一类轴对称结构过盈装配环向预紧力的不确定性量化1)

泡沫硅橡胶材料具有良好的缓冲减振性能,已广泛应用于各工程领域。本文基于弹性力学理论解和泡沫硅橡胶材料一维可压缩Ogden二阶超弹性本构模型,建立了一类泡沫硅橡胶垫层过盈装配轴对称结构环向预紧力和工装压力的无量纲化数学预测模型;基于单向压缩材料实验数据,量化了垫层材料超弹本构模型参数的不确定性,获得了单不确定性参数表征的垫层本构模型,并以区间方法表征被防护部件材料的分散性以及装配公差,确定了系统环向预紧力和工装压力的计算参数;在此基础上,综合应用MC抽样、核密度估计、灵敏度分析与最小二乘法函数拟合等方法,量化了该类结构环向预紧力的不确定性,分析了四类不确定性的重要程度和初始设计应变对环向预紧力的影响,并获得了环向预紧力与工装压力的关系。所获得的研究成果对于该类轴对称结构的设计与评估具有重要的工程意义。     

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。     

粗糙表面切向接触模型的数值分析与实验研究

为了预测关节界面切向运动特性,提出了一种基于KE(Kogut和Etsion)法向接触理论和Iwan模型的粗糙表面切向接触模型。通过考虑粗糙表面间发生切向运动的本构方程与Iwan模型进行对比,推导出一种基于可测量物理参数的摩阻片临界滑移力的概率分布函数。设计一种微动实验装置,三向力称重传感器和同轴激光可以实时同步测量关节界面的力和位移,压力垫圈实时监控微动过程螺栓预紧力的变化,从而获得精准有效的界面微动迟滞环。对获得的微动环进行分析表明：经过数个周期之后,测得的迟滞环形状趋于稳定;预紧力对关节切向刚度的变化具有较大的影响;连接界面达到大滑移之后,Q235摩擦副最大切向力几乎保持不变,而铝合金摩擦副最大切向力有小幅下降。进一步利用Masing准则,在临界滑移力概率分布函数的基础上推导加载和卸载过程的本构方程,将数值计算结果与实验结果进行比较,验证模型的有效性。研究结果可为实际工程中预测和分析机械组件的运行可靠性提供参考。     

微孔硅橡胶的超临界流体法制备及其机械性能

采用超临界二氧化碳法制备了微孔硅橡胶材料,探讨了预硫化时间、发泡压力对微孔硅橡胶结构形态的影响,得到实验范围内的最佳发泡工艺参数,同时对获得的硅橡胶泡沫进行了力学性能表征。结果表明:预硫化时间12min、发泡压力为14 MPa时可制得泡孔密度为3.58×10~9个/cm~3、平均孔径为5.6μm的闭孔硅橡胶泡沫材料,其压缩永久变形为3.3%,拉伸强度达到3.18 MPa。     

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。     

面向结合面密封性能要求的装配连接工艺设计

为在产品设计阶段规划出满足密封性能要求的装配连接工艺,提出了一种面向结合面密封性能要求的装配连接工艺数字化设计方法.采用接触非线性有限元技术和弹性相互作用理论建立了螺栓组连接有限元模型,研究了螺栓预紧顺序、预紧力水平与结合面连接性能间的关系,构建了各螺栓预紧力大小与结合面压力间的关联模型,进而利用该关联模型,根据工况载荷下设备对密封性能的要求反求装配连接工艺.以发动机缸体缸盖装配连接为例,建立了发动机曲柄连杆机构动力学模型,分析了其工况载荷,并在缸体、缸盖和缸垫有限元模型的基础上,确定出工况载荷下发动机密封性能对结合面压力分布的要求,最后利用螺栓组连接与结合面压力间的关联模型反求出各螺栓预紧力的大小,通过与该型发动机已有装配连接工艺对比,验证了该设计方法的可行性.     

硅橡胶压缩力学性能及率相关本构模型

研究了典型超弹性材料硅橡胶压缩力学性能及率相关本构模型.采用Instron万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置对硅橡胶进行了准静态和动态压缩测试,基于测试结果分析了硅橡胶材料在0.001、0.01、0.1、1 750、2 300和3 000 s^-1应变率下的力学行为.测试结果表明,硅橡胶在静态载荷下有显著的超弹性特性,动态载荷下表现出明显的应变率效应,弹性模量与应变率比值对数之间存在非线性关系;据此,建立了率相关本构方程来描述硅橡胶在静、动态压缩载荷下的力学行为,与现有模型相比,所建立的本构方程参数仅有5个,在试验应变范围内应力最大误差保持在15%以内,与试验结果有良好一致性.     

预紧偏心垫层结构初值不确定性对转动滑移的影响研究

将预紧偏心垫层结构简化为中心圆平面问题,建立了动力学模型。采用区间均匀分布描述初值的不确定性,分别数值分析了定系统参数及变化系统参数时系统的转动滑移响应,并应用核密度区间估计的方法研究了初值不确定性对转动滑移响应的影响。加深了对此类结构转动滑移机理的认识,有助于该类结构的防转设计。     

基于连续本构模型的泡沫铝弹塑性断裂问题无网格法分析

应用无网格伽辽金法对单轴远场拉应力加载下泡沫铝弹塑性断裂问题进行了分析.首先,基于连续本构模型,将泡沫铝考虑成塑性可压缩材料,并通过引入Weibull分布,建立了宏观尺度上的泡沫铝本构关系.其次,在无网格伽辽金法的基础上,采用应力应变增量形式表征材料的弹塑性本构关系,用罚函数法施加本质边界条件,并考虑裂纹区的不连续性,用Newton-Raphson增量迭代实现非线性分析.最后通过算例讨论了概率参数对本构关系的影响,及泡沫铝相对密度与J积分值的变化规律.算例分析表明Weibull分布中的尺度参数对泡沫铝的宏观力学性质和断裂参数J积分有较大影响,而形状参数影响较小.     

基于Neo-Hookean本构模型的人体膝关节韧带力学性能测试分析

测试和分析研究国人膝关节的前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带以及髌腱,基于超弹性本构模型(Neo-Hookean模型)的力学性能参数,为膝关节相关生物力学研究提供数据参考.通过对4具国人膝关节标本进行解剖,获得人体膝关节主要的韧带组织样本,对所获得的韧带样本进行超弹性材料的单轴拉伸测试,并运用超弹性材料的应变能密度函数本构模型中的NeoHookean模型对测试数据进行数据处理,得到人体膝关节韧带基于超弹本构模型的力学性能参数.解析求得了国人膝关节的韧带组织基于超弹性本构模型的力学性能参数,可用于膝关节的生物力学特性的研究,并且为国人膝关节韧带性能数据库提供数据参考.     

基于内变量热力学的黏弹性本构方程及其基本性质研究

黏弹性变形在沥青混凝土、聚合物等材料中广泛存在,也是岩石材料时效变形的重要组成部分.基于Rice不可逆内变量热力学框架,讨论材料黏弹性变形行为.引入一组内变量表征材料系统内部结构的变化,通过给定余能密度函数和内变量演化方程推导出黏弹性本构方程.方程能包含经典黏弹性模型的本构方程,而且可描述材料的非线性黏弹性变形.对本构方程所基于的基本热力学方程性质进行讨论,表明在约束构型空间中热力学力和内变量之间要满足一定的共轭关系,所建构的本构方程才能刻画材料的黏弹性变形行为;证明了在约束构型空间中流动势函数随时间单调递减;同时指出在统计力学层面流动势函数与表征材料状态的概率密度函数有关.     

空腔膨胀理论中混凝土材料模型的对比

基于三向应力空腔膨胀理论,对比研究了具有代表性的7种混凝土介质球形空腔膨胀模型.与三组试验数据的对比表明,混凝土材料本构可压缩性假设明显优于不可压缩性假设,而塑性锁应变假设与线性压力-体积应变假设差别不大,材料响应弹塑性假设与弹性-断裂-塑性假设差别不大.在合理的参数选择下,相对简单的模型可以获得令人满意的结果.     

薄膜超弹性本构模型及其在空气垫中的应用

为了在有限元分析中精确地描述空气垫的力学行为,研究了空气垫聚合物薄膜的本构模型及其在空气垫缓冲性能分析中的应用.基于聚合物薄膜的单向拉伸试验,提出了一种可压缩超弹性本构模型,并通过数据拟合,获得了本构模型的参数.通过空气垫静态压缩试验和模拟的对比,验证了本构模型的适用性,并将此聚合物薄膜的本构模型应用到空气垫的有限元参数分析中,分析了充气压力对空气垫性能的影响.     

机床固定结合面参数识别及其拟合方法

在机床固定结合面动力学建模和模型参数识别研究的基础上,通过实验研究了固定结合面动力学建模参数与螺栓预紧力之间的关系.提出了固定结合面动力学建模参数与螺栓预紧力之间的幂函数数学模型.对一种特定固定结合面,通过数据拟合的方法,对该幂函数的数学模型进行了参数识别.对于任意给定预紧力的结合面,通过该模型,可求出其动力学模型参数.实验验证了该模型的有效性.对于任一种固定结合面,通过少量试验,可获得该类固定结合面的动力学模型,为数控机床整机动力学精确建模提供了一定的基础.     

拧紧工艺的螺栓连接结构预紧力变化规律

针对航空发动机装配过程中螺栓预紧力一致性差的问题，建立螺栓连接转子有限元模型，获得螺栓在顺序拧紧和星形拧紧时预紧力的衰减规律和分布特点.进行螺栓预紧力实验研究，分析了拧紧顺序及拧紧速度对螺栓预紧力的影响，并揭示了预紧力随时间的衰减机理.结果表明：拧紧相邻螺栓会使预紧力大幅衰减；提高拧紧速度会使螺栓获得较大预紧力，使得连接结构更加稳定；螺栓拧紧后预紧力会在短时间内大幅衰减，衰减规律与扭矩幅值息息相关.因此，在发动机装配中，严格控制螺栓拧紧工艺的同时，预紧力短时间内的衰减不可忽视.     

整体壁板扁挤压组合筒的光弹性应力分析

采用三维光弹性法对扁挤压组合筒进行了力学分析,得出了组合筒仅受预紧力作用时装配面上的装配压力、等效应力以及若干截面上的应力分布情况。结果表明,装配面上的正压力分布并不均匀,根据装配面上装配压力均匀分布的假设得出的结果必然有较大的误差;沿轴向分布基本均匀,可以简化为平面问题来处理。     

压头作用下岩石破碎过程的细观模拟

采用平行粘结细观本构模型,在岩石颗粒尺度上研究了压头侵入岩石的破坏过程。分析讨论了岩石材料平行粘结模型细观参数与宏观力学参数之间的映射关系。为了实现表征颗粒连接破坏模式,应用FISH语言编写一个伺服程序,检测每个颗粒连接的受力状态。依据所建立的颗粒连接破坏准则,并对每个颗粒连接进行破断与否的评估,实现描述颗粒连接的破坏功能。研究表明,在压头垂直压力作用下,岩石试件内形成了3条主环向拉力链,它与宏观的小主应力方向一致。环向拉力链最大影响深度随着压头压入深度的增加而增加。与此同时,出现了几条径向压力链,它与宏观的大主应力方向基本一致。岩石试件裂纹是由环向拉应力和剪应力大于颗粒平行连接胶结材料的强度引起的。     

非线性粘弹性材料的一个瞬时弹性本构关系

运用非线性粘弹性本构理论中的弹性回复对应原理,得到了一个简单的适用于非线性粘弹性材料的瞬时弹性本构关系.结合实例分析, 验证了由该瞬时弹性本构所表征的非线性粘弹性本构关系能对非线性粘弹性材料的力学行为进行合理描述的结论.     

超弹性胶原材料本构关系的对数应变模型

获得不可压缩条件下自然对数表示的各向同性超弹性胶原材料的本构关系,给出2组对数应变张量不变量,由弹性能量密度直接推导得到对数应变与Cauchy应力偏量间的本构关系.将理论模型与单向拉伸实验数据进行对比,结果表明模型及参数选择有效.     

含硅橡胶的泡沫铝应变率敏感性研究

用渗流法向开孔泡沫铝中充填硅橡的方法获得含硅橡胶的泡沫铝材料,并在Hopkinson压杆实验装置上对含硅橡胶的泡沫铝进行动态压缩实验,研究这种材料的动态压缩力学行为及应变率敏感性。结果表明,含硅橡胶的泡沫铝压缩应力-应变曲线具有两阶段变形特征,即弹性段和塑性平台段,与不含硅橡胶的泡沫铝相比,这种材料具有更高的应变率敏感性,随着应变率的提高,其屈服强度和流动应力均显著升高。