時(shí)間：2023-05-30 08:54:24
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇力學(xué)分析的方法，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：大跨度鋼結(jié)構(gòu)；施工過(guò)程；向量式有限元；張拉索單元；千斤頂單元
中圖分類(lèi)號(hào)：TU311.4；TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0048-07
早期的施工力學(xué)問(wèn)題主要存在于橋梁[1-3]和高層建筑[4]中，隨著大跨空間結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展，結(jié)構(gòu)施工的周期和復(fù)雜性都大大增加，而且施工過(guò)程與結(jié)構(gòu)最終成型狀態(tài)關(guān)系更加密切，施工力學(xué)問(wèn)題在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中受到了充分的重視，但國(guó)外在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問(wèn)題方面公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)較少[5-6].國(guó)內(nèi)對(duì)施工力學(xué)的研究則主要基于時(shí)變力學(xué)理論[7]，將施工過(guò)程離散為若干施工階段進(jìn)行分析，常采用生死單元法和分步建模法[8]，將連續(xù)的施工過(guò)程進(jìn)行離散化求解.生死單元技術(shù)采用一次性建模，然后按照實(shí)際施工步驟逐步“殺死”或“激活”單元來(lái)模擬整個(gè)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)的受力及變形狀態(tài)，避免了單元網(wǎng)格的重新劃分，只需建立一次整體模型，但其缺點(diǎn)是單元被激活后可能發(fā)生漂移而與實(shí)際的安裝位形不符，出現(xiàn)較大偏差甚至求解不能收斂；分步建模法是按照施工步驟邊建模邊求解，可精確控制施工過(guò)程中構(gòu)件的安裝位形，不存在生死單元技術(shù)由于“死”單元的“漂移”而導(dǎo)致剛度矩陣病態(tài)的問(wèn)題，其缺點(diǎn)是每個(gè)施工步驟都需導(dǎo)入上個(gè)施工步分析的應(yīng)力狀態(tài)作為本次分析的初始應(yīng)力狀態(tài)，重復(fù)建模.而且傳統(tǒng)有限元方法在大變形、大變位等這類(lèi)施工過(guò)程中經(jīng)常涉及到的非線性問(wèn)題求解方面往往存在較大困難.
向量式有限元[9-11]是一種基于動(dòng)力學(xué)求解的數(shù)值方法，它從傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)出發(fā)，建立起一套完整的理論.此方法可以應(yīng)用于所有符合牛頓定律的力學(xué)問(wèn)題求解，不需求解聯(lián)立方程組，不存在非線性求解的收斂問(wèn)題，尤其適合于動(dòng)力問(wèn)題.國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者將其引入到結(jié)構(gòu)分析中[12-16]，可以完成諸如大變形、大位移，甚至是剛移等一系列非線性分析.本文利用向量式有限元理論計(jì)算與時(shí)間的依存性，進(jìn)行大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)分析提供了一種新的手段.
1 向量式有限元概述
向量式有限元的理論構(gòu)架不同于經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)，選擇了一組不同的概念描述和簡(jiǎn)化假設(shè).在向量式有限元基本理論中了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的一些簡(jiǎn)化假設(shè)，例如剛性桿件、運(yùn)動(dòng)和變形的分解以及路徑獨(dú)立的過(guò)程和靜態(tài)解，桿件的變位量和變形量是沒(méi)有限制的，而把時(shí)間也作為分析的一個(gè)變量來(lái)考慮.因此，向量式有限元能夠考慮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的全部過(guò)程，處理作用力和操作環(huán)境持續(xù)變化的真實(shí)狀況.同時(shí)，向量式有限元引入了數(shù)值計(jì)算方法，避免了多層次的迭代計(jì)算，求解過(guò)程中不形成剛度矩陣，因此不僅能夠方便地處理大變形、大變位等幾何非線性問(wèn)題，也能夠處理材料非線性和狀態(tài)非線性等不連續(xù)行為.
1.1 求解過(guò)程
根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)于每個(gè)質(zhì)點(diǎn)有：
2.2 千斤頂單元
大跨度鋼結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中采用支撐胎架，為便于卸載，一般使用千斤頂作為臨時(shí)支撐與結(jié)構(gòu)之間的連接，千斤頂在卸載施工中有較大的承載能力，且便于控制.基于千斤頂工作中受壓而不受拉的特點(diǎn)，可采用與張拉索單元類(lèi)似的模擬方法，建立千斤頂單元的內(nèi)力計(jì)算公式.不同的是，千斤頂單元只能受壓不能受拉，因此，當(dāng)fA2B2>0時(shí)，E0=0.
3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析
施工力學(xué)分析方法主要包括有限單元法、時(shí)變單元法和拓?fù)渥兓ǖ?時(shí)變單元法是指離散網(wǎng)格不變，通過(guò)單元大小的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)求解區(qū)域的變化，但存在數(shù)值積分穩(wěn)定性問(wèn)題.拓?fù)渥兓☉?yīng)用拓?fù)鋵W(xué)原理用數(shù)值手段實(shí)現(xiàn)求解區(qū)域的變化，但要求時(shí)變次數(shù)不能太多，否則計(jì)算效率不高.有限單元法因?yàn)槔碚摮墒欤子诔绦蚧玫搅藦V泛的應(yīng)用.但對(duì)于大變形、大變位甚至剛移等非線性過(guò)程的求解往往很難收斂.本文采用向量式有限元方法，可根據(jù)實(shí)際施工順序通過(guò)確定新增單元或節(jié)點(diǎn)，直接建立新增構(gòu)件加入初始模型進(jìn)行分析.由于向量式有限元求解本身即為動(dòng)態(tài)求解過(guò)程，因此不需調(diào)整參數(shù)，真實(shí)模擬實(shí)際施工順序，跟蹤受力和變形過(guò)程.
3.1 算例1
如圖3所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)，分為4段施工，僅考慮自重荷載，后續(xù)構(gòu)件的安裝按照切線的方式進(jìn)行.懸臂梁截面規(guī)格為H1400 mm×500 mm×10 mm×22 mm，材料彈性模量為2.06×105MPa，密度為7.85×103 kg/m3.
采用大型通用有限元軟件ANSYS中的生死單元法和本文方法分別計(jì)算各階段節(jié)點(diǎn)撓度，結(jié)果如表1所示.考慮在施工過(guò)程中，兩者均按照切線方式進(jìn)行下一步施工，對(duì)比生死單元法和本文方法可知，兩者結(jié)果相差不大，這表明本文方法是有效的.
3.2 算例2
如圖4所示兩端為鉸支座的索桁架初始態(tài)，拉索均為無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，粗實(shí)線表示鋼拉桿Φ102 mm×6 mm，彈性模量2.06×105MPa，細(xì)實(shí)線為拉索Φ20，彈性模量1.6×103 MPa，密度均為7 850 kg/m3，不考慮自重影響.通過(guò)張拉AD和CD兩根拉索對(duì)索桁架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，直至最終態(tài)（見(jiàn)圖5）.
建立向量式有限元模型，其中桿件BD采用桿單元，拉索AB和CB采用索單元，拉索AD和CD采用張拉索單元.對(duì)拉索進(jìn)行張拉有兩種模擬方式：一是設(shè)置阻尼系數(shù)，采用擬靜力分析的方法，拉索長(zhǎng)度一次變更到原長(zhǎng)，忽略拉索長(zhǎng)度變化及預(yù)應(yīng)力建立的過(guò)程，得到最終成形狀態(tài)；二是設(shè)阻尼系數(shù)為零，采用動(dòng)力分析的方法，拉索長(zhǎng)度以一定的速度逐漸變化至原長(zhǎng)，這樣可以跟蹤模擬預(yù)應(yīng)力在整個(gè)結(jié)構(gòu)中建立的過(guò)程.
圖6和圖7分別給出了采用這2種方法得到的單元內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線，其中阻尼系數(shù)為0時(shí)，拉索提升速度為4.06 mm/s.
由圖6和圖7可知，當(dāng)阻尼系數(shù)為20時(shí)，拉索原長(zhǎng)突變，內(nèi)力和位移曲線均產(chǎn)生振動(dòng)，但隨著阻尼力的作用逐漸趨于最終結(jié)果；當(dāng)阻尼系數(shù)為0時(shí)，因?yàn)槔髟L(zhǎng)以緩慢的速度變化，產(chǎn)生的振動(dòng)較小，而內(nèi)力和位移均緩慢增加，最終也達(dá)到了平衡狀態(tài).算例表明，采用兩種方法得到的最終結(jié)果是一致的，內(nèi)力為6 933.4 N，豎向位移為250 mm，且與理論解一致.
4 工程實(shí)例
南京水利科學(xué)研究院河口海岸深水航道試驗(yàn)大廳屋蓋采用大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)體系，跨度達(dá)119.8 m，上部鋼屋蓋支承于下部型鋼混凝土框架柱，一端簡(jiǎn)支一端滑動(dòng)（圖8）.屋蓋由18榀張弦桁架組成，單榀桁架采用倒三角截面立體管桁架形式，矢高7 m，垂度5 m，總高12 m；下弦拉索采用PES7-163纜索，彈性模量1.95×1011MPa，施加預(yù)應(yīng)力1 190 kN.根據(jù)工程特點(diǎn)及施工條件，采用單榀桁架帶胎架張拉，支撐胎架與桁架之間通過(guò)千斤頂連接，支撐胎架卸載后，桁架沿軸向累積滑移技術(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)安裝.支撐胎架采用2.0 m×2.0 m格構(gòu)式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，高22.0 m.立桿采用L152×6，橫桿采用L75×6，斜桿采用L100×6，柱頂連梁采用I20a，如圖9所示.
根據(jù)實(shí)際施工過(guò)程，首先在胎架上拼裝上部剛性管桁架，然后掛索并進(jìn)行張拉，利用向量式有限元可以首先將拉索的彈性模量設(shè)為零，分析上部管桁架自重作用下的受力狀態(tài)，然后改變索長(zhǎng)進(jìn)行張拉模擬.由于本工程為單榀張拉施工，本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋端部的第一榀張弦桁架施工張拉過(guò)程進(jìn)行模擬分析，跟蹤結(jié)構(gòu)位形及內(nèi)力變化.
建立向量式有限元模型，管桁架使用梁?jiǎn)卧M，撐桿為桿單元，考慮張拉過(guò)程實(shí)際情況，假定拉索的端部索段為原長(zhǎng)可以改變的張拉索單元，以此模擬張拉過(guò)程，中間索段為只受拉不受壓索單元.桁架下部采用雙拼格構(gòu)式支撐胎架，桁架與支撐胎架之間通過(guò)千斤頂單元連接.時(shí)間步長(zhǎng)取為0.000 12 s.
圖10和圖11分別為上部鋼桁架跨中豎向位移和支座節(jié)點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線，圖12和圖13分別為拉索內(nèi)力和千斤頂內(nèi)力時(shí)程曲線.0～1.2 s為鋼桁架拼裝階段，設(shè)阻尼系數(shù)為30，擬靜力計(jì)算跨中位移逐漸達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定；1.2～13.2 s為預(yù)應(yīng)力張拉階段，令阻尼系數(shù)為0，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，位移和內(nèi)力逐漸增大，但在6.6 s左右時(shí)跨中位移和內(nèi)力均有突變，這是由于在6.6 s時(shí)千斤頂內(nèi)力變?yōu)?，由圖13可知，此時(shí)鋼桁架脫架.當(dāng)時(shí)間為13.2～18.0 s時(shí)，令阻尼系數(shù)為30，位移和內(nèi)力趨于穩(wěn)定.最終得到跨中豎向位移為212.4 mm，支座節(jié)點(diǎn)水平位移為-77.1 mm，拉索內(nèi)力為1 193.4 kN，千斤頂內(nèi)力為零.
圖14和圖15均為采用大型通用有限元軟件ANSYS程序根據(jù)目標(biāo)索力進(jìn)行找力之后的分析結(jié)果，跨中豎向位移和支座水平位移分別為211.0 mm和-76.6 mm.拉索索力為1 190 kN，臨時(shí)支撐可以脫架.
5 結(jié) 論
1）本文基于向量式有限元的基本理論，推導(dǎo)了張拉索單元和千斤頂單元兩種新型單元，實(shí)現(xiàn)了施工力學(xué)實(shí)時(shí)分析，編制了含有張拉索單元和千斤頂單元的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程分析.
2）編制了大跨度張弦桁架張拉施工分析程序，并針對(duì)具體工程進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)和程序的有效性.但自編程序的計(jì)算效率與傳統(tǒng)有限元相比還有待提高，可優(yōu)化程度較大.
3）施工力學(xué)分析的難點(diǎn)在于施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的幾何、材料和邊界條件等均有可能隨時(shí)間變化.相對(duì)于傳統(tǒng)有限元分析方法來(lái)說(shuō)，本文提出的分析方法從動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，能夠適應(yīng)大變形、大變位等復(fù)雜非線性條件的分析，具有較強(qiáng)的適用性，且能夠跟蹤施工過(guò)程中的內(nèi)力和位移變化情況，得到整個(gè)施工過(guò)程中內(nèi)力和位移的動(dòng)態(tài)時(shí)程曲線，監(jiān)控施工過(guò)程的安全，對(duì)內(nèi)力和位移較大的桿件與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警.
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關(guān)鍵詞：土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)；結(jié)構(gòu)力學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法
中圖分類(lèi)號(hào)：TU311；G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909(2012)04-0062-04
1998年10月教育部頒布了《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)目錄》，將原土木建筑類(lèi)的8個(gè)專(zhuān)業(yè)(建筑工程專(zhuān)業(yè)、交通土建工程專(zhuān)業(yè)、城鎮(zhèn)建設(shè)專(zhuān)業(yè)(部分)、礦山建設(shè)專(zhuān)業(yè)、工業(yè)設(shè)備安裝工程專(zhuān)業(yè)、涉外建筑工程專(zhuān)業(yè)、飯店工程專(zhuān)業(yè)、土木工程專(zhuān)業(yè))合并為土木工程專(zhuān)業(yè)。土木工程學(xué)科由20世紀(jì)50年代較窄的專(zhuān)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦摹按笸聊尽蹦Ｊ剑F(xiàn)今的“大土木”范疇并不是以前土木工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的簡(jiǎn)單歸并與重復(fù)，而是更高意義上的整合和擴(kuò)展，文章稱(chēng)之為“土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)”。同時(shí)，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與市場(chǎng)化程度日益深化，土木工程類(lèi)企業(yè)參與國(guó)際市場(chǎng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，對(duì)土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求。土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)一直以來(lái)存在“專(zhuān)”與“通”的矛盾，即專(zhuān)業(yè)技術(shù)應(yīng)用型人才和復(fù)合型人才培養(yǎng)的矛盾［1］。
目前，相關(guān)教育管理部門(mén)、各高校及學(xué)者基本形成共識(shí)：土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)應(yīng)“強(qiáng)基礎(chǔ)、寬口徑、多方向”。其中，“強(qiáng)基礎(chǔ)”是“寬口徑、多方向”的前提，國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)的高校學(xué)制4年的總學(xué)時(shí)一般控制在2 500學(xué)時(shí)左右,公共平臺(tái)課（含公共基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及人文社科選修課）占教學(xué)計(jì)劃總學(xué)時(shí)的80%，約2 000學(xué)時(shí)，基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)時(shí)較為充裕，能較好地滿足土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)復(fù)合型人才“強(qiáng)基礎(chǔ)”的培養(yǎng)要求。國(guó)外土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)特別注重力學(xué)類(lèi)課程的學(xué)習(xí)，如：密歇根州立大學(xué)力學(xué)類(lèi)課程為17學(xué)分，占總學(xué)分(128學(xué)分)的13%；佛羅里達(dá)大學(xué)力學(xué)類(lèi)課程26學(xué)分，占總學(xué)分(131學(xué)分)的20%；威斯康星麥迪遜大學(xué)力學(xué)類(lèi)課程24學(xué)分，占總學(xué)分(125學(xué)分)的19%；南加利福尼亞大學(xué)力學(xué)類(lèi)課程21學(xué)分，占總學(xué)分(135學(xué)分)的16%。力學(xué)類(lèi)課程在總學(xué)分中所占的比重高是“強(qiáng)基礎(chǔ)”的充分體現(xiàn)［2］。需要強(qiáng)調(diào)的是：基礎(chǔ)課根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)要求,重在讓學(xué)生掌握必要的基礎(chǔ)理論。基礎(chǔ)教學(xué)不僅應(yīng)從專(zhuān)業(yè)教育的需要來(lái)考慮，還應(yīng)著眼于學(xué)生今后的發(fā)展，為“寬專(zhuān)業(yè)”的培養(yǎng)目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律、工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)力學(xué)任務(wù)是：研究工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等規(guī)律；分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計(jì)提供分析方法和計(jì)算公式；確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。作為土木工程大類(lèi)專(zhuān)業(yè)承接專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的重要課程，結(jié)構(gòu)力學(xué)課程歷來(lái)受到各高校、教學(xué)管理部門(mén)及專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)的重視。中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)教育工作委員會(huì)江蘇分會(huì)于2011年組織舉辦了江蘇省高校首屆土木工程青年教師講課競(jìng)賽，結(jié)構(gòu)力學(xué)作為四門(mén)競(jìng)賽課程之一，江蘇省大部分土木工程類(lèi)院校都安排青年教師參加，是參賽人數(shù)最多的課程，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的重要性。隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,以及力學(xué)解題方法的增加和計(jì)算機(jī)的普及,結(jié)構(gòu)力學(xué)涉及的內(nèi)容越來(lái)越多。同時(shí),由于中國(guó)高校本科專(zhuān)業(yè)的調(diào)整、壓縮,相關(guān)課程學(xué)時(shí)的減少，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)把結(jié)構(gòu)力學(xué)教好,以及如何合理調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法以適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)的需要,就顯得尤為重要。但目前在“大土木”背景下有關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)探討還不夠充分，文章從結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科體系出發(fā)，從課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法幾個(gè)方面探討了“大土木”背景下結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教學(xué)工作。
一、結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科體系
結(jié)構(gòu)力學(xué)根據(jù)研究性質(zhì)和對(duì)象的不同分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論，桿系結(jié)構(gòu)理論，薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。
結(jié)構(gòu)靜力學(xué)主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科，由于涉及時(shí)間因素，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分支，主要研究細(xì)桿、薄板和薄殼在受壓時(shí)應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺損或曲屈)的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋在外載荷作用下擴(kuò)展引起斷裂破壞，或在幅值較小的交變載荷作用下引起疲勞破壞的學(xué)科。另外在對(duì)各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)研究對(duì)象的維度差別還形成了桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三類(lèi)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，又涌現(xiàn)出夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)［3］。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門(mén)古老且如今發(fā)展迅速的學(xué)科，新型工程材料和新型工程結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn)為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究?jī)?nèi)容并提出了新的要求。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計(jì)算工具。結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)作用，如有限元法這一數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn)和發(fā)展就與結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究有密切關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】翼片；動(dòng)力學(xué)；ADAMS；FLUENT
1.引言
空投滑翔體與飛機(jī)分離一段時(shí)間后滑翔翼展開(kāi)。此時(shí)滑翔體具有較高的水平運(yùn)動(dòng)速度和一定的豎直運(yùn)動(dòng)速度，翼板在展開(kāi)機(jī)構(gòu)和在空氣動(dòng)力的共同作用下迅速展開(kāi)，運(yùn)動(dòng)到極限位置與限位固定鎖緊裝置發(fā)生碰撞并鎖緊。該過(guò)程是一個(gè)及其復(fù)雜的過(guò)程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，明確翼板的展開(kāi)方式，掌握翼板的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)翼板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
本文對(duì)包腹翼展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，建立了動(dòng)力學(xué)模型；通過(guò)對(duì)翼板流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，得到了翼板的流體動(dòng)力方程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ADAMS建立了翼板展開(kāi)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算，得到了翼板在展開(kāi)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析
2.1 坐標(biāo)系
在分析過(guò)程中，由于開(kāi)翼時(shí)間比較短，忽略系統(tǒng)縱向速度變化，并且假設(shè)滑翔體不動(dòng)，受到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)反方向的氣流，這樣該系統(tǒng)就簡(jiǎn)化成一個(gè)二自由度系統(tǒng)，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系xoy。為了更方便進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，采用廣義坐標(biāo)系θ1、θ2來(lái)描述該系統(tǒng)，其中θ1是翼片1的弦與豎直方向的夾角，θ2為翼片2的弦與豎直方向的夾角。A、B分別為翼片1和翼片2的質(zhì)心。
3.動(dòng)力學(xué)仿真
在ADAMS中建立模型，如圖3所示。
仿真結(jié)果可以看出，展開(kāi)過(guò)程中翼片2首先開(kāi)始動(dòng)作，繞兩翼片的連接軸旋轉(zhuǎn)展開(kāi)，只到兩翼片限位機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞并鎖定，在此過(guò)程中翼片1保持不動(dòng)，當(dāng)兩翼片之間鎖定之后，一起繞翼片1與滑翔體之間的軸旋轉(zhuǎn)展開(kāi)到位。整個(gè)過(guò)程用時(shí)0.18s，兩翼片所受最大流體力分別為730N和623N，翼片展開(kāi)最大角速度為1336°/s。
4.結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)翼片展開(kāi)全過(guò)程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得到了翼板的流體動(dòng)力特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，為翼片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核提供了輸入，對(duì)翼片的設(shè)計(jì)和修改提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，也為同類(lèi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了快捷的研究方法。
參考文獻(xiàn)
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[2]譚湘霞.折疊翼彈性動(dòng)力學(xué)分析[D].西北工業(yè)大學(xué)801教研室碩士學(xué)位論文，1999.
關(guān)鍵詞：土木工程；手工力學(xué)計(jì)算；數(shù)值仿真技術(shù)
作者簡(jiǎn)介：張玉（1985-），男，山東青島人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)建學(xué)院，講師；俞然剛（1966-），男，山東青島人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)建學(xué)院，教授。（山東 青島 266580）
基金項(xiàng)目：本文系山東省重點(diǎn)教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012017）的研究成果。
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）31-0079-03
力學(xué)分析、求解是土木工程專(zhuān)業(yè)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，在土木工程教學(xué)中的地位尤為重要。教學(xué)過(guò)程中如何讓學(xué)生理解土木工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)體系，靈活運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識(shí)分析結(jié)構(gòu)的組成、受力及變形特點(diǎn)，并對(duì)實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)開(kāi)展力學(xué)特性分析是當(dāng)前學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式中教師主要以板書(shū)講解和力學(xué)試驗(yàn)演示為主，學(xué)生則基于相應(yīng)的習(xí)題采用手工計(jì)算的方法予以求解，其弊端在于教學(xué)形式單一，教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞感，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率亦降低。[1]此外，傳統(tǒng)的教學(xué)方法雖能夠講解基本原理和計(jì)算方法，但學(xué)生很難靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，尤其針對(duì)復(fù)雜度較高的工程結(jié)構(gòu)，手工力學(xué)求解幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，造成理論與實(shí)踐應(yīng)用的脫節(jié)。隨著社會(huì)信息化程度越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，在土木工程教學(xué)體系改革中，基于數(shù)值仿真（Numerical Simulation）技術(shù)對(duì)典型土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析，并采用圖表、圖形、動(dòng)畫(huà)等方式將結(jié)果直觀呈現(xiàn)，得到了愈發(fā)普遍的應(yīng)用，此方法不但激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)了教學(xué)進(jìn)步，亦提供了良好的理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái)。[2，3]數(shù)值仿真技術(shù)能節(jié)省手工計(jì)算時(shí)間，且比手工計(jì)算更為精確、簡(jiǎn)潔，具有實(shí)用性強(qiáng)、靈活度高、修改方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其針對(duì)大型結(jié)構(gòu)工程，優(yōu)勢(shì)更為突出，進(jìn)而導(dǎo)致手工計(jì)算愈發(fā)減少，在工程分析中的地位愈發(fā)降低。
雖然仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，但就土木工程力學(xué)分析過(guò)程而言，手工計(jì)算仍占有重要的意義。手工計(jì)算分析無(wú)需設(shè)備，不受環(huán)境、地點(diǎn)影響，且優(yōu)秀的力學(xué)分析圖亦可作為藝術(shù)品進(jìn)行欣賞。此外，通過(guò)手工計(jì)算求解，學(xué)生可掌握各種土木工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析方法、受力圖繪制、數(shù)學(xué)求解技能，以及開(kāi)展結(jié)構(gòu)工程分析的基本方法和步驟，進(jìn)而夯實(shí)和加深對(duì)力學(xué)基本理論的認(rèn)知程度，為解決實(shí)際工程問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。故仿真軟件不能完全替代手工力學(xué)分析，兩者應(yīng)有效結(jié)合、并重。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員初期并不能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行掌控，此時(shí)需要將簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)開(kāi)展手工計(jì)算，勾畫(huà)力學(xué)分析圖，基于此對(duì)整體有部分掌握，進(jìn)而借助相關(guān)仿真軟件開(kāi)展詳細(xì)的數(shù)值分析。因此，對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生而言，手工計(jì)算和仿真軟件的應(yīng)用均為必備的能力，教學(xué)過(guò)程中兩者相互補(bǔ)充、相互結(jié)合亦是授課的主要內(nèi)容。
一、手工計(jì)算的特點(diǎn)與應(yīng)用
手工計(jì)算首先應(yīng)提取工程簡(jiǎn)化模型，以桿系結(jié)構(gòu)為例，需采用結(jié)構(gòu)力學(xué)手段進(jìn)行手工分析。內(nèi)力和位移作為工程結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)物理量，各種力學(xué)求解方法均以此為基礎(chǔ)，形成了土木工程分析中常用的“力法”和“位移法”。對(duì)兩種方法手工計(jì)算基本原理闡述的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力開(kāi)展計(jì)算分析，由此歸納總結(jié)出一般計(jì)算步驟。
1.力法
力法比較符合人們慣常的思維方式，是求解力的方程的傳統(tǒng)方法，策略為“先削弱后修復(fù)”，即先解除某些約束，將結(jié)構(gòu)修改為靜定結(jié)構(gòu)，再構(gòu)建力學(xué)方程來(lái)求解約束力，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的約束性態(tài)。基本方程本質(zhì)上為位移方程，依靠結(jié)構(gòu)變形、位移協(xié)調(diào)的幾何條件列出，位移則依據(jù)基本結(jié)構(gòu)內(nèi)力由虛功原理得到。[4]
2.位移法
位移法是以位移為基本未知量的求解方法。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)位移的關(guān)注遠(yuǎn)落后于內(nèi)力，已有各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，進(jìn)而探討內(nèi)力設(shè)計(jì)；而剛度設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量和重視程度被視為次要的。“位移法”計(jì)算策略為“先加強(qiáng)后修復(fù)”，即讓結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)完全固定，使其成為無(wú)關(guān)聯(lián)的單跨超靜定梁，以達(dá)到力矩和剪力的平衡，進(jìn)而消除在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的不平衡力和力矩。基本方程本質(zhì)上為平衡方程，依靠結(jié)構(gòu)在結(jié)點(diǎn)處的力或力矩列出。還有一種方法是附加約束上施加外力，認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生與原結(jié)構(gòu)一致的節(jié)點(diǎn)位移。相對(duì)于“力法”，“位移法”存在兩個(gè)假定：一是忽略軸力產(chǎn)生的軸向變形的影響，桿件變形前的直線長(zhǎng)度與變形后的曲線長(zhǎng)度相等；二是彎曲變形微小，并忽略剪切變形的影響，桿件變形后的曲線長(zhǎng)度與弦線長(zhǎng)度相等。
力法中，基本未知量數(shù)目等于結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)；位移法中，獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)位移，基本未知量與結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)無(wú)關(guān)，須加入附加約束得到超靜定基本體系，由此認(rèn)為力法和位移法是相反互補(bǔ)的。從基本未知量看，力法去掉多余約束力，位移法則利用獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)位移；從基本體系看，力法是去掉約束，位移法是加約束；從基本方程看，力法是構(gòu)建位移協(xié)調(diào)方程，位移法是構(gòu)建力系平衡方程。近年來(lái)，逐步出現(xiàn)的分層法、D值法和反點(diǎn)法的計(jì)算公式都是建立在力法和位移法的基礎(chǔ)上的。[4]以簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)為例（圖1）對(duì)手工計(jì)算方法予以說(shuō)明，進(jìn)而歸納總結(jié)出計(jì)算步驟。
綜合上述條件，得到，。歸納出手工計(jì)算一般步驟為：確定力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)未知量，繪出基本力學(xué)體系；作結(jié)構(gòu)力學(xué)分析圖及荷載的變形圖；得到力學(xué)體系方程；解方程，將系數(shù)和自由項(xiàng)代入力法方程，求解未知力。
二、數(shù)值仿真技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用
作為現(xiàn)階段發(fā)展較為完整的土木工程計(jì)算方法，仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為手段，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題建立抽象化模型，結(jié)合數(shù)值方法獲取結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，并采用圖像、圖表展示相關(guān)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而解決實(shí)際工程和物理問(wèn)題。[2]土木工程教學(xué)過(guò)程中涉及到的數(shù)值計(jì)算方法包括有限單元法、有限差分法、邊界元法和離散單元法等，應(yīng)用較多的仿真軟件包括ANSYS、ADNIA、ABAQUS、FLAC和SAP2000等。上述軟件和方法的應(yīng)用已普及于建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、交通、水利和城市規(guī)劃等各個(gè)土木工程領(lǐng)域，主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、施工過(guò)程的力學(xué)分析和建筑物的短長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面。且已從單體、局部結(jié)構(gòu)的仿真分析向工程整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全仿真發(fā)展；從二維、靜態(tài)的力學(xué)機(jī)制向動(dòng)態(tài)、三維的實(shí)時(shí)控制發(fā)展。教學(xué)過(guò)程中仿真計(jì)算的引入，不但豐富了教學(xué)手段與內(nèi)容，提高了教學(xué)效果，開(kāi)拓了學(xué)生的思維，亦為學(xué)生畢業(yè)后從事實(shí)際工程工作奠定了基礎(chǔ)。
仿真技術(shù)課程應(yīng)安排在學(xué)生掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、手工計(jì)算技能之后。作為當(dāng)今土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，此課程不但有利于加深對(duì)傳統(tǒng)的抽象力學(xué)知識(shí)的掌握，亦是以后研究和學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，仿真課程可為學(xué)生提供直觀動(dòng)力反應(yīng)分析；材料力學(xué)主要研究桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而橫力彎曲及變形撓度是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，仿真技術(shù)可考慮典型荷載分布因素的影響，得到桿件橫力彎曲時(shí)撓度的變形圖；彈塑性力學(xué)是研究各種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在彈塑性階段的應(yīng)力和位移，校核是否滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，并尋求和改進(jìn)相關(guān)計(jì)算方法；數(shù)字仿真技術(shù)可將復(fù)雜三維問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有效地處理實(shí)際工程中遇到的巖土體強(qiáng)度、樁同作用及混凝土靜動(dòng)力開(kāi)裂等問(wèn)題。
ABAQUS被認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件之一，它融結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、聲學(xué)、電學(xué)以及熱固耦合、流固耦合、熱電耦合、聲固耦合于一體，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題。[5]利用該軟件對(duì)上述手工計(jì)算的簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)開(kāi)展仿真分析（圖1），對(duì)應(yīng)力分布和最大變形量予以研究（圖3、圖4），計(jì)算結(jié)果與手工分析一致。雖然仿真軟件種類(lèi)繁多，但一般計(jì)算步驟類(lèi)似：構(gòu)建結(jié)構(gòu)數(shù)值模型；模型材料和截面特性設(shè)置；設(shè)置裝配件和計(jì)算分析步；施加荷載和邊界條件；劃分網(wǎng)格開(kāi)展分析；結(jié)果后處理。
三、兩者的有效結(jié)合和意義
清華大學(xué)袁駟[6]教授提出“一個(gè)基礎(chǔ)，兩座大廈”的力學(xué)教學(xué)體系改革方案，“一個(gè)基礎(chǔ)”指經(jīng)典力學(xué)理論，“兩座大廈”分別指程序力學(xué)和定性分析。此方案將基于手工分析的經(jīng)典力學(xué)、仿真計(jì)算的程序力學(xué)和結(jié)果的定性分析三者有機(jī)統(tǒng)一，相輔相成。但在當(dāng)今土木工程教學(xué)改革實(shí)踐過(guò)程中，手工分析和仿真計(jì)算的結(jié)合教學(xué)實(shí)踐并不多見(jiàn)，大多數(shù)院校教學(xué)過(guò)程均僅重視手工分析，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)力學(xué)在土木工程中的作用認(rèn)識(shí)不清晰，不知道土木工程專(zhuān)業(yè)中力學(xué)的學(xué)習(xí)目的，亦不知如何應(yīng)用力學(xué)原理解決實(shí)際工程問(wèn)題；教學(xué)中單純的數(shù)值仿真亦會(huì)引起學(xué)生對(duì)前期力學(xué)理論知識(shí)理解不夠，重要知識(shí)點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清晰，基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程脫節(jié)；且實(shí)際數(shù)值仿真操作過(guò)程如遇到程序或參數(shù)錯(cuò)誤，學(xué)生亦無(wú)法確定內(nèi)力圖是否正確，更不知道如何手工計(jì)算校核。因此，教學(xué)過(guò)程中，尤其力學(xué)理論知識(shí)授課完畢后，教師應(yīng)合理調(diào)整授課方案，開(kāi)展有利于提高教學(xué)效果的教學(xué)改革，并在實(shí)踐中加以修改和完善。建議教學(xué)方案為基于工程實(shí)例，采用手工分析和仿真計(jì)算相融合的教學(xué)方式，由簡(jiǎn)至繁、由淺至深地講授力學(xué)計(jì)算方法。首先提高學(xué)生對(duì)力學(xué)理論知識(shí)的理解和手工計(jì)算的熟悉程度，這是后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，不容忽視；其次，應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題的求解和實(shí)際工程的掌控。通過(guò)此種綜合教學(xué)方式，完善了教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)了授課過(guò)程中教案的動(dòng)態(tài)變化，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)力學(xué)求解過(guò)程和應(yīng)用均有了全面的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了學(xué)生科學(xué)的思維，使學(xué)生對(duì)課程和今后從事的工作具有全局性的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)了學(xué)生用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，亦為教師合理開(kāi)展后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程教育做準(zhǔn)備。
綜上所述，土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)過(guò)程中手工計(jì)算和仿真技術(shù)的有效結(jié)合是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生自我思考、讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握力學(xué)基本原理和利用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的良好途徑。與此同時(shí)，亦推動(dòng)了教學(xué)改革，引領(lǐng)土木工程課程的良性發(fā)展。而且目前高校土木專(zhuān)業(yè)教師隊(duì)伍均具有較高的學(xué)位和科研綜合素質(zhì)，尤其是專(zhuān)業(yè)課程教師基本都具有碩士、博士學(xué)位，不但擁有扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)修養(yǎng)，亦對(duì)仿真軟件有較多的接觸與應(yīng)用，為教學(xué)過(guò)程中兩者有效結(jié)合提供了保證。以中國(guó)石油大學(xué)（華東）土木工程專(zhuān)業(yè)為例，針對(duì)專(zhuān)業(yè)課教育，基于青年教師的自身優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)力學(xué)教育的基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)了“土木工程分析軟件與應(yīng)用”課程，講授了ANSYS、ABAQUS、FLAC和SAP2000等仿真軟件的操作與應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，亦為自主研發(fā)針對(duì)性和適用性更強(qiáng)的仿真軟件提出了挑戰(zhàn)。
四、結(jié)論
本文研究的手工計(jì)算和仿真技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)方法，在土木工程專(zhuān)業(yè)課程中具有較多的優(yōu)點(diǎn)和良好的可行性，故教學(xué)課程改革過(guò)程中應(yīng)予以推廣。且筆者認(rèn)為土木工程教學(xué)改革過(guò)程中，不但要注重理論的創(chuàng)新和基礎(chǔ)的牢固，亦須兼顧實(shí)踐的創(chuàng)新與應(yīng)用，采用多種手段，豐富學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，亦能理解在實(shí)際工程中的應(yīng)用，同時(shí)引導(dǎo)后續(xù)課程學(xué)習(xí)和開(kāi)展相關(guān)研究。這與清華大學(xué)范欽珊[7]教授提出的課堂教學(xué)應(yīng)堅(jiān)持“素質(zhì)教育、工程教育、創(chuàng)新教育”緊密結(jié)合，堅(jiān)持“理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)計(jì)算機(jī)分析相結(jié)合”，堅(jiān)持相關(guān)課程的整合形成系列化完整教學(xué)體系，堅(jiān)持“課內(nèi)課外結(jié)合”的教學(xué)理念相一致。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：ANSYS；機(jī)床主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)床的主軸是控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件之一，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響整個(gè)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的性能。機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)一般都是空心的階梯狀主軸，使用到了兩個(gè)支承或者三個(gè)支承。主軸上一般裝有傳動(dòng)裝置，通過(guò)主軸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)其他裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸前面部分裝有刀具，對(duì)待加工的工件進(jìn)行切削。所以，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要部分。本文以最常見(jiàn)的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，最終得到最優(yōu)機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)[1]。
1ANSYS軟件工作原理與流程
1.1ANSYS軟件工作原理
機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是以整體質(zhì)量最輕或者剛度最好為出發(fā)點(diǎn)，盡量將支承跨度、軸徑等控制在合理范圍。由于機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，而且當(dāng)前的工件加工要求越來(lái)越高，對(duì)于機(jī)床的性能要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)受力分析方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的需求，所以急需新的受力分析方法來(lái)參與機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
有限元分析法是目前比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析方法，它能從機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力、形變以及自振等方面分析出機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)方案。而最佳設(shè)計(jì)方案是指在滿足一切設(shè)計(jì)基本要求的條件下，將總成本投入控制在最小。有限元分析法是使用多次迭代的算法，經(jīng)過(guò)了許多次計(jì)算，所以分析得到的結(jié)果可靠程度比較高。
ANSYS軟件是一種集流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等分析與一題的大型分析軟件，其應(yīng)用的領(lǐng)域包括航空航天、汽車(chē)交通、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等領(lǐng)域，分析類(lèi)型包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、壓電分析等等。本文對(duì)某臥式車(chē)床參數(shù)化模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，建立起設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)三者聯(lián)系的分析模型，以設(shè)計(jì)變量為自變量，狀態(tài)變量控制設(shè)計(jì)變量數(shù)值，目標(biāo)函數(shù)值為因變量。通過(guò)調(diào)節(jié)狀態(tài)變量，不斷調(diào)節(jié)自變量的大小，通過(guò)迭代計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)值，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值最小時(shí)，設(shè)計(jì)變量值達(dá)到最優(yōu)[2]。
1.2ANSYS軟件工作流程
（1）建立參數(shù)化模型：要對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，首先必須要建立一個(gè)參數(shù)化模型。利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言以設(shè)計(jì)變量為參數(shù)建立參數(shù)化模型；
（2）對(duì)參數(shù)化模型分析求解；
（3）將參數(shù)化模型的分析結(jié)果反饋給狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)；
（4）通過(guò)控制狀態(tài)變量，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)變量的數(shù)值，獲得新的分析結(jié)果，然后拿新的分析結(jié)果與上次分析結(jié)果相比較，確認(rèn)本次目標(biāo)函數(shù)是否收斂，如果收斂，說(shuō)明目標(biāo)函數(shù)數(shù)值已經(jīng)達(dá)到最佳設(shè)計(jì)數(shù)值；如果沒(méi)有收斂，則按照前面步驟進(jìn)行循環(huán)，直到目標(biāo)函數(shù)收斂為止。
2機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1建立參數(shù)化模型
在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的因素有兩個(gè)：一個(gè)是主軸自身重量，還有一個(gè)就是主軸伸出段的撓度。對(duì)于主軸自身重量，可以將主軸自身重量的最小值作為目標(biāo)函數(shù)求解的最終目標(biāo)，對(duì)此，可以先選好主軸的材料，確定好主軸材料的密度，只需要將主軸的體積作為目標(biāo)函數(shù)，就可以求解得到主軸的重量。設(shè)計(jì)變量為主軸的外徑D、支承跨度L、齒輪到前支承的距離X、以及孔徑a，建立參數(shù)化模型。
2.2ANSYS軟件靜力學(xué)分析
在參數(shù)化模型構(gòu)建好以后，利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先給主軸前面部分的節(jié)點(diǎn)上施加大小為10000N的壓力，傳動(dòng)裝置對(duì)主軸的壓力為2000N，然后對(duì)模型的狀態(tài)條件實(shí)施控制，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，最終得到主軸靜力學(xué)分析示意圖，如圖1所示。
從圖中可以看出主軸前面部分的水平位移為0.0635mm，主軸的靜剛度經(jīng)過(guò)計(jì)算，約為157N/um[3]。
2.3多次迭代獲得最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行多次迭代計(jì)算，最終得到最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)：主軸前部分的水平位移距離為0.05mm，剛度值為197N/um，主軸體積為0.002m3，支承距離為92mm，主軸最大應(yīng)力為16MP，懸伸長(zhǎng)度為90mm，支承跨度為300mm。
結(jié)束語(yǔ)
將ANSYS軟件系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以使得機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)大大優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。通過(guò)建立參數(shù)化模型，對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行分析，再用多次迭代計(jì)算，獲得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，節(jié)約了機(jī)床主軸設(shè)計(jì)材料，降低了機(jī)床主軸設(shè)計(jì)成本。
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【關(guān)鍵詞】肝纖維化;門(mén)脾靜脈;多普勒超聲
【中圖分類(lèi)號(hào)】R445.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1006-1959(2009)08-0211-02
近年來(lái),超聲作為肝病無(wú)創(chuàng)性診斷方法發(fā)展較為迅速。多普勒超聲為定量化評(píng)價(jià)肝臟血流變化提供了無(wú)創(chuàng)簡(jiǎn)便的方法,而肝臟血流動(dòng)力學(xué)改變可從一個(gè)側(cè)面反映肝纖維化的變化。本研究采用彩色多普勒超聲,檢測(cè)88例慢性病毒性肝炎患者的血流動(dòng)力學(xué)變化,并與肝纖維化分期進(jìn)行相關(guān)性分析,現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。
1 資料與方法
1.1 研究對(duì)象:
88例慢性肝炎患者,男62例,女22例,年齡16~59歲,年齡中位數(shù)35歲。采用2000年中華醫(yī)學(xué)會(huì)傳染與寄生蟲(chóng)病學(xué)分會(huì)、肝病學(xué)分會(huì)聯(lián)合修訂的診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]。肝穿刺活體組織檢查結(jié)果按纖維化程度分期,S0 16例,S1 19例,S2 17例,S3 20例,S4 16例。排除合并腹水、門(mén)脈內(nèi)栓塊、肝占位及心肺疾患者。
1.2 儀器方法:
采用BIOSOUD AU4型彩色雙功能多普勒超聲診斷儀,3.5~5.0凸陣電子掃描探頭。患者于肝穿刺后12~24h并空腹8h接受超聲檢查。受檢者取平臥位。先在二維超聲模式下測(cè)量門(mén)、脾靜脈管徑,然后用彩色多普勒超聲檢測(cè)門(mén)、脾靜脈血流參數(shù)。門(mén)靜脈測(cè)量部位于右肋下斜切,選起始部至肝門(mén)部中點(diǎn)測(cè)量;脾靜脈檢測(cè)部位為距脾門(mén)約0.5~1cm 處。于平靜呼吸末采集血流信號(hào)樣本,取樣容積大小接近管腔內(nèi)徑,聲束與血管夾角
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:采用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,各測(cè)量數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩q檢驗(yàn)。P
2結(jié)果
2.1 不同纖維化分期患者門(mén)靜脈血流參數(shù)比較:
單因素方差分析表明,門(mén)靜脈主干內(nèi)徑、門(mén)靜脈主干血流最大速度、門(mén)靜脈主干血流平均速度、門(mén)靜脈淤血指數(shù)在肝纖維化分期組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05)。進(jìn)一步兩兩q檢驗(yàn),門(mén)靜脈主干內(nèi)徑和淤血指數(shù)隨肝纖維化程度的加重而增加。淤血指數(shù)在S1與S2組間比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P
2.2 不同纖維化分期患者脾靜脈血流參數(shù)比較:
單因素方差分析表明,脾靜脈內(nèi)徑在肝纖維化分期組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05)。見(jiàn)表2。
3 討論
肝組織纖維化發(fā)展到肝硬化失代償期時(shí),常伴有門(mén)脈高壓和脾功能亢進(jìn),其表現(xiàn)為食管、胃底靜脈曲張、周?chē)?xì)胞計(jì)數(shù)下降、腹水等,臨床容易診斷。但是對(duì)于臨床診斷為慢性肝炎并未達(dá)到典型肝硬化的病人,門(mén)靜脈壓力和脾功能亢進(jìn)的程度不太清楚[2]。多普勒超聲作為一種非創(chuàng)傷性檢查手段,在評(píng)價(jià)肝纖維化程度及門(mén)、脾靜脈高壓血流動(dòng)力學(xué)情況、估計(jì)病情及預(yù)后等方面有重要價(jià)值[3]。
研究顯示,在慢性乙型肝炎的不同階段,由于不同的肝纖維化程度,門(mén)靜脈和脾靜脈的血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)差異甚大,且肝、門(mén)及脾靜脈血流動(dòng)力學(xué)變化亦不一致[4]。隨慢性肝炎的病情進(jìn)展,肝臟纖維組織增生, 出現(xiàn)竇周間隙纖維化及肝竇毛細(xì)血管化,同時(shí)肝細(xì)胞的變性壞死、炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)等使得門(mén)靜脈阻力逐漸增加,血管直徑和面積逐漸增大,門(mén)靜脈變化大于脾靜脈變化。隨慢性肝炎纖維化進(jìn)展,門(mén)靜脈阻力和側(cè)支循環(huán)的增加,門(mén)靜脈血流速度逐漸變緩,并可出現(xiàn)雙向血流。門(mén)靜脈血流量由于是血流平均速度與門(mén)靜脈管腔截面積的乘積,故無(wú)明顯變化。本研究還發(fā)現(xiàn),脾靜脈內(nèi)徑在不同纖維化程度之間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 而且與肝組織纖維化程度呈顯著正相關(guān)。隨著肝纖維化程度的加重,肝小葉結(jié)構(gòu)紊亂,門(mén)脈高壓所引起的脾臟形態(tài)及血流動(dòng)力學(xué)改變,血液回流受阻,從而導(dǎo)致脾腫大,脾靜脈內(nèi)徑增寬。而脾循環(huán)血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)受到多方面的影響因素如神經(jīng)體液調(diào)節(jié)因素的影響,其變化缺乏規(guī)律性,與肝纖維化程度之間缺乏顯著的相關(guān)關(guān)系,故對(duì)肝纖維化程度尚不能敏感地判斷。
綜上所述,利用彩色多普勒超聲監(jiān)測(cè)慢性肝炎患者的肝臟血流變化,便于臨床對(duì)慢性肝炎肝纖維化進(jìn)行無(wú)創(chuàng)的診斷、程度判斷和療效評(píng)價(jià),具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。但血流動(dòng)力學(xué)改變?cè)诟卫w維化分期組間有重疊現(xiàn)象,個(gè)別數(shù)據(jù)明顯偏離預(yù)期,提示多普勒超聲在肝纖維化評(píng)估中的價(jià)值仍有待探討。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】 跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力學(xué)
跟骨是人體中最大的跗骨 ， 對(duì)行走及負(fù)重有重要的作用。跟骨形態(tài)復(fù)雜 ， 呈不規(guī)則長(zhǎng)方體 ， 上面有三個(gè)關(guān)節(jié)面 ， 分別為跟距前、中、后關(guān)節(jié) ， 跟骨后關(guān)節(jié)面最長(zhǎng) ，長(zhǎng)軸呈凸弧形斜向前下方 ， 組成跟距關(guān)節(jié)的大部分。以后關(guān)節(jié)面為界分為三部分 ， 后關(guān)節(jié)面以前為前部 ， 以后為后部 ，前窄后寬。在負(fù)重情況下 ， 足的距骨、跟骨必須正確排列 ，有足夠的力量和高度來(lái)承受負(fù)荷跟骨骨折是臨床常見(jiàn)骨折。跟骨骨折由于本身復(fù)雜的解剖特點(diǎn)復(fù)雜，現(xiàn)有方法對(duì)跟骨尤其是跟距關(guān)節(jié)面的生物力學(xué)分析有一定的難度[1，2]。本研究旨在通過(guò)Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行靜壓力分析，對(duì)跟距關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布做簡(jiǎn)要分析。并通過(guò)此方法的建立，為研究跟骨骨折的生物力學(xué)研究建立初步方法。
1 資料與方法
1.1 研究對(duì)象
被測(cè)試對(duì)象:健康男性 1 名，身高170cm，體重60kg ，年齡30 歲。采用襄樊市中心 醫(yī)院西門(mén)子螺旋CT對(duì)其進(jìn)行足部掃描。
1.2 方法
用Simens多排螺旋CT對(duì)受試者的足部進(jìn)行掃描，受試者呈仰臥位，從脛骨中段至足底進(jìn)行連續(xù)螺旋掃描，將影像輸入到 Mimics 10 11 軟件(Materialise公司，比利時(shí)) 。
CT斷層掃描圖片以dicm格式導(dǎo)出，以Mimics軟件(比利時(shí))導(dǎo)入，形成三維圖像，并且通過(guò)對(duì)感興趣的部位(本文為跟骨)單獨(dú)形成三維圖像，再導(dǎo)出為lis格式，并且做smooth和mesh處理。然后將此文件導(dǎo)入ANSYS10.0(美國(guó))，并以此面模型建立體模型。在跟距關(guān)節(jié)面上根據(jù)解剖關(guān)系劃出軟骨關(guān)節(jié)面范圍，設(shè)定跟骨的四面關(guān)鍵點(diǎn)為不可位移的關(guān)鍵點(diǎn)，再在軟骨面上施加正常成人體重的1/2約343N，得出應(yīng)力云圖及各個(gè)方向的形變[3]。
2 結(jié)果
2.1 Mimics軟件可以順利的將整個(gè)足的CT斷層掃描數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)化為3D模型，然后選取研究感興趣的部分如跟骨單獨(dú)成像。比傳統(tǒng)CT圖像勝在更直觀，并去除了解剖結(jié)構(gòu)的限制，可以從任意角度觀察跟臨床感興趣的部位(圖1)。
2.2 將跟骨單獨(dú)形成三維圖像后再導(dǎo)出為lis格式，并且做smooth和mesh處理，然后將此文件導(dǎo)入ANSYS10.0可以建立能夠進(jìn)行有限元分析的網(wǎng)絡(luò)模型(圖2)。
2.3 設(shè)定跟骨的力學(xué)特性密度泊松值和楊氏模量。選定跟骨底部四個(gè)點(diǎn)為約束點(diǎn)，跟距關(guān)節(jié)面上根據(jù)解剖關(guān)系劃出軟骨關(guān)節(jié)面范圍后施加343N靜壓力，時(shí)間為1s(圖3)。
2.4 求解可以得出在壓力作用下跟骨模型的應(yīng)力云圖和各向形變。
根據(jù)設(shè)定條件， ANSYS提示跟骨之跟距關(guān)節(jié)面受壓力后 跟骨內(nèi)部的應(yīng)力變化， 關(guān)節(jié)面部分為桔黃色代表應(yīng)力較大，其中中中央部分為紅色代表應(yīng)力最大為7.17M Pa， 跟骨體部為綠色代表較大代表應(yīng)力較小(圖4)。
形變分析圖示在跟距關(guān)節(jié)中央為紅色提示形變最大為0.342mm，向外周延伸形變逐漸減小。這與臨床跟骨骨折的常見(jiàn)表現(xiàn)類(lèi)似。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)跟骨本身的材料屈服標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，跟骨就會(huì)發(fā)生不可逆的形變也就是骨折(圖5)。
轉(zhuǎn)貼于 3 結(jié)論
① Mimics可以方便的個(gè)體化建立準(zhǔn)確有效的跟骨模型
② ANSYS可以在方便快捷準(zhǔn)確的分析跟骨跟距關(guān)節(jié)的的各種力學(xué)特性，比如靜力分析。比較復(fù)雜的比如接觸分析，在建立肌腱軟骨的正常模型的基礎(chǔ)還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。
③ 靜力分析表明跟距關(guān)節(jié)在正常靜壓力下，跟距關(guān)節(jié)的壓力峰值集中在跟距關(guān)節(jié)中心，形變也與壓力相應(yīng)分布在附近。這和臨床實(shí)踐所見(jiàn)是相符合的。
4 討論
有限元分析軟件已經(jīng)由過(guò)去對(duì)生物體材料幾何結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單模擬和近似計(jì)算，發(fā)展到能對(duì)人體各組成部分復(fù)雜的非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)模擬和精密分析，成為現(xiàn)代人體生物力學(xué)研究的一種重要工具，尤其是應(yīng)用在口腔頜面外科和骨科方面。有限元分析的基礎(chǔ)是模型的建立和網(wǎng)格的劃分。過(guò)去缺乏建模工具，往往采取直接更具結(jié)構(gòu)的幾何外形建立節(jié)點(diǎn)和單元而得到有限元，模型，一般只適合簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，無(wú)法完全反映正確的人體骨性結(jié)構(gòu)。應(yīng)用CT或MRI的計(jì)算機(jī)三維影像重建雖然可以直觀地反映人體結(jié)構(gòu)，為臨床提供部分診斷信息，但無(wú)法以此直接進(jìn)行生物力學(xué)分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)(CT、MRI)，建立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模塊，MIMICS FEA模塊可以將掃描輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，輸出相應(yīng)的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(計(jì)算機(jī)模擬流體動(dòng)力學(xué))，用戶可用掃描數(shù)據(jù)建立3D模型，然后對(duì)表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在FEA分析中。FEA模塊中的網(wǎng)格重新劃分功能對(duì)FEA的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行最大限度的優(yōu)化，基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位，可以對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行材質(zhì)分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人體跟骨螺旋 CT掃描影像為幾何依據(jù)的有限元模型。以往建立的醫(yī)學(xué)有限元模型由于軟件功能單一、 網(wǎng)格劃分算法少、 人體組織結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則等原因，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)，在精度方面有一定的缺陷，而且模型創(chuàng)建過(guò)程環(huán)節(jié)多、 成本高、 周期長(zhǎng)，進(jìn)一步限制了其應(yīng)用。此方法具有便捷、 高效、 準(zhǔn)確、高度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)初步建立的跟骨模型，分析了簡(jiǎn)單的靜力分析，得出的結(jié)論和臨床實(shí)踐相符，證明Mimics和ANSYS結(jié)合是骨科生物力學(xué)分析的有利工具。另外，如建立肌腱軟骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中實(shí)現(xiàn)對(duì)跟距關(guān)節(jié)面的動(dòng)態(tài)分析，還可以利用Mimics中的CAD模塊插入內(nèi)固定物，實(shí)現(xiàn)內(nèi)固定物對(duì)骨折的固定效果的力學(xué)分析，具有廣泛的用途。
參考文獻(xiàn)
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1熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的發(fā)展歷程概述
熱經(jīng)濟(jì)學(xué)起源與20世紀(jì)50年代末期，創(chuàng)始人為美國(guó)的Tribes。他在其指導(dǎo)的博士論文能量系統(tǒng)的火用分析中，第一次將經(jīng)濟(jì)因素引入到了火用分析之中，并首次提出了通過(guò)系統(tǒng)逐個(gè)尋優(yōu)達(dá)到全局最優(yōu)的目的。到20世紀(jì)60年代中期，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)初步有了完善的體系，并被學(xué)術(shù)界命名為thermo-economics。
Tribes的學(xué)生Revamps還發(fā)表了熱經(jīng)濟(jì)學(xué)孤立化原理的數(shù)學(xué)論證。隨后，美國(guó)的另一學(xué)派代表人物R.Gaggioli，他以代數(shù)為主要數(shù)學(xué)計(jì)算模式，進(jìn)而發(fā)展了代數(shù)模式的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)。德國(guó)的Beyer，結(jié)構(gòu)系數(shù)模式經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)展為符號(hào)經(jīng)濟(jì)學(xué)，也稱(chēng)知陣模式熱經(jīng)濟(jì)學(xué)(因?yàn)槲鞣絿?guó)家習(xí)慣稱(chēng)知陣為符號(hào))，知陣模式代表了熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的成熟階段。
到了1995年，王加漩等科學(xué)工作者開(kāi)始在我國(guó)推行國(guó)際上各種流派的火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的先進(jìn)理論。部分學(xué)者根據(jù)我國(guó)的具體國(guó)情對(duì)其研究應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了一定的成就，逐漸形成了各自的流派。
2熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理與優(yōu)勢(shì)
目前存在的能量評(píng)價(jià)方法包括以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能量分析法。這種分析法雖然操作簡(jiǎn)單，且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但評(píng)價(jià)值側(cè)重于量而沒(méi)有評(píng)價(jià)質(zhì)。另一種是以熱力學(xué)第一定律和第二定律和火用平衡理論為框架的火用分析法。這種方法在對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析優(yōu)化的時(shí)候，得出的結(jié)果往往無(wú)法顧及經(jīng)濟(jì)因素。目前最為科學(xué)全面的分析是法是本文研究的將熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素綜合分析的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法也稱(chēng)火用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法。這種方法結(jié)合了工程經(jīng)濟(jì)學(xué)、系統(tǒng)工程、最優(yōu)化技術(shù)以及決策理論等基本思想，兼顧能量使用的量與質(zhì)，并將系統(tǒng)的火用流價(jià)格數(shù)據(jù)化，能夠評(píng)估兼顧能量使用效率與經(jīng)濟(jì)價(jià)值的綜合結(jié)果，這種分析法在復(fù)雜的工程分析、診斷、優(yōu)化、改進(jìn)中，都有重大作用，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯。
熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的分析能夠全面輔助系統(tǒng)的優(yōu)化，它的基本原理是在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，確定考慮的變量及變量之間的關(guān)系，然后選擇約束條件和決策變量，最后用數(shù)學(xué)手段描述出目標(biāo)函數(shù)與約束方程，進(jìn)行求解。求解答案能夠?qū)?xiàng)目設(shè)計(jì)提供重要參考資料，包括對(duì)可行方案的選擇、對(duì)改進(jìn)措施的評(píng)價(jià)、對(duì)成本的真實(shí)計(jì)算以及單元系統(tǒng)的維護(hù)與更替。
3熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的應(yīng)用
熱經(jīng)濟(jì)學(xué)是分析現(xiàn)代工程系統(tǒng)中一切與能力相關(guān)的系統(tǒng)的熱力學(xué)方法，一般來(lái)說(shuō)，從原則上區(qū)分，可以分為兩大類(lèi)方法，一是在卡諾和克勞修斯研究框架中，利用系統(tǒng)能平衡概念分析的系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的完善程度，通過(guò)把被研究系統(tǒng)與卡諾循環(huán)理想循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，從它們之間的接近的程度判定系統(tǒng)的完善程度。
二是以吉布斯理論為框架，采取熱力學(xué)勢(shì)概念的分析方法，分析系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，以熱力學(xué)勢(shì)為分析重點(diǎn)，進(jìn)而分析各種形式之下功的數(shù)值。從這一原理出發(fā)，我們可以評(píng)估被分析系統(tǒng)任意一點(diǎn)上的物流與能流所做功的性能。這一點(diǎn)能夠無(wú)視系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度而直接對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，所以，我們可以充分利用這一方法的特點(diǎn)，分析得到需要的全部信息。這種方法，首先在化學(xué)熱力學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而其他領(lǐng)域一般仍沿用第一類(lèi)方法。
在我國(guó)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法被引入到熱力系統(tǒng)，我國(guó)學(xué)者首先主要通過(guò)概念模型來(lái)分析熱力系統(tǒng)，并實(shí)際通過(guò)繪制結(jié)構(gòu)圖對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行了指導(dǎo)，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)理論并且被用于分析復(fù)雜的能量體系，模擬故障診斷，并用于計(jì)算成本。
在系統(tǒng)的優(yōu)化方面，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)被用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析的內(nèi)容包括燃料、產(chǎn)品流的成本，和最紅產(chǎn)品的形成過(guò)程，在此過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算編輯火用成本的變化能夠建立能量損耗分析模型，實(shí)現(xiàn)了在線診斷系統(tǒng)性能的目標(biāo)，隨后熱經(jīng)濟(jì)學(xué)概念引入到火電機(jī)組，建立了加熱器故障診斷指標(biāo)的通用數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了加熱器故障診斷的可能性。還有學(xué)者通過(guò)研究火用流的計(jì)價(jià)和費(fèi)用分配問(wèn)題，對(duì)把輸入的火用流進(jìn)行拆分，提出了基于能級(jí)相近最大化相供的火用流計(jì)價(jià)策略，并將此原理應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)熱力系統(tǒng)之中。
生態(tài)系統(tǒng)的求解問(wèn)題通常會(huì)遇到非線性問(wèn)題和含義的穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)這類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行求解，必須使用微分幾何與張量代數(shù)、步驟較為繁瑣，且這些方法難度較大。再忽略精度細(xì)微誤差的前提之下，我們可以使用網(wǎng)絡(luò)熱力學(xué)方法去求解，網(wǎng)絡(luò)熱力學(xué)分析法是近年來(lái)發(fā)展并逐漸成熟的計(jì)算方法，雖然目前仍有待完善，但是前景光明。
關(guān)鍵詞：管柱受力 直梁 材料 鉆井
一、管柱受力基本情況介紹
管柱受力在以往的設(shè)計(jì)井下作業(yè)管柱時(shí)，僅僅是憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，因而缺少科學(xué)的理論計(jì)算依據(jù)。實(shí)際的井眼軸線并不是理想的直線，而是一條任意率的空問(wèn)螺旋線，特別是在定向井和水平井中尤為突出，致使管柱和井壁產(chǎn)生接觸。因管柱外表面和井壁(套管內(nèi)壁)之間有一定的初始間隙，因此井下管柱和井壁的接觸問(wèn)題是一種隨機(jī)接觸的非線性力學(xué)問(wèn)題，其計(jì)算方法具有一定難度和復(fù)雜性，用一般的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)力法是不能解決這類(lèi)問(wèn)題的，因此開(kāi)展了試油測(cè)試射孔管柱受力及強(qiáng)度分析研究。
二、管柱受力分析的理論
1.理論模型的建立
1.1模型的建立
根據(jù)井眼軸線形態(tài)和管柱組合結(jié)構(gòu)，先用一般有限元法把管柱沿軸線離散為若干個(gè)空間直梁?jiǎn)卧缓笤诠苤拿總€(gè)直梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)間隙元。總體坐標(biāo)系是固定在井口上的笛卡爾坐標(biāo)系，在管柱力學(xué)分析時(shí)，選取整體管柱串作為研究對(duì)象。
管柱串的外載荷也比較復(fù)雜，除管柱自重外，還有管柱內(nèi)外表面分布的液體壓力。管柱外壓力不僅引起管柱環(huán)向壓縮變形，而且引起管柱的軸向伸長(zhǎng)變形。管柱內(nèi)壓力不僅引起管柱環(huán)向鼓脹變形，而目引起管柱軸向縮短變形。另外，射孔彈的爆炸壓力施加的外壓力都比較大，將使管柱產(chǎn)生較大的軸向內(nèi)力和變形。
1.2邊界條件
管柱下兩端和圓形井壁，對(duì)管柱構(gòu)成一定的約束作用。這種約束作用可以用邊界條件來(lái)描述：
井壁作為管柱變形的自由移動(dòng)邊界部分，將由空問(wèn)靜力多向接觸摩擦間隙元轉(zhuǎn)化為接觸摩界條件，接觸摩擦狀態(tài)將由整個(gè)管柱的受力變形和平衡狀態(tài)來(lái)確定，接觸點(diǎn)處仃接觸反力和摩擦力作用。管柱下端簡(jiǎn)化成自由端，液體壓力在管柱下端將產(chǎn)：生活塞力作用。管柱的下放工況或封隔器不坐封工況，管柱上端(井口)簡(jiǎn)化為固定端邊界條件，如果封隔器坐封時(shí)，最先坐封的封隔器簡(jiǎn)化為固定端邊界條件。管枉上端簡(jiǎn)化為橫向不可動(dòng)，但軸向是可動(dòng)的鉸支端。管柱串各段交界處上
下截面積改變時(shí)，液體壓力會(huì)在管柱變截而處產(chǎn)生軸向集中拉壓力作用，管柱內(nèi)外表面有分布的液體壓力作用。射孔彈的爆炸壓力施加的外壓力作為已知力的邊界條件，作用在相應(yīng)管柱段的內(nèi)外表面上。
1.3基本的假設(shè)
由于在各種載荷作用下，管柱在井眼內(nèi)將發(fā)生拉伸、壓縮、彎扭組合變形。同時(shí)，管柱將與井壁發(fā)生多向隨機(jī)接觸，其接觸狀況將通過(guò)管柱上的空問(wèn)靜力多向接觸磨擦問(wèn)隙元來(lái)描述。在管柱靜力分析模型中，采用了以下的基本假設(shè)：
管柱是彈性變形體，變形前管拄軸線與井眼軸線是重合的，管柱外表而與井壁之問(wèn)有一定的初始間隙存在，變形后管柱與井壁之間可能在圓周0~360。的某一方向上發(fā)生接觸。其接觸變形屬于彈性變形范圍，接觸位置隨機(jī)分布，接觸處有接觸反力和摩擦阻力作用；井眼軸線為一條任意曲率的空間螺旋線，其形狀由井深、井斜角和方位角數(shù)據(jù)確定；井眼內(nèi)壁是剛性的，井眼及管柱橫截面是圓形和圓環(huán)形的。井眼直徑隨井深可以分段任意變化，但每一段井眼直徑是不變的；管柱的結(jié)構(gòu)和尺寸可以任意變化，但每一段管柱必須等截而。
2.理論模型的運(yùn)行方法
建立管柱與井壁之間的間隙元模型。間隙元是接觸單元的一種，是一種人為的假想單死，它的內(nèi)邊界與管柱的外表面重合，外邊界與井壁重合，其中間部分是在管柱與井壁之間的環(huán)形圓盤(pán)，通過(guò)間隙元使管梓與井壁聯(lián)接起來(lái)。
2.1空間直梁?jiǎn)卧钠胶夥匠?/p>
2.1.1直梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力向量及轉(zhuǎn)換矩陣
2.1.2空問(wèn)直梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚕苤x散后的每個(gè)空間直梁?jiǎn)卧季哂锌估瓑骸⒖箯澢古まD(zhuǎn)剛度。
2.2管柱多向接觸摩擦間隙元
對(duì)管柱進(jìn)行靜力有限元分析時(shí)，間隙元被設(shè)置在管柱上梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要設(shè)置一個(gè)間隙元。管柱與井壁的接觸是一個(gè)幾何非線性問(wèn)題，而且接觸點(diǎn)的位置是隨機(jī)的。根據(jù)摩擦定律和接觸反力直接求得，作為節(jié)點(diǎn)力直接加在方程右端節(jié)點(diǎn)力向量之中。間隙元的接觸狀態(tài)判別條件及其定解條件。
2.3總體平衡方程的求解
所有單元的平衡方程經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程和一系列“對(duì)號(hào)入座”拼裝過(guò)程，出整個(gè)管柱接觸系統(tǒng)的總體平衡方程式:由于引入了間隙元，上式中總體剛度矩陣[K]已是非奇異矩陣，可對(duì)其進(jìn)行求解。但是，由總體平衡方程式求得的解一定要同時(shí)滿足接觸判別條件和定解方程。為了提高迭代計(jì)算的收斂速度，采用修正的Newton—Raphs011迭代法，交替修正間隙元?jiǎng)偠群凸?jié)點(diǎn)力，這種迭代法適用于解決管柱這類(lèi)有初始間隙的接觸非線性問(wèn)題，大大提高了收斂速度，節(jié)省了迭代運(yùn)算時(shí)間。
三、科學(xué)利用管柱力學(xué)分析軟件
根據(jù)測(cè)試身寸孔管柱靜力分析模型，利用接觸問(wèn)隙元理論，開(kāi)發(fā)了測(cè)試射孔管柱力學(xué)分析軟件系統(tǒng)。
1.軟件結(jié)構(gòu)
該軟件系統(tǒng)包括三大部分：測(cè)試管柱部分、射孔管柱部分和壓裂管柱部分。軟件系統(tǒng)每部分均由前處理器、主程序和后處理器三部分組成。前處理器負(fù)責(zé)井眼軌跡的擬合、管柱單元的自動(dòng)劃分以及其力學(xué)性質(zhì)的描述和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成主程序所需的數(shù)據(jù)格式等。它包括三個(gè)輸入數(shù)據(jù)文件：一是井眼形狀數(shù)據(jù)；二是管柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；三是工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。主程序是該軟件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析。它是根據(jù)測(cè)試、射孔和壓裂管柱力學(xué)模型和間隙元理論方法編制的管柱力學(xué)分析程序，是非線性接觸力學(xué)分析程序，需要經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，最后得到合理的接觸狀態(tài)和接觸摩擦力及變形狀態(tài)。后處理器負(fù)責(zé)內(nèi)力計(jì)算、結(jié)果輸出和圖形顯示等。
2.軟件特點(diǎn)和功能
計(jì)算出管柱任一位置與井壁的接觸狀態(tài)、接觸反力以及相應(yīng)的摩擦阻力和接觸方位。計(jì)算出管柱在任一井深處的軸向位移，能有效地分析管柱的軸向伸縮變形。計(jì)算出管柱在任一井深處截面的內(nèi)力。能對(duì)管柱受力變形進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，給出管柱變形狀態(tài)的變化曲線，配有圖形顯示，使用戶直觀形象地了解管柱在井下的工作狀態(tài)。采川中文提示，具有良好的人機(jī)界面，方便用戶操作。軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件調(diào)用和修改。
1基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下課程體系改革發(fā)展概況
工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)一般由八個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，分別是學(xué)生、專(zhuān)業(yè)教育目標(biāo)、學(xué)生成果、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資力量、教學(xué)設(shè)施、學(xué)校支持等。其中工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中的課程設(shè)置，為了能支持畢業(yè)要求的達(dá)成，課程體系設(shè)計(jì)有企業(yè)或行業(yè)專(zhuān)家參與。我國(guó)各高校在啟動(dòng)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證工作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)課程體系設(shè)置是否科學(xué)、合理、會(huì)規(guī)直接影響到畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，進(jìn)而影響專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求的可達(dá)性。因此各高校針對(duì)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和要求，提出了各個(gè)專(zhuān)業(yè)課程體系改革的思路、做法和經(jīng)驗(yàn)。西北工業(yè)大學(xué)的張清江等通過(guò)調(diào)研我國(guó)工程教育與專(zhuān)業(yè)認(rèn)證發(fā)展歷程，對(duì)我國(guó)航空航天專(zhuān)業(yè)與其他已獲得資格專(zhuān)業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析。并結(jié)合國(guó)際航空航天質(zhì)量體系認(rèn)證中的要求，從航空航天工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的必要性、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、航空航天工程教育現(xiàn)狀等角度出發(fā)進(jìn)行研究。結(jié)合現(xiàn)代中國(guó)工程教育存在的普遍問(wèn)題，提出針對(duì)航空航天類(lèi)專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的新方式、新方法，并對(duì)航空航天工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證需要注意的特性進(jìn)行討論。遼寧石油化工大學(xué)馬會(huì)強(qiáng)等依據(jù)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)為例，通過(guò)明確培養(yǎng)目標(biāo)，解析培養(yǎng)要求，從課程設(shè)置、實(shí)踐環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了課程體系改革探索。廣東石油化工學(xué)院任紅衛(wèi)等分析了我國(guó)工程教育的現(xiàn)狀，并探討了在工程教育專(zhuān)業(yè)背景下電氣專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革方法，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。浙江工業(yè)大學(xué)姜理英等人基于對(duì)工程教育專(zhuān)業(yè)論證的國(guó)際比較，結(jié)合環(huán)境工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的必要性，從培養(yǎng)計(jì)劃的調(diào)整、課程體系的優(yōu)化、實(shí)踐教學(xué)的強(qiáng)化和師資隊(duì)伍的提升四個(gè)方面，綜合系統(tǒng)地提出了對(duì)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面優(yōu)化和提升的路徑。張秋根等人根據(jù)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)規(guī)范和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，以南昌航空大學(xué)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)為例，對(duì)其核心課程體系設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容兩方面進(jìn)行了優(yōu)化與規(guī)范的探討。為了重視國(guó)際認(rèn)證的引領(lǐng)作用，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)辦學(xué)品牌建設(shè)，突出南京航空航天大學(xué)能動(dòng)專(zhuān)業(yè)的航空航天辦學(xué)特色，緊跟國(guó)內(nèi)能動(dòng)專(zhuān)業(yè)人才需要，提升其人才培養(yǎng)質(zhì)量與專(zhuān)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，從而拓寬自身生存發(fā)展空間，因此需要開(kāi)展基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的能動(dòng)專(zhuān)業(yè)課程體系改革。
2基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下南航能動(dòng)專(zhuān)業(yè)課程體系優(yōu)化
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外本科院校工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的分析與研究，利用對(duì)中國(guó)近幾年的專(zhuān)業(yè)認(rèn)證與評(píng)估成果的調(diào)查與研究，對(duì)其進(jìn)行梳理，依據(jù)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證中課程設(shè)置要求，依據(jù)南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院能動(dòng)專(zhuān)業(yè)建設(shè)相關(guān)內(nèi)容與特色，以培養(yǎng)具有航空航天特色的工程教育專(zhuān)業(yè)人才為目標(biāo)，對(duì)南京航空航天大學(xué)能動(dòng)專(zhuān)業(yè)課程體系進(jìn)行優(yōu)化。以培養(yǎng)要求為基準(zhǔn)，著手對(duì)課程體系進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)本科培養(yǎng)大綱進(jìn)行相應(yīng)的修訂，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)。確定能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)學(xué)生在校期間應(yīng)修總學(xué)分?jǐn)?shù)不能少于180學(xué)分。
2.1數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類(lèi)課程能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類(lèi)課程是指該專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)課程，主要包括高等數(shù)學(xué)（11學(xué)分）、大學(xué)物理（6.5學(xué)分）、大學(xué)英語(yǔ)模塊（10學(xué)分）、C++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（3學(xué)分）等方面共六門(mén)課程，總共30.5個(gè)學(xué)分。因此能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類(lèi)課程占總學(xué)分的比例約為17％，達(dá)到了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中至少占總學(xué)分的15%的要求。
2.2工程基礎(chǔ)類(lèi)課程、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程與專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程工程基礎(chǔ)類(lèi)課程和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程主要體現(xiàn)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)在該專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)，而專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程主要體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)。其中工程基礎(chǔ)類(lèi)課程主要包括電子電工技術(shù)（5學(xué)分）、理論力學(xué)（3學(xué)分）、材料力學(xué)（3學(xué)分）、工程圖學(xué)（4.5學(xué)分）以及機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（3學(xué)分）等課程，總共為18.5個(gè)學(xué)分；專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程主要包括工程流體力學(xué)（3學(xué)分）、工程熱力學(xué)（3學(xué)分）、傳熱學(xué)（3學(xué)分）和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（2學(xué)分）等課程，總共為11個(gè)學(xué)分。因此工程基礎(chǔ)類(lèi)課程和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程必須要修滿至少29.5個(gè)學(xué)分。對(duì)于專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程，由于能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)具體有兩個(gè)培養(yǎng)方向:方向一為熱能動(dòng)力方向，主要陪養(yǎng)就業(yè)方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)等相關(guān)單位；方向二為能源利用方向，主要培養(yǎng)的就業(yè)方向?yàn)殡姀S、新能源以及制冷等相關(guān)單位。因此其專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程既有相同的專(zhuān)業(yè)課程，也有自身特色的課程。其中燃燒原理（2.5學(xué)分）、燃?xì)廨啓C(jī)原理與構(gòu)造（3學(xué)分）、熱能綜合利用（2學(xué)分）、熱交換器原理與設(shè)計(jì)（2.5學(xué)分）以及熱工測(cè)量原理與方法（2學(xué)分）等，總共12個(gè)學(xué)分，這些課程為能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)兩個(gè)培養(yǎng)方向都必須學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程。另外每個(gè)培養(yǎng)方向又有其特定的專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程必須選修，其中熱能動(dòng)力方向?qū)I(yè)類(lèi)課程包括葉輪機(jī)原理（2.5學(xué)分）、燃?xì)廨啓C(jī)控制原理及應(yīng)用（2學(xué)分）、燃燒技術(shù)與分析（2學(xué)分）、內(nèi)燃機(jī)原理與構(gòu)造（2學(xué)分）、工程傳質(zhì)與應(yīng)用（2學(xué)分）等共9門(mén)課程；能源利用方向?qū)I(yè)類(lèi)課程包括泵與風(fēng)機(jī)（2學(xué)分）、供熱工程（2學(xué)分）、鍋爐原理（2學(xué)分）、制冷原理與技術(shù)（2學(xué)分）、可再生能源利用技術(shù)（2學(xué)分）以及熱力發(fā)電技術(shù)概論（2學(xué)分）等共10門(mén)課程。無(wú)論學(xué)生學(xué)習(xí)哪個(gè)方向，共同學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程與特定選修的專(zhuān)業(yè)課程之和必須要修滿至少28個(gè)學(xué)分。因此,工程基礎(chǔ)類(lèi)課程、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程與專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程必須要修滿的學(xué)分?jǐn)?shù)為：29.5＋28＝57.5學(xué)分，因此該類(lèi)課程學(xué)分占總學(xué)分的比例約為32％，達(dá)到了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中至少占總學(xué)分的30%的要求。
2.3工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)完善的實(shí)踐教學(xué)體系，主要包括以下幾個(gè)方面：(1)軍事訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的吃苦耐力與過(guò)硬的身體素質(zhì)；(2)各種課程的課程設(shè)計(jì)，如:機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)、電工與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、C++語(yǔ)言課程設(shè)計(jì)等，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各門(mén)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)際應(yīng)用能力；(3)工程訓(xùn)練，主要包括機(jī)械加工方面的車(chē)、磨、銑、刨、鑄造以及焊接等金工實(shí)習(xí)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力；(4)下廠實(shí)習(xí)，大三暑假期間，在指導(dǎo)老師帶領(lǐng)下去中航工業(yè)集團(tuán)下屬的企業(yè)或電廠進(jìn)行為期一個(gè)月的下廠實(shí)習(xí)，鍛煉學(xué)生把理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際中的能力；(5)畢業(yè)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)老師開(kāi)設(shè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目一般都來(lái)源于實(shí)際工程問(wèn)題，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，在大四下半年開(kāi)展為期半年的本科畢業(yè)實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、協(xié)作精神以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)要求學(xué)生在實(shí)踐能力與畢業(yè)設(shè)計(jì)方面修讀的總學(xué)分不低于42.5，占總學(xué)分的23.6％，達(dá)到了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中至少占總學(xué)分的20%的要求。
2.4人文社會(huì)科學(xué)類(lèi)通識(shí)教育課程能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)在人文社會(huì)科學(xué)類(lèi)通適教育課程方面主要包括以下幾個(gè)模塊：(1)通適基礎(chǔ)教育平臺(tái)，主要包括形式政策教育、思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ)、安全教育、大學(xué)生心理健康教育等課程，共19.5個(gè)學(xué)分；(2)國(guó)防軍事模塊，包括航空航天概論、軍事高技術(shù)概論等，至少修滿1.5個(gè)學(xué)分；(3)文化素質(zhì)模塊，主要包括文化歷史、藝術(shù)鑒賞、科技基礎(chǔ)、哲學(xué)社會(huì)等課程，至少要修滿6個(gè)學(xué)分；(4)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類(lèi)模塊，主要包括大學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展與規(guī)劃、創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)以及經(jīng)濟(jì)管理等課程，共5.5個(gè)學(xué)分。人文社會(huì)科學(xué)類(lèi)通識(shí)教育課程總共需修滿32.5個(gè)學(xué)分，占總學(xué)分的18％，達(dá)到了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中至少占總學(xué)分的15%的要求，使學(xué)生在從事工程設(shè)計(jì)時(shí)能夠考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、倫理等各種制約因素。
2.5航空航天特色類(lèi)課程的設(shè)置為了突出南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)的航空航天特色，在開(kāi)設(shè)的課程中，如國(guó)防軍事模塊、專(zhuān)業(yè)類(lèi)課程以及工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)中，課程教學(xué)內(nèi)容包含濃郁的航空航天特色，由于指導(dǎo)老師所從事的科研項(xiàng)目都是來(lái)自于國(guó)防工業(yè)集團(tuán)，具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，因此在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的講課過(guò)程中，所列舉的實(shí)例都是以航空航天為背景的工程問(wèn)題，特別是畢業(yè)設(shè)計(jì)和下廠實(shí)習(xí)，因此在能源與動(dòng)力專(zhuān)業(yè)課程優(yōu)化過(guò)程中，充分突出了南京航空航天大學(xué)的航空航天特色。
2.6注重科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)直觀重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，因此積極創(chuàng)造條件讓學(xué)生能夠在大學(xué)期間積極的參與科技創(chuàng)新活動(dòng)。主要包括：(1)鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種科技類(lèi)競(jìng)賽，如:流體力學(xué)大賽、節(jié)能減排大賽、開(kāi)設(shè)卓越班等，并且科技競(jìng)賽獲得獎(jiǎng)勵(lì)的同學(xué)在保研方面給予政策上的傾斜；(2)安排學(xué)生參與教師的科學(xué)研究工作，讓學(xué)生在參與科研過(guò)程中更好的掌握好該專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，拓展學(xué)生的科研視野。
2.7學(xué)習(xí)進(jìn)程大學(xué)生本科期間的各門(mén)課程是相互銜接的，因此需要考慮課程之間的匹配與銜接，如圖1所示。學(xué)習(xí)進(jìn)程主要分成了三部分:一是基礎(chǔ)課程，包括高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、計(jì)算機(jī)等;二是學(xué)科基礎(chǔ)，包括結(jié)構(gòu)和流體力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)方面的課程;三是專(zhuān)業(yè)課程，主要包括了熱能動(dòng)力和能源綜合利用兩個(gè)方向的相關(guān)課程。整個(gè)課程體系分為三條線:第一是流體和熱學(xué)相關(guān)的課程，如流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)等；第二是結(jié)構(gòu)力學(xué)方面，包括理論力學(xué)、材料力學(xué)等;第三是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言方面的課程。因此在安排各門(mén)課程的學(xué)期上需要考慮上述課程銜接問(wèn)題，從而最終制定出合理的能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)計(jì)劃表。
3結(jié)論
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；懸架；下擺臂；輕量化
中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2013）01-01-04
隨著全球能源危機(jī)的不斷擴(kuò)大，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國(guó)政府及汽車(chē)企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來(lái)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的主攻方向，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)將是解決這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的最佳途徑［1］。資料表明，每減輕45 kg汽車(chē)自身質(zhì)量，1 L汽油能增加6 km的行程［2］。在電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，輕量化已成為一種勢(shì)在必行的趨勢(shì)。
文中依托國(guó)家863重大項(xiàng)目，對(duì)所設(shè)計(jì)的某款電動(dòng)轎車(chē)前懸架進(jìn)行輕量化分析，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)電動(dòng)轎車(chē)懸架進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［3］。在汽車(chē)輕量化研究中，輕金屬鋁的作用越來(lái)越明顯［4，5］。文中采用鋁材料對(duì)電動(dòng)車(chē)懸架下擺臂進(jìn)行輕量化。在保證下擺臂靜動(dòng)態(tài)性能的前提下，有效地降低了下擺臂的重量。
1 麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)分析
所設(shè)計(jì)的電動(dòng)轎車(chē)為前置前驅(qū)布置，其前懸架為麥弗遜式獨(dú)立懸架。該懸架主要由螺旋彈簧、減振器、下擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)總成等組成。其中，下擺臂在車(chē)輛行駛過(guò)程中受力較為復(fù)雜。如行車(chē)緊急制動(dòng)工況，下擺臂受到?jīng)_擊載荷的作用，此時(shí)下擺臂受到最大的縱向力；在坑洼路段行駛，下擺臂受到最大的側(cè)向力。對(duì)下擺臂進(jìn)行強(qiáng)度分析非常必要。
利用ADAMS/CAR建立麥弗遜式前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（見(jiàn)圖1），所用到的硬點(diǎn)位置坐標(biāo)由廠家提供。對(duì)懸架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，提取右側(cè)懸架下擺臂的前、后支點(diǎn)及球鉸處X、Y、Z三個(gè)方向的受力情況，其載荷情況見(jiàn)表1。
2 下擺臂有限元模型的建立
2.1 網(wǎng)格劃分
將下擺臂的UG模型轉(zhuǎn)化成STP格式導(dǎo)入hyperworks軟件中，下擺臂由上下兩塊板組成。采用四邊形殼單元對(duì)下擺臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終下擺臂有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為29 657，網(wǎng)格單元數(shù)為28 842。其中三角形單元數(shù)87，占總網(wǎng)格單元數(shù)的0.3%，滿足網(wǎng)格劃分要求［6］。本文忽略襯套和球鉸的影響，在擺臂上下支點(diǎn)及球鉸處采用REB2單元連接，便于對(duì)有限元模型施加載荷。生成的有限元模型如圖2所示。
2.2 基于慣性釋放的下擺臂靜力學(xué)分析
慣性釋放法是求解在平衡外力作用下（如行駛中的汽車(chē)，把慣性力考慮進(jìn)去后外力是平衡的）但無(wú)約束或約束不足的結(jié)構(gòu)靜力或動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題的一種處理方法，它可以避免不合理的人為約束［7］。采用慣性釋放功能進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)自由度的約束（虛支座）。針對(duì)該支座，程序首先計(jì)算在外力作用下每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)方向上的加速度，然后將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力反向施加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，由此構(gòu)造一個(gè)平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該支座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)［8］。
由于設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法的限制和數(shù)值計(jì)算的累計(jì)誤差等原因，要得到一個(gè)絕對(duì)自平衡的力系極其困難［9］。故文中采用慣性釋放對(duì)下擺臂進(jìn)行有限元分析，施加的載荷采用表1的懸架動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。慣性釋放在hyper works軟件中實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只需將約束類(lèi)型設(shè)置為SUPORT1即可。
3 鋼鋁材料下擺臂靜動(dòng)態(tài)性能對(duì)比
3.1 應(yīng)力、應(yīng)變分析
將有限元模型厚度設(shè)置成3 mm，分別對(duì)模型賦予鋼材料和鋁材料進(jìn)行靜態(tài)分析。其中鋼材料彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比NU=0.3，密度RHO=7 900 kg/m3，鋁材料彈性模量E=7.9×104MPa，泊松比NU=0.33 ，密度RHO=2 800 kg/m3，由計(jì)算結(jié)果可以看出，采用鋼材料和鋁材料的下擺臂對(duì)比，最大應(yīng)力相差無(wú)幾，均出現(xiàn)在下擺臂前支點(diǎn)處。最大變形位于下擺臂后支點(diǎn)處，采用鋁材料的下擺臂是采用鋼材料的2.6倍，如圖3～圖6及表2所示。
3.2 模態(tài)分析
采用自由模態(tài)對(duì)兩種材料的下擺臂進(jìn)行模態(tài)分析，取前12階模態(tài)，其中前6階為剛體模態(tài)，后6階為彈性變形模態(tài)。兩種材料的下擺臂彈性變形模態(tài)固有頻率計(jì)算結(jié)果如表3所示。由此可以看出，同等厚度尺寸的鋼材料和鋁材料下擺臂，鋁材料下擺臂的各階固有頻率要略微高于鋼材料下擺臂。
4 基于剛度約束的下擺臂尺寸優(yōu)化
由以上分析可知，采用同等厚度鋼材料和鋁材料的下擺臂，其最大應(yīng)力及固有頻率相差無(wú)幾。在承受同等載荷條件下，差別在于下擺臂的最大變形。文中針對(duì)采用鋁材料的下擺臂，以最大形變量作為約束條件，下擺臂板塊的厚度作為設(shè)計(jì)變量，以總體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
4.1 尺寸優(yōu)化
根據(jù)有限元靜態(tài)分析可得，采用鋼材料3 mm厚的下擺臂的最大形變出現(xiàn)在后支點(diǎn)處（見(jiàn)圖3），文中尺寸優(yōu)化的約束條件設(shè)置成下擺臂后支點(diǎn)最大位移不超過(guò)0.136 mm，設(shè)計(jì)變量下擺臂的厚度變化范圍為2～8 mm，以下擺臂的總體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
經(jīng)過(guò)3步迭代，下擺臂后支點(diǎn)最大位移0.135 mm，最大應(yīng)力59.7 MPa，此時(shí)鋁材料下擺臂的厚度為5.2 mm。圓整為5 mm。迭代過(guò)程如表4所示。
4.2 優(yōu)化前后性能對(duì)比
將采用鋼材料的3 mm板厚的下擺臂與采用鋁材料的5 mm板厚的下擺臂進(jìn)行有限元靜、動(dòng)態(tài)對(duì)比，結(jié)果如表5～6所示。由此可以得出，5 mm厚的鋁材料下擺臂較之3 mm厚的鋼材料下擺臂，在受到特定載荷條件下最大變形量保持一致，固有頻率得到顯著提升，下擺臂最大應(yīng)力及質(zhì)量都有明顯的減少。
5 結(jié)論
文中主要是針對(duì)某款電動(dòng)轎車(chē)麥弗遜懸架下擺臂進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)強(qiáng)度分析和輕量化設(shè)計(jì)。首先運(yùn)用慣性釋放的方法對(duì)鋼材料、鋁材料的下擺臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，并進(jìn)行模態(tài)分析。得出同等厚度的麥弗遜懸架下擺臂，分別采用鋼材料、鋁材料，其最大應(yīng)力及固有頻率基本一致，最大變形量鋁合金材料是鋼材料的兩倍以上。
其次運(yùn)用尺寸優(yōu)化的方法，在保證麥弗遜下擺臂最大變形量一致的條件下對(duì)擺臂板件厚度進(jìn)行分析，最后用5 mm厚的鋁合金板塊替換原有的3 mm厚鋼板，在保證最大變形量不變的前提下，下擺臂的剛度、模態(tài)性能有很大程度的提升，并且重量減少了43%，從而為電動(dòng)汽車(chē)部件的輕量化設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。
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關(guān)鍵詞：橋梁施工力學(xué)；大跨度橋梁；理論體系；力學(xué)分析
中圖分類(lèi)號(hào)：K928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
1 引言
施工力學(xué)是力學(xué)學(xué)科與土木工程等工程學(xué)科結(jié)合的產(chǎn)物，其成果將會(huì)對(duì)全國(guó)工程建設(shè)以及 21 世紀(jì)發(fā)展產(chǎn)生廣泛、深遠(yuǎn)影響。它主要研究結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的力學(xué)表現(xiàn)，以對(duì)施工過(guò)程正確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，回顧橋梁建設(shè)結(jié)構(gòu)的歷史，從小跨度、形式簡(jiǎn)單的橋梁結(jié)構(gòu)，到現(xiàn)在的大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新式橋梁，都體現(xiàn)了科技的不斷進(jìn)步。伴隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷發(fā)展，以及關(guān)于橋梁方面作用荷載研究的不斷深入，人們更加關(guān)注橋梁力學(xué)問(wèn)題的研究。同時(shí)，這一系列的問(wèn)題也推動(dòng)了我國(guó)橋梁力學(xué)的發(fā)展。同樣，橋梁力學(xué)的研究成果也使得橋梁設(shè)計(jì)施工和橋梁管理水平有了相應(yīng)的提高。在技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，橋梁建設(shè)的發(fā)展與力學(xué)研究的發(fā)展同樣表現(xiàn)出了相輔相成的態(tài)勢(shì)，二者互相促進(jìn)，相互影響。當(dāng)然，一系列的橋梁倒塌事故等也告訴人們，理論要和實(shí)際密切結(jié)合，切不可理論脫離實(shí)際。力學(xué)原理在橋梁施工及施工監(jiān)理的過(guò)程中同樣非常重要。
2 大跨度橋梁施工力學(xué)主要問(wèn)題及理論分析
2.1施工階段力學(xué)計(jì)算的不確定性
施工階段力學(xué)問(wèn)題不同于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)計(jì)算，它具有一定復(fù)雜性和不確定性，主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）臨時(shí)支架力學(xué)計(jì)算，包括基礎(chǔ)條件的不確定性、支架連接的不確定性、支架荷載的不確定性；（2）施工狀態(tài)的力學(xué)計(jì)算，包括材料特性的不確定性、結(jié)構(gòu)體系的不確定性、施工荷載的不確定性（橫向荷載及偶然荷載的影響）、構(gòu)造細(xì)節(jié)特性的不確定性。
2.2 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換
大跨徑橋梁施工過(guò)程往往存在體系轉(zhuǎn)換問(wèn)題。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或析式組合拱橋，除滿堂支架施工外，采用其他施工方法都面臨著體系轉(zhuǎn)換這一共同問(wèn)題，尤其是采用懸臂澆筑或懸臂拼裝的多跨大跨度連續(xù)結(jié)構(gòu)，都經(jīng)歷最初的靜定懸臂剛構(gòu)狀態(tài)，然后分階段合龍為單跨（或多跨）的固端梁、伸臂梁或臨時(shí)連續(xù)剛構(gòu)等不同體系，最后才合龍為成橋狀態(tài)的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)或析架拱等超靜定結(jié)構(gòu)。
在體系轉(zhuǎn)換中，除了要計(jì)算因施工程序不同、荷載不同而產(chǎn)生的不同施工內(nèi)力外，還應(yīng)計(jì)及各項(xiàng)次內(nèi)力，包括施工過(guò)程中由于張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的次應(yīng)力和由于溫度變化、混凝土徐變、收縮等因素所產(chǎn)生的次內(nèi)力。當(dāng)按順序合龍橋梁形成體系轉(zhuǎn)換時(shí)，在合龍梁段上要張拉連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼束，這些連續(xù)束的張拉是在超靜定體系上進(jìn)行的，勢(shì)必產(chǎn)生由預(yù)加力引起的次內(nèi)力。多次體系轉(zhuǎn)換，加上鋼束的預(yù)加力沿程分布的變化，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，通常采用等效荷載法，將混凝土與鋼束分開(kāi)來(lái)考慮，最后求得預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的總效應(yīng)（包括初內(nèi)力和次內(nèi)力）。選擇體系轉(zhuǎn)換次序時(shí)，應(yīng)該使最終的連續(xù)梁（或剛構(gòu)）體系的恒載內(nèi)力分布合理，同時(shí)還應(yīng)盡可能地縮小各項(xiàng)次內(nèi)力的不利影響。在懸臂施工的連續(xù)梁中，各項(xiàng)次內(nèi)力常使跨中區(qū)段的正彎矩值有較大幅度的變化。
2.3 由荷載組合分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力和局部應(yīng)力
大跨度橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工高度相互作用。如果兩種或兩種以上原因同時(shí)發(fā)生，則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的疊加，其結(jié)果使得梁體的應(yīng)力超過(guò)正常使用極限狀態(tài)的混凝土應(yīng)力限值，必須以恒載+活載+溫度驟降+基礎(chǔ)不均勻沉降為控制設(shè)計(jì)荷載。
對(duì)大跨度橋梁構(gòu)件細(xì)部也需要精確的應(yīng)力分析，連續(xù)梁橋在頂板配置有橫向預(yù)應(yīng)力的情況下，頂板和腹板交接處為控制設(shè)計(jì)斷而，預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端的兩側(cè)，危險(xiǎn)截而要加以驗(yàn)算。以避免局部構(gòu)造損傷而失效，使橋梁破壞。
2.4 撓度計(jì)算的疊加算法以及力學(xué)關(guān)系分析
橋梁的撓度計(jì)算也是對(duì)不同階段所產(chǎn)生的撓度的疊加，其總值和一次性成橋所產(chǎn)生的撓度值也是有差異的。不同的成橋方式其撓度規(guī)律截然不同。施工階段，其累計(jì)撓度能夠更準(zhǔn)確地體現(xiàn)出橋梁建成以后最終的成橋線形。由此可知，橋梁的施工線形控制需要按照施工階段累積撓度為依據(jù)進(jìn)行。對(duì)于采取懸臂掛籃澆筑施工法，最容易發(fā)生的是內(nèi)力和撓度不相吻合，也就是內(nèi)力等效的計(jì)算方式下算出來(lái)的撓度與實(shí)際的撓度不一樣，撓度不等效，在預(yù)計(jì)誤差范圍外。現(xiàn)階段，對(duì)于大跨徑的橋梁線形控制，己逐步發(fā)展成為施工控制過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。在橋梁施工過(guò)程中必須要考慮其實(shí)際內(nèi)力情況，而且要使得撓度計(jì)算合乎要求。
2.5 有效預(yù)應(yīng)力作用力學(xué)計(jì)算分析
大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力的大小受到預(yù)加力值和預(yù)應(yīng)力筋的形狀兩個(gè)因素的影響。一般情況下，預(yù)加力值包括對(duì)構(gòu)件截而本身具有靜定的作用，對(duì)一些多余的約束有超靜定的作用。在分階段施工的橋梁建筑過(guò)程中，常用到的方法包括外力作用法，等效荷載法以及組合截面法。現(xiàn)階段，對(duì)于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)計(jì)算方法的選取，都是在原有的對(duì)于小型橋梁建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而大跨度的橋梁建設(shè)，預(yù)應(yīng)力損失很大，其實(shí)際結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差較大。
3大跨度橋梁分析的施工力學(xué)效應(yīng)
研究表明，進(jìn)行大跨度橋梁的施工力學(xué)分析和竣工結(jié)構(gòu)一次性力學(xué)分析的差異，即大跨度橋梁的施工力學(xué)效應(yīng)可分為下面三種情況:
一是“時(shí)效”。若材料具有粘性或結(jié)構(gòu)具有非定常熱傳導(dǎo)或需要考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量的慣性，則這些含有時(shí)間因素的問(wèn)題將和幾何、物性、邊界的時(shí)變發(fā)生藕聯(lián)，產(chǎn)生施工力學(xué)“時(shí)效”，即同一結(jié)構(gòu)，不同施工過(guò)程，其最終力學(xué)狀態(tài)不同，當(dāng)然施工力學(xué)分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)一次性分析結(jié)果也有不同。
二是“路效”。若材料具有非線性或考慮幾何非線性，邊界非線性（接觸），則這些問(wèn)題含有的路徑因素將和幾何、物性、邊界時(shí)變發(fā)生藕聯(lián)，產(chǎn)生施工力學(xué)“路效”，即同一結(jié)構(gòu)，不同施工過(guò)程，其最終力學(xué)狀態(tài)不同，當(dāng)然施工力學(xué)分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)一次性分析結(jié)果也不同。
第三種情況，即不考慮以上諸因素，只是計(jì)入幾何或物性或邊界時(shí)變，而材料是線彈性的，則不存在“時(shí)效”、“路效”，施工力學(xué)的分析過(guò)程只要不斷改變參數(shù)，進(jìn)行多次常規(guī)分析（各次間不再藕聯(lián)），其簡(jiǎn)單組合形成施工過(guò)程力學(xué)狀態(tài)時(shí)空分布，來(lái)作為設(shè)計(jì)參考。也就是同一結(jié)構(gòu)，不同施工過(guò)程，其最終力學(xué)狀態(tài)是一樣的，施工力學(xué)分析只是增加施工過(guò)程不同階段的分析計(jì)算。
4 結(jié)語(yǔ)
大跨度橋梁施工目前應(yīng)用廣泛。對(duì)于大跨度橋梁工程的質(zhì)量把握，關(guān)系到人們的生命安全，關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展。分析其具體的力學(xué)理論，對(duì)于更好地進(jìn)行大跨度橋梁施工建設(shè)有著十分重要意義。本文從多個(gè)方而分析了大跨度橋梁施工中的力學(xué)原理，并且給出了一些簡(jiǎn)要的解決措施。通過(guò)本文的研究，能夠?qū)υ摲蕉膯?wèn)題給予一些指導(dǎo)。相信在不斷的發(fā)展過(guò)程中，關(guān)于該方而的問(wèn)題會(huì)處理得越來(lái)越好，關(guān)于大跨度橋梁施工質(zhì)量也會(huì)更加完善。
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