X型超轻点阵结构芯体（Ⅱ）：细观力学建模与结构分析

针对X型超轻点阵结构芯体，首先引入均匀化等效理论，进行均匀化等效处理，然后采用等效芯体的有限元计算模型预测X型结构夹层板的静态力学行为，包括其压缩、剪切弹性模量和峰值强度，从理论和数值模拟上进一步证明了X型结构在静态力学性能上较金字塔结构具有性能优势．结合实验结果和三维实体有限元模型对比分析表明，均匀化等效理论预测与三维有限元计算结果吻合较好，误差不到10％．     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

手舟骨的有限元建模及其损伤分析

目的 基于医学DICOM格式的图像,不经过二次转换并快速且准确的建立舟骨有限元模型,从而得到可以用于舟骨应力分析的有限元模型,并通过模拟手舟骨损伤来分析不同的受力特点. 方法 选择健康成年男性志愿者,进行高精度螺旋CT扫描,将得到的DICOM 3.0医学图像数据,导八MIMICS医学影像软件并生成实体模型,然后应用通用有限元分析软件ANSYS 11生成有限元模型.约束边界条件,模拟舟骨轴向压力进行加载,得出舟骨有限元模型上的应力分布与应变结果,并模拟舟骨不同损伤的力学改变. 结果 建立的舟骨三维有限元模型共有节点73588个,单元397344个.所建模型结构完整,空间结构准确,单位划分精细,轴向压力作用下加栽模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点. 结论 应用高精度螺旋CT成像的DICOM 3.0数据,并与MIMICS和ANSYS相结合的方法快速建立舟骨的三维有限元模型是切实有效和可行的;有限元方法可较好的分析手舟骨及其损伤的生物力学特点.     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上，基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路，把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量，提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响，所以新模型既能合理预测排水、不排水，也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念，还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单，仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比，全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

路堑边坡开挖对邻近既有铁路隧道影响分析

结合工程实际,运用ANSYS有限元数值模拟方法,建立了路堑边坡施工中岩土体开挖和爆破振动对邻近既有铁路隧道结构影响的三维模型,分析并得出了路堑边坡开挖对既有隧道结构应力应变和爆破振动的影响规律。模拟分析表明:1)路堑边坡开挖产生的剪应力是对既有隧道结构影响的最不利因素,既有隧道衬砌结构受到剪应力破坏区域影响时,路堑边坡开挖对既有隧道衬砌产生的应力应变数值影响存在较为明显的突变;2)模型模拟最大段装药量耦合装药结构爆破产生的质点振动数值相对实测数值偏大;3)邻近既有铁路隧道不同间距下最大段药量值可由萨道夫斯基公式和LS-DYNA软件模拟预测数值的平均值确定。     

高温变形过程中的动态再结晶类型识别

通过分析高温变形过程中伴随再结晶晶粒长大的内部位错密度变化,判别不同变形条件下动态再结晶过程的进行形式,研究动态再结晶形式对变形参数的依赖规律,发现：低温大应变速率下,高温变形过程中的再结晶形式以连续性动态再结晶为主;高温低应变速率下,以周期性动态再结晶为主.根据动态再结晶软化与加工硬化平衡,得到反映稳态流动时钛合金流动应力对变形参数的响应,建立具有实际物理意义描述钛合金稳态流动本构关系的Arrhenius型方程.通过热模拟压缩实验得到800~900℃,0.0005~10 s-1条件下的TC18钛合金高温变形流动应力应变曲线,验证动态再结晶形式的判据模型,并通过DMM耗散效率分布图分析模型的适用性.通过显微组织分析,研究不同变形参数下的高温变形过程中,不同动态再结晶形式对应的再结晶晶粒粗化/细化的特点.通过各变形条件下真应变？=0.8时的稳态应力验证得到的本构模型,并分析应变速率敏感系数的变化规律.     

压应力对铁电陶瓷非线性力电耦合性能的影响

回顾了关于轴向压应力与侧向压应力对铁电陶瓷非线性力电耦合性能影响的实验结果,提出了一个新的电畴翻转模型,将180°电畴翻转分成两次连续的90°翻转.在压应力方向与极化方向平行的情况下,陶瓷中的电畴翻转近似为轴对称的,可以用一个解析的模型来模拟.而在压应力方向与极化方向垂直的情况下,电畴翻转是三维的,因而无法简化.两种情况下模型的模拟结果均与实验结果符合较好,从而说明了该模型的有效性.回顾了关于轴向压应力与侧向压应力对铁电陶瓷非线性力电耦合性能影响的实验结果,提出了一个新的电畴翻转模型,将180°电畴翻转分成两次连续的90°翻转.在压应力方向与极化方向平行的情况下,陶瓷中的电畴翻转近似为轴对称的,可以用一个解析的模型来模拟.而在压应力方向与极化方向垂直的情况下,电畴翻转是三维的,因而无法简化.两种情况下模型的模拟结果均与实验结果符合较好,从而说明了该模型的有效性.     

应力对铁磁性形状记忆合金Ni50Mn19Fe6Ga25马氏体相变的影响

X射线衍射结果表明, Ni50Mn19Fe6Ga25合金甩带样品在室温是L2₁结构, 并且存在[100]织构. [100]轴垂直于试样表面, 而[110]轴与带向成45度角, 并且在带向与带的法线方向确定的平面内. 应力测试表明沿带向存在拉应力, 对应择尤取向的晶粒拉应力的方向就是沿[010]方向. 原位X射线衍射变温分析表明, 未退火的样品降温时没有发生明显的马氏体转变, 而经900 K, 24 h去应力退火后的样品, 再降温时发生明显的由立方到四方的结构转变. 这表明沿[010]方向的拉应力阻止了马氏体转变.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质，研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程，分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中，孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形，变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变），以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性，拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

贝氏体相变单元及长大机制的TEM研究

利用透射电子显微镜（ＴＥＭ）观察了Ｆｅ－Ｎｉ－Ｍｎ和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金贝氏体形貌和亚结构。证实贝氏体相变单元的存在。贝氏体通过相变单元的应力应变诱发形核伸长，通过沿缺陷面方向的扩展实现增厚。贝氏体相变单元的横向尺寸差和贝氏体沿缺陷面的滑移，错动形成了贝氏体／奥氏体相界面台阶，台阶阶面与缺陷面对应，难以进行侧向迁移。     

考虑孔隙压密的岩石非线性变形行为计算分析

含孔隙裂隙岩石的非线性变形对分析岩体工程中的力学响应和安全评价具有重要意义.需要考虑岩石的孔隙性建立能够反映岩石变形非线性特性的本构模型.本文首先分析了岩石非线性变形的力学机理,将岩石的全应力应变曲线分成两段.然后对两段分别建立本构关系:在压密闭合阶段,提出压密因子的概念,以表征孔隙率变化对岩石变形特性的影响;除压密闭合阶段外的另一阶段,基于损伤理论,采用岩石细观单元本构模型来描述,以最大拉应变准则和摩尔-库仑准则作为损伤判断准则.借助有限元分析软件COMSOL Multiphysics,通过MATLAB编程实现对该模型的数值求解.为验证模型的正确性,将数值模拟得到的结果与试验数据进行对比.最后,对6种孔隙率不同但岩石基质相同的岩石进行了单轴压缩破坏过程数值模拟.研究结果表明:运用提出的压密因子所建立的本构模型可以很好地模拟岩石的压密闭合阶段的非线性,对同种岩石孔隙率越大单轴抗压强度越小,随孔隙被压密弹性模量越来越大.     

大理岩单轴受压全过程细观损伤量化研究

设计基于SEM的大理岩细观损伤全程数字化跟踪试验方案，对四川锦屏大理岩试样进行了单轴压缩细观损伤的全程试验。基于数字图像处理技术，对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行定量分析，提取试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据。然后利用统计学理论对获取到的32组试样微裂纹的损伤全过程的细现信息进行了统计分析，得到在单轴压缩过程中微裂纹的方位角、长度和间距服从变参数的广义极限分布这一结论，最后引入G Swoboda损伤理论，模拟得到单轴压缩试验的应力一应变关系，并与实际试验的结果进行了比较。结果显示可以较准确模拟单轴压缩力学状态下的应力一应变关系。     

一种岩石损伤流变模型及数值分析

根据石膏角砾岩的蠕变特性，建立石膏角砾岩的损伤流变模型；推导有限元计算中黏弹塑性损伤流变模型黏性应变的计算公式，结合初应变法的基本原理，分析模型的有限元求解过程；用MATLAB编制了损伤流变模型的平面应变有限元计算程序。利用编制的程序对石膏角砾岩蠕变试验进行有限元分析，有限元计算结果与蠕变试验结果吻合得较好，表明采用统计损伤理论研究岩石的非线性流变是可行、有效的。     

Fe-Mn-Si基形状记忆合金中FCC相的电子结构与稳定性

利用基于第一原理的离散变分法研究了Fe-Mn-Si合金的电子结构与FCC相稳定性的关系. Si元素使Fe原子的d带空穴数减少, 而Mn的影响较复杂. 以此为基础, 从电子浓度的角度解释了这两种元素对合金层错能的影响, 并结合对合金结合能的计算结果—— Si降低合金的结合能而Mn的作用相反, 阐述了Mn降低而Si升高马氏体相变温度的物理原因. 在不同方向上施加应力时, 合金的电子结构发生变化, Fermi能级处的总态密度有明显提高. 从Fermi能级附近的能谱变化可看出, 应变使能隙减小, 能级的简并性提高. 在同一方向上施以不同的应变, 中心原子的3d和4s轨道上的电子数减少, 3d局域态密度变窄, 且峰值增加. 对比电子密度的变化, 在应力方向上的成键轨道有减弱的趋势, 而在垂直于应力的方向上出现增强, 导致FCC结构的稳定性降低. 这是外场(应力)作用下合金的马氏体相变温度提高的重要原因.     

涂层层数对硬脆涂层构件结合强度的影响

涂层特性与厚度对涂层/基体结合强度的影响得到了广泛研究,然而涂层层数对涂层构件结构强度影响的规律却鲜有报道.应用有限元分析方法,探索了接触载荷条件下,多层硬脆涂层构件的应力分布基本规律.提出以最大剪切应力作为涂层构件结合强度的评价标准.通过比较有限元与赫兹接触精确解析解验证了模型的可靠性.讨论了涂层层数对涂层/基体界面最大剪切应力影响的关系.结果表明：随涂层层数的增加,涂层/基体的界面突变应力沿z轴向涂层表面靠近;而x方向的最大剪切应力随涂层层数的增加变化幅度趋于平缓.     

顺煤层水力割缝抽采煤层瓦斯渗流规律数值模拟

为得到顺煤层水力割缝抽采瓦斯渗流规律以及预测水力割缝后瓦斯气体抽采量，结合渗流力学和弹塑性力学理论，建立了水力割缝抽采煤层瓦斯的固流耦合数学模型，同时给出了相应初始条件及边界条件。利用Madab计算得到顺煤层水力割缝后煤体应力场、瓦斯压力场以及瓦斯抽采量变化规律。数值模拟结果显示：水力割缝后，煤体有效体积应力得到释放；沿割缝方向储层卸压效果明显；煤层内裂隙、裂缝数量增加，长度和张开度增大；煤体渗透性能增强；煤层气抽采量较普通钻孔有较大幅度的提高。模拟结果显示了顺煤层水力割缝抽采煤层气的优势。此模拟方法对煤层气增产工业中确定水力割缝工艺参数以及预测瓦斯产量具有重要的指导意义。     

渤海海冰孔隙率对单轴压缩强度影响的实验研究

针对2009～2010年冬季渤海出现的异常冰情,在辽东湾东岸某港区外潮沟采集海冰,加工成冰样;在控温精度0.1℃的条件下,对117个柱状冰冰样沿平行冰面方向加载,测试冰样的单轴压缩强度、密度、盐度.试验温度分别是？4℃,？7℃,？10℃,？13℃和？16℃,加载应变速率在10？6～10？2s？1,覆盖了冰的韧性破坏、韧脆过渡和脆性破坏区域.试验结果支持宽应变率范围内单轴压缩强度随孔隙率的变化曲面.由此得到冰力学行为转折点随孔隙率变化的定量表达;实现了描述单轴压缩强度在不同破坏行为下的统一数学表达式;此外,还推断出2009～2010年渤海异常冰情不会导致渤海海冰单轴压缩强度设计值的调整.     

基于Hvorslev面的超固结土本构模型

基于Hvorslev面、当前屈服面和参考屈服面之间的相互关系, 提出潜在强度的概念, 并将其与特征状态应力比一起引入到统一硬化参数中来建立超固结土的本构模型. 所提出的模型能够反映超固结土的硬化、软化、临界状态、剪缩和剪胀等应力应变特性以及应力路径对它的影响, 此超固结土模型仅比剑桥模型增加了一个材料参数, 即Hvorslev面的切线斜率. 通过Fujinomori粘土的常规三轴排水试验结果证明了基于Hvorslev面的超固结土模型能够合理地描述超固结土的基本力学特性, 同时还预测了等向压缩条件的应力应变关系和不排水三轴试验条件下的应力路径.     

纤维束诱导基体裂纹变形场DGS实验研究

本文主要利用数字梯度敏感方法(DGS)和Eshelby等效夹杂理论研究纤维束与基体裂纹的相互作用机制.首先,利用DGS方法得到了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型基体裂纹尖端的位移场分布及演化规律,并提取了相应的基体裂纹尖端应力强度因子.其次,利用Eshelby等效夹杂理论分析了碳纳米管改性纤维束模型、未改性纤维束模型的基体裂纹尖端应力强度因子的影响机制.最后,比较了碳纳米管改性纤维束夹杂和未改性纤维束夹杂两种模型中基体裂纹尖端应力强度因子的理论预测结果与DGS实验结果,吻合较好.研究成果为纤维束与基体相互作用机制提供了可靠的实验依据及理论参考.     

柔性轴承装配变形有限元仿真分析

柔性轴承装配变形的合理性是保证谐波传动有效运行的必要前提及关键因素之一,以3E809KAT2*型柔性轴承为研究对象,采用SOLIDWORKS建立三维实体模型,基于有限元软件对柔性轴承在椭圆凸轮作用下的变形应力、应变、位移、速度、接触力等进行分析。结果表明:应力、应变分别按内圈、外圈、滚动体、保持架及长轴、短轴、长短轴过渡部分的顺序依次显著减小;位移按长轴、过渡、短轴的顺序依次减小,而速度基本相同,且内圈位移、速度、波动相对外圈较大;内外圈与滚动体的接触力较大且大小基本相同,保持架与滚动体接触力接近于0。仿真解与理论解偏差较小,验证了装配的合理性。