桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征.将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义.本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式.具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比.结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度.     

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.     

周期性点阵桁架材料力学性能分析的一种新的多尺度计算方法

论文提出一种周期性点阵桁架材料力学性能分析的新的多尺度方法.方法的主要思想是通过数值构造能反映周期性桁架材料单胞内部非均质性的多尺度基函数,从而在大尺度上求得单胞的等效刚度阵,大大减小了模型计算量.通过引入基函数的耦合附加项,以考虑多维矢量场问题不同方向问的耦合作用.数值研究表明,采用线性边界条件构造基函数有时会产生较...     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

二维类桁架材料结构弹塑性分析

类桁架材料所构成结构的弹塑性行为的精确建模分析保证非常耗时, 为了 在保证精度的前提下提高此类问题的求解效率, 本文利用类桁架材料基本构件长细比 较大的特点,将材料单胞简化为桁架模型. 考虑到微单胞空间分布的周期性,基于 数值均匀化理论提出了类桁架材料结构的宏微观两 级弹塑性求解格式. 原问题转化为宏观上一个非线性弹性连续体计算问题和微观上多个小规 模桁架系统的弹塑性计算问题. 两个数值算例分别考虑了简单加载,非单调加载,规则宏观 结构和具有非完整单胞的较复杂宏观结构等问题. 与实际结构计算结果在精度和时间等方面 的比较验证了求解格式的有效性. 最后还探讨了算法的适用范围.     

周期性蜂窝材料微极等效模型及其微观应力的一种快速算法

将周期性蜂窝材料等效为具有非局部本构的微极连续介质,以解释实验中出现的尺度效应和边界层效应.在评论相关的多种不同方法(能量法、体积平均的均匀化法等)之后,提出了一种基于位移连续和单胞力平衡的推导微极等效本构参数的新方法.以正方形单胞制成的结构为例,在不同的结构与单胞尺寸比下,考虑承受集中点载荷、均布轴力和均布剪力三种载荷工况,比较了离散完全计算、经典连续介质等效和不同微极连续体等效本构的计算结果,建议了较好的微极本构参数值.数值模拟表明,集中点载荷和剪切载荷作用时,在加载点附近和边界部分,微极等效可以显著提高计算精度.最后,给出了一种映射算法,可以根据微极等效连续体分析的结果,快速计算出对应微观单胞构件的应力,以开有圆孔的方板应力集中为例,验证并考察了所提快速算法的有效性和计算精度.     

周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础, 预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效应的一种简单有效计算方法. 以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解;同时, 建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子$n$的解析关系, 证明了两种构型的周期性多孔材料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子$n$的增大而减小. 当$n to infty$时, 即体胞尺寸相对整体结构无限小时, 多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值;当体胞的材料体分比增大时, 多孔材料等效剪切模量也随之增大. 此外, 依据周期性多孔材料的结构对称特性, 使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸效应的预测, 极大地提高了计算效率.     

超导磁体等效材料参数的有限元预测

HT—7U超导托卡马克装置中纵场超导磁体是由多种材料组成的且具有周期性分布的大型复杂的重要结构，对其宏观等效材料参数的准确掌握在其结构设计阶段是十分重要的。本文着重介绍了利用小参数展开的渐近均匀化方法对其进行等效处理的过程，并采用有限元方法预测出其等效弹性模量与热膨胀系数等，这些都为纵场磁体结构的力学计算与传热分析提供了必要的参数。     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型

考察了结构最小尺寸与材料特征长度量级相当的格栅材料等效性能,建议了基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型以及确定等效模量的代表体元模型,给出了相应的位移边界条件. 在此基础上导出了正交各向异性偶应力介质的特征长度表达式和偶应力介质梁的抗弯刚度表达式,定义了偶应力影响因子delta以表征梁的偶应力效应. 具体计算了几种典型的格栅材料的等效偶应力模量以及格栅梁在一定工况下的挠曲线,并与相应的有限元离散解进行对比,结果表明,等效结果具有较高精度,且当宏观结构的尺寸和微结构尺寸相差不大时,宏观结构表现出强烈的偶应力效应.偶应力介质的特征长度表征了偶应力效应的强弱,进而分析了格栅材料的相对密度,单胞尺寸以及几何构型对等效介质特征长度的影响.     

确定裂纹体等效弹性模量的边界元方法

采用边界元方法计算含有序分布裂纹的裂纹体在压缩载荷作用下的等效弹性模量，利用一种能适当考虑裂纹有间相作用的自洽理论，建立了相应的迭代格式，通过算例研究了裂纹方向，裂纹面间摩擦系数对裂纹体等效弹性模量的影响。     

PREDICTION OF THE VISCOELASTIC PROPERTIES OF THE EQUIVALENT PARTICLE FOR THE INTERCALATED MULTI-LAYER STACK OF NANOPLASTICS

The aim of this paper is to apply the asymptotic homogenization method to deter- mining analytically and numerically the transversely isotropic viscoelastic relaxation moduli of the equivalent particle for the intercalated multi-layer stack of intercalated type nanoplastics.A two-phase multilayered material containing n layers is considered.The matrix is assumed to be an isotropic viscoelastic standard linear body and the reinforcement is assumed to be an isotropic elastic body.Final explicit analytical formulae for the effective elastic moduli of the multilay- ered material are derived first;and then the correspondence principle is employed to obtain the homogenized relaxation moduli of the equivalent intercalated particle.A numerical example is given.Final explicit analytical formulae in the time domain derived here make it convenient to estimate the influence of all the particle parameters of micro-structural details on the effective properties of the equivalent intercalated particle.The results of this paper can also be applied to multi-layer composites.     

应用格形模型和统计方法分析两相材料宏观等效力学性质

采用格形模型和统计方法分析了三维两相材料的宏观等效力学性质.首先建立了两相非均匀材料的力学模型和相应的格形有限元分析方法.然后利用该方法针对六种两相材料模型,分别分析了材料体积比、不同空间分布和材料物理性质分布对两相材料宏观力学性质的影响. 由于使用了三维非均匀模型和自适应载荷步长的加载技术,该方法可以较好地模拟材料在准静态加载条件下的破坏全过程,所得结果可以为颗粒(或短纤维)增强复合材料的力学性质及其设计提供参考依据.     

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.     

微结构对金属基复合材料宏观弹塑性性能的影响

采用广义自洽有限元迭代平均化方法分析ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的弹塑性拉伸行为，研究纤维长径与体分比的变化对复合材料宏观弹塑性变形的影响。通过细观应力场的分析，讨论基体内塑性区的发展与复合材料宏观弹塑性变形过程之间的联系，指出纤维端头处基体塑性区的发展将对复合材料拉伸弹塑性行为有着显著影响。最后，还讨论了以名义屈服应力σ０．２来表征金属基复合材料的弹塑性特征的不足之处。     

EFFECTS OF MICROSTRUCTURE ON THE MACROSCOPIC ELASTO-PLASTIC PROPERTIES OF METAL MATRIX COMPOSITES

The generalized self-consistent finite-element iterative averaging method was adopted toanalyze the elasto-plastic tensile properties of SiC whiskers reinforced aluminum matrix composites.The effects of varying fiber's aspect ratio and volume fraction on the macroscopic elasto-plastic defor-mation of the composites were studied.By the analysis of microscopic stress fields,the relation be-tween the propagation of the elasto-plastic region in the matrix and the macroscopic elasto-plastic de-formation of composites was discussed.It was found that the propagation of the plastic region in thematrix between the fiber's ends would affect prominently the elasto-plastic tensile behaviour of thecomposites.It was shown that the characterization of the stress-strain response in terms of the 0.2%offset yield strength is incomplete.     

SIZE EFFECTS OF ELASTIC MODULUS OF FCC METALS BASED ON THE CAUCHY-BORN RULE AND NANOPLATE MODELS

In the present research, a simple quasi-continuum model, the Cauchy-Born rule model, is used to investigate the size effects of elastic modulus for fcc metals. By considering a nanoplate model and calculating the strain energy for the nano-sized plate under tension and bending, the relationship between the elastic modulus and the plate thickness is found. Size effects of the elastic modulus are displayed by the relative differences of the elastic modulus between the nano-sized plate sample and the bulk sample. By comparing the present results with those of others, the effectiveness of the Cauchy-Born rule model in studying the size effects of material properties are shown.     

EFFECTS OF FINELY DISPERSED METALLIC PALLADIUM ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES PRODUCED BY SOL-GEL TECHNIQUE

Nanosized palladium particles were incorporated into mesoporous silica matrix to obtain nanocomposites using the sol-gel technique. Effects of the finely dispersed metallic palladium on the microstructure and properties of the nanocomposites were investigated. By means of X-ray diffraction and optical absorption, it was found that palladium particles were 5-9 nm in diameter and their uniform dispersion in the mesoporous silica depended on both the content of the palladium and the structural features of the silica matrix. The results showed that the mixing method of preparation led to wider size distribution of the nanosized particles as compared to the immersion method, but dispersed degree was reduced. Although the incorporation of nanosized palladium particles could not substantially induce significant structural changes of the matrix, the apparent red-shifted optical absorptions for the nanocomposites were observed as compared to the parent monolithic silica, particularly with increase in palladium loading and calcination temperature.