Nonlinear semi-analytical modeling of liquid sloshing in rectangular container with horizontal baffles

A nonlinear semi-analytical scheme is proposed for investigating the finiteamplitude nonlinear sloshing in a horizontally baffled rectangular liquid container under the seismic excitation.The sub-domain method is developed to analytically derive the modal behaviors of the baffled linear sloshing.The viscosity dissipation effects from the interior liquid and boundary layers are considered.With the introduction of the generalized time-dependent coordinates,the surface wave elevation and velocity potential are represented by a series of linear modal eigenfunctions.The infinite-dimensional modal system of the nonlinear sloshing is formulated based on the Bateman-Luke variational principle,which is further reduced to the finite-dimensional modal system by using the NarimanovMoiseev asymptotic ordering.The base force and overturning moment induced by the nonlinear sloshing are derived as the functions of the generalized time-dependent coordinates.The present results match well with the available analytical,numerical,and experimental results.The paper examines the surface wave elevation,base force,and overturning moment versus the baffle parameters and excitation amplitude in detail.

Spontaneous emission of a moving atom in a waveguide of rectangular cross section

We study the spontaneous emission(SE) of an excited nonrelativistic two-level system(TLS) interacting with the vacuum in a waveguide of rectangular cross section. All TLS’s transitions and the center-of-mass motion of the TLS are taken into account. The SE rate and the carried frequency of the emitted photon for the TLS initially being at rest are obtained, it is found that in the first order of the mass M, the frequency of the emitted photon is smaller than the transition frequency of the TLS and the SE rate is smaller than the SE rate Γfof the TLS fixed in the same waveguide. The SE rate for the TLS initially being moving is obtained in the second order of the mass M. The SE rate is smaller than Γfbut it is dependent not only on the atomic mass but also on the initial momentum. The carried frequency of the emitted photon is decreased when it travels along the direction of the initial momentum, whereas it is increased when it travels in the opposite direction of the initial momentum.

Study of Rectangular Underexpanded Microjets

The underexpanded microjet emerging from a rectangular convergent nozzle with a high aspect ratio at the nozzle exit is investigated numerically using the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulation with the Menter’s shear stress transport (SST) k-ω turbulence model. The simulation is performed at the nozzle pressure ratio of 5.0 to produce a strong shock and it is validated by a comparison with a rainbow schlieren picture of the microjet. The three-dimensional structure of the shock-containing rectangular microjet is demonstrated using the isopycnic surface and bright-field schlieren representations.

Chaotic Motion Analysis for a Coupled Magnetic-Flow-Mechanical Model of the Rectangular Conductive Thin Plate

The chaotic motion behavior of the rectangular conductive thin plate that is simply supported on four sides by airflow andmechanical external excitation in a magnetic field is studied.According to Kirchhoff’s thin plate theory,considering geometric nonlinearity and using the principle of virtualwork,the nonlinearmotion partial differential equation of the rectangular conductive thin plate is deduced.Using the separate variable method and Galerkin’s method,the system motion partial differential equation is converted into the general equation of the Duffing equation;the Hamilton system is introduced,and the Melnikov function is used to analyze the Hamilton system,and obtain the critical surface for the existence of chaos.The bifurcation diagram,phase portrait,time history response and Poincarémap of the vibration system are obtained by numerical simulation,and the correctness is demonstrated.The results showthatwhen the ratio of external excitation amplitude to damping coefficient is higher than the critical surface,the system will enter chaotic state.The chaotic motion of the rectangular conductive thin plate is affected by different magnetic field distributions and airflow.

Free Vibration Analysis of Rectangular Plate with Cutouts under Elastic Boundary Conditions in Independent Coordinate Coupling Method

Based on Kirchhoff plate theory and the Rayleigh-Ritz method,the model for free vibration of rectangular plate with rectangular cutouts under arbitrary elastic boundary conditions is established by using the improved Fourier series in combination with the independent coordinate coupling method(ICCM).The effect of the cutout is taken into account by subtracting the energies of the cutouts from the total energies of the whole plate.The vibration displacement function of the hole domain is based on the coordinate system of the hole domain in this method.From the continuity condition of the vibration displacement function at the cutout,the transition matrix between the two coordinate systems is constructed,and the mass and stiffness matrices are completely obtained.As a result,the calculation is simplified and the computational efficiency of the solution is improved.In this paper,numerical examples and modal experiments are presented to validate the effectiveness of the modeling methods,and parameters related to influencing factors of the rectangular plate are analyzed to study the vibration characteristics.

基于PTFE矩形密封圈的高压容器密封结构设计

PTFE矩形密封圈具有耐化学性能好、截面稳定性高等优点,可以有效解决腐蚀性介质的密封问题。但在实际使用中,PTFE矩形密封圈及其适配沟槽的尺寸设计缺乏参考依据。针对上述问题,根据高压容器端面密封结构的形状与受力特征,在Ansys Workbench中建立PTFE矩形密封圈的二维轴对称模型,采用双线性等向强化模型表征PTFE的力学性能,对基于PTFE矩形密封圈的高压容器端面密封结构进行分析和设计,讨论压缩率、PTFE矩形密封圈几何参数和沟槽结构参数对高压容器端面密封性能的影响。结果表明,压缩率、矩形圈的高度和宽度以及矩形圈与沟槽侧壁的间隙对密封性能的影响较大,而内径对密封性能的影响较小,因而设计时应优先考虑沟槽深度、矩形圈的截面尺寸以及与沟槽的装配位置等参数。确定PTFE矩形密封圈及适配沟槽的尺寸后,采用有限元仿真手段验证了设计的密封结构在常温30 MPa高压下的密封性能,证实了设计的合理性。

磁场诱导矩形通道内铁磁流体流动及强化传热

为深入研究外加磁场作用下矩形通道中铁磁流体的流动及换热性能,基于有限体积法对其进行数值仿真计算。分析铁磁流体在不同雷诺数Re、磁场强度B下对努塞尔数Nu及流体阻力系数f的影响,重点对比3种热边界条件下磁场诱导铁磁流体旋流流动的特点、强化传热效果及综合强化性能。结果表明:当外加磁场作用于铁磁流体时,由于磁场-流场-温度场的协同作用,3种热边界条件下,矩形通道内的铁磁流体均产生不同结构的旋流流动,明显强化其传热效果,且施加的磁场强度越大,强化传热效果越好,综合性能更优。在研究范围内,通过对3种热边界条件的比较,四面受热、上下两面受热和底面受热的综合强化因子最大值分别达到了1.372、2.277、2.299。

基于遗传算法的大型矩形压力容器刚强度优化设计

为了解决矩形压力容器承压能力较差、应力状态较复杂、结构优化设计难度高的难题,利用遗传算法可自适应调整搜索方向这一特性,开展了某矩形特征水洞试验段的刚强度优化设计。厘清了该工程问题的约束条件,开展了结构初步设计,采用手动迭代开展了结构优化设计;并在完成参数化建模与仿真、构建代理模型、建立优化设计流程的基础上,基于遗传算法开展了该水洞试验段的结构优化设计。该方法与初步设计结果相比,减重34.98%;与手动迭代优化设计结果相比,减重10.49%。

基于跌坎压力自相似分布的明渠水深−流量关系推求

明渠流量计量是高效灌溉、合理分配水资源和进行用水有效管理的重要手段。跌水是常见的明渠水流上下游衔接的水利设施。当跌落水流不受跌坎下游水流影响时形成自由跌流,可用于明渠流量的精确计量。受自由跌流影响,跌坎断面水流由缓流向急流转变,压力分布显著偏离静水压力分布规律。而获得跌坎压力分布及其准确描述方程则正是明渠自由跌流流量公式推求的关键,其准确与否决定了利用跌流进行流量计量的精度。本文首先通过模型试验和数值计算对矩形明渠自由跌流的断面压力分布特征进行研究,而后利用理论推导建立了明渠跌流的水深−流量关系公式。研究发现,明渠跌水跌坎断面压力呈典型自相似分布规律,其无量纲压力值分布倾向于一条曲线,压力最大值为0.238he(he为跌坎水深),出现在竖向距跌坎0.209he水深处,并且压力自相似分布规律与明渠流量、渠道底坡和边壁糙率无关。在此基础上,结合幂函数和尾迹函数提出了描述跌坎断面压力分布的函数方程,并给出了最大压力和最大压力位置的计算公式,然后根据动量方程和流量连续方程推求了明渠自由跌流的流量计算公式。最后,对本文和其他研究者提出的流量计算公式采用试验数据进行了对比分析,结果表明:本文提出的流量公式在明渠流量为5~100 L/s,底坡为–0.0112~0.0534、糙率为0.0930~0.0193的研究范围内,具有更高的精度和适用性,计算误差在±5%之内,可适用于该流量、底坡和边壁糙率范围内矩形明渠自由跌流的流量精确计算。本文研究结果对于利用自由跌流进行明渠流量计量提供了理论与技术支撑,具有重要的工程应用价值。

基于回归分析法的矩形槽圆管吸能特性研究

为了研究矩形槽圆管吸能特性规律,提出了一种基于回归分析法的结构参数与吸能特性关系的拟合方法。针对轴向冲击下的圆管动态响应,首先,建立了6005A-T6材料的Cowper-Symonds本构模型,并验证了仿真模型的准确性;其次,设计了正交试验,建立了吸能特性与结构参数之间的计算模型;然后,利用多元线性与非线性回归分析方法对计算模型参数求解,并对比了两种拟合结果,得到了峰值力和吸能量的经验公式;接着,对比经验公式与有限元数值计算值表明,经验公式在研究范围内具有较高准确性,误差在8%以内;最后,引入吸能性能指标并使用遗传算法对圆管进行了结构优化,优化结果表明,在研究范围内当直径和槽端距最小、壁厚和槽宽最大、槽深最浅时,矩形槽圆管的吸能性能最优。

工字形钢梁-矩形钢管柱单向螺栓节点抗弯承载力理论计算方法

针对工字形纯钢梁和钢-混凝土组合梁分别与矩形钢管柱和矩形钢管混凝土柱采用单向螺栓(也称单边拧紧螺栓)连接形成的4种节点形式,对其在弯矩作用下的受力机理及破坏模式进行分析,讨论导致节点失效的因素。总结节点在弯矩作用下的9种失效模式,包括:单向螺栓拉断、端板受弯屈服、矩形钢管柱壁翼板受拉屈服、矩形钢管柱壁翼板受压屈服、矩形钢管柱壁腹板受压屈曲、混凝土楼板局部压溃、钢筋屈服、矩形钢管柱内混凝土局部压溃、矩形钢管柱壁腹板受压屈服,进而基于破坏模式给出节点各组件承载力的计算公式。对4种节点在不同破坏模式下的正弯矩承载力和负弯矩承载力进行分析,给出节点承载力计算公式。将节点抗弯承载力的理论计算结果与试验结果进行对比,验证理论计算方法的可靠性。

新型空心管状翼缘钢板组合梁设计理念与力学性能

工字钢组合梁桥正朝着少主梁、精简横向联系的方向发展。与传统多主梁复杂横向联系组合梁桥相比,双主梁桥由于采用了开口截面的结构形式,极大地削弱了其抗扭能力,在偏载作用下会产生较大的变形及翘曲应力,使钢主梁处于弯扭耦合的受力状态。空心管状翼缘钢板组合梁采用空心钢管取代传统的平板上翼缘,提升了稳定性,改善了结构性能。本文通过理论分析和实体有限元法的计算,研究了单梁在自重与横向风荷载作用下的稳定性;对非组合截面的组合体系下的稳定性能进行了分析与比较,并分离出扭转翘曲应力和纵向正应力,研究了不同跨径下扭转效应的影响。最后,对横向联系、加劲肋的影响进行了分析。研究结果表明,空心管状翼缘钢板组合梁桥扭转刚度大于传统工字形截面组合梁扭转刚度,自身横向稳定性好,并且需要较少的横向联系与加劲肋,可实现单梁吊装,避免采用过多临时加固及支撑措施,提高施工效率。

大高宽比矩形腔体侧向正弦加热下对流扰动的成长和传热特性

为了研究矩形腔体侧向正弦周期加热条件下对流扰动的成长和传热特性,本研究对流体力学方程组进行了数值模拟。结果表明:随着格拉晓夫数Gr的增加,对流扰动的最大振幅Amax的成长率变大,线性成长阶段的时间变短。对于高宽比A=10,腔体宽度d=2cm的腔体,普朗特数Pr=6.949的流体,对流扰动的成长率γ_(m)随着格拉晓夫数Gr变化的经验式为γ_(m)=9×10^(-8)Gr^(1.2343);对于高宽比A=10、腔体宽度d=6cm的腔体,普朗特数Pr=0.703的流体,成长率m随着格拉晓夫数Gr的变化关系式为m=8×10^(-4)Cr^(0.52)。当Pr=0.0272时,热壁面平均努塞尔数Nu和格拉晓夫数Gr的关联式为Nu=0.00002Gr^(1.17);当Pr=6.949时,Nu=0.00024Gr^(1.05)。随着格拉晓夫数Gr数增加,右壁面的传热能力增强。

基于LBM的典型建筑布局树木风环境模拟

在建筑方案设计阶段定量评估景观绿植对建筑风环境影响,对于提高行人区域热舒适性具有重要实践意义。结合格子玻尔兹曼计算流体力学方法和多孔介质模型,开展了边界层流场-建筑-树木耦合模拟和关键参数验证,针对城市街道区域典型矩形建筑平面布局存在的风速加速现象,开展树木挡风效应分析。研究结果表明:模拟方法能够重现出与试验吻合一致的树木尾流区平均风速和湍流特征;基于不同阻力系数的树木透孔率对树木背风区下游1H~3H范围内挡风效应影响明显;基于等效原则提出的圆柱体简化模型能够计算出与树木原型一致的挡风效应变化规律;建筑两侧和迎风端布置合理间距的树木能够减小矩形建筑两侧风速加速比和加速区域面积,可以通过经济合理的树木布置方案实现建筑周围风环境舒适度优化和通风廊道畅通。研究成果可应用于景观植被风环境优化设计,为方案设计阶段绿色建筑自然通风评估提供新的计算参考。

思政元素融入混凝土结构课程的教学设计--以单筋矩形截面梁承载力设计为例

土木工程专业的课程思政设计是实现专业课程与思政课同步前行的重要举措,也是培养社会主义合格建设者和可靠接班人的重要途径。混凝土结构系列课程在土木工程专业课程体系中占据重要的地位,因此,在对课程教学背景和学情分析的基础上,以单筋矩形截面梁承载力设计知识单元为例,基于OBE理念,将思政元素融入教学设计,从课程目标、课程内容、教学过程设计、教学方法设计及教学实施方面,探讨如何合理、科学地将思政元素引入课程教学设计的各个环节,不仅解决专业教育和思政教育“两张皮”问题,且对学生的自主学习能力和学习热情起到积极的促进作用,另外对其他专业课具有引领和示范作用。

矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

矩形大开孔外压薄壁圆柱壳结构稳定性研究

以含矩形大开孔的薄壁圆柱壳结构为研究对象,利用ANSYS Workbench软件对其进行了屈曲分析,研究了不同的几何影响因素和材料参数与其临界失稳载荷和屈曲行为的关系。结果表明:结构的临界失稳载荷主要影响因素为壳体的径厚比;在弹性模量不变的情况下,临界失稳载荷与材料的屈服强度近似为线性关系;径厚比和材料参数的改变并不会改变结构的屈曲行为和趋势。

大截面矩形顶管施工对既有管线影响研究

顶管施工会扰动邻近建筑物,危及工程安全。该文以苏州市城北路综合管廊元和塘段顶管工程为背景,通过ABAQUS有限元分析软件建立三维模型,研究顶管下穿地下管线施工对管周土及既有管线影响,并基于极限分析方法探讨了管线失稳模式。结果表明:大直径矩形顶管顶进方向的影响范围约为2倍顶管宽度,两侧的影响范围约为1倍顶管宽度,地下管线到顶管轴线的水平距离为0.5倍~1倍顶管宽度时,应注意管线受到的水平方向附加荷载是否会导致管线破坏;管线与顶管相对位置对管线破坏影响较为显著,越靠近顶管的管线破坏越严重,滑移线由顶管两侧经由管线向地面发展,破坏部位由管线顶部两侧延伸至底部;除受与顶管相对位置影响外,管线破坏模式还受矩形顶管形状影响,管线顶部及靠近顶管顶角区域破坏风险最大。

狭窄空间内矩形导体电流测量装置设计与优化

针对狭窄空间内矩形导体电流测量,提出了一种基于霍尔元件椭圆阵列的电流测量装置,通过理论计算和有限元仿真分析确定了相对最优的阵列分布,搭建实验平台并通过实验验证了该方法的可行性,以及导体偏心状态下电流测量的有效性,同时分析了导体偏心状态下的电流测量偏心误差。仿真和实验结果表明,椭圆阵列电流测量装置在行业允许的±1%误差限内,允许导线X轴偏心-4.1~4.1 mm,Y轴无限制;且与传统电流测量装置相比,重量减轻82.9%,安装占用面积减小72.4%,对狭窄空间的适用性更强,为新能源产品轻量化、小型化、持续降本提供了技术支持。

四边不同支承条件下矩形板的结构计算

采用带补充项的傅立叶级数作为挠度函数,针对四边不同支承矩形薄板,推导了确定待定系数的方程组,给出可处理简支边、固支边和自由边任意组合条件下统一的结构计算公式.探讨了集中荷载作用处弯矩级数解不收敛的处理办法,以及双向板简化为单向板需要达到的长宽比问题.结果表明,集中荷载作用处的弯矩,可采用挠度值按中心差分公式进行计算,差分步长可取10 mm.对边支承对边自由板及一边固支三边自由板,可视作单向板.当四边支承板的长宽比达到2∶1、2.5∶1及4.5∶1时,可分别简化为两端固支、一端简支一端固支及两端简支单向板.三边支承一边自由板长宽比达到1∶1及2∶1时,可分别简化为两端固支(及一端简支一端固支)及两端简支单向板;长宽比达到6∶1时,可简化为悬臂单向板.两邻边支承两邻边自由板若要简化为悬臂单向板,在两支承边为固支时,长宽比需要达到2∶1;在支承边为一边简支一边固支时,长宽比要达到1.5∶1.