材料的本构关系与非线性有限元

一、引言随着工程科学的进展,对非线性固体介质进行力学分析的需要变得日益迫切。高速飞行器的热应力、再入卫星的头部烧蚀和变形、喷气发动机各部件的应力集中、反坦克弹的变形及反应堆壳体的蠕变等等问题的研究,都与材料的非线性特性有关,对金属固体来说,特别与弹塑性特性有关。现代断裂理论的研究也必须研究裂纹顶端的应力应变场,这里弹塑性是重要的因素。在数学上,这种非线性分析常常是一个依赖于应力历史的、与路径有关的复杂问题,这就引起了数学家的注意。但是应该说,在高速大型计算机未出现之前,光靠解析数学工具,我们是无能为力的。      

裂缝性油藏流固耦合渗流

本文给出了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合渗流模型,并考虑渗流参数随有效应力而变化的非线性双重孔隙介质流固耦合渗流,在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性系数非线性等流固耦合流流计算,并给出了算例。     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

瞬态耦合热弹塑性接触有限元分析方法

在弹性接触问题有限元混合法的基础上,把材料非线性和表面非线性两种迭代过程耦合,在瞬态温度场分析中将伽辽金法和向后差分法结合,并用混合法进行热接触迭代,把瞬态温度场分析和弹塑性接触分析耦合。提出了一种瞬态耦合热弹塑性接触有限元分析方法,并已成功地用于核容器的密封分析。     

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

热冲击下机械结构非线性热力耦合模型的建立

在热弹性耦合理论的基础上，考虑热冲击作用下弹塑性变形功的影响，建立了非线性热力耦合有限元模型。其中包括：基于能量守恒原理建立的非线性瞬态温度场模型；考虑几何非线性及材料非线性的位移场模型；求得改进应力场的最小二乘法模型。基于FEPG软件平台进行了实例求解，计算结果表明了此耦合模型的有效性。此模型的建立，拓展了热力耦合理论的应用范围，具有较高的工程实用价值。     

一类带单侧约束力学问题的变分方法

力学中许多问题如弹塑性问题，弹塑性接触问题、塑性耦合问题，渗流问题等，其约束条件或者边界形态是无法预知的，只能用一组不等式表示，属于非线性问题，经典的变人原理在求解此类问题时只能采取繁琐的迭代过程。     

索-梁耦合系统解的稳定性分析

研究了在惯性参考系中弹性斜拉索与悬臂梁耦合结构的非线性动力学问题,利用Hamilton原理建立了索-梁耦合系统的非线性动力学方程,利用Galerkin方法将索-梁耦合系统的非线性运动偏微分方程离散为一组常微分方程,然后利用多尺度法分析研究索-梁耦合动力学系统的非线性振动,对耦合系统解的稳定性进行了分析,用Runge-Kutta法对数学模型进行数值计算,并提出对工程有实际意义的结论.     

时滞耦合系统非线性动力学的研究进展

随着对自然界客观规律的深入认识,工程系统设计的精细化和复杂性要求也与日剧增.在许多耦合的动态系统设计过程中要考虑由耦合过程的时滞所引发的动力学行为,该时滞来自于与传感系统、作动系统和控制系统耦合的过程.耦合时滞也广泛存在于交通、系统生物学、电子通讯、神经和信息网络等技术中.本文首先从耦合时滞出发,在以时滞为中心的耦合系统复杂动力学机制、时滞镇定耦合系统的实验基础和实现、快慢变时滞耦合系统动力学和时滞神经网络同步和去同步4个方面,对耦合时滞诱发的动力学研究进展进行综述.着重介绍了时滞耦合系统中耦合时滞诱发的高余维分岔奇异性及新的定量分析方法、中立型时滞微分方程的规范型计算、具有耦合时滞的非线性系统中耦合时滞和非线性参数的辨识方法与实验实现、快慢变时滞耦合系统的张弛振荡、耦合时滞诱发的网络系统的同步模式切换等问题的研究进展;然后在应用方面重点介绍了车床磨削加工过程中耦合时滞诱发的颤振及其机理、具有惯性项和耦合时滞的神经网络系统中耦合时滞诱发的高余维分岔和复杂动力学、时滞动力吸振器与隔振装置的设计与实验实现.最后,从耦合时滞系统的一般性理论和工程应用两个方面展望了近期值得关注的一些问题.     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

连续介质力学与断裂

在这篇文章里,我们结合断裂问题回顾连续介质办学的发展,并指出,为了更深地理解和描述断裂现象,还需要进一步完善连续介质力学。一、经典弹塑性理论应用于断裂时的局限性和Grifith的理论现讨论一维应变条件下裂纹的扩展问题。我们假设1.材料是均匀的,就是说,所讨论的材料是没有内部结构的; 2.材料是弹性的,但允许有非线性和大变形所导致的几何非线性;      

高分子材料的非线性拟断裂特性的计算

本文研究了高分子材料的非线性拟断裂特性。拟断裂分析的模型是一个具有中心银纹的矩形板,在拉伸应力场作用下。银纹内的取向纤维束在计算中用表面边界力来表示。这种表面应力与张开位移是非线性相关,所以应用非线性有限元进行分析。计算结果给出了银纹表面的应力分布、张开位移曲线和银纹顶点前沿的塑性场。与一般的断裂问题相比较,发现银纹顶点附近的应力分布并不存在奇异特性,要求的初始屈服载荷提高。在相同的载荷作用下,塑服区的尺寸也远比弹塑性断裂问题小得多。     

炮孔水耦合装药爆破应力分布特性试验研究

以水泥砂浆试块为试验模型,采用超动态应变测试和数据采集处理系统进行空气不耦合装药和水耦合装药爆破试验,测定几种不耦合系数下炮孔周围介质中爆炸应力的分布特性。通过对试验结果分析研究表明,水耦合装药与空气不耦合装药相比爆炸峰值压力高、作用时间长,即表明水耦合装药的爆破作用强度大、能量利用率高。试验结果还进一步证明了不耦合装药能够明显降低炮孔周围介质中的压应力,且不耦合系数越大,压力降低越显著。在实际工程爆破中应根据工程要求和岩石性质及作业条件,合理选择装药结构。     

圆筒内旋转细长管与流体界面耦合的数值方法

圆筒内旋转细长管是石油钻采工程中特有结构,细长管不仅与圆筒发生碰撞接触,还与管内流体和管外环空流体耦合,是一个复杂的非线性流固耦合系统。细长管固体域离散成梁单元,采用非线性碰撞接触动力学方程描述;管内外流体离散成六面体单元,采用计算流体动力学方程描述,在耦合界面处用任意拉格朗日欧拉法动网格来处理运动界面。根据梁单元位移...     

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面:能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。     

非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法

针对非均质饱和多孔介质弹塑性动力问题分析提出了一种广义耦合扩展多尺度有限元方法。首先,提出了基于细尺度等效刚度阵的粗尺度单元数值基函数构造方法,并给出了构造数值基函数的一般公式,所构造的耦合数值基函数有效考虑了动力相关效应与固液之间的耦合效应。其次,针对弹塑性非线性问题迭代求解,给出了基于摄动方法的位移与孔隙压强降尺度计算修正方案。最后,针对材料的强非均质特征,利用多节点粗单元技术来提高多尺度有限元方法的计算精度。通过与基于精细网格的传统有限元分析结果对比,验证了本文所提出方法的有效性与高效性。     

多自由度非线性系统的同伦分析方法

大部分工程实际问题可以用多自由度非线性系统来描述,这些系统的数学模型是许多个耦合的两阶常微分方程.一般地,要精确求解这些方程非常困难,因此可以考虑它们的解析近似解.同伦分析方法是解非线性系统响应的有用工具,本文将它应用于多自由度非线性系统的求解中.利用求两自由度耦合van del Pol振子周期解的实例,展示了同伦分析方法的有效性和巨大潜力.同时,把得到的解析近似解与系统的Runge-Kutta数值解作了比较,结果表明同伦分析方法是求解多自由度非线性系统的有效方法.     

非对称的结构正则方程的分块求解策略及程序实现

对于结构与介质耦合分析及非关联的弹塑性分析，常导致非对称的结构正则方程。直接求解非对称的结构正则方程，由于内存有限，会限制一些超大型结构的求解，本文针对非对称结构正则方程，详述了分块求解的策略，并在ＪＩＧＦＥＸ程序系统中成功实现，极大提高了该系统的解题规模及应用范围。     

结构热力响应及失效的尺度律

在众多文献的基础上，对结构的力学响应断裂失效等问题的尺度律进行了述评和总结，也包含对能量，屈服速度，微结构尺度和变形局部化等的讨论并对热传导，和耦合响应结构弹塑性屈曲等问题的尺度律进行了理论探讨。     

岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型研究

在总结评述现有岩体结构面本构模型的基础上,将非线性弹性模型和弹塑性模型结合起来,并采用起伏角磨损演化方程来定量描述结构面的磨损软化,建立了岩体结构面非线性弹性-塑性软化本构模型.利用新建立的模型对岩体结构面直剪试验进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好,验证了模型的有效性和模拟能力.该模型概念清晰,参数易于确定,能够合理描述岩体结构面的非线性变形、塑性软化、弹塑性耦合、剪胀和磨损等主要力学特性.