大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.

软土地区多含水层系统承压层抽水存在越流现象,地下水渗流和区域地层变形响应规律复杂.基于某超深地下工程承压水抽水试验,采用数值方法研究软土地区多含水层系统第二、第三承压层降水的地质环境响应.建立了三维有限差分模型,考虑流固耦合效应和土体小应变刚度特性,模拟了不同埋深承压含水层抽水试验,对比分析各承压层抽水引起的承压水头降深和深层土体变形时空分布特性.结果表明,第二承压层水位降深较小,但引起的地表沉降更大;第二和第三承压层抽水引起降水层的压缩变形分别占地表沉降的56.18%和77.69%.主要原因为浅部土层压缩性高,相同降深条件下引起的土层竖向压缩量更大;且第二承压层与上部弱透水层的水力联系较强,越流作用明显,导致抽水引起的地下水水位降深在深度方向的影响范围更大.研究成果对后续超深基坑降水施工及环境变形控制具有重要的参考价值.

通过建立相对湿度、混凝土孔隙溶液饱和度以及腐蚀反应速率之间定量分析方法,研究了环境相对湿度对海水海砂混凝土环境下玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋力学性能的影响规律.利用混凝土孔隙尺寸分布函数和孔隙溶液的表面张力公式建立了相对湿度与海水海砂混凝土孔溶液饱和度关系模型;假设孔隙液均匀弥散于混凝土,得到了氢氧根(OH^-)腐蚀离子浓度;借助蚀刻模型计算OH^-作用下GFRP筋的腐蚀速率和强度保留率;利用试验数据验证了分析方法的准确性.根据中国部分沿海城市的气候统计数据,预测了代表性环境温度和水灰比条件下,相对湿度对海水海砂混凝土环境中GFRP筋强度保留率的影响规律,相对湿度的增加促进了GFRP筋的性能退化.结合相关标准规定,得到了海水海砂混凝土环境下GFRP筋的相对湿度与使用年限关系曲线.

波浪爬升问题与半潜式平台安全密切相关,波浪爬升的实时在线预报有助于保障海上作业安全.基于长短期记忆(LSTM)神经网络模型,以波浪和平台运动时间序列为输入,建立半潜式平台波浪爬升高度的极短期在线预报方法.通过平台模型试验获得训练与测试数据,对LSTM模型性能进行检验.结果显示,在提前预报量为6 s和12 s时,波浪爬升高度的平均预报精度分别为92.90%和84.09%,最大值相对误差不高于19.69%和30.66%;同时,模型在提前预报量低于6 s时能够对较大的波浪爬升极值实现准确且稳定的预报,可为海上平台运营过程中波浪砰击和越浪等风险预警提供有效技术支持.

螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性与船舶的紧急制动能力密切相关并直接影响船舶的航行安全性.基于开源计算流体动力学平台OpenFOAM中的雷诺平均求解器对螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性及绕流场开展数值研究.以5叶螺旋桨DTMB4381模型为研究对象,对其正车前进以及紧急倒车工况进行数值模拟.通过与国际上公开的模型试验结果进行对比,验证了所采用的数值方法在预报螺旋桨不同工况下水动力性能方面的有效性.基于数值模拟获得的水动力载荷及流场信息,探讨了紧急倒车工况下局部绕流场特征随进速变化的规律及其与螺旋桨整体水动力特性之间的关系,为船舶紧急倒车制动能力评估提供了理论依据.

为提高Boussinesq水波方程中的速度精度,以最高空间导数为2的双层Boussinesq方程为研究对象,提出增加带有常系数的三阶项以修正速度公式.适用水深在0<kh<8(k为波数,h为静水深)范围内,以方程的水平速度和垂向速度与Stokes线性波速度解析解的积分误差最小为目标,优化系数取值.在1%误差内,改进公式水平速度和垂向速度的适用水深kh分别为7.34和7.83,均比原计算公式适用范围大.利用数值模型对稳态波和聚焦波演化进行计算,将最大波峰下的水平速度分别与流函数解析解和试验结果进行对比,发现改进后的吻合程度更高,验证了改进公式的有效性.研究表明,改进公式的速度精度有较大幅度提高,该方法可为其他Boussinesq模型的速度场改进提供重要参考.

膜结构屋面因其对自然光源的充分利用和形式灵活等优势而在体育场馆等大跨度建筑中广泛应用,为解决其保温隔热性能差、易受外界环境因素影响等突出问题,多层膜结构设计、铺设保温层等方案被应用于工程实践,但热环境监测及分析的相关研究仍存在空白.为了研究双层聚四氟乙烯-气凝胶屋面体育馆的热环境,多点均匀布置测温仪进行监测,利用实测数据构建整体温度场;建立能够准确反映温度场变化的热物理模型,平均误差小于5%;以屋面保温层铺设为变量,基于该模型(原始工况)构建了无保温层、仅岩棉保温层和全为气凝胶保温层3种工况.对比发现,气凝胶的铺设使得室内空间的平均温度降低了2.0 ℃;原始工况的保温隔热效果最佳,室内外平均温差为9.6 ℃,研究可为膜结构屋面的保温隔热设计提供参考.

为探索凹凸棒天然矿物作为隔热材料的应用潜力,采用无压烧结方法制备了凹凸棒块材,研究了烧结温度对样品相组成、表面形貌、孔隙率以及热导率的影响.结果表明:随着烧结温度的升高,凹凸棒块材由以700 ℃时的石英相为主,转变为800~900 ℃时的石英与顽火辉石两相共存以及1 000~1 200 ℃时的石英、顽火辉石和方石英三相共存;微观结构由疏松的纤维形态,转变为以SiO₂为基体、MgO·SiO₂为第二相的致密结构,孔隙率显著降低.凹凸棒块材的热导率随着烧结温度的升高而增大,700 ℃下烧结的凹凸棒块材具有极低的热导率,室温下热导率为0.16 W/(m·K),且几乎不随测试温度的变化而变化,因此凹凸棒天然矿物作为隔热材料具有很大的潜力.

AS4/PEEK作为一种高性能的热塑性复合材料在航空航天、军事和汽车等领域应用广泛.对不同角度的单向AS4/PEEK层压板进行偏轴拉伸试验,获得了相应的应力-应变曲线、拉伸强度和断裂面角度.在数值模拟中,采用单参数三维塑性模型描述AS4/PEEK的非线性力学行为,模型中的塑性参数使用信任域反射算法得到.结合LaRC05准则和裂纹带理论开发了基于Abaqus的用户材料子程序VUMAT,并将其应用于偏轴拉伸的数值模拟.结果显示该三维弹塑性损伤本构模型能够较准确地模拟AS4/PEEK的塑性效应,且预测的拉伸强度与试验结果吻合良好.本文提出的三维弹塑性损伤模型为热塑性复合材料塑性变形和损伤的综合分析提供了一种准确且有效的方法.

在遭遇暴雨时,坡度比较小的膜面容易积水,准确模拟出此时膜面的变形有助于保障结构安全,现有研究采用的膜材线性本构模型不适用于模拟膜结构在暴雨下的变形.通过在膜结构上进行均布荷载加载试验,模拟膜面遭遇暴雨作用下的力学行为,获得结构积水时的变形形态.采用膜材线性与双折线本构模型,分别建立膜结构有限元模型并进行荷载分析,通过对比有限元模型和实际结构的变形,选取适合模拟膜结构在暴雨下变形的膜材本构模型.数值模拟结果显示:与采用线性本构模型模拟的结构变形相比,采用膜材双折线本构模型模拟出的结构变形更接近试验测得的变形.研究成果可为膜结构在暴雨积水作用下的膜材本构模型选用和分析计算提供参考.

为了进一步提高碳纤维增强热塑性复合材料与轻量化金属之间的连接强度,提出一种新型超声波自熔铆焊方法.该方法通过超声波焊接将短碳纤维增强尼龙6(CF/PA6)熔化并压入铝合金板上预制的通孔内,从而实现CF/PA6与铝合金的连接,连接机制为机械自锁.实验结果表明,随着孔数增加,焊接的整体力学性能有所增加,最优焊接能量为 2 000 J,最高剪切强度为(58.9±7.1) MPa.依据焊接功率和焊头位移信号,可将超声波自熔铆焊过程分为3个阶段:压紧阶段、导能筋嵌入阶段和充孔阶段.当能量一定时,随着孔数增加,导能筋会更早嵌入CF/PA6中,且焊接时间缩短.相对于焊接能量,孔数对焊接过程的影响更大.得益于机械自锁的连接机制,该方法对金属种类没有限制,具有较为广阔的应用前景.

为了揭示碳纤维复合材料(CFRP)与钢板连接设计中,母材厚度和强度对接头失效的影响规律,对CFRP层合板与DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180、PHS1500钢板组成的胶接、铆接和胶铆混合接头进行单向和正向拉伸试验,分析各接头连接强度和失效模式,提出CFRP/钢接头母材厚度比和强度比的推荐范围.结果表明:CFRP/钢接头失效模式由较弱一侧母材强度和刚度决定,在连接设计中,应尽可能使两母材的强度和刚度相近;CFRP零件与相邻钢件厚度比的推荐范围为1.37~1.91,母材极限承载比的推荐范围为0.9~1.52.

为了解决高强度钢方管难变形、易开裂等成形难题,在传统冷成形工艺基础上,引入局部感应加热技术.基于矢量磁位法和物理环境法,利用ANSYS参数化设计语言建立局部感应加热电磁-温度场耦合模型.在不同加热工艺参数下进行数值模拟,并采用优化后参数进行实验研究.模拟结果表明,导磁体通过增大磁场强度,可以明显提升感应加热效率.加热频率越高,外圆角区域加热速度越快,但与内圆角区域之间的温差也越大.加热功率越高,高温区域和温度峰值越大,但外圆角区域更容易过热.实验结果表明,采用优化后的加热工艺参数,可以获得圆角半径极小、角部厚度增加且没有裂纹缺陷的高强度钢尖角方管.加热温度模拟值与实测值的误差均值约为7.57%,说明有限元模型具备良好预测精度.