流冰对引水隧洞撞击破坏力学特性数值分析与验证

寒旱地区冬季寒冷,昼夜温差大,长距离输水工程在解冻期易形成流冰,不同尺寸的流冰对隧洞形成不同的挤压力或撞击力,甚至导致衬砌破损,工程失效。该文通过深入研究流冰与引水隧洞碰撞时的相互作用问题,并利用有限元接触-碰撞算法的对称罚函数算法,进行了流冰撞击引水隧洞衬砌的接触-碰撞算法的理论分析。应用ANSYS/LS-DYNA软件,建立隧洞模型和流冰模型,选用LS-DYNA SOLVER求解器进行求解,分析流冰对隧洞的破坏程度;并通过物理模型试验采用几何比尺为C_l为28进行验证,揭示流冰对引水隧洞的撞击破坏机理。结果表明:流冰在不同流速、不同平面尺寸、不同厚度等工况下,流冰与隧洞衬砌碰撞时,隧洞衬砌表面会产生不同程度的变形和破坏;随着流速增大,撞击应力值也相应增大,两者呈线性关系;当流冰平面尺寸变化时,其撞击应力随着流冰平面尺寸的增大而增大,两者呈非线性关系;当流冰厚度增加时,流冰厚度小于0.5 m时,撞击力随着流冰厚度的增大而增大;其厚度超过0.5 m时,撞击应力值变化不大,其流冰平面尺寸和最大应力呈现近似线性关系。同时,通过软件模拟和试验观测得出的计算结果基本一致,流冰与隧洞衬砌碰撞时,隧洞衬砌表面会产生不同程度变形,变形对隧洞稳定性影响不大。但是,流冰冲刷会导致隧洞衬砌表面破碎,长期会影响结构的强度与稳定性。其结果可为寒旱地区冬季输水工程安全提供理论支撑和技术保障。     

筒仓动态卸料过程侧压力模拟与验证

为了研究立筒仓卸料过程中的侧压力及数值模拟技术,设计了有机玻璃筒仓模型进行试验研究,运用ABAQUS有限元软件中的自适应网格划分技术模拟了筒仓的动态卸料过程。结果表明,筒仓动态侧压力试验值大于静态侧压力,但各测点超压系数不同,在邻近漏斗附近超压系数最大为1.78,其次为仓壁中上部2个测点超压系数达到了1.73和1.61,其他位置超压系数在1.45以内;侧压力模拟值与计算值吻合度较好,静态侧压力两者相对误差绝对值在0.43%~9.92%之间,动态侧压力两者相对误差绝对值在1.14%~9.65%之间,验证了数值模拟技术的可行性;静态和动态侧压力的数值模拟曲线、公式计算曲线、试验曲线或试验拟合曲线都表明,随着测点距筒仓底部高度的增加,侧压力呈下降趋势,即侧压力下大上小,而且静态侧压力模拟曲线与试验曲线变化规律一致,相对误差绝对值在1.83%~9.97%之间;由于试验时压力传感器精度、标定试验误差和试验次数等随机因素的影响,动态侧压力试验曲线不很规则,数值模拟曲线相对平滑,但动态侧压力试验值的拟合曲线与数值模拟曲线变化趋势基本相同,相对误差绝对值在0.28%~9.93%之间。通过观察漏斗附近Mises应力分布图发现,物料卸出前,应力较大点发生在紧邻漏斗附近的仓壁处,卸料开始后,应力较大点即转向漏斗壁中部某范围,而且随着卸料时间的延长,此应力较大点的范围有所增大。     

重塑Q3黄土K0三轴蠕变特性的试验研究

[目的]研究陕西省延安地区重塑Q_3黄土高填方工程的后期沉降变形特性,为高填方工程的设计、施工提供一定的技术和理论支撑。[方法]通过改进K0三轴蠕变仪,对所取黄土进行了不同压实度、不同含水量、不同竖向应力下的室内土的静止侧压力系数K_0三轴固结排水蠕变试验。[结果]重塑Q_3黄土具有明显的蠕变特性,在低应力条件下,呈现出典型的衰减蠕变;在K_0条件下,随着含水量增大、竖向应力的增大,压实度的减小,蠕变呈增强趋势,蠕变变形量增大;在低水平应力的条件下,土体所受侧向应力与竖向应力成线性关系。[结论]建立了重塑Q_3黄土关于竖向应力的自定义蠕变模型,通过试验数据拟合获得了模型参数,所建模型能很好地描述延安地区重塑Q_3黄土的蠕变特性。     

BP神经网络在隧道岩爆预测中的应用

西南某水电站拟修建四条引水隧洞以及两条平行交通隧道,但工程区一般埋深1000-2000 m,最大埋深2525m,地处高应力区,目前已开挖的2000m洞段中均发现轻微至中等的岩爆现象。因此,在深埋、长大的隧道以后开挖过程中岩爆烈度如何显得十分敏感,利用BP人工神经网络,建立了以强度脆性系数、应力系数等8指标为要素的岩爆预测模型,对12200m未开挖的辅助洞段进行了预报,结果表明,该方法的预报效果较好。与地质分析判断相吻合,可用于进一步指导实践。     

收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究

试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性,以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数,并分析芦竹切割过程中应力、应变分布状态,能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数,对低能耗、高效率的芦竹切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、压缩、弯曲试验,获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力－应变曲线,并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa,弹性模量值为1260 MPa;顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa,弹性模量值为595 MPa;顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa,弹性模量值为1715 MPa。结果表明,芦竹破坏应力参数接近毛竹,远大于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数,芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。     

云南某水电站坝肩边坡的锚杆应力计应用与分析

坝肩的受力对于一个大坝来说很重要,通过掌握坝肩边坡在施工开挖过程中坡体的变形状况,通过锚杆应力计的监测成果进行分析总结和反馈,为边坡稳定性分析以及开挖支护提供数据信息和参考资料,同时为安全施工提供信息。     

铝合金温室拱形ETFE膜屋面抗风性能分析

为分析铝合金结构拱形ETFE(乙烯-四氟乙烯热塑性聚合物)膜屋面的抗风性能,提高其设计的安全性,该文根据单轴拉伸试验数据,确定了ETFE薄膜材料的力学参数和应力应变关系;基于几何非线性有限元理论,推导了膜单元的基本方程;利用大型通用有限元软件ANSYS,采用支座提升法对骨架式拱形ETFE屋面进行了找形分析,建立了用于荷载分析的计算模型;对拱形ETFE屋面在风荷载工况下进行了算例分析,计算了膜面主应力分布和变形特征;分析了不同膜面预应力水平对承载性的影响。分析结果表明,风荷载主要影响ETFE膜屋面第一主应力的分布,适当增加膜面预应力可以显著提高其整体刚度和承载力。研究结论为铝合金温室拱形ETFE屋面的抗风计算分析和施工提供了参考。     

旱地水窑开挖数值模拟与结构形状参数验证

旱地水窑是集雨蓄水，解决人畜饮水、发展节水灌溉的有效集雨蓄水工程。从水窑结构受力特性分析，水窑属于浅埋式非衬砌地下结构，其结构形状及尺寸是决定窑体稳定和安全的关键因素，而开挖阶段又是窑体最危险阶段之一。针对前期研究所拟定出的斜墙圆拱式窑体形状及参数，应用弹塑性非线性分析方法，分别采用两种不同开挖工序及过程进行开挖过程模拟研究，并从反映水窑体稳定性的位移、塑性区及拉应力3个方面分析了开挖卸荷对窑体稳定性的影响。数值模拟结果表明：不管采用上行法还是下行法开挖，水窑在开挖过程中土体是稳定的，从而验证了以前研究所     

地震作用下散粮楼房仓仓壁动态侧压力分析

地震作用下贮料对仓壁产生的动态侧压力是影响散粮楼房仓结构安全的一个重要因素。为此,该研究设计制作了缩尺比例为1:25的三层楼房仓试验模型,进行了3条地震波下不同加载等级的振动台试验,分析获得了贮料地震反应特性、仓壁动态侧压力变化规律及超压系数,提出了仓壁动态侧压力计算方法。研究表明：不同楼层同一高度处仓壁动态侧压力达到峰值的时间不同步,沿楼房仓高度方向逐步滞后,且其均滞后于对应楼层仓壁加速度峰值时刻;各楼层仓壁动态侧压力逐层增大,每升高一层,增大约29%,且同一楼层的仓壁动态侧压力沿高度逐渐增大,仓壁上部、中部动态侧压力分别是下部的2.5倍、1.4倍;一至三层的超压系数最大值依次为2.9、3.4、4.1,且均位于每层仓壁上部位置;通过试验结果验证了所提出的仓壁动态侧压力计算方法的有效性;散粮楼房仓结构抗震设计,应考虑仓壁动态侧压力的影响与不同楼层的差异性。研究成果可为散粮楼房仓的抗震设计提供参考。     

青贮饲料对青贮池墙体侧压力的试验研究

研究青贮饲料对青贮池墙体的侧压力对青贮池结构设计至关重要。为定量分析青贮饲料装填以及车辆碾压饲料时墙体的受力状态,以北京三元绿荷奶牛养殖中心半截河奶牛场青贮池为研究对象,在青贮池墙体上布置压力计,研究了侧压力大小及其变化规律。结果表明：装填青贮饲料时,自墙顶向下在深度为0.65～1.37 m时,侧压力平均值随深度增大而增大;在深度为1.37～2.05 m时,侧压力平均值随深度增加的幅度较小。推土机碾压饲料会增加墙体侧压力,并且侧压力值随推土机和墙体之间距离的变小而增大。侧压力增加值与压力计埋深无明显相关关系。     

基于ANSYS的竹象虫头管仿生模型抗扭转分析

多层复合管在工程领域中应用广泛,但对其抗扭性质研究却较匮乏。为揭示竹象虫头管的抗扭转机理,该文利用电子扫描显微镜、X射线能谱仪和纳米压痕测试仪对竹象虫头管的内部结构、组成成分和纳米力学特性进行了分析。结果得出,竹象虫头管是由组织形貌、成分、力学性质各异的多种结构组成的多层中空复合管,其中外层主要为致密的几丁质,内层根据组织形貌又可分为轴向层和周向层,轴向层由片状脂类或糖类聚合物排列而成,周向层主要由纤维-蛋白基质排列而成,加强筋径向分布在管壁中,贯通多个轴向和周向层。其中,周向层的弹性模量、硬度和刚度最大。在头管结构研究的基础上,建立了仿生管模型,并采用ANSYS有限元软件对仿生管模型进行扭转分析,揭示了竹象虫头管多层排列的合理性。同时优化结果表明,提高内层材料的弹性模量,可以增加多层复合管的抗扭能力。该研究可为多层复合管抗扭转能力的增强设计提供参考。     

Study of Viscoelastic Properties of Wheat Kernels Using Compression Load Method

The method to measure hardness and other viscoelastic properties of intact wheat kernels is presented. Wheat with 9.3% moisture showed high elastic behavior compared with wheat tempered at 22.5% moisture that showed a plastic behavior. Load‐deformation curves showed that bread wheat behaves as a more plastic material than durum wheat, which is a more elastic material. Yield point of all the wheat samples was ≈18.5 N, independent of wheat type and moisture content. The height of the wheat kernel increased linearly, and the compression area increased exponentially, with increasing moisture content. The modulus of elasticity of wheat ranged from 99.2 MPa for 22.5% moisture content to 394.8 MPa for 9.3% moisture content. Young's modulus range for soft wheat such as Salamanca, Saturno, and Cortazar cultivars was 232.2–308.5 MPa, as compared with Rayón bread wheat at 321.5 MPa and the Altar, Sofía, and Rafi cultivars of durum wheat that had elastic moduli of 438.7–485.8 MPa. The compression force and final stress decreased from 69.9 N and 40.1 MPa in soft wheat to 90 N and 78.9 MPa in durum, respectively. Total work range was 14.7 MPa/sec in soft wheat to 19.7 MPa/sec for durum wheat and, as expected, was higher in the durum and bread wheat than in soft wheat. The plastic part ranged from 2.4 MPa/sec in soft wheat to 0.6 MPa/sec in durum wheat.     

面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

冬小麦籽粒受挤压特性的有限元分析及试验验证

为降低小麦籽粒在收获、贮藏、运输过程中的机械损伤,掌握小麦籽粒粉碎机理,运用有限元法建立小麦籽粒的力学模型,研究小麦籽粒在压缩载荷作用下的应力分布规律。在材料力学万能试验机上进行压缩试验,测得不同含水率9.1%～21.6%的小麦籽粒在3种压缩型式下的弹性模量为98.86～206.59 MPa,屈服强度为0.8～1.95 MPa,破碎负载为63.44～154.77 N,最大应变为0.71%～1.02%。结果表明：在3种压缩型式下,破碎负载、弹性模量、屈服强度随着含水率的增加均有明显下降;在同一含水率下,B型压缩时破碎负载最大,L型压缩时次之,H型压缩时最小;屈服强度和最大变形在采用B型和L型压缩时较大,在H型压缩时较小;其主要破碎形式为在腹沟位置产生裂纹。比较3种压缩型式下的试验值的和仿真值,二者最大差异是12%,验证了仿真数值解可行性。     

考虑冻土双向冻胀与衬砌板冻缩的大型渠道冻胀力学模型

由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。     

荔枝的力学特性测试及其有限元分析

为减小荔枝在收获、储运过程中的机械损伤,对荔枝的宏观和微观力学特性进行了研究.试验测定得到荔枝各部分的弹性模量;通过压缩试验,测得荔枝整果垂直受压的力学参数大于水平,垂直与水平受压的破裂力、弹性模量和破裂相对变形分别为101.69N和81.25N、0.37MPa和0.27MPa、30.33％和28.86％,并观察得到荔枝受压的裂壳特征.运用有限元法建立荔枝压缩力学模型,比较荔枝垂直和水平受压的试验值和仿真值,二者比较一致,其相关系数均达到0.999以上;研究荔枝在压载作用下的应力分布规律,分析其垂直与水平受压的抗挤压能力和裂壳特征,验证仿真数值解的可行性.试验结果表明:荔枝的抗挤压能力具有各向异性,相同压力下,垂直方向所能承受的压力和变形均大于水平方向;受压时在果壳拉应力作用下发生破裂,裂纹沿外力方向延伸,且出现的截面与压缩方向一致;采用所建立的荔枝有限元模犁可以分析研究荔枝的微观力学性质.研究结果可为荔枝作业装各的设计以及预测和减少其机械损伤提供依据和帮助.     

黄土侧向变形的真三轴试验研究

保持小主应力、中主应力不变,在大主应力方向加荷是实际工程中存在的一种应力路径,就该应力路径分别对不同含水率的重塑黄土进行了几组真三轴试验,对其应力-应变关系及反映侧向变形变化规律的泊松比进行了特定条件下的研究.研究结果表明,应力-应变关系的偏差应力和初始切线模量随含水率的增大而减小,相同的偏差应力下含水率越大侧向应变就越大.在上述应力路径下剪切,中主应力方向首先压缩,但表现不明显,很快就转为膨胀,小主应力方向膨胀,泊松比可以大于0.5,且小主应力方向膨胀量大于中主应力膨胀量.     

完整稻秆卷压过程应力松弛试验

为深入研究完整稻秆在卷捆压缩过程中的流变特性,该文利用自制的钢辊式圆捆机卷压试验台进行了完整稻秆卷压过程应力松弛试验研究。选择稻秆含水率、草捆干物质质量、卷捆钢辊转速、稻秆喂入速度为试验因素,并以应力松弛时间和平衡弹性模量作为应力松弛特性评价指标,进行4因素5水平正交旋转组合试验。结果表明:完整稻秆卷压过程应力松弛模型可用1个Maxwell单元和1个弹簧并联组成的三元件方程表示;各因素对应力松弛时间贡献率排序依次为稻秆含水率、草捆干物质质量、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;对平衡弹性模量贡献率排序依次为草捆干物质质量、稻秆含水率、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;当稻秆含水率为65%、草捆干物质质量为17 kg、卷捆钢辊转速为257 r/min、稻秆喂入速度为1.6 kg/s时,应力松弛时间和平衡弹性模量可分别达最佳值17.08 s和4.01 k Pa。试验结果可为圆型打捆机对完整稻秆的卷压工艺优化及其压缩机理分析提供必要的理论与技术支持。