具有圆弧形槽孔层合材料三维应力分析

基于一种修正的余能原理,建立了具有一个无外力圆柱面的新型三维层合杂交应力元,它可高效地分析具有圆柱形槽孔的厚、中厚、及薄层合材料的自由孔边三维应力分布. 根据建立的应力分量的应力函数表达式导出的单元应力场,严格满足层内以柱坐标表示的平衡方程、层间界面上应力连续条件、及圆柱面上无外力边界条件. 元间反力连续条件通过Lagrange乘子进行松弛. 层间位移保持连续,同时计入了横向剪切变形影响. 数值算例表明,该元不仅可以提供远较一般假定位移元及一般假定应力元准确的孔边应力分布,而且计算效率高、收敛快,同时,亦可用于多种圆弧形槽孔的应力分析.     

基于Reissner理论的硬夹心夹层板的弯曲研究

传统的夹层板理论都是将夹心视为软夹心,不考虑其面内应力分量和抗弯刚度.本文在修正了Reissner理论的基础上,研究了硬夹心夹层板的弯曲问题,根据最小势能原理得到了具有3个广义位移的弯曲基本方程和边界条件,并对其进行了简化.同时还研究了硬夹心夹层板弯曲问题的有限元格式,推导了4节点四边形等参单元单元刚度矩阵和等效节点载荷列阵,并给出了矩形填充多孔夹层板的ANSYS实体模型解,计算结果表明位移的有限元解收敛于解析解且具有足够的精度,与ANSYS实体模型解也有较好的一致性.     

点支、线支和弹性地基上简支矩形板的三维弹性力学解

本文研究点支、线支和弹性地基上简支矩形板的弯曲问题. 从三维弹性力学理论出发, 导出满足控制微分方程和四边简支边界条件的位移函数的一般解, 将支承反力看成是作用于板上的待求反力, 利用板上下表面的边界条件确定待定系数, 数值结果与Kirchhoff板理论和Mindlin板理论以及商业有限元软件ANSYS进行了比较, 显示出很高的精度.     

三维紊流悬沙数学模型及应用

根据紊流随机理论, 导出了各向异性紊流的Reynolds应力的数值格式. 将精细壁函数应用于边壁处理. 将传统的悬沙运动、床沙级配控制方程推广到三维模型. 给出了床面附近含沙量表达式. 建立了三维紊流悬沙数学模型. 用葛洲坝水利枢纽建库前后水沙资料对该模型进行了检验, 结果基本一致. 将该模型应用于三峡工程坝区泥沙冲淤问题的研究, 预测了三峡工程建成后坝区上游河段泥沙冲淤发展过程及其分布、河床淤积物级配组成及不同时期、不同高程的流场、含沙量场等, 计算结果与物理模型试验值比较接近.     

轴对称层合横观各向同性压电圆板的精确解——II.弹性圆板精确解和数值计算

用与压电圆板精确解相同的方法 ,求得横观各向同性圆板在刚性滑动和弹性简支两种边界条件下的三维精确解 .对于各向同性圆板 ,处理了特征根为重根时的问题 ,最后给出了压电圆板和弹性圆板的若干数值结果 ,讨论了经典板理论的适用性 .     

饱和土三维非轴对称Lamb问题

基于积分变换方法提出位移组合积分变换和应力组合积分变换式,成功地求解了Ｂｉｏｔ两相介质理论的饱和土三维非轴对称问题动力方程,得到了以土骨架位移和孔压为基本未知量的积分解。在此基础上系统地研究了饱和土的Ｌａｍｂ问题。考虑了表面排水和不排水两种条件,得到了三维非轴对称饱和弹性半空间在表面竖向和水平力作用下,表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解,并将解答准确地退化到弹性半空间经典Ｌａｍｂ问题解,     

基于软件数据耦合精细建模的采区稳定性分析研究

针对地下矿山采区稳定性数值模拟分析过程中存在的三维矿床模型建立以及单元网格划分等难点问题,提出利用三维矿山软件进行精细建模与数值模拟软件耦合的模式,简化复杂矿山地质条件下模型前处理过程的思路。利用3DMINE对地下矿山三维矿床模型进行精细建模,通过MIDAS GTS软件对精细建模得到的三维矿床模型进行单元网格的划分与材料组的分配,快速、准确地为采区稳定性数值模拟分析提供具有较高几何相似性的模型,采用具有较强计算能力的计算软件FLAC3D进行计算。这种耦合精细建模方式不仅简化了矿山采区稳定性数值模拟的前处理过程,提高了地下矿山采区稳定性模拟计算的准确性,同时也将不同精度要求的三维矿床模型用于数值模拟运算,拓宽了三维矿山模型的应用领域。     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

考虑压-弯-剪共同作用的退化桥墩抗震性能及地震易损性分析

服役中的桥梁往往处于氯离子侵蚀的恶劣环境,钢筋混凝土(RC)桥墩作为主要耗能构件,在受氯离子侵蚀后钢筋会发生锈蚀劣化,导致桥墩的抗侧向能力发生退化,进而使其抗震性能衰减.准确建立压-弯-剪共同作用(AFSI)的锈蚀RC桥墩数值模型,是实现桥梁全寿命抗震评估的前提.本文首先基于修正压力场理论(MCFT)和纤维截面模型以及锈蚀理论建立了考虑AFSI的退化桥墩模拟方法.然后,以AFSI数值模型为基础,对一座中等跨径RC桥梁的桥墩进行了全寿命周期的抗震能力分析.最后,建立了算例桥梁的有限元模型,进行地震易损性分析,并研究了剪切作用对桥墩损伤概率的影响.研究结果表明,本文提出的AFSI模拟方法可有效对锈蚀RC桥墩进行模拟;在桥梁全寿命周期内,桥墩的抗侧向能力和耗能能力发生退化;锈蚀作用提高了桥墩在地震作用下的损伤概率,不考虑剪切作用将高估桥墩的抗震性能,低估桥墩的损伤概率,该特征在强震和锈蚀程度较高的情况下越发显著.     

杂交应力实壳单元对压电结构的非线性分析

给出8节点实壳单元对压电结构的几何非线性分析. 为了克服剪切、梯形和厚度锁定, 采用了假设自然应变方法, 特别是修正广义层合刚度矩阵. 由修正广义层合刚度矩阵得到的广义应力被单独假设, 导出了推广的Hellinger-Reissner 泛函, 通过选择广义应力假设实体单元的应力假设, 导出了杂交应力实壳单元的表达式. 非线性数值算例说明给出的单元模型对分析非线性压电结构的有效性.     

SIMO线阵列雷达对三维复杂目标电磁散射的仿真与立体重构

提出单输入多输出（SIMO,single input and multiple output）频率步进线阵列下视雷达对一复杂电大三维体目标的电磁散射数值模拟、成像、及其几何特征重构.下视聚束模式的线阵列频率步进雷达SIMO运动合成二维平面孔径,获取包含幅度与相位的散射矩阵;用双向射线解析跟踪方法（BART,bidirectional analytic ray tracing method）,数值模拟计算双站极化散射矩阵.通过距离徙动算法（RMA,range migration algorithm）获得三维分辨图像,实现三维目标几何特征的重构.计算个例给出了粗糙地面上坦克目标模型的散射、成像与重构.同时,又采用FEKO软件的物理光学（PO,physical optics）计算简单体目标散射场及其成像重构作为验证与比较,论证了本理论方法可行与准确高效的良好性能.     

曲面零件连续辊压成形原理及理论分析

连续辊压成形是一种全新的三维曲面零件成形方法,以一对可弯曲的成形辊作为板料成形工具,通过控制上下成形辊的辊缝分布,使板料在辊压过程中同时产生横向弯曲变形与不均匀的纵向延伸,导致纵向弯曲变形,形成双曲度的曲面.随着成形辊的转动,板料连续变形,从而连续成形出三维曲面.本文阐明了连续辊压成形中的曲面形成机制,通过对连续辊压过程的理论分析,建立了控制辊压弯曲变形过程的基本方程;基于对变形及材料模型等方面的简化,得到了纵向弯曲变形的计算公式,并给出了辊压压缩率及辊缝的设计方法,分析了辊压压缩率及板料宽度等对纵向弯曲曲率的影响规律.典型曲面件的成形实验及成形结果的测量与分析表明,连续辊压成形方法可得到精度比较好的成形效果.     

直接用电密J计算导体三维涡流场的FE-BE耦合法

提出一种计算导体三维涡流场的FE-BE耦合法．在涡流区中直接采用涡流电密J为求解量的FEM, 其公式采用八节点长方体单元进行离散, 在非涡流区中采用磁场强度H为求解量的BEM, 其公式采用矩形单元离散. 根据交界面条件, 耦合得到一个求解变量仅为J的代数方程组. 该方法的优点就是所求量无需微分, 求解变量少, 耦合容易, 适用于多连域问题．对两个模型进行了计算, 计算结果与测试结果吻合较好.     

混凝土材料三维弹塑性本构模型

非线性统一强度准则将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数.本文将非线性统一强度准则作为屈服函数,以塑性剪应变的函数作为硬化/软化参数,硬化/软化函数参考单轴压缩条件下的应力应变关系给出,建立了混凝土材料的非线性统一弹塑性本构模型.通过混凝土材料单轴、双轴和三轴试验结果对本构模型的验证,以及偏心受压构件试验结果对数值模拟结果的验证表明,所建立的非线性统一弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,并可反映应变软化特性,将模型用于数值计算时易于获得收敛解,且具有较高的精确度和计算效率.     

横观各向同性饱和弹性多孔介质三维非轴对称Lamb问题

基于孔隙介质的Biot理论, 首先引入位移函数, 将圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质的Biot波动方程转化为两个解耦的6阶和2阶控制方程.然后根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换, 求解了Biot波动方程, 得到了以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解, 并用一般解给出了饱和多孔介质总应力分量的表达式. 在此基础上研究了横观各向同性饱和半空间体的Lamb问题. 考虑表面排水和不排水两种情况, 得到了横观各向同性饱和弹性半空间体在表面竖向和水平谐振力作用下, 表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解, 给出了算例.     

基于梁-颗粒模型的钢筋混凝土结构爆炸破坏数值研究

钢筋混凝土在爆炸载荷下的力学行为研究是防灾减灾与防护工程领域的重要研究课题.在离散元框架内,开发了模拟钢筋混凝土结构;在爆炸载荷下破坏过程的三维梁-颗粒模型,在弹性范围内,用矩阵位移法描述梁的变形与受力的关系,提出了用应力表达梁的强度准则.基于Cowper-Symonds理论,开发了描述钢筋在高加载率荷载下变形的梁-颗粒模型.采用C＋＋语言开发了模拟程序.进行了钢筋混凝土板在爆炸载荷下破坏规律的实验研究,同时用开发的模型进行了数值模拟,模拟结果与实验结果的对比表明：模拟结果与实验结果基本一致,所开发的模型可以反应爆炸载荷下钢筋混凝土材料的破坏特征,能够真实地体现爆坑的形成、裂纹的扩展、层裂等现象.     

面向单向输入力的柔顺正交位移放大机构拓扑构型设计

<正>交位移放大机构用以输出且放大垂直于输入力方向的位移,其构型常采用典型的桥式结构.但是桥式放大机构要实现正交位移转换必须输入双向对称力,否则输出端会产生寄生位移.针对此问题,采用连续体结构拓扑优化技术寻找新构型的柔顺位移放大机构,使之在单向输入力条件下,依然可以实现正交位移转换.基于固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)拓扑描述方法,以输出位移与输入位移比最大化作为目标函数,以相对寄生位移,即输出端寄生位移与输出位移之比作为其中一个约束函数,建立了面向单向输入力的柔顺正交位移放大机构的拓扑优化数学模型.采用伴随法详细推导了目标函数和约束函数的敏度信息,并采用移动渐近线算法(MMA)进行了优化问题的求解.通过数值算例,给出了正交位移放大机构的拓扑优化结果,并探讨了弹簧刚度对拓扑优化结果的影响.最后,通过有限元仿真和实验,研究了拓扑优化得到的新型正交位移放大机构和桥式位移放大机构的相对寄生位移.仿真和实验都验证了所提方法的正确性和有效性.     

特高压GIS避雷器对压敏电阻电压梯度的要求

采用三维有限元与电路相结合的“场路结合”数值计算方法来分析特高压 GIS避雷器电位分布特性. 通过对多种方案的比较分析表明, 最有效的改善电位分布的方法是提高ZnO压敏电阻的电压梯度. 综合多方面因素, 合适的压敏电阻电压梯度为426 V/mm, 此时1000 kV GIS的电位分布不均匀度可控制在 10%以内. 研究结果为高梯度压敏电阻的研制提供了基本的技术指标.     

适用于复杂地形海域的溢油模拟系统

建立了三维耦合模型用于预报海上溢油的轨迹和最终归宿.模型包括水流与输移–归宿两个模块.水流模块采用非结构有限体积、波流耦合数值模型.采用非结构网格,模型可以灵活地模拟包含众多岛屿、曲折岸线等复杂地形区域发生的溢油事故.在输移–归宿模块中采用粒子追踪法模拟油膜的输运.水平扩散采用随机走动方法模拟,而垂向扩散过程则通过Langeven方程进行求解.油的迁移过程包括对流、扩展、紊动扩散、附着在岸边、沉降到海底等;转化过程包括挥发、溶解、乳化等.此外,光化学反应、水解、生物降解能够改变油的特征,减轻油的污染,模型中亦作了考虑.该模型可以用于瞬时和连续溢油的情况,不仅可以用于模拟油,也可以模拟其它与油的密度相近的有害物质的泄漏.应用建立的溢油模拟系统对渤海海峡发生的突发性溢油事故进行了模拟.     

基于FLUENT的人工气候室风洞试验的数值模拟

在分析飓风对输电网络影响的机制上,采用流体工程仿真软件FLUENT对某人工环境模拟实验室的风洞试验进行三维数值模拟,获得了小型人工气候室内的三维流场特性和风速参数,并分析考察了导流板和导风板对子试验区流场均匀性的影响.研究结果表明,合理增加导流板和导风板数量可提高风速均匀度以满足实验模拟要求.研究工作为人工环境模拟实验室的搭建和风洞试验流场均匀性的进一步改进提供一定的理论依据.