柯伊伯带尘埃动力学研究进展

回顾了针对柯伊伯带开展的空间探测任务,介绍了柯伊伯带尘埃的2类形成机理和3类破坏机理。在此基础上,总结了前人在柯伊伯带尘埃动力学建模方面所做的工作,探讨了柯伊伯带尘埃表现出的族群迁移机制,以及柯伊伯带尘埃对于内太阳系行星际尘埃的贡献。研究有助于理解太阳系边际与星际空间的尘埃环境,从空间环境安全角度为太阳系边际探测任务的轨道设计提供一定的指导意义。

结构全场工作模态分析的计算机视觉测振方法

介绍了一种基于计算机视觉的结构模态参数辨识方法,对于连续、长时间的采样视频,该方法通过设置局部“虚拟”测点、放大视频切片的处理方式,保证了测量结果的精度和分辨率,同时显著提高了数据处理效率。该方法具体步骤包括:拍摄被测结构在外激励下响应历程的一段视频;通过图像边缘检测算法在结构边缘处设置若干“虚拟”测点;通过光流法提取测点的表观运动响应,并利用随机子空间法辨识结构的模态参数;依次截取与每一阶模态对应的整周期运动视频,通过运动放大算法获得结构的全场工作模态振型。开展了模型飞机的单频振动试验,结果表明视觉测振的频率误差小于频率分辨率。开展了悬臂梁的模态分析试验,利用相机和激光多普勒测振仪同时进行动力学响应测量,结果显示提出的视觉方法与激光多普勒测振仪对悬臂梁结构前五阶模态频率的测量误差不超过0.35%,阻尼比的测量误差不超过14.6%,两者振型的MAC值高于94%,测量结果基本吻合。

磷酸铁锂电池碳纳米管膜加热结构设计及验证

针对磷酸铁锂电池低温环境下的性能衰减问题,设计开发了一种轻质高强、低压安全、高效节能的磷酸铁锂电池抗低温纤维碳纳米管膜加热功能结构并开展了实验验证。采用热压工艺实现了碳纳米管薄膜与复合材料层合结构的一体化成形。实验验证了FCL(fiber carbon-nanotube film laminated composite)加热器良好的温度均匀性、稳定性以及抗热疲劳性能。开展了低温环境下磷酸铁锂电池加热实验,并与传统的PTC(positive temperature coefficient)加热器进行了对比分析,结果表明:相较于传统的PTC加热器,FCL加热器质量减轻了59%,能量消耗降低了3.5%,温升效率提高了26%,功率质量比提升了195%。

平面刚体系统的参数预调节保辛算法

保辛积分方法在约束哈密顿系统中有着重要的应用,是因为其在长时间仿真中表现出极好的稳定性。然而随着仿真时长增加,保辛格式通常具有较大的相位误差累积。本文提出了一种平面多刚体系统的参数预调节保辛积分方法。通过推导具有待定参数的改进的拉格朗日方程,并将其与已有保辛格式相结合并预先调节相关参数取值,可以大幅降低数值解的相位误差。理论分析与数值结果表明参数预调节保辛积分方法不仅保持了辛结构,而且具有很低的相位误差累积。因此,参数预调节保辛积分方法可应用于长时间仿真分析。

考虑相机运动补偿的视觉模态测试方法

基于计算机视觉的结构模态测试方法因其非接触式的特点和全场测量的优势而备受关注,但此类方法对相机运动敏感,通常要求相机固定以保证测量精度。本文提出一种考虑相机运动补偿的视觉模态测试方法,采用基于特征匹配的单应变换对原抖动视频进行校正,补偿相机的六自由度运动以得到稳定视频;在结构表面设置“虚拟视觉传感器”,利用欧拉视角的稠密光流法估计结构的振动响应;通过随机子空间法识别结构的模态参数。为验证所提方法的有效性,通过手持智能手机拍摄的方式采集模拟抖动的视频,并开展悬臂梁的单频振动试验和模态辨识试验。将视觉模态测试结果与扫描式激光多普勒测振仪的测试结果进行比较,前五阶模态频率和阻尼比的平均误差分别低于0.4%和11.5%,模态振型的MAC矩阵对角值高于98%。试验结果表明,所提方法有效地消除了相机运动的干扰,并获得了良好的结构模态参数估计精度。

类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度研究

类矩形装配式地铁车站纵向等效抗弯刚度是衡量其力学行为的重要参数,对于构件结构设计、抗弯承载能力验算具有重要作用。为了分析地铁车站纵向抗弯性能及其影响因素,根据等效连续梁的转角计算公式,得出了纵向等效抗弯刚度(EI)eq及纵向等效抗弯刚度有效率η的隐式表达式。通过截面参数分析,探讨了构件长度对中性轴距离c值、等效抗弯刚度有效率η值、截面最大应力的影响;研究了上下圆弧块厚度、曲率半径、圆心角及半短轴长b值对装配式构件截面上的最大应力的影响规律;为了反映装配式车站环缝实际作用范围,引入了环缝影响系数λ,拓展了类矩形装配式衬砌纵向等效连续化模型。研究结果表明:不同构件长度下截面应力分布状态及η值保持不变,且弯矩方向对其影响较小。在弯矩不变的前提下截面最大应力受半短轴长b值影响较大。当顶板块厚度t1处于0.6~2 m范围时,截面最大拉应力随半短轴长b增加而降低6.8%~9.3%;当底板块厚度t3处于0.6~2 m范围时,随着半短轴长b增加,截面最大压应力降低62.5%~63.6%。随着λ由0增加到1,纵向等效抗弯刚度有效率η由1降低到0.05%且变化趋势逐渐降低,与纵向等效连续化模型计算结论一致。本文研究结论对于装配式地铁车站预制构件结构设计及抗弯承载能力验算可提供有效参考。

木星不规则卫星区域内的尘埃轨道动力学演化特性

木星的不规则卫星在行星际流星体的撞击下,表面会喷发出大量的尘埃粒子。考虑多种摄动力并存的复杂木星系空间环境,采用解析法和数值仿真法相结合的方式,研究了起源于木星系不规则卫星的尘埃粒子在木星不规则卫星区域的轨道动力学演化特性。通过对描述尘埃长期运动演化的轨道平均模型中有效哈密顿守恒量及相图进行分析,可以得到源于顺行卫星的尘埃更多分布在远离太阳的一侧,而源于逆行卫星的尘埃则更多分布在朝向太阳的一侧。对尘埃演化的长期数值仿真可以发现,源于顺行卫星的尘埃轨道比逆行卫星的尘埃轨道更为稳定,并且较大的尘埃颗粒的轨道稳定性更高。

基于黏聚力弱化边界面模型的深部洞室响应分析

在原位地应力和开挖卸载作用下,深部洞室围岩呈现硬化-软化响应,这一特性对洞室力学响应评估和支护结构设计有着重要影响。为研究开挖后深部围岩的硬化-软化响应,基于边界面理论框架,引入黏聚力弱化机制,结合改进的Rowe应力-剪胀规律,构建了深部围岩黏聚力弱化边界面模型,将常见的屈服面-峰值强度面-残余强度面简化为初始(峰值)边界面-残余边界面,避免了屈服面参数测量误差对计算结果的影响。在该本构模型增量化应力-应变关系的基础上,引入Hencky应变以评估洞室大变形工况,并引入辅助变量完成坐标转换,推导了描述深部圆形洞室周围应力场分布的常微分方程组。进一步地,结合深部圆形洞室的地应力环境等边界条件,对常微分方程组进行求解,获得所研究工况下的深部洞室应力分布,并将所得结果与现有解答进行对比校验。随后,分别讨论了相同支护力与不同地应力组合,以及相同地应力与不同支护应力组合等工况下的洞室应力分布。此外,基于所得深部洞室应力分布解答,计算围岩特征曲线并与相关文献进行对比,并讨论残余黏聚力取值对围岩特征曲线的影响。相关结果表明:黏聚力弱化边界面模型可以较好地描述岩石试样的硬化-软化力学行为。采用黏聚力弱化边界面模型可以有效描述深部洞室周围的应力分布,并能为支护设计提供参考。所得的围岩特征曲线能有效反映围岩的响应特征,在中段同支护力下预测的变形值比经典解答略大,残余黏聚力取值对围岩特征曲线影响较大。本文相关结论可为深部洞室支护理论构建、施工方法研发和保障深部洞室安全提供参考。

木星尘埃流动力学仿真过程中的随机充电策略

针对现有尘埃动力学仿真多使用连续充电策略,忽略电荷“量子化”性质对于纳米尺寸尘埃颗粒的影响这一问题,以起源于木卫一的木星尘埃流现象为研究对象,在动力学建模过程中考虑随机充电过程,以更合理地模拟纳米尺寸尘埃颗粒表面电量和轨迹的演化过程。随机充电模型仿真结果表明,只有8~200 nm尺寸范围内的尘埃颗粒可以以6~240 km/s的速度从木星磁层中逃逸。与连续充电模型的仿真结果进行对比,发现对于携带少量电荷的极小尺寸的尘埃颗粒而言,在其动力学模拟过程中考虑充电机制的“量子化”和“随机性”特点是必要的。最后通过简化模型针对尘埃流颗粒的尺寸范围进行了估计,理论结果和随机充电模型仿真结果基本相符。木星系统奇特的等离子体环境和磁场环境共同塑造了尘埃流现象,而随机充电过程则进一步使得尘埃颗粒的轨迹演化变得复杂多样。

湍流普朗特数模型对水平圆管内sCO_(2)传热预测的影响

基于SST k-ω湍流模型系统探究了典型湍流普朗特数模型对水平圆管内超临界二氧化碳传热数值模拟的影响,并通过与实验数据的对比,分析不同湍流普朗特数模型的预测能力。结果表明:在弱浮升力效应下,定常湍流普朗特数(Prt=0.85)模型具有较可靠的预测能力,预测的壁温最大偏差小于5 K;但在强浮升力效应下,Prt=0.85时计算出现较大偏差,而引入的现有典型变湍流普朗特数修正模型改善效果不佳。经深层次分析发现,湍流普朗特数模型对超临界二氧化碳流动传热边界层的影响显著,从而决定湍流传热性能。

管壁局部粗糙对水平超临界二氧化碳湍流传热的影响

为改善水平管内超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))湍流传热,该文对管壁引入简易的均匀砂粗糙,并基于水平超临界流动传热特征,创新性地提出上壁面(传热恶化)附近特定区域粗糙化方案。模拟计算中,采用k-ωSST湍流模型并对其关于粗糙管流传热预测进行了验证以展示其可靠性,而后对管径d=4.57mm水平管道内S-CO_(2)的流动传热展开探究,并讨论局部粗糙化范围以及关键因素浮升力的影响。结果表明:管道上壁面特定区域粗糙化能显著降低上壁面温度,增强该区域S-CO_(2)传热性能,继而有效改善周向传热均匀性。低热流密度时,管壁粗糙面积在湍动能整体水平较低的加热管流前半部分影响较为明显;随着热流密度的增加,浮升力效应增强,上壁面附近高温区域逐渐扩大,而不同工况条件下使粗糙范围集中于此高温区域能够获得兼顾水平S-CO_(2)传热效率与附加流动阻力更优的综合性能。

大直径盾构隧道超近距离侧穿桥桩变形分析及控制措施

以一座高速铁路大直径盾构隧道超近距离侧穿海湾大桥匝道桥桥桩工程为依托,建立考虑开挖面支护力、盾壳摩擦力、同步注浆参数、千斤顶推力等多因素耦合作用下盾构施工的精细化数值模型,分析了采用全方位高压喷射(Metro Jet System,MJS)工法加固前后桥桩及地表变形。结果表明:桥桩变形与上述因素以及隧道与桩的相对位置密切相关;盾构掘进会引起桥桩产生朝向隧道外侧及沿隧道开挖方向的水平变形;桥桩的存在使地表竖向变形曲线从对称变为不对称,且对邻近土体的竖向变形有一定的抑制作用;采用MJS工法对土体进行倒L形加固后,由于竖向加固区对桥桩的保护作用和对桩周土体进一步的抑制作用,以及横向加固区对隧道与上覆土的阻隔作用,桥桩和地表变形均得到明显控制。桥桩和地表变形模拟计算值与实测值的变化趋势基本一致,说明数值模拟可靠。

某大型土石坝坝脚挡墙变形机理分析

常见土石坝坝脚挡墙变形破坏机理主要有地基承载力不足、地基不均匀沉降、温度效应或自身抗滑(倾)稳定性不足等。某项目土石坝坝脚棱体排水改为挡墙后,挡墙变形特征与常见起因均不相符,变形仅在挡墙伸缩缝处可见,伸缩缝呈张开、闭合或错位等变化。研究发现,伸缩缝变形是因坝体固结沉降导致挡墙产生水平位移,并与相邻挡墙间形成水平位移差有关,位移差越大变形越严重;同时挡墙水平位移大小与坝截面高度、坝基所处水文地质条件等相关。土石坝下游棱体排水改为重力式挡墙后,除按规范要求设计计算外,还应计算挡墙间水平位移差,并考虑挡墙位移、排水不畅对坝体下游排水系统的影响。研究结果对正确分析坝脚挡墙变形机制和挡墙抗滑设计具有较好的参考价值。

基于Kerr地基模型的覆土荷载引起既有装配式地铁车站沉降分析

分步覆土回填会引起装配式结构纵向不均匀沉降,但已有的纵向变形计算模型往往忽略由地基自身沉降引起的装配式衬砌变形。鉴于此,基于纵向等效连续梁理论对Kerr地基上Timoshenko梁模型进行优化,建立可考虑地基自身沉降和土体剪切作用的装配式地铁车站纵向变形计算模型,并与现场实测结果进行对比验证。研究结果表明:与Euler-Winkler模型、Timoshenko-Pasternak模型理论计算结果相比,所提的理论方法在保证计算精度的同时,能够揭示地基沉降引起的装配式结构纵向变形特征;所提方法能有效揭示监测环竖向沉降变化趋势,预测的纵向沉降值与实测数据吻合良好,误差仅为0.3%;在覆土荷载和地基沉降等综合因素影响下,装配式结构发生屈曲并形成新的稳定结构,该现象可解释装配式结构中环段与接头变形不连续现象。

城际铁路隧道深大圆形竖井开挖阶段变形监测分析

盾构始发与接收工作井的支护体系选取与设计是深埋隧道建设过程中的关键问题。圆形围护结构以其可充分发挥土拱效应,无需内撑等特点,较一般多边形结构体系具有更优的受力性能与经济性。为降低土岩复合地层中嵌岩部分施工难度及提高施工效率,以深大城际铁路隧道坪聚盾构工作井应用上部圆形吊脚地连墙+环框梁、下部岩层喷锚支护方式的结构形式为工程依托,对深埋圆形基坑开挖过程中坑外地下水位变化、地表及围护结构变形监测数据开展研究分析。研究结果表明:地面超载、坑外地下水位不均匀分布会引起墙体及地表产生差异变形;墙体最大水平变形基本位于0~0.05%H(H为基坑开挖深度)以内;地表沉降变形大部分位于0~0.08%H以内;墙顶竖向沉降值大部分位于0~0.25%H;相比一般不规则多边形基坑支护,圆筒形支护体系显示出较好的稳定性与抗变形能力;在土岩复合地层中,上部采用地连墙+环框梁,下部岩层采用喷锚支护的结构形式可保证基坑稳定性,安全性较好。

装配式地铁车站CHC型钢-混凝土组合接头的力学行为分析

装配式地铁车站在不确定性的施工荷载与环境荷载联合作用下,其接头弯曲刚度表现出明显非线性特征,进而使接头受力和变形演化过程复杂化。为揭示装配式地铁车站CHC(C型钢+H型钢+C型钢)型钢-混凝土组合接头在轴力和弯矩共同作用下的弯曲变形发展规律,提出一种包含5种弯曲模式的新型接头力学模型。通过求解不同弯曲模式下接头变形及其发展规律,讨论各弯曲模式的应变区域分布及其识别方法;最后结合力学模型以及监测数据,获取环向接头受力的时空分布特征。结果表明:装配式地铁车站接头截面的轴力计算值在0~30 MN之间,弯矩计算值在-3~2 MN·m之间,接头大部分处于弯曲模式Ⅰ,其整体结构力学的响应对施工荷载和覆土回填等影响因素更为敏感。

基于激光点云和视觉技术的盾构隧道皮带机渣土体积测量方法研究

为提高盾构隧道施工过程中渣土体积测量的精度和自动化水平,提出一种基于激光点云和视觉技术的盾构隧道皮带机渣土体积测量方法。该方法系统硬件包括2台单线激光雷达和1个4 K摄像头,其中2台激光雷达分别用于采集断面点云和纵向点云数据,摄像头用于获取设备周围视频信息;采用改进的光流法判断传送带的运动状态,通过结合三角形累加截面积法(TACA)和改进的AE-ICP算法实现对渣土断面面积的精确测量,并通过辛普森法进行数值积分获得渣土体积。试验结果表明,该方法在复杂隧道环境下具有较高的测量精度和鲁棒性,渣土体积测量的相对误差控制在5%以内,测速精度的平均误差在1%以内,具备良好的工程应用前景。

蠕变-渗流耦合下的砂岩力学特性及穿江隧道稳定性研究

为探讨砂岩蠕变效应对隧道结构长期受力变形规律的影响,通过室内单级蠕变-渗流试验和FLAC 3D数值模拟相结合的方法,探究在蠕变-渗流耦合作用下砂岩力学特性及穿江隧道长期运营过程中的应力变形规律。研究结果表明:(1)单级加载蠕变试验中,轴压增大将促进砂岩蠕变变形,围压增大将有效抑制砂岩蠕变变形,当渗透压超过5 MPa时,砂岩保持高蠕变速率,轴向变形显著增大,影响围岩变形的因素敏感度顺序为渗透压>轴压>围压;(2)采用FLAC 3D建立的多场耦合隧道模型可以准确模拟砂岩地层隧道的蠕变渗流特性,隧道变形及应力在运营期第8年基本趋于稳定;(3)随着隧道埋深增加,隧道拱顶沉降、拱腰收敛和仰拱隆起现象更显著,其中拱顶沉降变形最大,隧道变形敏感度依次为拱顶>仰拱>拱腰;(4)潜水位增加显著影响隧道竖直沉降和水平收敛,且仰拱部位渗透压增长最为显著,工程中应特别关注该区域的水压变化。

高黏性地层大直径泥水盾构刀盘结泥饼问题的处置

为解决广东湛江湾海底隧道盾构施工中出现的高黏性刀盘结泥饼问题,同时考虑分散剂对盾构开挖面稳定的影响以及泥饼的处理效果,通过开挖面稳定影响试验、分散剂种类筛选与质量分数筛选试验对5种分散剂的使用效果进行了评价与优选。研究表明:分散剂会导致泥浆的黏度发生突降,应保持泥浆的黏度维持在20~30 s的安全黏度区间内;分散剂与泥浆作用的体积比优选在1∶26~1∶40时,不仅可以防止分散剂的使用导致盾构开挖面失稳,也可有效的降低结泥饼风险;较高与较低质量分数的分散剂对泥饼的分散都有着抑制作用,最优质量分数应是一个中间值;建议使用体积比1∶30、质量分数2%的国标工业级焦磷酸钠(纯度96.5%)溶液作为处理广湛隧道刀盘结泥饼的分散剂。现场按照173 kg/t(成本约6.92元/t)的用量处理泥饼,既可以较好维持泥浆黏度的稳定性,也可以有效解决刀盘结泥饼问题。