上海交通大学学报

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孤立波和海流作用下单桩基础局部冲刷及保护的数值分析

黎蔚杰, 张琪, 廖晨聪, 周香莲, 刘晨晨

2021,55 (6): 631-637.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.108

摘要 ( 843 )

HTML ( 654 )

PDF(6015KB) ( 533 )

采用数值模拟的方法研究了孤立波和海流共同作用下单桩周围海床的局部冲刷.通过求解RNG k-ε湍流模型封闭的N-S方程,准确地模拟了桩周流场的变化情况.泥沙输运模型考虑泥沙的夹带、悬移质输送、沉积以及推移质输送的泥沙冲刷机制.对于斜坡床面,考虑重力对泥沙颗粒的影响,并对临界希尔兹数进行修正.将数值结果与实验数据进行比较,验证了数值模型的准确性.在此基础上,详细分析在不同波高条件下的桩基冲刷发展过程,初步研究了桩基保护层对冲刷的影响.结果表明:波-流共同作用下桩基周围海床的冲刷深度比单纯流或孤立波作用下冲刷深度更大;倾斜海床下的局部冲刷深度更大;保护层的设置可以有效地降低桩周局部冲刷深度,保护层粒径的大小对防护效果的影响较大.

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波浪与地震荷载共同作用下桩的动力响应

刘晨晨, 张琪, 李明广, 周香莲, 黎蔚杰

2021,55 (6): 638-644.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.142

摘要 ( 901 )

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海洋风机单桩基础会受到波浪荷载的循环作用,同时会面临地震荷载的威胁,因此,海洋单桩基础所处的环境较为复杂.然而,目前大多理论研究主要考虑波浪荷载或地震荷载作用下的桩基动力响应问题.本文采用有限元方法建立了波浪-地震-桩-海床耦合模型,数值分析方法基于Abaqus隐式动力分析.采用Morison方程模拟波浪对于桩基础的作用,海床采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,桩为弹性介质,地震波通过加速度的形式添加在模型底部.主要研究埋置在海床中桩的动力响应问题,如:加速度、位移、弯矩以及剪力等.结果表明:地震荷载对于海上风机单桩基础具有重要影响.在地震荷载作用下,桩的加速度以及位移响应均有一定程度的放大.土体性质以及桩的参数对于海上风机单桩基础设计至关重要.

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考虑动态流体网格的颗粒-流体耦合算法

何金辉, 李明广, 陈锦剑, 夏小和

2021,55 (6): 645-651.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.317

摘要 ( 836 )

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PDF(1573KB) ( 547 )

传统颗粒-流体耦合算法难以考虑流体动态边界问题,在模拟大变形案例时因流固边界不匹配易造成计算误差,影响结果的准确性.针对该问题,引入流体网格动态更新方法,推导动网格下的达西渗流方程和颗粒-流体相互作用方程,在离散元商业软件PFC^2D基础上,开发了考虑流体动网格的颗粒-流体耦合算法.将该算法用于模拟饱和土不排水剪切双轴试验,通过与常体积法的结果对比,验证了该方法的有效性.最后,采用该算法模拟了不同围压下的不排水双轴试验,计算结果的规律与室内试验具有较好的一致性.该算法考虑了流体动网格的问题,在模拟大变形下的三轴压缩试验、一维固结试验等案例时可获得相适应的流固边界,有助于提高模拟精度,因此可为类似研究提供参考.

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Pasternak地基降水对邻近管线影响的解析研究

徐长节, 曾怡婷, 田威, 陈明

2021,55 (6): 652-662.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.007

摘要 ( 610 )

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PDF(2959KB) ( 391 )

基于Pasternak弹性地基梁理论,结合土的有效应力原理和Dupuit假设,推导了砂土地层单井降水引起邻近管线变形的解析解.算例解析计算结果与抽水试验及数值模拟结果吻合较好,验证了其准确性,在此基础上深入分析了管线受力变形的影响参数.结果表明:研究管-土相互作用时,土中剪力的影响不应被忽略,管线变形范围与降水影响半径大致相等.降水深度、管线与降水井距离对管线变形及受力有较大影响,且存在临界降深,使得管线变形及受力发生较大转变.到达临界降深前,管线变形和弯矩最大值位于管线中心,随降深增大而增大.超过临界降深后,管线弯矩最大值会随降深增大由管线中心向外偏移,出现两个弯矩峰值,位于水位线与管线相交处.研究成果可为相关工程的管线防护提供参考.

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基于非局部Biot理论的平面波作用下饱和地基动力响应

王宁, 丁海滨, 童立红, 蒋亚龙

2021,55 (6): 663-671.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.149

摘要 ( 541 )

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PDF(1484KB) ( 480 )

为探究孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响,基于非局部-Biot理论,构建了P波及SV波作用下饱和土地基表面动力响应的计算模型.采用波函数展开法,求解了地表位移及应力的解析解.分析了孔隙尺寸(以非局部参数描述)、入射波频率及入射角对地表位移及应力响应的影响.结果表明:低频下,非局部Biot理论计算结果与经典Biot理论计算结果基本一致;高频时,地表位移及应力随非局部参数变化较为明显,即高频率下,孔隙尺寸效应对地表响应影响不可忽略.入射波频率对地表响应的影响与孔隙尺寸有关,孔隙越大,频率影响越为显著.相同幅值的P波及SV波作用下,SV波引起的地表动力响应大于P波,且SV波在入射角为45° 时发生全反射.研究成果可为半空间饱和土中波动问题的研究提供借鉴.

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基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型时域计算方法

孙攀旭, 杨红, 赵志明, 刘庆林

2021,55 (6): 672-680.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.031

摘要 ( 658 )

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PDF(1139KB) ( 420 )

复阻尼模型的阻尼矩阵构造容易,仅依赖于材料损耗因子和结构刚度矩阵,但具有时域发散、非因果性等缺陷.从结构的固有特征恒定出发,推导了材料损耗因子与结构阻尼比的等效关系,进而得到与复阻尼模型等效的黏性阻尼模型.该阻尼模型不仅克服了复阻尼模型的缺陷,同时保留了复阻尼模型直接依赖材料损耗因子的便捷性.针对比例阻尼体系,依据材料损耗因子和结构振型阻尼比的关系,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型实振型叠加法.针对非比例阻尼体系,依据材料损耗因子和子结构振型阻尼比的关系,借助分块Rayleigh阻尼和状态空间法,提出了基于复阻尼模型等效的黏性阻尼模型复振型叠加法.通过算例分析验证了本文方法的可行性和正确性.

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模拟碱骨料反应引起的箍筋端部锚固退化对钢筋混凝土梁受剪性能的影响

赵朋飞, 薛昕, 杨成

2021,55 (6): 681-688.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.094

摘要 ( 619 )

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PDF(1890KB) ( 395 )

采用人工方法模拟碱骨料反应(AAR)引起的箍筋下端锚固退化,通过三点加载实验和数值模拟对钢筋混凝土(RC)梁受剪性能展开研究.结果表明:和完好梁相比,剪跨区内箍筋下端锚固退化降低了RC梁的受剪承载力,且降低程度随局部黏结失效范围的增大而趋于明显.端部锚固退化导致的箍筋抗剪作用减小以及斜裂缝间骨料咬合承担剪力降低是承载力下降的主要原因.基于模拟箍筋应变的承载机制定量评价结果表明,箍筋下端锚固退化同时降低了混凝土承担剪力V_c以及箍筋承担剪力V_s,但V_s降幅较V_c更为显著.

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基于Newmark隐式时间积分方案的裂纹动态扩展的数值计算方法

郭德平, 李铮, 彭森林, 曾志凯, 吴岱峰

2021,55 (6): 689-697.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.021

摘要 ( 816 )

HTML ( 8 )

PDF(1724KB) ( 396 )

扩展有限单元法(XFEM)是基于单位分解的思想,在常规有限元的位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,避免了常规有限单元法计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新划分网格的不便以及繁重的计算量,并且裂纹的扩展独立于网格.标准有限元在处理时间积分时,在裂纹不断扩展的过程中整体刚度矩阵的自由度也会不断地增大,从而导致迭代计算无法进行.本文基于扩展有限单元法模拟动态裂纹扩展的方法,提出了新的Newmark隐式时间积分方案.此方法将所有节点都富集Heaviside函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,即每个节点都有12个自由度,从而使得总体刚度矩阵式保持一致,避免迭代计算无法进行.同时,提出了一种稀疏矩阵技术来解决矩阵所占内存大和计算时间长的问题.

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上方长距离基坑开挖引起的共线隧道变形研究

陈拴, 吴怀娜, 陈仁朋, 沈水龙, 刘源

2021,55 (6): 698-706.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.026

摘要 ( 614 )

HTML ( 6 )

PDF(1463KB) ( 556 )

上方基坑开挖由于应力释放及坑底回弹,不可避免导致既有隧道产生上浮变形,长距离共线时其影响更为显著.在考虑环间剪切错台变形的铁木辛柯简化模型基础上,结合Winkler地基模型,提出了一种上方基坑开挖下土-隧道相互作用解析模型.利用叠加原理将该模型应用于上方长距离基坑开挖引起的共线隧道变形实例分析.通过计算结果与实测数据对比验证了该模型的准确性.分析结果表明,上方主体结构施工后,隧道上浮变形明显回落,但局部差异沉降增加,导致隧道内力和环缝变形显著增加.隧道渗漏水位置并非位于隧道上浮变形最大处,而是位于接头张开量最大处与接头错台变形最大处之间.因此,实际工程中不应仅关注隧道总变形,同时应关注差异沉降引起的接缝张开及错台变形.虽然隧道变形中剪切变形占比约为21.41%,但其引起的接缝错台变形较为显著,其对接缝防水有重要影响,理论分析中不容忽视.

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沉井接高过程中砂桩复合地基固结承载特性

陈培帅, 潘亚洲, 梁发云, 李德杰

2021,55 (6): 707-715.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.058

摘要 ( 650 )

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PDF(2208KB) ( 356 )

为分析沉井接高过程中固结对复合地基承载力的影响,以某大型陆上沉井基础的砂桩复合地基工程为背景,探讨了沉井接高过程中砂桩复合地基的固结特性,分析了加荷历时和砂桩置换率等因素的影响.基于桩土面积比法和桩土应力比法推导了考虑固结影响的砂桩复合地基极限承载力公式,并与复合地基实测承载力进行对比.结果表明:两种分析方法得到的复合地基承载力时程曲线较为接近,且初始承载力均小于复合地基实测承载力,而固结完成后的承载力比复合地基天然强度分别提高了68%和80%.该方法考虑了沉井接高过程中地基固结对其承载力的影响,避免了因低估地基的实际承载力而导致沉井滞沉问题,可为考虑固结影响的复合地基极限承载力计算和制定合理的沉井施工方案提供参考.

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一种合成残差式的反作用轮故障检测方法

何夏维, 蔡云泽, 严玲玲

2021,55 (6): 716-728.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.254

摘要 ( 620 )

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PDF(7000KB) ( 393 )

为了在地面根据卫星遥测数据有效把握在轨卫星反作用轮的健康状态,设计了一种合成残差式的反作用轮故障检测方法.该方法针对在轨遥测数据的特点,根据实际可获得的闭环控制反作用轮遥测数据,利用极端梯度提升(XGBoost)回归模型进行转速预测生成残差,并结合黏性摩擦因数对摩擦力矩突变的敏感性进行故障检测.此外,还针对在轨遥测数据不完备的情况,对检测方法进行了验证.结果表明,该方法对于常见的在轨卫星反作用轮故障均有较好的检测效果.合成残差式故障检测方法不依赖于故障样本,对于数据样本的要求也较低,因此在实际地面故障检测系统中具有一定的应用价值.

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点阵压气机叶轮的设计与3D打印仿真

张源, 李范春, 贾德君

2021,55 (6): 729-740.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.034

摘要 ( 920 )

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PDF(25454KB) ( 518 )

以压气机叶轮为研究对象,基于八角桁架点阵结构,设计了一种新型轻量化点阵压气机叶轮,通过选择性激光熔融(SLM)280型金属3D打印机对设计叶轮的可加工性进行了验证.为了解其3D打印性能,基于有限单元法(FEM)对点阵轮的3D打印过程进行了模拟.在保证利用数值方法研究3D打印过程可行的基础上,对不同功率下点阵轮的打印过程进行了分析,并与相同工况下的实心压气机叶轮进行了对比.结果表明:点阵轮与实心轮的层变形是一个逐层叠加递增的过程,在本文的7种工况下,点阵轮打印完成时的最大残余变形与残余应力均小于实心轮.点阵轮的最大残余变形最大可比实心轮小20.19%,最大残余应力可比实心轮小10.69%.这意味着点阵轮除了比实心轮具有更轻的质量,还将比实心轮具有更优异的打印性能.

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基于机器视觉的加工刀具磨损量在线测量

周俊杰, 余建波

2021,55 (6): 741-749.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.083

摘要 ( 946 )

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PDF(4784KB) ( 787 )

针对实际生产中测量刀具磨损需要人工操作、停机检测等问题,开发了一个基于机器视觉的加工刀具磨损测量系统.首先提出基于Laplacian算子边缘信息的Otsu分割算法将图像二值化,再通过基于形态学的Canny算子边缘检测粗定位及图像配准提取清晰的刀具磨损区域.最后,使用基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法提高测量精度,并通过主曲线方法拟合亚像素边缘点得到光滑的边缘曲线,实现了刀具磨损量的在线测量.实际加工过程中的刀具磨损测试结果表明,该系统检测自动化程度高、运行速度快、测量精度可以达到微米级,可以有效地应用于工业上对加工刀具磨损的实时监控.

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压铸铝合金用铣刀表面微织构及切削特性研究

何利华, 潘建峰, 倪敬, 冯凯, 崔智

2021,55 (6): 750-756.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.195

摘要 ( 746 )

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PDF(13249KB) ( 538 )

针对压铸铝合金在切削力影响下加工精度低、表面质量不高等问题,提出在铣刀前刀面加工沟槽和V型阵列表面微织构的方法.通过三向力传感器监测并分析铣削过程中的铣削力变化情况,重点分析y向铣削力(F_y)频谱特性.将采集到的F_y 进行快速傅里叶变换,得到3种不同铣刀F_y 的频谱分析图,利用表面形貌和表面粗糙度评价表面微织构铣刀的铣削性能.结果表明:相较于普通铣刀在x、y和z方向的铣削力均值,沟槽阵列表面微织构铣刀的均值分别降低了3.8%、0.29%和11.7%,V型阵列表面微织构铣刀的均值分别降低了8.5%、14.3%和12.4%;在6倍主轴频率处的F_y高频幅值的大小关系为普通铣刀>沟槽阵列铣刀>V型阵列铣刀;采用微织构铣刀加工的表面,其表面粗糙度比普通铣刀的小,且V型阵列铣刀加工工件的表面质量最好.研究结果将为压铸铝合金精密铣削提供理论依据.

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基于亮度突变性与密度特征检测的厚板T形接头焊缝轮廓识别

何银水, 李岱泽, 赵梓宇, 钱韦旭

2021,55 (6): 757-763.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.068

摘要 ( 589 )

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PDF(2687KB) ( 520 )

基于激光视觉传感的厚板电弧焊接中,为实现自动化、智能化,焊接需要有效的焊缝轮廓提取方法.针对厚板T形接头熔化极活性气体保护焊中焊缝图像强烈的电弧干扰背景,提出了一种基于亮度突变性与密度特征检测的焊缝轮廓识别方法.首先,采用改进的Canny算法凸显焊缝轮廓边缘并抑制电弧干扰背景.然后,利用激光条纹在局部区域内存在亮度突变的特性,提出一种亮度突变检测方法对干扰背景进一步抑制.最后,在Otsu阈值分割处理的基础上,提出了基于带宽与密度特征逐列扫描去除干扰的算法,并将处理后的数据进行最近邻聚类,利用数据类的空间尺度特征识别焊缝轮廓.结果表明:提出的算法在处理电弧区域占图像面积近20%的强干扰时,能有效地提取不同填充阶段焊缝轮廓95%以上的整体信息,可为不同接头机器人自动化、智能化焊接的进一步实施提供参考.

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基于变密度法的结构强度拓扑优化策略

丁卯, 耿达, 周明东, 来新民

2021,55 (6): 764-773.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.301

摘要 ( 1324 )

HTML ( 22 )

PDF(15908KB) ( 673 )

基于变密度法的结构强度拓扑优化中,优化结果存在灰度单元,导致结构应力水平难以准确预测,后处理前后结构应力水平变化较大.该研究通过采用基于过滤-投影的结构参数化方法,实现在迭代优化过程中结构中间密度单元比例不断下降.通过研究结构比强度问题主要优化参数对寻优过程、优化结构强度的影响规律,提出了先结构拓扑优化、后近似形状优化的新优化策略.实现了在优化过程中对结构应力水平变化趋势的准确控制,在提升优化过程稳定性的同时,实现了结构强度优化.通过典型的优化算例验证了所提出优化方法的合理性及实用性.

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一种基于可解释神经网络模型的压缩机功率软测量方法

王煜林, 周登极, 郝佳瑞, 黄大文

2021,55 (6): 774-780.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.086

摘要 ( 610 )

HTML ( 8 )

PDF(1586KB) ( 483 )

为在保证测量的准确性和高效性的同时,降低软测量方法对数据集的依赖性,提出一种基于可解释神经网络的压缩机功率软测量方法.实验中,在使用泛化性良好的数据集进行训练时,可解释神经网络模型在测试集上的均方根误差为 0.0094,相比反向传播(BP)神经网络模型降低了1.1%.在使用泛化性较差的数据集进行训练时,可解释神经网络模型在测试集上的均方根误差为 0.0128,相比BP神经网络模型降低了79.8%.实验结果表明,基于可解释神经网络的压缩机功率软测量方法不但具有较高的准确率,且在使用泛化性较差的数据集进行训练时,依然能够保持较高的测量性能.

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