矩形加筋板的有限元分析及程序

加筋板结构是船舶、飞行器的一种有效结构形式,它对提高结构强度与稳定性有着十分有利的作用,因此一直引起人们高度的重视.可是,过去对加筋板的理论分析和计算方法,主要是将加筋板简化为正交各向异性板或交叉梁系,再用解析法或数值法进行计算,不能同时分别计算出板、梁应力.本文用有限元法分析矩形加筋板,所编制的程序,一次能分别算出板和梁的内力、应力及挠度,同解析法的结果以及实验模型的实测数值相比,结果比较满意.     

3D打印混凝土研究现状及前景展望

随着第四次工业革命朝人工智能方向迈进,建筑业迎来智能建造时代.3D打印混凝土技术所具有的高效、智能和精确等技术优势及其所带来的人力需求少、资源消耗少和环境负载低等经济和社会效益将使其成为建筑业智能建造发展的关键环节.但3D打印混凝土技术与传统混凝土技术有很大区别,无论是打印材料还是打印装备等都需进行技术变革.本文介绍了3D打印混凝土以层间弱界面和力学各向异性为代表的主要特征;分析了打印间隔、打印速率、挤出形状和打印路径等参数对打印效率和打印结构力学性能的影响;探讨了原材料选择及配合比设计对可打印性能及力学性能的作用;总结了3D打印混凝土力学性能测试方法及发展3D打印混凝土在材料制备和装备研发等方面所面临的主要问题,最后展望了3D打印超高性能混凝土在建筑业智能建造方面的未来前景.     

超硬材料bc-B_nCN(n=1,2,4)的弹性、硬度及其各向异性

本文基于密度泛函理论的第一性原理,分别运用平面波超软赝势和模守恒赝势,选用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)势场计算了所选3种结构bc-BnCN(n=1,2,4)的弹性和硬度,并分析了它们的弹性各向异性和塑性各向异性各自的差异.结果表明,3种结构在热学和力学上均稳定.能量计算结果显示,B含量最低的bc-BCN形成焓和结合能绝对值最大,结构最稳定,起因于它含有较多能量相对较低的B—N,B—C,C—N键及最少的B—B键.该3种晶体的弹性模量和硬度分析表明,随着B原子数的增多,弹性模量和硬度逐渐减小.根据对普适弹性各向异性指数AU,弹性模量各向异性分数比AB,AG,以及剪切模量各向异性因子A1,A2和A3的计算,分析了3种结构的弹性各向异性,结果表明bc-BCN具有优于c-BN的各向异性性能.通过对这3种结构进行拉伸和剪切模拟得到理想应力-应变曲线,发现其形变过程也呈现出各向异性,指明了不同结构的易屈服面及滑移方向且bc-BCN是3种bc-BnCN(n=1,2,4)中最易合成和最适合应用的超硬材料.     

3D打印粗骨料混凝土力学性能

研发了一种可以连续、稳定的打印最大粒径10 mm的粗骨料混凝土3D打印系统。对比测试了3D打印粗骨料混凝土与浇筑混凝土的力学性能,发现3D打印粗骨料混凝土抗压强度呈现细微的各向异性特征(差异在5%以内),而抗折强度呈现显著的各向异性特征(差异在20%～25%之间);与浇筑混凝土相比其抗压强度降低10%～15%,垂直于打印方向的抗折强度(F_y与F_z)降低10%～15%,平行于打印方向的抗折强度(F_x)降低30%～35%。通过微观结构分析发现,3D打印粗骨料混凝土的总孔隙率与浇筑混凝土总孔隙率相近,但3D打印粗骨料混凝土存在明显的层间薄弱区,其灰度值比平均灰度值低25%,说明在层间薄弱区的孔隙分布更加密集,3D打印混凝土中体积在10 mm³以上的大孔隙率较浇筑混凝土高出10.6%。特有的层间结构和较高的大孔隙率导致3D打印混凝土力学性能的各向异性特征和强度的降低。对比发现,3D打印粗骨料混凝土的水泥用量比以往研究中3D打印砂浆的水泥用量减少17.8%～49.6%。     

组合型类蜂窝夹芯结构设计及面内力学性能研究

为提高蜂窝夹芯结构共面方向的承载性能,从仿生序构角度,提出一种组合型类蜂窝夹芯结构,并对其面内力学性能进行研究。首先,从深海鱼的骨骼结构中仿生设计出一种功能基元,并将该基元4个一组在空间组合成一个基本单元,再将此单元在水平和垂直方向上阵列得到一种四边形里嵌套八边形的组合型类蜂窝夹芯结构;然后,根据胞元理论将该结构进行简化,采用经典梁弯曲理论与胡克定律推导出其面内等效力学参数公式;采用压缩实验和数值模拟进行力学参数的对比验证,得到该结构面内等效弹性模量的实验值、仿真值与理论值之间的误差分别为13.68%和10.60%,验证了组合型类蜂窝夹芯结构面内等效力学参数的准确性。在相同等效密度下,将所设计的组合型类蜂窝夹芯结构和该课题组以前提出的“超轻多孔”类蜂窝夹芯结构进行等效力学性能对比实验,结果表明：所设计的组合型类蜂窝夹芯结构的面内等效弹性模量是类蜂窝夹芯结构的20倍左右,其刚度有显著提升,该研究成果为新型蜂窝结构创新设计提供了思路。     

加筋长度和加筋率下的稻草加筋土强度特征

为了解决由盐胀和溶陷导致的盐渍土低强度和大变形问题,依据抗压实验和三轴压缩实验,研究6种加筋长度和5种加筋率下的稻草加筋滨海盐渍土的抗压强度、抗剪强度和抗变形性能。结果表明,直径50 mm抗压试样的适宜加筋率为0.2%,适宜加筋长度为15 mm,直径61.8 mm三轴压缩试样的适宜加筋率为0.2%,适宜加筋长度为20 mm,这2种条件下加筋土的强度值最高、抗变形性能最优。加筋大幅提高了土的黏聚力,但对土的内摩擦角影响很小,只有在加筋土达到一定的轴向应变时,稻草的加筋作用才能发挥出来。     

矿物掺合料对3D打印水泥基材料力学各向异性的影响

为探究矿物掺合料在3D打印混凝土中的作用机理，研究粉煤灰(FA)、矿粉(S)、硅灰(SF)单掺和复掺对3D打印水泥基材料抗压强度、抗折强度的影响.结果表明：单掺时，打印组和模筑组力学性能的变化规律基本保持一致，粉煤灰和矿粉会降低混凝土的抗压强度和抗折强度，而硅灰则会提高混凝土的力学性能.复掺时，材料力学性能大小顺序为：S+SF>基准组>FA+SF>FA+S.此外，3D打印混凝土的抗压强度无明显各向异性，而抗折强度有明显的各向异性.打印组在x方向的抗折强度比y、z方向低25%～40%,在x、y、z方向的抗折强度比筑模组低10%～30%.     

考虑加筋效应的薄板结构低频声传递损失

设计一种参数可调的加筋板结构简易实验装置,可根据需要对加筋板的加筋条数、加筋位置、加筋条材料、加筋条尺寸等加筋参数进行调整,研究不同加筋参数对结构整体性能的影响效果.基于该装置,选取3种不同加筋位置对平板结构进行加筋处理,并对加筋平板结构的低频隔声性能进行测试,尤其对不同加筋位置的作用效果进行分析,验证加筋参数对结构低频隔声性能的影响.研究结果表明:仅调整加筋位置这一参数就会对平板结构的低频隔声性能有所影响,尤其对声传递损失曲线的谷点频率有重要影响.     

新型负泊松比梯度结构缓冲性能

在传统内凹六边形蜂窝结构的基础上，结合甲虫鞘翅结构提出一种新型负泊松比蜂窝结构，基于有限元软件Abaqus/ Explicit仿真计算比较所提出的新型负泊松比结构与内凹六边形结构的抗冲击能力和能量吸收能力，以初始碰撞峰值力和比吸能为评价指标，结果表明新型负泊松比结构相较于内凹六边形结构的初始峰值力降低了28%，在压缩后程进入密实化阶段前结构吸能能力提高了35%.以胞元角度作为梯度变换参数来构造不同梯度排列的新型负泊松比结构，计算分析和对比不同梯度结构与均匀新型负泊松比结构的缓冲性能以及各结构在冲击过程中的变形模态，结果表明四种梯度结构均可强化结构的抗冲击能力，但在能量吸收性能上，分层递变正梯度结构（C3）的吸能能力较强.使用3D打印技术制作C3结构和均匀新型负泊松比结构的实验样件，进行准静态冲击实验，通过对比分析验证了仿真结果的正确性.本文研究结果表明：合理的梯度分布排列方式对提高结构的抗冲击性能和能量吸收能力有重要意义，为后续探索结构缓冲设计提供参考.     

一种基于SLM技术的抗冲击弹性阻尼单元

具有高强度和高能量吸收能力的轻质夹芯结构在机械领域具有至关重要的应用.提出了一种基于SLM(激光选区熔化)技术的弹性阻尼单元结构,该结构在受载时可以产生较大的弹性变形,从而在弹性变形阶段吸收大量的能量.根据SLM工艺特征,设计了弹性阻尼单元的结构和布局,并研究了其可制造约束条件.最后,采用SLM技术加工了三组具有不同结构参数的弹性阻尼单元和与其具有相同高度的Kagome结构,并进行了压缩试验.根据试验结果分析了单元结构参数对其承载性能和能量吸收能力的影响,并对比了弹性阻尼单元和Kagome结构性能的差异.试验结果表明,弹性阻尼单元强度和能量吸收能力优于Kagome结构.且参数为a=2.2 mm,m=3.1 mm,n=4.6 mm弹性阻尼单元,在相同的质量下,强度比Kagome结构高约36.11%,在破坏时吸收能量比Kagome结构高约26.83%,弹性变形时吸收能量比Kagome结构高约39.1%.     

形内自相似层级类蜂窝面外冲击特性研究

为提高传统六边形蜂窝结构的抗冲击特性,基于仿生学原理,考虑层级因子的影响,在六边形蜂窝基础上提出了一种形内自相似层级类蜂窝结构。以比吸能（SEA）、初始峰值力（PCF）、载荷效率（CFE）为冲击特性评价指标,根据简化的超折叠单元理论建立一种理论模型,对类蜂窝结构的冲击特性指标进行预测,在此理论模型基础上,研究了胞元壁厚t、胞壁长度l以及胞元数目n对类蜂窝结构面外冲击平均压缩反力和比吸能的影响。结果表明,在等相对密度条件下,比吸能及载荷效率随着层级的升高而提升,其中,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升21%和40%,比吸能分别提升11%和28%;在等壁厚条件下,随着层级的提升,初始峰值力明显提高,但是比吸能及载荷效率的提升更为显著,在10 m/s冲击速度作用下,一级蜂窝和二级蜂窝的载荷效率相比于零级蜂窝分别提升77%和115%,比吸能分别提升72%和116%。所提理论模型能有效预测类蜂窝结构能量吸收性能参数,可为蜂窝结构冲击动力学研究提供理论参考。     

类方形蜂窝夹芯结构力学性能研究

为了证明类方形蜂窝结构与六边形蜂窝结构之间的关系,将类方形蜂窝夹芯结构分解为特有的T字形胞元,应用Euler梁原理和能量法分别推导了T字形胞元模型的等效弹性常数公式。同时,在用经典方法推导的六边形蜂窝夹芯的等效弹性常数公式中,代入了类方形蜂窝结构的特征参数,得到了与前述2种方法相同的结果,证明了类方形蜂窝是六边形蜂窝的演变体,指出了这2个经典蜂窝公式存在的局限性和应用范围,由类方形蜂窝的结构特征,发现经典蜂窝理论公式在特征角等于零或零附近的值是奇异和不准确的。研究结果对蜂窝结构力学性能相关理论的后续研究和完善有着重要的参考价值。     

卫星夹层结构夹芯层力学性能分析与数值模拟

由于高强、质轻的特点,夹层结构材料在工程领域得到了广泛的应用.本文对卫星夹层结构所采用的蜂窝夹芯进行力学性能分析,推导出六边形蜂窝夹芯结构的等效弹性常数;并选取某型号卫星蜂窝夹芯结构,对其进行数值模拟研究.通过对比理论计算和数值模拟结果,验证了等效弹性参数公式的正确性,可作为卫星蜂窝夹芯结构的优化设计的理论依据.     

多胞金属在中低速冲击下的防护应力

文中通过理论和数值模拟研究了多胞金属在中低速冲击下的防护应力,发现防护应力在冲击过程中出现周期性卸载,这是由于弹性波在支撑端的反射所致. 结果发现与高速冲击情况不同,在中低速冲击下,蜂窝的平均防护应力会随着冲击速度的减小而增大;该现象可以用微结构的惯性效应来解释,此时若采用蜂窝的塑性坍塌应力将高估其防护应力. 最后给出了金属蜂窝在中低速冲击下防护应力的表达式,与数值计算结果吻合良好.     

两端简支带开孔蜂窝圆柱壳横向振动的基频

建立了两端简支带开孔的蜂窝夹层结构圆柱壳和截锥壳横向振动基频的分析计算近似公式。经验证,分析与实验是相符的。     

低碳钢和不锈钢圆管轴向冲击碰撞吸能特性研究

针对金属圆管的吸能设计，通过落锤试验和动力显式有限元法对低碳钢和不锈钢圆管的碰撞吸能特性进行了研究。研究发现：轴向冲击下圆管的失效模式分为轴对称模式、过渡模式和非轴对称模式，初始几何缺陷的随机性是产生不同失效模式的原因之一。给出了平均碰撞力的设计公式，最后探讨了采用铝基蜂窝状填充材料对圆管耐撞强度的影响。     

Visualization of the complex structure and stress field inside rock by means of 3D printing technology

Accurate characterization and visualization of the complex inner structure and stress distribution of rocks are of vital significance to solve a variety of underground engineering problems. In this paper, we incorporate several advanced technologies, such as CT scan, three-dimensional（3D） reconstruction, and 3D printing, to produce a physical model representing the natural coal rock that inherently contains complex fractures or joints. We employ 3D frozen stress and photoelastic technologies to characterize and visualize the stress distribution within the fractured rock under uniaxial compression. The 3D printed model presents the fracture structures identical to those of the natural prototype. The mechanical properties of the printed model,including uniaxial compression strength, elastic modulus,and Poisson’s ratio, are testified to be similar to those of the prototype coal rock. The frozen stress and photoelastic tests show that the location of stress concentration and the stress gradient around the discontinuous fractures are in good agreement with the numerical predictions of the real coalsample. The proposed method appears to be capable of visually quantifying the influences of discontinuous,irregular fractures on the strength, deformation, and stress concentration of coal rock. The method of incorporating3 D printing and frozen stress technologies shows a promising way to quantify and visualize the complex fracture structures and their influences on 3D stress distribution of underground rocks, which can also be used to verify numerical simulations.     

陶瓷内衬复合钢管径向压溃强度分析

将“钢筋砼梁”的分析原理应用于陶瓷内衬复合钢管的分析，得到的复合钢管径向压溃强度的计算公式不公文体现了材料几何尺寸的效应，而且反映出材料性能的影响；进一步分析表明，陶瓷衬层的弹性模量越高，复合钢管径向压溃强度就越高，谤为材料结构设计提供了有价值的参考。     

轴心受压部分加劲板件稳定系数计算方法研究

基于能量法对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴心受压构件的弹性畸变屈曲应力和半波长进行推导分析,得到相应部分加劲板件的稳定系数建议计算公式.与有限条法计算结果的对比分析表明,建议的部分加劲板件稳系数计算方法具有较高的精度和较好的通用性.在此基础上,通过简化分析给出了轴心受压构件部分加劲板件考虑畸变屈曲和局部屈曲的协同稳定系数计算方法.算例分析以及国内外的相关实验结果的验证表明,建议方法能够更好地考虑轴心受压开口截面构件畸变屈曲和局部屈曲对于构件极限承载力的影响,承载力计算结果相对于我国现行《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)更加准确,适用性更强.