钢筋混凝土梁冲击响应的3D细观力学模拟

钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下响应和破坏的研究受到了广泛的关注.本文通过建立3D细观力学模型,并结合新近研发的混凝土动态计算本构模型,模拟计算冲击载荷作用下钢筋混凝土梁的响应和破坏.3D细观力学模型假定混凝土是由砂浆基体、粗骨料和界面过渡层(Interfacial Transition Zone,简称ITZ层)三相组成的复合材料.混凝土动态计算本构模型考虑了压力相关性、剪切损伤、拉伸损伤、Lode角效应和材料应变率效应等主要因素.结果表明:数值模拟得到的冲击载荷、梁跨中点挠度的时程曲线以及裂纹的分布和扩展模式与实验结果吻合得较好;新提出的混凝土3D细观力学模型和新近研发的混凝土动态计算本构模型可以用来预测钢筋混凝土结构在冲击载荷作用下的响应和破坏.     

基于改进桥联模型的CFRP层合结构抗冲击载荷动态力学性能研究

为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在冲击载荷下的力学响应,本文基于桥联模型,采用含应变率效应的动态本构方程以及屈服准则,对CFRP层合板进行了优化设计和动态压缩强度分析.利用相关文献中的层合板准静态及动态试验结果,对改进的桥联模型程序进行验证,结果吻合良好.在此基础上,对比分析了几种CFRP层合板铺层设计方案,优选并制备其中一铺层的层合板,实施了中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性.本文工作可用于抗高冲击载荷CFRP层合结构的优化设计及性能预测.     

液晶显示屏中液晶层的等效分析模型

文章采用复合材料力学的分析方法,建立了正交各向异性的液晶层等效模型;利用有限元法分析了简化液晶屏的三维模型和等效模型,检验了液晶层等效模型的有效性;针对正交各向异性和各向同性2种液晶层等效模型,计算并比较了液晶屏中的热应力和热位移。结果表明:液晶屏在受温度载荷作用时,文中所建立的液晶层等效模型与实际结构吻合得很好;在受力作用时,等效模型会产生一定的误差;在液晶屏的热应力计算时,2种液晶层等效模型的应力和位移均有一定的差别。     

玄武岩纤维/铝合金层合板的力学性能研究

通过单向拉伸、剪切以及三点弯曲实验研究了玄武岩纤维/铝合金层合板在不同加载方式下的准静态力学性能。利用空气动力枪对玄武岩纤维/铝合金层合板进行了子弹冲击加载实验。实验中得到了层合板材料不同的力学参数以及子弹冲击下典型的变形失效模式。实验结果表明:在单向拉伸载荷作用下层合板中纤维层将首先发生断裂破坏从而导致材料失效,45°拉伸剪切作用下由于纤维不承受拉伸载荷,其剪切强度较低而剪切应变较大,从而导致铝板发生面内弯曲变形。在12 mm子弹冲击载荷下玄武岩纤维/铝合金层合板具有较好的抗冲击性能,其弹道极限为97.9 m/s。     

强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学特性及本构模型

研究氧化铝陶瓷在强冲击加载下的力学响应和动态本构模型. 利用一级轻气炮对陶瓷靶板进行冲击加载,测量得到靶板内的应力-时间曲线,并分析得到氧化铝陶瓷的动力学特性. 结合陶瓷材料破坏特性分析,从脆性材料内翼型裂纹的产生和扩展机理出发,建立了微裂纹损伤本构模型,其中损伤参数通过微裂纹尺寸和微裂纹数2个变量进行描述. 实验与计算结果表明,该模型较好地描述了强冲击载荷下氧化铝陶瓷的力学行为.     

考虑胶层的蜂窝夹层复合材料动态特性

提出了一种蜂窝夹层复合材料等效模拟方法.将面板与胶层等效为层合材料,并推导了其等效弹性参数.根据等效板理论、三明治夹芯板理论及所提出的方法分别建立自由-自由状态的铝蜂窝夹层复合材料有限元模型.将3种等效方法的数值计算结果与试验模态参数进行对比,结果表明,所提出等效方法的最大误差不超过5%,平均误差降低到2.03%,表明考虑胶层的影响,模态参数计算结果更为精确.通过控制变量法和相对灵敏度分析表明,胶层是影响复合材料动力学性能的关键因素之一,在面板与蜂窝胞壁连接良好的前提下,减小胶层的厚度或增加胶层材料的弹性模量能够有效提升材料的整体动态性能.     

冲击载荷下无限长条损伤材料反平面裂纹问题研究

为了研究冲击载荷下小范围损伤时材料的裂纹问题，建立了无限长条含损伤材料的反平面有限长裂纹的力学模型．从宏观唯象角度，采用Lemaitre在应变等效假设基础上建立的损伤本构方程，通过积分变换-对偶积分方程方法，获得了裂纹尖端动态应力场．动态应力强度因子的计算结果显示，在小范围损伤的情况下，随着损伤的增加，动态应力强度因子的幅值降低，反映了小范围损伤时损伤对裂纹扩展的屏蔽作用．     

冲击载荷下结构拓扑优化设计与动态响应分析

为解决结构动态冲击载荷拓扑优化计算过程复杂、计算效率低,而且难以收敛等问题,建立了一种在冲击载荷下结构的拓扑优化方法. 将双向渐进结构拓扑优化方法和等效静力载荷优化方法相结合,同时将权值法和材料插值模型引入其中. 采用内外双层循环的方式实现了冲击载荷下单相材料和双相复合材料/结构的拓扑优化. 通过两个算例验证了方法的可行性与高效性,并且对优化后的结构进行动态响应分析,分析结果表明与传统方法相比,采用新方法优化得到的结构,在冲击载荷下承载能力更好,说明该方法适用于冲击载荷下结构的拓扑优化设计,且优化流程简洁,计算效率高,优化平稳高效.      

复合材料曲梁力学性能研究

设计一种用于航天发射台高刚度组合件中的复合材料曲梁结构,并对其力学特性进行试验及数值计算研究.利用微机控制电子试验机对其进行静力加载试验,得到曲梁的载荷-位移特性曲线,并计算得到等效弹性模量.基于ABAQUS有限元软件,建立了曲梁的有限元模型,进行不同位移载荷下的数值模拟计算,利用试验数据对数值计算结果进行验证,计算结果与实测结果吻合良好,误差均在10%以下.在此基础上利用有限元模型计算不同载荷下的曲梁纵向和横向位移,得出曲梁的纵向位移小横向位移大,横纵位移比大于10,并研究曲梁厚度、间隙宽度以及中部直梁长度对曲梁力学性能的影响,得出不同几何参数变化对等效弹性模量的影响规律.本研究对曲梁应用于减隔振装置提供一定参考.     

含损伤的冻土动态本构模型研究

为研究冻土动态本构关系,基于损伤理论研究冻土的变形过程,用唯象模型将冻土看成黏性体和损伤体的并联组合体,并且利用强度理论以及复合材料等效夹杂原理获得冻土在冲击载荷作用下的动态本构模型及其参数的确定方法. 利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对冻土进行冲击加载实验,获得冻土在不同应变率冲击载荷作用下的应力-应变曲线,实验结果表明冻土具有明显的应变率相关性. 对比实验曲线和理论曲线可以看出模型计算与实验结果吻合良好,说明了建立模型的方法是可行的,且该模型能够很好地反映冻土动态加载过程的主要特征.     

对称角铺设矩形叠层复合材料板受低速冲击时的解层破坏分析

研究了低速冲击作用下复合材料结构破坏行为与冲击速度及材料属性间的关系.采用碰撞力分段模型和一阶剪切理论分析了给定初始速度的铁球与四边夹支的叠层复合材料板中心发生碰撞的动力学行为,包括碰撞力及表面沉陷随时间的变化规律;然后根据忽略厚度的界面模型假设及简化的Tsai-Wu张量破坏准则对叠层复合材料板的解层破坏进行了计算和分析.结果表明最大碰撞力与初始碰撞速度成正比,夹支矩形叠层复合材料板的解层破坏区域最先出现在应力幅值较大的中轴线及边界附近,并随初始碰撞速度的增大而扩展并改变几何形状.     

内燃机滑动轴承气蚀损伤破坏过程

用MSC．Marc大型非线性有限元分析软件建立了轴瓦气蚀损伤模型，基于损伤力学理论对气蚀发生过程中气泡渍灭产生的微射流对轴瓦表面材料的力学作用过程进行了数值分析．结果表明：随时间增加，等效塑性应变和损伤量基本上为逐渐增大的趋势；轴瓦表面和接近表面的损伤量较大，越接近摩擦层和镍栅层的结合面附近损伤量越小．采用本方法可以有效计算轴瓦材料受微射流冲击载荷作用时的应变过程和损伤演变，由此提出了一种分析轴瓦表面气蚀磨损的损伤力学方法．     

花岗岩动态压缩力学特性的实验以及理论研究

简要介绍了花岗岩材料的动态压缩实验结果,同时建立了花岗岩材料的裂纹模型,并基于断裂力学以及纲以细观力学的相关理论,模拟了花岗岩材料的在动态压缩载荷作用下的强度特性,建立了花岗岩材料在单轴动荷载作用下的本构模型。这些模拟结果与实验结果相符。     

边界条件对双模量叠层板大挠度弯曲的影响

本文用动力松弛法(DRM)求解了两层正交铺设双模量叠层方板在三种边界条件下的非线性弯曲问题。文中对DRM的阻尼系数的确定方法作了改进;指出了使用Bert模型计算各点的刚度时应考虑该点曲率的各种组合情况;给出了受正弦载荷和均布载荷作用的两种双模量复合材料叠层板的数值结果,得出了一些有用的结论。     

模拟冲击破碎的MCA方法

可移动元胞自动机法（MCA）是继有限元法和边界单元法之后发展起来的一种新的建立在非连续介质力学基础上的离散数值计算方法。文章介绍了MCA方法的理论基础，并利用MCA模拟软件对冲击载荷作用下脆性块体材料的破坏进行了二维数值模拟，得到了材料的破坏变形过程、温度场、速度场和应力应变关系曲线。数值模拟结果与实际吻合较好，说明该计算方法可以有效地计算和模拟冲击破坏问题。     

轴对称贮箱内液体大幅晃动的复合等效力学模型

航天工程中普遍使用等效力学模型描述液体晃动动力学,但基于线性理论的传统等效力学模型在大幅晃动中的适用性较差、精度较低.为此本文提出适用于常/低重力环境下液体大幅晃动的复合等效建模方法.以轴对称贮箱为例,提出了大幅晃动下跟随等效重力的液体动平衡位置确定方法,建立了球面摆形式的复合等效力学模型,并推导了等效系统动力学方程.为验证该建模方法有效性和模型准确性,对大幅平动和转动激励下三维圆柱形贮箱和Cassini贮箱内液体的晃动力和力矩、质心位置等进行了计算,并将复合等效力学模型、传统等效力学模型及计算流体动力学软件的计算结果进行了对比分析.结果表明,该复合等效力学模型可对液体大幅晃动的动力学响应进行较为准确的预测.     

梯形载荷下伴随破碎的散粒体系统动力学分析

为了获得脆性颗粒材料组成的散粒体系统在动载荷作用下的力学响应,对圆筒内散粒体系统在梯形载荷作用下的力学行为进行了数值研究.建立了链接模型、接触模型以及弹簧-球单元破碎模型;基于离散单元法编制了计算程序,分析了梯形载荷作用下的散粒体系统动力学响应;采用OpenGL图形显示了部分颗粒的破碎过程.结果表明,在梯形载荷作用下,对不同的载荷值,散粒体系统存在相应的暂时稳定状态,并且随着载荷大小的递增,系统达到稳定状态的时间越短,系统的变形也越小;计算过程中发现部分粒子发生破碎,且上层粒子首先被冲击破碎,破碎情况最为严重.研究结果对发射装药发射安全性有着重要的理论意义.     

层合易碎复合材料的设计与试验

提出一种新型易碎复合材料结构,单向连续纤维复合材料有纵向抗拉强度高而在横向易被撕裂的特点,把带有沿垂直纤维方向刻痕的单向板交错铺设制成层合板.研究了层合板在集中力作用下的力学行为及其在冲击载荷下的破坏形式,并采用有限元对其进行数值分析,有限元分析结果与实验结果吻合.     

承压叠层圆柱的弹性分析

基于弹性理论,对轴向压力作用下的、由不同材料于径向方向上叠合而成的叠层圆柱的受力全过程进行力学分析,以研究轴向荷载作用下圆柱任意位置的应力值和应变值.考虑了三向应力的作用,分别求得每一叠层的弹性力学解,然后通过层间变形协调关系,建立了叠层圆柱从内叠层内边界到外叠层外边界间的递推关系,最后通过内外边界条件可对叠层圆柱内任意点的应力和应变进行求解.以3种不同形式的叠层承压圆柱为例,运用上述理论,对其弹性阶段的承载力进行了分析,该理论由于考虑了不同叠层泊松比所引起的叠层间挤压应力的影响,因而理论计算与有限元吻合很好.     

密肋复合墙板变形与刚度分析

在密肋复合墙板试验研究的基础上,分析了密肋复合墙板在不同受力状态下的受力特点,提出了相应的力学计算模型,并采用刚度等效原则将密肋复合墙板等效为均匀的硅酸盐板,建立了密肋复合墙板弹性刚度的实用计算公式,计算结果与实测结果符合较好.