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。     

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。     

轴颈倾斜时滚柱轴承动态接触特性的有限元分析

针对滚柱轴承工作时存在轴颈倾斜的情况,利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件开展不同轴颈倾斜角下滚动轴承动态接触特性的数值模拟研究,通过对比分析接触部位应力值和变形的差别,考察倾斜角大小对轴承动态接触特性影响情况。结果表明,考虑轴颈倾斜时滚子组最大等效应力、最大剪切应力仿真结果明显大于非倾斜状态下得到的结果,在倾斜角为0°、0.1°和0.5°等3种情况下,滚子组等效应力分别为700MPa、2.73GPa和4.0GPa;同时,滚子端面单元应力值和接触部位应力分布等仿真结果均随倾角增大而差异更加明显;但轴心在径向载荷方向的位移受倾斜角的影响不明显,均分布在-0.2～0.3mm范围内。研究结论可以为实际工作过程中考虑轴颈倾斜时滚柱轴承动态特性的研究和轴承结构优化设计提供参考。     

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。     

基于等效静态载荷法的大型振动筛轻量化处理

振动筛广泛应用于农业、煤矿、木工等行业,且均朝着大型化、高效化方向发展。大型振动筛工作一段时间后较易出现裂纹等疲劳破坏现象。该研究针对新型BF14260大型振动筛,分析了整体结构强度,确定了最大等效应力位置及主要应力分布区域,结合等效静态载荷法和子模型法,构建振动筛筛箱主框架等效静态子模型,将动态优化问题转化为静态优化问题,进行拓扑概念优化及实用模型重建,进一步进行局部强化处理,分析比较了不同处理方法的最大及较大应力节点的动态等效应力变化关系。结果显示拓扑优化处理全面有效降低应力值,且有效降低动态应力波动频率,即改善梁受力波动的稳定性以提高梁的疲劳工作寿命;局部强化处理在拓扑优化处理基础上明显降低了最大等效应力值,即使整个梁构件承载的应力获得全面有效的下降,改善了应力分布。最终优化效果为最大应力由79.4 MPa下降至49.3 MPa,下降37.9%。质量减轻1 080 kg,减少了25.6%。该研究所提方法可有效解决复杂结构的动态优化问题并提高优化效率。     

荷兰Venlo型温室结构抗震性能分析

为了研究地震作用对依据荷兰规范设计的Venlo温室结构安全性的影响,该研究以荷兰公司设计的山东某Venlo型温室为例,利用有限元软件MIDAS Gen,采用振型分解反应谱法对设防烈度分别为7度（0.10 g）、7度（0.15 g）、8度（0.20 g）和8度（0.30 g）的温室整体结构进行模拟计算,对结构的周期、振型、应力和位移进行了分析探讨。结果显示,温室整体的最长自振周期为1.75 s,表现为较柔性的结构体系,前2阶振型分别为Y、X向的平动,在2个主轴方向上具有相近的抗震性能。不同设防烈度下,结构的承载力最大值均为216.96 MPa,由风荷载控制,最大应力小于构件屈服强度。当设防烈度为8度（0.30 g）时,X向地震作用对构件的拉、压应力最大,分别为211.95和196.02 MPa。无地震参与的荷载组合中X向风荷载产生的位移最大,达到31.80 mm。在地震参与的荷载组合中,柱顶最大位移为61.84 mm,结构变形主要受地震荷载的影响,Y向地震作用超过同工况下X向地震作用约11.6%。结论表明,引进的荷兰温室在地震设防烈度不高于8度（0.30 g）时,构件始终处于弹性范围内,满足规范要求,但最大变形超过了中国建筑抗震设计对弹性层间位移角1/250的要求。最后,该文对中国农业温室结构设计标准的编制提出了一些建议。     

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。     

基于ANSYS/LS-DYNA的螺旋刀辊土壤切削有限元模拟

为揭示秸秆还田耕整机的螺旋刀辊与土壤之间的关系特性,根据螺旋刀辊切削土壤的工作特点,利用ANSYS/LS-DYNA971软件对螺旋刀辊土壤切削过程进行模拟,得出了螺旋刀辊切削土壤的功率消耗、切削阻力的大小以及土壤等效应力的变化规律.模拟结果表明,螺旋刀辊转速为300 r/min,机组行进速度为1.1 m/s 时,单组螺旋刀辊切削土壤的最大功耗为6.4 kW,最大切削阻力为2820.7 N,且土壤最大等效应力发生在横刀刚入土时的内侧面,所得功耗值与经验推导值相符.研究结果为双轴型水田高茬秸秆还田耕整机的系统参数优化设计提供参考.     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明：与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

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。     

非均匀应力场作用下圆形水工隧洞开挖与支护参数设计

引水隧洞是农业、水利等工程领域重要的地下结构,确定合理的施工参数是保证隧洞施工安全的前提。该研究基于复变函数方法,考虑开挖卸荷和围岩-衬砌相互作用影响,推导了非均匀应力场下开挖后立即支护时衬砌与围岩光滑接触条件下应力与位移的解析解,并基于最大主应力准则建立隧洞施工参数优化目标函数,以两个不同算例分别设计了隧洞的开挖尺寸和衬砌的弹性模量。研究结果表明：围岩开挖边界引起的应力集中以及衬砌内部的应力分布均与隧洞开挖尺寸、内部水压力、原岩应力场中的水平侧压力系数、围岩与衬砌的物理力学参数等有关;当水平侧压力系数大于1.00时,衬砌内最大主应力值会随着隧洞开挖尺寸的增大而增大,甚至会在衬砌内壁0°和90°处附近出现拉应力;当水平侧压力系数小于1.00时,衬砌内最大主应力值会随着衬砌材料弹性模量的增大而增大。通过分析两个算例可知,合理限制隧洞开挖尺寸、适当增加衬砌内壁处的配筋率均有利于隧洞衬砌安全;采用高强度低弹性模量的混凝土配比用于衬砌,可提高衬砌的承载能力。研究结果可为相关工程中隧洞的开挖与支护参数设计等提供理论借鉴和参考。     

模袋混凝土衬砌梯形渠道冻胀适应性研究

为探明开放系统条件下梯形渠道渠基土冻胀对混凝土衬砌结构破坏规律,该文在水热力三场耦合理论的基础上,考虑毛细作用及薄膜水迁移理论,采用动态变化的上下温度边界,利用多场耦合软件COMSOL模拟了渠基土67 d的冻胀过程,得出渠基土冻胀量。在此基础上,考虑模袋对冻土与混凝土间接触行为的影响,利用有限元软件ABAQUS模拟冻土与普通混凝土、冻土与模袋混凝土间接触力学行为,最终得出衬砌不同位置处应力场及位移场。结果表明:在距离渠底约1/3坡长处、渠底中心处冻胀量较大,渠顶处冻胀量最小;普通混凝土所能适应的最大不均匀冻胀量为2.98 cm;模袋混凝土的使用改变了冻土与混凝土间的接触行为,应力最大值约为普通混凝土的1/250,季节性冻土地区采用模袋混凝土可显著提高对不均匀冻胀量的适应性。该模拟结果与工程实际结果吻合度较好,研究结果可为开放系统下季节性冻土区梯形渠道的工程设计提供参考和依据。     

冰盖下梯形及抛物线形输水明渠正常水深显式迭代算法

随着冬季用水量的增加,越来越多的输水工程在冬季冰盖下输水,冰盖下输水已经成为一种常态化输水方式,但目前对明渠正常水深的显式计算方法的研究主要针对不结冰渠道的,缺少对冰盖下输水时正常水深的显式计算方面的研究。该文推导了梯形断面冰盖下输水时正常水深和流量关系,提出了正常水深的简易显式迭代算法,并经过证明,此迭代算法是收敛的。用同样的方法,推导了抛物线形断面冰盖下输水时正常水深和流量关系,提出了计算正常水深的简易显式迭代算法。算例表明,该文提出的冰盖下梯形断面和抛物线形断面的显式迭代算法具有形式简单、计算量小、精度高,收敛性好的特点,一般需要3~5次迭代就可使误差小于0.01 m,当增大迭代次数时,误差进一步减小。研究为冰盖下输水渠道正常水深计算提供了便捷的计算方法,对冰期输水渠道的设计及运行管理具有理论和实践意义。     

基于TCR传热原理的混凝土复合保温衬砌渠道防冻胀效果研究

中国北方寒冷地区广泛采用保温措施进行渠道防冻胀,在苯板保温防冻胀设计中铺设厚度一般根据半理论半经验确定,并没有考虑衬砌板与保温板接触热阻及交错布置对保温性能与削减冻胀的影响。该文依据固体材料接触热阻(thermal contact resistance,TCR)原理与压力相关的传热本构模型,提出了混凝土复合保温衬砌新型式。通过ABAQUS有限元软件采用热力耦合模拟将其与普通型式的苯板保温渠道进行比较。结果表明:与普通保温衬砌渠道相比,外界负温时,复合保温衬砌的保温及消减冻胀力效果显著。理论上复合保温衬砌冻胀量消减40%以上,法向冻胀力减少66%,切向冻结力减小58%。对寒区衬砌渠道保温防冻胀设计提供了相应的理论参考。     

Mobility and Availability of Copper in Agricultural Soils Irrigated from Water Treated with Copper Sulfate Algaecide

A mesocosm system was designed to study evaporation kinetics and transport of TCE in flowing surface water. The airtight unit, with a total internal volume of 52.01?×?10^?2 m³, was fabricated with glass and Teflon material, and was provided with 8.53 m long channel to simulate water flow in an open channel. The peristaltic pumps, connected to the inlet and the outlet of the mesocosm, provided a constant water flow through the channels. The experimental studies were conducted at two different velocities, 9.42?×?10^?3 and 4.71?×?10^–3 m/s, respectively. For both the velocities, a tracer (NaBr) test confirmed uniform water flow in the channels. The total length and the length between the sampling ports were found sufficient to record gradual decrease in TCE concentrations along the direction of the flow in the channels. The volatilization coefficient for TCE was found to be 0.49 and 1.07 h^?1 for the experiments conducted at lower and higher water velocities, respectively. The TCE evaporation half life (t 1/2) and the corresponding evaporation half distance (d 1/2) were 1.41 h and 23.98 m for lower velocity, and 0.65 h and 21.96 m for higher velocity, respectively.     

固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水

为开发高效处理高浓度有机废水的厌氧沼气发酵技术,以活性炭纤维作为生物膜载体,在实验室规模上对固定床厌氧反应器处理高浓度糖蜜废水的运行性能进行了研究。初始进水COD为5 000 mg/L,水力停留时间（HRT）保持在2 d左右。在进水COD为47 000 mg/L以内时,相应的有机容积负荷（OLR,COD含量）达到21.38 kg/(m3×d),COD去除率保持在86%以上,沼气容积产气率为9.51 L /(L×d),甲烷容积产气率为6.46 L /(L×d);当OLR进一步从21.38 kg/(m3×d) 逐步升高到35.13、39.06、44.88 kg/(m3×d) 时,COD去除率从86.48%分别降低到74.40%,67.02% 和63.50%,相应的沼气容积产气率为13.71,13.98和11.44 L/(L×d),甲烷容积产气率为8.84,8.67和5.89 L/(L×d)。进水的pH值通常在3.5～5.6之间,OLR低于35.13 kg/(m3×d) 时,无需对pH值进行中和调节,出水的pH值自然维持在6.8～7.6的良好状态,超出此范围,则需加碱对进水的pH值作适当调节。最终进水COD高达78 600 mg/L,相应的OLR为44.88 kg/(m3×d)。在165 d的运行过程中污泥形成量小,没有发生堵塞现象,固定床厌氧反应器表现出高效的处理酸性高浓度有机废水和较强的抗负荷冲击的能力。     

蓝莓采收机高通过性自行走装置设计及性能研究

针对国内蓝莓采收面临的难题,对蓝莓采收机自行走装置进行设计,该装置由液压驱动,采用框架式结构,由行走车架、发动机、液压执行元件、驾驶区等组成,对车架进行满载弯曲和扭转工况有限元仿真,确定车架强度满足力学性能要求,具有良好载荷配比及抗扭能力。对整机行走、转弯及升降性能分析,确保整机操纵轻便。该装置配置采收系统,对整机上下坡、横坡行驶及横向滑移稳定性分析,获得整机极限翻倾角及不同路面横向滑移角度范围。对样机进行试制及田间试验,试验结果与理论分析基本一致,整机行驶性能良好,最大行驶速度为11km/h,最小转弯半径为3 160 mm,适用果树高度1.1～2.0 m;整机作业稳定性强,上下坡及横向行驶翻倾角分别为51°、50°及44°,横向极限滑移角为40°;自行走装置与采收系统匹配性良好,采收效率为6.95 kg/min,果树重度损伤率为3.5%。     

不同侧风和静电电压对静电喷雾飘移的影响

为研究不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响规律,设计不同侧风(恒速风1、2、4 m/s及0~4 m/s变化的模拟自然风)及静电电压(0,2,4,6,8 k V),进行喷杆式静电喷雾机的雾滴飘移试验,测定不同静电电压下的雾滴粒径与荷质比,并对比分析雾滴飘移质量中心距和飘失率。结果表明:随着静电电压的增大,雾滴粒径减小,雾滴荷质比增大,0~8 k V电压下电极干燥和电极打湿对雾滴荷质比没有显著影响。在侧风风速为1 m/s时,0~8 k V静电喷雾的雾滴飘移中心距小于0.55 m,雾滴飘失率低于15%。在侧风风速2 m/s时,非静电喷雾的雾滴飘失率为11.9%,6~8 k V静电喷雾的雾滴飘失率超过20%,其中静电电压8 k V的雾滴飘失率(23.9%)比非静电喷雾增加100.8%。在侧风风速4 m/s时,4~8 k V静电喷雾的雾滴飘移中心距在0.9 m以上,雾滴飘失率在30%以上,其中静电电压8 k V下的雾滴飘移中心距为967.2 mm比非静电喷雾下增加了13.7%,雾滴飘失率为35.4%比非静电喷雾下增加了59.5%。相同静电电压下,2 m/s的恒速风和0~4 m/s变化的模拟自然风之间对雾滴飘失率无显著差异。该研究为优化喷雾技术参数和提高雾滴抗飘移的能力提供参考。