为保证浅埋深富水软弱地层的盾构隧道安全始发,采用人工冻结法进行端头加固。通过在室内进行冻土单轴抗压试验,得到可靠的冻土力学参数,并采用正交试验的方法分析冻结深度、冻结宽度和冻结温度对地表沉降和管片拱顶沉降的影响规律和影响程度,选取确定最优冻结加固方案。结果表明:相同冻结温度下中粗砂抗压强度最大,其次是粉细砂、粉质黏土、黏质粉土,杂填土抗压强度最小;土体冻结温度越低,抗压强度越大;对地表沉降和管片拱顶沉降的影响排序为冻结深度>冻结宽度>冻结温度;最优冻结方案为冻结宽度6 m,冻结深度15 m,冻结温度-20℃。

为了研究冻土地区路基冻胀融沉现象,解决存在于路基的冻胀问题,提高路基整体安全性,文章结合实体工程,对其结构特点和防冻设计进行研究。结果表明:在一定范围内,冻结率会随着含水量增加而增加;表层级配碎石层是冻胀变形的主要集中部位;根据冻胀观测结果分析可知,增强路基排水能力、设置纤维混凝土防水层和选用不易风化、细颗粒含量较少的路基填料可以提高路基抗冻能力。

南水北调中线应急供水工程渠道季节性冻土冻胀灾害,在河北省境内分布普遍且问题突出。其中第S1～S12标段渠道地基岩性主要为壤土、砂壤土、粉细砂,均须考虑冻胀问题。渠道设计时针对不同的地基岩性虽然采取了不同的防治冻胀的措施,但仍有部分渠道衬砌出现了不同程度的冻胀破坏。通过对工程中的季节性冻土发生冻胀破坏的部位进行统计、分析和研究,阐明了不同冻胀破坏发生的原因和机理,从预防和优化防冻设计角度提出了防冻胀的方法和地基处理措施。

目前几乎所有冻土隧道设计都会采用保温隔热层避免冻融作用发生,但是在保温隔热层的参数选取时,保温隔热效果是主要考虑的因素,而对其成本考虑较少。为了使保温隔热层既能防止冻融作用的破坏,又能节约成本,以优化理论为基础,结合扩展内点罚函数及冻土隧道特点,建立了保温隔热层的数学优化模型,期望该模型能够达到此目的。以大坂山K0+785断面和风火山隧道K0+835断面为例,验证了该数学模型不仅能用于季节性冻土隧道,而且也能用于多年冻土隧道。优化结果不但能够防止冻害发生,而且还能产生较大的经济效益。由此可见该数学优化模型及求解方法可以为冻土隧道工程中的保温隔热层参数的合理选取提供指导。

车轮是月球车唯一与月面接触,并通过与月壤作用产生动力推动月球车在月面行走的部件,对月球车车轮的月面支撑通过性研究是保障月球车移动性能的关键环节。从提高附着力、控制沉陷量和减小滚动阻力三方面着手,分析了各因素的影响作用,据此提出了车轮优化方案,有限元仿真分析显示,该车轮方案具有较好的支撑通过性能。

研究了月球车六轮摇臂转向架机构的优化设计问题。在分析了月球车移动机构行走及越障等任务要求的基础上,提出了摇臂转向架机构的性能评价指标,包括4个方面。针对性能评价指标,对月球车摇臂转向架机构进行了多目标优化设计。仿真实验表明采用优化设计得出的机构参数可以有效地提高月球车移动机构的行走及越障性能,为车体的机构系统设计提供理论依据。

针对六轮月球车,对国内外空间探测机器人的移动机构的构型进行分析和综合,通过构型创新、构型组合等手段提出了125种新型六轮移动机构。进一步利用虚拟样机软件ADAMS12.0和控制仿真软件Matlab6.5平台,从方案创新、方案组装、方案优化三个层次对月球车机械系统和控制系统进行综合评价与优化,得到优化方案及其优化参数。选择了一种方案进行了分析和参数优化,并试制了物理样机,取得较好效果。

为提高探测车的越障性能,在已有六轮摇臂式月球探测车的准静力学模型的基础上,分别建立了探测车两个前轮、中轮和后轮单独爬越垂直障碍的准静力学模型,并将越障过程中的摇臂摆角引入模型。以此模型为基础、以最大越障高度为目标函数,对探测车的摇臂式悬架尺寸进行优化,实现探测车越障性能的提高。利用Adams对优化结果进行仿真验证,验证准静力学模型准确性和优化结果的正确性。

为了青藏铁路多年冻土路基耦合热管优化设计的需要,建立多年冻土区天然地面耦合热管的相变传热模型,利用该模型研究不同热管管径、气候条件和冷凝段与蒸发段长度比对热管传冷量的影响。结果表明:大管径的热管对于提高热管的传冷量是有利的;在冷凝段与蒸发段长度比大于0.9的条件下,热管传冷量随长度比增大得并不明显,因此建议优化的冷凝段与蒸发段长度比取为稍大于0.9的值;与年平均气温较高的多年冻土区相比,年平均气温较低的多年冻土区更有利于热管的传冷。对比模型计算值和现场实验值表明,提出的模型与实际拟合良好。

为解决行星轮式月球车的行星车轮的质量与其越障能力之间的矛盾,以行星车轮质量最轻为目标函数对其进行了优化设计.该优化数学模型包含离散整形变量、离散实型变量和连续变量,有多个非线性不等式约束,采用分层降维枚举法来求解优化问题,并编写了计算程序,所得的结果符合实际要求.