论文题目: 插入式大直径薄壁圆筒结构承载机理研究与优化设计
论文类型: 博士论文
论文专业: 港口,海岸及近海工程
作者: 王乐芹
导师: 周锡礽
关键词: 近海工程,插入式大直径薄壁圆筒结构,弹性地基抗力法,散体极限平衡理论,塑性极限分析,上限法,承载机理,非线性弹簧元数值分析,结构优化设计,方向搜索随机行走法
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文立足于散体结构力学、塑性极限分析理论和非线性数值分析方法,针对近海工程插入式大直径薄壁圆筒结构(或桶形基础)在波浪、潮流及流冰等横向荷载作用下的承载机理与破坏模式进行相关研究,主要开展如下研究工作。一、基于弹性地基抗力法和散体极限平衡理论,建立了一整套大直径薄壁圆筒结构与土体相互作用下整体变位的简化解析计算方法,将复杂的大圆筒结构受力变形形态解析为三种简单位移模式(即垂直位移w,水平位移u和转动角位移α)下的力学形态的叠加。二、首次引用塑性极限分析理论的上限法,建立了在横向荷载作用下软黏土中插入式大直径薄壁圆筒结构的塑性极限分析模型,进行开创性的探索尝试。将横向荷载作用下软粘土中插入式大直径薄壁圆筒结构的破坏机制描述为筒后土体的三维空间滑移楔体、土体圆柱孔的扩张挤压以及沿基底面的空间球形滑动剪切破坏的一种新的组合破坏模式;并运用非线性数学规划的Nelder-Mead改进单纯形法,进一步结合遗传进化算法寻优,求取上述破坏机制的最危险模式及横向荷载的最小上限解。该模型最大特点在于:在求解大直径薄壁圆筒结构上的横向极限荷载过程中避开了复杂的非线性弹塑性有限元技术对加载全过程的跟踪分析,可对插入式大圆筒结构的埋深与筒体转动中心位置、破坏滑移楔体的深度、极限荷载以及筒体侧壁极限抗力进行计算与分析,并得到它们之间的内在关系。三、依据上限法极限分析模型,本文采用分段插值函数的处理方式,并提出了一种软粘土中插入式大圆筒结构横向极限荷载的简化计算方法,以利工程实际应用。四、推导非线性弹性地基中矩形平板壳体单元的整体刚度矩阵,引入土抗力—位移的非线性p-y曲线模型,采用柱壳单元与非线性弹簧元间的耦合来模拟空间圆柱壳结构与地基土体间的相互作用,建立了插入式大直径薄壁圆筒结构的非线性、双向弹簧元数值分析模型。此模型及其数值处理与开发解决了传统的线性弹簧元所无法克服的难题,更为真实地反映了大直径薄壁圆筒结构在增量加载下的位移破坏机制。五、以本文非线性弹簧元数值分析模型为核心,首次应用最优化理念对插入式大直径薄壁圆筒结构建立了优化设计数学模型。并采用有效的方向搜索随机行走法作为优化方法,对通用软件ANSYS进行了优化方法的二次开发,以构建适合圆筒自身特殊问题的优化过程。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 概述
1.2 研究现状与问题提出
1.3 以文克尔地基模型为基础的地基土模型
1.4 岩土工程中的塑性极限分析方法
1.5 最优化方法
1.6 本文的主要研究工作
第二章 横向荷载作用下插入式大直径薄壁圆筒结构的弹性抗力解析解及试验研究
2.1 插入式大直径薄壁圆筒结构工作机理分析
2.2 弹性地基反力法
2.3 横向荷载作用下插入式大直径薄壁圆筒结构的弹性抗力解析模型
2.4 插入式大直径薄壁圆筒结构类型的判别标准
2.5 模型试验与成果分析
第三章 插入式大直径薄壁圆筒结构的塑性极限分析(上限法)模型与横向极限荷载的简化计算方法
3.1 塑性极限荷载与极限分析理论
3.2 上限法基本原理及其实施
3.3 软粘土中插入式大直径薄壁圆筒结构的上限法极限分析模型
3.4 模型分析的几项重要成果
3.5 软粘土中插入式大圆筒结构横向极限荷载的简化计算方法
3.6 算例与分析
第四章 非线性弹性地基中的空间矩形平板壳体有限元分析
4.1 具有双向剪切弹簧元的平面刚度矩阵
4.2 具有法向弹簧的平板弯曲刚度矩阵
4.3 矩形平板壳体单元用于弹性地基中的圆柱壳分析
4.4 非线性弹性地基的刚度矩阵
第五章 插入式大直径薄壁圆筒结构的非线性弹簧元数值分析模型
5.1 插入式大直径薄壁圆筒结构的非线性弹簧元数值分析模型的建立
5.2 土抗力( P )—位移( Y )的非线性模型
5.3 非线性弹簧元模型相关参数的确定
5.4 通用有限元软件ANSYS 的二次开发技术与应用
5.5 算例及各种方法的对比分析
第六章 横向荷载作用下大直径薄壁圆筒结构的优化数学模型
6.1 结构优化设计的数学模型和一般设计步骤
6.2 横向荷载作用下插入式大直径薄壁圆筒结构的优化设计数学模型
6.3 MONTE CARLO 方向探索随机行走法(RANDOM WALK WITH DIRECTION EXPLORATION)
6.4 程序与算例
第七章 结论与展望
参考文献
发表论文和科研情况
致谢
发布时间: 2006-05-24
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