2016年第39卷第5期文章目次

崔红伟 , 姚寿文 , 邓元元

2016, 39(5):1-9. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.001

[摘要](1229) [HTML](760) [PDF 4.75 M](1331)

摘要:
双圆弧油槽摩擦副广泛应用于液黏传动，为了研究油槽结构参数对油膜剪切转矩的影响，对摩擦副间流体的流动特性进行数值模拟，得到了油膜剪切转矩。建立了集流场参数化建模（CAD）、数值模拟（CFX）、试验设计方法（DOE）及响应曲面法（RSM）为一体的油槽参数影响分析平台，分析了油槽深度、油槽宽度和油槽数目对油膜剪切转矩的影响并建立了近似响应曲面模型。搭建转矩性能试验台进行试验验证，结果表明：油膜剪切转矩随着油槽深度、宽度和数目的增大均减小，而油槽宽度对转矩的影响最大，油槽深度影响次之，油槽数目影响最小。通过理论和试验研究，应用CFX数值模拟和建立摩擦副油槽参数影响分析平台实现了CAD、CFX、DOE及RSM等技术的高度融合，可以准确地分析摩擦副油槽参数对油膜剪切转矩的影响。

2 螺栓法兰连接的数值模拟及接触收敛分析

李伟 , 段瑞春 , 杨长生 , 郭然

2016, 39(5):10-16. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.002

[摘要](1420) [HTML](506) [PDF 1.99 M](2416)

摘要:
螺栓法兰连接的数值模拟过程中涉及许多接触对，在处理接触问题时，收敛困难这一问题普遍存在。以使用ANSYS Workbench对齿轮压缩机法兰连接的有限元分析为例，详细分析了影响计算收敛性的主要因素：接触对的建立、接触类型和接触算法的选取，以及罚刚度大小。在模拟过程中，用非对称绑定接触模拟螺母与螺栓的连接，非对称摩擦接触模拟螺母与法兰，以及法兰之间的连接，线性施加预紧力的方式来模拟螺栓拧紧。在数值计算过程中，绑定接触采用罚函数法，摩擦接触采用增广拉格朗日乘子法。初次计算采用一个较小的罚刚度系数，然后根据计算过程中接触迭代计算和N-R残差检查情况，逐步增大罚刚度系数直至得到收敛的计算结果。计算结果收敛性好，接触面摩擦应力分布符合压应力分布规律且仅有少量的滑移，满足工程使用要求。为其他类型接触问题的分析过程中解决收敛困难的问题提供了参考。

3 螺栓预紧力对输电杆塔强度的影响

严波 , 刘力宇 , 毕承财 , 吴天宝 , 刘凡 , 曹永兴

2016, 39(5):17-25. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.003

[摘要](1207) [HTML](786) [PDF 4.54 M](1168)

摘要:
针对实际线路段，利用ABAQUS软件建立塔线耦合体系有限元模型，数值模拟该塔线体系在典型荷载作用下的应力和变形。根据现场倒塔情况，建立杆塔破坏局部区域三维实体模型，并与其它部分杆梁模型连接得到杆塔整体有限元模型。三维局部区域模型考虑了螺栓和连接板之间的连接细节、螺栓预紧力、螺杆和螺孔之间的间隙等。进而数值模拟研究螺栓预紧力大小对螺栓的滑移和杆塔构件应力的影响。结果表明，过小的预紧力会导致螺栓产生明显滑移，增大螺栓和杆塔构件的应力，因而螺栓预紧力不足可能是导致杆塔破坏的主要原因之一。

4 不同端部形状的细长圆柱体的附加质量研究

张丹 , 冯双双 , 魏晓娟 , 孙磊 , 谢凌志 , 魏泳涛

2016, 39(5):26-33. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.004

[摘要](1716) [HTML](1099) [PDF 2.92 M](1874)

摘要:
基于势流理论，并结合有限单元法，研究了在流体中运动物体的附加质量。首先，通过无限域中小球及管流中作横向运动的圆柱的附加质量的计算，验证了算法的正确性。其次，着重分析了具有不同端部形状的细长圆柱体在不同直径的无限长管流中沿轴向运动时的附加质量。结果表明：在管流外半径一定的情况下，细长圆柱体的附加质量与其柱体长度成线性关系，其斜率随着圆柱与管壁间距离的减小而迅速增大；而且，当圆柱体长度远大于其直径时，其两端的形状对其附加质量影响不大。

5 考虑材料非线性的结构拓扑优化研究综述

尹益辉 , 刘远东 , 豆麟龙

2016, 39(5):34-38. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.005

[摘要](1380) [HTML](607) [PDF 910.90 K](2272)

摘要:
结构拓扑优化作为结构设计的重要组成部分，正变得越来越重要。目前国内外学者对结构拓扑优化的研究仍主要局限于材料的线性变形范围，但实际许多工程结构都会产生材料非线性响应，如设计在一定地震载荷下坏而不倒的房屋结构，此时要得到更加符合实际的拓扑构型，就需要考虑材料非线性进行结构拓扑优化设计。笔者对材料非纯属结构拓扑优化研究进行了综述，并提出了展望。

6 粉末烧结的计算机模拟方法研究进展

张龙 , 张晓敏 , 褚钟祥 , 彭松

2016, 39(5):39-48. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.006

[摘要](1383) [HTML](1814) [PDF 2.07 M](2404)

摘要:
粉末烧结是多种因素作用下的一系列物理、化学变化的复杂过程，计算机模拟技术为研究复杂烧结过程提供了强有力的工具。笔者总结了近10年来计算机模拟方法在颗粒烧结过程中的应用研究进展，具体综述了相场法、蒙特卡罗法、有限元法、分子动力学法和离散单元法的研究。介绍了不同方法取得的代表性成果，并比较了不同数值方法的优势和劣势。通过总结，使读者对粉末烧结的数值模拟方法有较全面的认识。

7 基于近场动力学方法的结构准静态变形的定量计算

沈峰 , 章青 , 黄丹 , 顾鑫

2016, 39(5):49-55. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.007

[摘要](1614) [HTML](704) [PDF 1.41 M](1410)

摘要:
近场动力学（Peridynamics，PD）是一种新兴的基于非局部模型描述材料特性的数值计算方法。该方法假定位于连续体内的粒子通过有限的距离与其他粒子相互作用，通过积分计算在一定近场范围（horizon）内具有一定影响域的材料点之间的相互作用力，而不论位移场的连续与否，避免了传统的局部微分方程求解在面临不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性。在近场动力学理论框架下，考虑近场范围尺寸对本构力函数的影响，构造了二次多项式型本构力核函数，对反映物质点长程力基本特性的本构力函数进行改进。通过引入人工阻尼、构建分级加载算法和系统失衡判断准则，使近场动力学方法能适用于定量的准静态变形的计算分析。

8 基于Gibson公式修正的蜂窝材料非线性本构

陈誉 , 富明慧 , 郑彬彬

2016, 39(5):56-62. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.008

[摘要](1195) [HTML](732) [PDF 3.76 M](977)

摘要:
Gibson公式由于形式简单而被广泛应用，然而，随着六边形蜂窝材料相对密度和变形程度的增大，Gibson公式将逐渐失效。笔者通过有限元数值模拟，对不同相对密度（细长比）等壁厚正六边形蜂窝材料进行分析。定义了非线性修正因子，由数值结果可知，对于低密度蜂窝结构，非线性因子只与变形程度有关，而与密度本身无关。为此，给出了低密度蜂窝非线性修正因子的一个简便拟合式，得到了低密度蜂窝结构几何非线性本构关系。为了将该本构推广到高密度，引入了另一个非线性修正因子，并给出该非线性因子关于细长比和应变的三次多项式拟合结果，从而建立适用于应变和密度在较大变化范围的等壁厚正六边形蜂窝材料弹性大变形本构关系。该本构参数少、精度高、适用范围广，便于工程应用。此方法还可方便地推广到更一般的六边形蜂窝材料。

9 颗粒增强复合材料有效模量的Voronoi单元有限元法分析

黄永霞 , 郭然 , 李伟

2016, 39(5):63-72. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.009

[摘要](1359) [HTML](856) [PDF 4.89 M](1012)

摘要:
Voronoi单元有限元法在计算多相复合材料时比普通位移有限元法效率高，并且能够反映夹杂分布的随机性。用考虑界面脱层的Voronoi单元有限元法对代表性体积单元进行模拟得到应力场，再用直接均匀化方法进行平均，得到能够反映界面脱层对材料有效性能影响的平均应力应变曲线和有效弹性模量。利用编写的可以对含任意夹杂代表性体积单元进行大规模计算的程序，对多个模型进行了数值模拟，分析了夹杂的形状、体积分数、空间分布等因素对材料有效弹性模量的影响，结果表明：具有较大有效弹性模量的模型一般在界面处有较大的应力集中，在加载过程中较早发生界面脱层。

10 材料破坏准则下的屈服接近度分析与应用

高丽燕 , 于广明 , 赵建锋 , 万小梅 , 袁长丰

2016, 39(5):73-81. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.010

[摘要](1136) [HTML](638) [PDF 2.65 M](1119)

摘要:
对应力空间下的屈服接近度概念进行了重新定义，使其能更广泛地适用于各种材料的强度准则。同时，指出了文献中基于Mohr-Coulomb强度准则屈服接近度函数推导过程中存在的问题，对屈服接近度函数进行了重新推导与修正。在此基础上，对适用于不同材料的多个强度准则，推导了相应的屈服接近度函数，并给出了统一的表达式，以便数值计算程序的编写。最后，结合青岛市地铁3号线工程，在有限元分析的后处理阶段嵌入屈服接近度函数计算自编程序，实现对隧道围岩的可视化安全性评价。

11 基于状态空间法的叠层材料热力分析

韩志林 , 程长征 , 盛宏玉

2016, 39(5):82-89. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.011

[摘要](1077) [HTML](405) [PDF 2.10 M](1106)

摘要:
通过引入热力问题的应力应变关系，建立了求解叠层材料温度应力的半解析状态空间法。该方法沿叠层材料水平方向用有限元法离散位移、应力分量，在竖向采用状态空间法求解，得到叠层材料各交界面上的位移、应力分量。为验证该方法的有效性，针对某一给定温度进行热力学分析，并与有限元结果进行对比。算例表明，该方法计算精度高、计算量小。

12 单轴压缩砂岩水力压裂力学特性试验研究

杨红伟 , 许江 , 聂闻 , 林骏 , 龚涛

2016, 39(5):90-96. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.012

[摘要](1268) [HTML](553) [PDF 2.46 M](1198)

摘要:
采用RLW-2 000 M微机控制煤岩流变仪，以砂岩为研究对象，重点分析单轴压缩条件下水压应变水压体积曲线演化规律，从水压、应变和水压体积三者关系反映水力压裂过程的力学特征；结合断裂力学观点分析了砂岩的水力压裂裂缝形态及破坏类型。实验结果表明：岩石在水力压裂过程的变形演化规律可分为4个阶段，揭示了孔隙裂隙的注水阶段、弹性变形阶段、体积膨胀阶段和贯通破裂阶段的特征；利用乘幂负指数拟合方程，能较好地模拟ε₁-t与P-V_p曲线演化规律且精度较高；裂缝起裂和裂缝扩展延伸过程存在拉伸变形和剪切变形的相互作用。

13 岩石非均匀特性的DDA方法模拟

杨正 , 甯尤军 , 罗明 , 倪克松

2016, 39(5):97-102. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.013

[摘要](1307) [HTML](493) [PDF 2.21 M](1048)

摘要:
采用非连续变形分析（discontinuous deformation analysis，DDA）方法，根据Weibull分布函数引入岩石细观非均匀性模型，对巴西圆盘的劈裂实验进行计算机模拟。在非均匀性模型中考虑弹性模量、泊松比和强度参数的非均匀性。非均匀圆盘和均匀圆盘模拟结果的对比表明，非均匀模型的引入使得细观尺度下采用线性本构能够得到岩石的宏观非线性力学响应，并且非均匀性的引入使得岩石表现出更低的宏观强度特性。通过对比只考虑弹性模量、泊松比的非均匀性和同时考虑弹性模量、泊松比和强度的非均匀性的模拟结果，发现考虑强度非均匀性的巴西圆盘宏观强度更低且裂纹的产生更加分散。研究工作有助于对岩石非均匀和非线性特性的理解及其数值模拟分析。

14 预制裂纹盐岩单轴力学特性及能量机制试验

王伟超 , 刘希亮 , 王利 , 郭佳奇

2016, 39(5):103-113. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.014

[摘要](1282) [HTML](342) [PDF 2.38 M](1125)

摘要:
盐穴储气库在水溶造腔时会产生大量溶蚀裂纹，为研究裂纹对盐岩强度和变形等力学性能的影响，利用MTS-815岩石力学实验系统，对不同参数裂纹盐岩的力学特性进行试验研究，采用对数应变对试验结果进行修正，分析了不同参数裂纹对盐岩的强度和变形的影响，并基于能量耗散理论分析其损伤破坏过程中的能量特征。结果表明：不同倾角裂纹降低了试样的峰值强度值，但降低量的多少与裂纹倾角大小未呈现明显的线性关系；不同长度的预制裂纹对盐岩峰值强度有明显的弱化作用，裂纹越长，弱化作用越大。外力做功产生的总应变能U绝大部分转化为耗散能U_d，小部分累积为可释放的弹性应变能U_e，导致盐岩内部产生损伤和塑性变形。破坏过程总能耗、耗散能、弹性应变能等，能量与应变关系曲线表现出明显的阶段特征；盐岩单轴压缩呈现压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段等4个阶段。

15 变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力

欧智菁 , 晏巧玲 , 薛建阳 , 陈宝春

2016, 39(5):114-120. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.015

[摘要](1061) [HTML](340) [PDF 1.55 M](1177)

摘要:
变截面钢管混凝土格构柱的轴压试验结果表明，随着试件高度的增大和柱肢坡度的减小，其极限荷载逐渐降低。基于上述规律，在等截面钢管混凝土格构柱计算框架的基础上，研究了变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力的计算方法。提出变截面钢管混凝土格构柱等效长度的概念和等效长度法的计算公式，其承载力计算结果与试验结果吻合良好。最后在有限元数值分析验证的基础上，给出适合工程应用的四肢变截面钢管混凝土格构柱轴压极限承载力的实用算法，为钢管混凝土设计规程的进一步完善提供参考。

16 应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

练章华 , 张颖 , 林铁军 , 魏臣兴 , 郭衍茹

2016, 39(5):121-128. DOI: 10.11835/j.issn.1000-582X.2016.05.016

[摘要](1331) [HTML](934) [PDF 7.32 M](1484)

摘要:
钻井过程中，钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用，其损伤机理一直是力学界深入研究的课题。笔者首先根据细观力学分析的基本原理，采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型，然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算，分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征，最后根据细观力学中"均匀化"方法对不同时刻的应力应变进行处理，得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响。在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料，在细观尺度下仍会出现塑性区，且在微裂纹不扩展的情况下，弹性模量是恒定的。文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法。

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