基于应变梯度理论的假设应变有限元方法

采用基于应变梯度理论的假设应变有限元方法研究了微尺度梁弯曲的尺寸效应.在假设应变单元设计中,非局部的应变梯度项通过围绕高斯点的胞元进行数值积分得到.在本构方程中引入等效应变梯度项,在积分本构方程时就可以反映材料在微细变形时的尺寸效应.为了验证本方法的正确性,对微尺度下的悬臂梁进行了模拟计算.计算结果与已发表的实验结果比较吻合,表明可以模拟出材料微细变形的尺寸效应,具有较好的计算精度.     

基于MSG理论的超薄梁弯曲问题的数值模拟

为了解决超薄梁弯曲计算中存在的低阶单元出现自锁和过刚的缺陷问题,采用基于应变梯度理论的假设应变有限元方法,研究了微尺度梁弯曲问题中的尺度效应.在假设应变单元设计中,非局部的应变梯度项通过围绕高斯点的胞元进行数值积分而得到.进一步在本构方程中引入等效应变梯度项,在积分本构方程时就可以反映材料在微细变形时的尺寸效应.首先,构造了一个基于细观机制的应变梯度理论的增强假设应变有限元模型.通过这种方法,非局部的应变梯度通过围绕高斯点的胞元积分而加入到本构方程中.由这个模型,发展了一个增强假设应变有限元程序,利用此程序对一超薄梁受均布荷载作用下,不同厚度,不同网格划分时的弯曲问题进行了数值模拟.结果显示,这种方法能够很好的体现出超薄梁在不同厚度和不同网格划分下的尺度效应.此方法具有较好的适用性.     

含非均匀介质薄层状结构的声反射特性

应用有限元方法研究了含非均匀介质层的复合薄层结构中的低频(0~2 kHz)声反射特性,其中非均匀介质层为橡胶中周期分布的多孔介质体.文中将流体等效处理为(粘)弹性体;对多孔介质,提出在薄层、低频下忽略其骨架的运动,由Biot理论获得退化的孔中流体的基本方程,并将其等效处理为(粘)弹性体;利用Galerkin方法建立了有限元方程,分析了非均匀层中多孔介质的体积分数,孔中流体材料参数、层厚度及多层非均匀介质的不同叠合对其结构反射特性的影响.结果表明,一定条件下含多孔介质的非均匀层可明显影响结构较低频段的反射系数.     

基于均匀化方法的土工格栅等效本构关系研究

土工格栅在岩土、交通、水利等工程中发挥着重要作用.将土工格栅与土看做一种广义复合材料,选取恰当的代表单胞,采用基于周期结构多尺度渐近分析的均匀化技术,建立了预测弹性等效本构参数的数值计算模型.利用该模型,可方便合理地考虑各组分材料性质、尺寸对宏观等效弹性参数的影响,从而为土工格栅等效弹性参数的试验研究及土工格栅的设计提供有益的理论参考,其思路也可推广于格栅与土体宏观等效蠕变本构特性的预测.     

压剪耦合损伤演化方程在混凝土本构模型中的应用

将等效微孔洞体系的概念与有核长大模型的思想相结合,根据有关物理关系通过严格的数学推导,提出了一种脆性材料的压剪耦合损伤演化方程.将该演化方程应用于混凝土脆弹性损伤软化本构模型之中,通过对混凝土一维应力条件下的实验应力应变曲线的优化数值模拟确定了损伤演化方程中的材料参数.研究结果表明,应用含损伤的本构关系和该压剪耦合损伤演化方程能得到损伤随时间变化的曲线,该曲线与采用CT技术观测的混凝土内部微孔洞扩展图像和结果有较好的一致性.所提出的损伤演化方程揭示了脆性材料压剪耦合损伤发展的宏细观机制,为更好地分析计算混凝土的高速贯穿等问题奠定了基础.     

新型碳酚醛材料动静态力学性能和本构关系研究

研究了碳纤维增强酚醛复合材料在不同温度下的动静态压缩力学性能，碳酚醛材料不但是应变率敏感材料，也是温度相关材料；提出了一个非线性粘弹性本构方程，通过对实验应力-应变曲线的拟合给出了本构方程的材料参数，讨论了温度对本构方程参数的影响；分析了材料力学行为的时温等效性，给出了不同加载条件下的时温等效曲线。     

基于细观损伤模型预测金属成形过程中的韧性断裂形式

在优选模型参数和简化孔洞形核规律的基础上,采用Gurson-Tvergaard(GT)多孔材料本构模型分析金属韧性断裂过程中的宏观应力与应变响应行为;根据金属成形工艺特点,充分考虑拉伸型和剪切型2种不同韧性断裂机制,提出一个统一的韧性断裂准则形式,并通过实验结果验证其有效性和普适性,进而采用单向拉伸实验确定的材料常数合理地预测了正挤压过程中的韧性断裂现象.     

微孔结构对多孔材料细观力学特性的影响

在三维孔隙材料如泡沫材料中，胞孔的形状及大小并非完全均匀，因此借助二维均匀化方法来讨论胞孔形状及大小对多孔材料性能的影响。在线弹性范围内，根据均匀化理论，基于虚位移原理，结合有限元方法推导出二维周期性结构的均匀化的有限元格式。取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，将三维孔隙材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结构，来计算不同微孔形状及大小下的等效弹性常数；比较分析了微孔结构对多孔材料等效弹性常数的影响。计算结果分析表明，多孔材料的等效弹性参数不仅取决于微孔结构的数量，而且对微孔结构的形状也有一定程度的敏感，同时对基体材料的泊松比的变化敏感与否也与微孔结构有关。     

乙烯-四氟乙烯薄膜循环拉伸的黏弹塑性本构模型

对250μm厚乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)薄膜进行了单轴循环拉伸试验,通过试验得出ETFE薄膜的应力应变曲线,基于宏观现象和各向同性材料小应变假设,推导了适用于ETFE薄膜单轴循环拉伸第1次加载和卸载的本构方程,编写了采用两步法确定本构方程中参数的程序,利用程序模拟了ETFE薄膜在循环拉伸状态下第1次加载和卸载的应力应变关系.通过与试验得到的应力应变关系对比分析,验证了该本构方程和程序的正确性.提出的ETFE薄膜的本构方程可以较为准确地预测ETFE材料的应力应变关系,为ETFE薄膜结构的分析和计算提供参考.     

声弹性测试法在非局部损伤本构方程中的应用

用声弹性测试法得到了以材料参数和波速表示的损伤参量，将该参量非局部化后代入非局部损伤本构方程中得到了非局部应力－应变关系曲线，与宏观结果比较，有较好的一致性，证明该方法是行之有效的。     

泡沫硅橡胶的多孔超弹性模型

泡沫硅橡胶是一种典型的多孔材料,同时它的本构行也呈现超弹性力学性质。本文建立了泡沫硅橡胶的多孔介质力学模型,针对泡沫硅橡胶的超弹性本构行为以及由于多孔隙的结构特性所导致的材料可压缩性,考察了孔隙度对变形性能的影响,构造了应变能函数的等容部分和体积变形部分,单轴压缩实验表明,所获得的本构方程较好地描述了泡沫硅橡胶的大变形力学性质。     

多孔硅橡胶的超弹性本构关系及其有限元方法

针对可压的泡沫硅橡胶材料,基于应变能密度函数的可解耦为相对独立的等容形形和体积变形两部分,提出了泡沫硅橡胶材料的应变能密度函数,给出材料的本构关系,并根据虚功原理,利用完全的Lagrange格式进行有限元分析,推导了有限变形的增量形式,获得了有限变形下的非线性有限元列式,编制了刚度矩阵的计算模式,它可以推广并用于任意的几何非线性和材料非线性的可压超弹性材料的力学性能分析。     

多重双尺度法在含界面层纳米碳管增强复合材料力学性能分析中的应用

运用多重双尺度法分析了含界面层纳米碳管增强复合材料的力学性质.首先利用分子结构力学导出纳米框架结构的有效力学性质,取纳米分子结构中的框架结构为特征单元体,用一次均质化理论得到纳米碳管的有效弹性模量,将该纳米碳管等效为连续空心圆筒,与损伤界面组成新的特征单元体再进行第二次均匀化得到新的增强体,计算过程中在界面与基体交界处...     

初始剪切变形对铅芯橡胶支座性能影响分析

为了研究初始剪切变形对铅芯橡胶支座力学性能与大剪切变形时内部应力的影响规律,首先基于厂家提供的支座规格参数得到铅芯橡胶支座有限元模型,验证试验数据与有限元计算结果模型的正确性;然后分析支座尺寸、形状系数、竖向压力等不同参数,对有初始剪切变形的铅芯橡胶支座100%水平性能、内部钢板橡胶最大应力比的影响,并进行大剪应变下支座内部应力分析。结果表明：与无初始剪切变形相比,铅芯橡胶支座的100%水平刚度随着压应力、初始剪切变形、支座形状系数的变化最大为5%,影响程度较小;有初始剪切变形对橡胶隔震支座100%剪应变条件下的橡胶和钢板应力有一定的影响,但基本未达到橡胶材料的拉伸强度和钢板的屈服强度,支座处于安全状态;有初始剪切变形对橡胶隔震支座250%以上剪应变条件下的橡胶和钢板应力有很大的影响,不同剪应变条件下的橡胶或钢板应力均可能达到拉伸强度或钢板的屈服强度,支座有极大的损伤风险;通过分析,建议支座实际剪应变为400%、350%、300%、250%、200%及100%时,其初始变形分别不能超过0、20%、70%、120%、170%及270%。     

周期孔洞区域中渗流问题双尺度渐近形式展开式(英文)

孔洞介质在各个领域均有较大的应用.在理论物理与随机分析中,摄动理论用于分析具有孔洞介质的流体的物理行为.文章利用渐近分析的方法讨论了小周期复合材料结构中渗流问题的压力与速度的双尺度形式渐近展开式,通过该关系式得到了均匀化压力与均匀化速度两者之间的Darcy定律,讨论了该问题的简单算法.     

厚层铅芯橡胶支座力学性能

设计了3种不同单层橡胶厚度的厚层铅芯橡胶支座并进行力学性能试验,研究其竖向压缩刚度、水平等效刚度、屈服后刚度、屈服力、等效阻尼比等基本力学性能,分析其随压应力、剪应变等的变化规律,并与现有的力学性能理论值进行比较.结果表明,竖向刚度试验值和理论值相差较大,且随着单层橡胶厚度的增大而增大;针对竖向刚度试验提出了拟合公式,该公式与试验结果吻合较好;受样本数量的限制,拟合公式的适用性有待进一步验证;厚层铅芯橡胶支座的水平力学性能与理论值较接近.     

位移放大型扭转阻尼器性能分析

为了加固梁柱节点、避免框架结构出现"弱节点"的破坏模式、提高框架结构整体的抗震和耗能能力,研制出一种具有自主知识产权的位移放大型扭转阻尼器(DATD),并对其进行数值分析和试验研究.首先,设计了18个具有不同参数的DATD,建立其有限元模型进行数值分析;随后,设计并制作了一个DATD,进行性能试验并与有限元分析结果对比.结果表明:DATD滞回曲线饱满,耗能能力强;有限元分析与性能试验的滞回曲线吻合较好,且随着加载位移的增加,两者间误差变小,因此可以采用建立的有限元模型来研究DATD的力学性能.最后,对DATD进行参数影响分析,研究了铅芯直径、铅芯距中轴距离、橡胶层直径、橡胶层厚度及橡胶剪切模量对其特征参数的影响,结果表明:DATD的屈服剪力、等效刚度、等效阻尼比及耗能系数随着铅芯直径增大而明显增大,随着铅芯距中轴距离的增大略有增大;随着橡胶层直径、橡胶剪切模量的增大,屈服剪力及等效刚度逐渐增大而耗能系数及等效阻尼比逐渐减小;4个特征参数均随着橡胶层厚度的增大而略微减小.     

应力锥橡胶材料在变温环境下的力学性能

利用德国Zwick020材料试验机,进行高压电缆终端应力锥两种橡胶材料在不同温度环境下单向拉伸大变形力学行为的试验研究,得到不同温度和不同加载速率条件下材料的应力 应变关系曲线,并分析了温度及加载速率变化对材料力学性能的影响.运用Mooney Rivlin橡胶材料模型,对试验材料进行了理论分析,根据试验结果拟合出相关参数,构建了适用高压电缆终端应力锥两种橡胶材料的本构关系公式.对比不同温度下两种橡胶材料的理论计算和试验的应力值,说明该本构关系满足工程实际需要,为高压电缆应力锥的进一步研究提供了理论基础.     

影响水平井射孔完井产能的多因素分析

针对影响水平井射孔完井产能的各个参数,开展了多因素分析,模拟水平井真实射孔的条件,建立了地下渗流场的三维物理模型和流体渗流的连续性方程及其相应的数学模型,推导出了有限元求解的变分方程;对该变分问题的求解应用了大型有限元分析软件ANSYS,通过实体建模、材料定义、网格剖分等步骤,获得了求解水平井射孔完井产率比PR的新方法;运用二次回归的正交组合设计方法,对各个参数进行了敏感性和多因素分析,得到影响PR的重要性排序。编制了相应软件进行水平井射孔参数的优化设计。在塔中16井区采油方案编制和辽河油田射孔完井水平井中得到应用,取得了良好的效果。     

制动钳及其约束对制动器热机耦合特性的影响

在定义零件间的约束关系和边界条件并且设置制动器摩擦系数、对流传热系数和橡胶衬套刚度等关键参数的基础上,建立了包含制动盘、摩擦衬片、制动块背板、活塞、制动钳、保持架、导向销及其橡胶衬套等零件的完整制动器热机耦合有限元模型.利用该模型对单次制动工况下的制动盘温度、周向应力和变形等热机耦合特性进行了分析.基于该模型将导向销橡胶衬套等效为弹簧单元和固定约束,发现橡胶衬套可忽略其几何结构等效为弹簧单元,但不可忽略为固定约束.最后,结合在制动器惯量试验台上开展的制动器热机耦合试验中热成像仪等设备测量盘面温度和变形的结果,验证模型的有效性,说明制动钳对制动器热机耦合特性有重要影响.