非线性变形规律,建立损伤因子与时间的函数,以应力和时间作为控制因素对岩石蠕变阶段进行重新划分,引入瞬时塑性体元件改进Bingham体,串联村山体以及CYJ体分别对蠕变各阶段进行描述,并结合损伤理论对模型中的弹性元件和黏性元件进行处理,建立岩石的一维和三维非线性蠕变损伤模型本构方程。通过室内三轴压缩蠕变分级加载及卸载试验给出岩石蠕变过程中村山体,CYJ体的弹性元件和黏性元件参数演化规律,以及损伤效应的累积发展趋势,并对该过程进行参数识别,对比验证所建立模型的可行性与正确性。研究表明:模型中村山体弹性元件的硬化作用与黏性元件的损伤作用,两者之间的动态演化构成了岩石等速蠕变阶段的变形特点,表现在等时应力–应变曲线中两拐点之间的平衡关系;CYJ体中时间与应力的共同作用促进了黏性元件与岩石自身损伤之间的相互叠加,进一步削弱岩石抵抗变形的能力,从损伤累积发展曲线上可以得到验证,随着应力的增大和时间效应的显现,岩石损伤累积呈现指数增加,岩石的蠕变过程是关于损伤产生→扩散→累积→释放的全过程。在模型参数识别验证中,拟合曲线与试验曲线的相关系数R2达到了0.982,验证了构建的全时态非线性蠕变损伤模型的可行性。采用非线性元件和损伤力学处理相结合的方法来构建岩石的全时态非线性蠕变损伤模型,不仅能够表征整个蠕变过程的损伤演化,而且能够准确描述岩石加速蠕变阶段的非线性变形规律,是对蠕变模型构建方法的一种新的尝试。

全尺寸隔水管在复杂应力状态下的力学特性试验研究

为对隔水管在复杂应力状态下的力学特性进行试验研究,研制了能够模拟高液压环境下管柱力学行为的特殊试验装置——深水管柱力学模拟试验系统,并借助该系统对全尺寸隔水管在受内外压条件下进行了力学特性模拟试验。结果表明:试验系统运行良好,能够有效地按照要求进行加载、卸载。试验中通过对隔水管试件进行内外压加载,同时对系统两端的轴向活塞加压,消除了由于内外压产生的轴向力,实现了在内外压条件下的隔水管力学特性模拟试验。通过在管柱外壁粘贴电阻应变片,得到了其真实径向应变与环向应变随内外压变化的关系曲线,并通过分析计算得到了试件的真实应力状态。由于隔水管加工制造等方面的误差,真实的应变数据、应力状态与理论推导结果并不重合。为了提高深水作业的安全性与经济性,可以借用试验结果对理论推导值进行修正,也说明了用试验方法进行隔水管力学特性研究的重要性。该试验系统为深水作业管柱等的模拟试验提供了一个良好的平台,能够有效降低深水钻采作业的风险,提高深水钻采作业的经济性与安全性,具有较高的推广应用价值。

顶爆条件下全长黏结式锚索的受力研究

采用数值计算的方法,对在洞室拱顶上方爆炸荷载作用下的全长黏结式锚索的受力变化进行了研究。结果表明,顶爆条件下围岩变形的复杂性使得锚索受力变化也极为复杂。在爆炸波传播的前期,锚索受力变化最为剧烈,由整根锚索轴力受拉转变为整根受压,最大压轴力在锚索根部;锚索剪力由在锚索根部附近有负剪力和在锚索头部有正剪力转变为整根锚索均受负剪力,最大剪力峰值产生在锚索根部附近。在爆炸波传播后期,锚索头部附近拉轴力值和范围快速增大,锚索根部附近最大压轴力值和范围快速减小;锚索根部负剪力峰值不断减小,锚索头部临近洞壁岩体内锚索正剪力值和范围不断增大。在顶爆条件下,注浆体与孔壁间的剪力和锚索轴力均较大,为避免锚索轴力过大,以及注浆体与孔壁间抗剪力不足而发生锚索从孔内产生向洞内的移动,甚至被射出,失去加固围岩的能力,需施加小的预应力值和采取措施来增大锚索孔孔壁与注浆体之间的摩阻力。