各向异性弹性力学问题Hamilton正则方程的一般形式

本文从修正后的Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理出发，导出了由２１个弹性常数组成的各向异性材料的混合方程，并证明它们即是Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程。由该统一形式还给出了角铺设材料和正交各向异性材料的Ｈａｎｉｌｔｏｎ正则形式。     

各向异性弹塑性中厚度板壳的有限元分析

本文在文献［２，３］的基础上，提出了一个解各向异性弹塑性中厚度板壳问题的有限元方法。考虑材料各向异性的特点，采用了Ｈｉｌｌ推广的Ｈｕｂｅｒ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则；借用Ｏｗｅｎ的剪切修正系数，正确计及了叠层复合材料壳体的横向剪切效应；为了避免“自锁”现象，文中采用了９节点的Ｈｅｔｅｒｏｓｉｓ二次壳单元；特别是本文利用插值外推的思想，提出了一个带预测的弧长增量控制法，显著提高了确定变形路径的计算效率。几个数值算例表明本文给出的有限元方法对于各向异性中厚度板壳的弹塑性分析有较好的精度，尤其是对具有复杂变形路径的结构计算，收敛速度提高更快。     

两种各向异性材料界面周期裂纹的反平面问题

研究两种各向异性材料界面含周期裂纹的反平面剪切问题，运用复变函数方法，获得了封闭形式解答，并给出了应力强度因子公式。从本文解签的特殊情形，可直接导出均匀各向异性材料共线裂纹，两种各向同性材料界面裂纹的相应问题公式。     

弹塑性有限变形的拟流动理论

本文提出一种弹塑性有限变形的拟流动理论。该理论从正交性法则出发，通过引入“拟弹性模量”和模量衰减函数并改进应变率的弹塑性分解，实现了由有限变形Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｒｅｕｓｓ流动理论（Ｊ２Ｆ）向基于非正交法则的率形式形变理论（Ｊ２Ｄ）的合理的光滑过渡；并适用于初始及后继各向异性变形分析。在特殊条件下，可退化为Ｊ２Ｆ、Ｊ２Ｄ理论以及由任意各向异性屈服函数描述的流动理论。将该理论用于韧性金属平面应力／应变拉伸失稳与变形局部化的有限元模拟，并与理论分析及实验结果相比较，表明了本文理论的正确性。     

正交各向异性材料电阻应变测量的横向效应修正

本文讨论了电阻应变片测量正交各向异性材料应变的横向效应修正。将测量各向同性测量的表观弹性模量、表观泊松比推广应用于正交各向异性材料，得出了一组与广义虎克定律形式上相同的计算式，并讨论了横向效应对应力测量精度的影响。     

各向异性弹塑性中厚度板壳的有限元分析

本文在文献〔２，３〕的基础上，提出了一个解各向异性弹塑性中厚度板壳问题的有限元方法。考虑材料各向异性的特点，采用了Ｈｉｌｌ推广的Ｈｕｂｅｒ－Ｍｉｓｅｓ屈服准则；借用Ｏｗｅｎ的剪切修正系数，正确计及了叠层复合材料壳体的横向剪切效应；为了避免“自锁”现象，文中采用了９节点的Ｈｅｔｅｒｏｓｉｓ二次壳单元；特别是本文利用插值外推的思想，提出了一个带预测的弧长增量控制法，显著提高了确定变形路径的计算效率。几     

两种各向异性材料界面共线裂纹的反平面问题

本文研究两种各向异性材料界面共线裂纹的反平面剪切问题。利用复变函数方法，提出了一般问题公式和某些实际重要问题的封闭形式解。考察了裂纹尖端附近的应力分布并给出了应力强度因子公式。从本文解签的特殊情形，可以直接导出两种各向同性材料界面裂纹，均匀各向异性材料共线裂纹以及均匀各向同性材料共线裂纹的相应问题公式，其中包括已有的经典结果。     

横观各向同性压电材料半无限体Green函数解

按以四个调和函数表示的通解，用镜像法，对材料特征根ｓ１≠ｓ２≠ｓ３≠ｓ１情形，给出了横观各向同性压电材料半无限体的两类闭合形式Ｇｒｅｅｎ函数。     

基于微面有效应力矢量的各向异性屈服准则

基于微面模型，定义损伤变量为微面上有效承载面积的减少. 将Kachanov的一维有效 应力概念推广到三维，提出微面有效应力矢量的概念. 根据微面的有效应力矢量，将无损材 料的宏观应力张量及不变量与微面应力矢量的积分关系拓展到有损材料，得到了有损材料的 宏观有效应力张量及其不变量与宏观名义应力张量、微面面积损伤组构张量之间的关系. 将 无损材料的以应力张量不变量表示的Drucker-Prager准则推广到有损材料，建立了含缺陷 材料的各向异性屈服准则. 对有损材料，宏观有效应力张量与Murakami的有效应力张量具 有相同的形式，各向异性强度准则与Liu等提出的扩展Hill准则有相同的形式，当不考虑 静水应力对屈服的影响时，它与Hill准则具有相同的形式.     

自由端受集中力作用下压电悬臂梁弯曲问题解析解

本文对由横观各向同性压电介质构成的悬臂梁，在自由端受集中力作用下的弯曲问题进行了研究。首先根据问题的特点，得到简化的线弹性压电悬臂梁的基本方程。然后根据正交各向异性材料悬臂梁应力分布特点，采用逆解法，建立了该问题的应力函数与电势分布函数，进而得到精确多项式解析解。该解析解形式简单，便于应用。文中对自由端受集中力的常规材料和压电材料悬臂梁的挠度也进行了比较。     

Some exact solutions for a class of compressible non-linearly elastic materials

In this paper we consider exact solutions for plane and axisymmetric deformations for a class of compressible elastic materials we call coharmonic. The coharmonic materials are derived from the harmonic materials by using Shield's inverse deformation theorem. The governing equations for the coharmonic material show the same kind of simplification associated with the harmonic materials. The equations reduce to first-order linear equations depending on an arbitrary harmonic function. They are intractable in general, so various ansätze are investigated. Boundary value problems for the coharmonic materials are compared with the same problems for harmonic materials. For certain boundary value problems, the harmonic materials exhibit well-known problematic behaviour which limits their use as models of material behaviour. The corresponding solutions for the coharmonic materials do not display these non-physical features.     

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

Local and global universal relations for first-gradient materials

Local universal relations are relations between stress and kinematic variables which hold for all materials of a particular class irrespective of specific material parameters. A method is developed for obtaining local universal relations for most first gradient materials. The currently known local universal relations for isotropic elastic materials have been extended to all isotropic first gradient materials under constant step deformation histories and have also been extended to all isotropic first gradient materials undergoing arbitrary time dependent triaxial extensions along fixed material directions. It has been shown that universal relations exist for some anisotropic materials. A set of pseudo-universal relations has been obtained for anisotropic elastic materials which can be used to decouple the material functions. These pseudo-universal relations contain some, but not all, material functions. A global universal relation has been developed for the extension and torsion of an isotropic cylindrical shaft which holds for all incompressible first gradient materials.     

组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果

为研究多孔材料对可燃气体的抑爆效果,选取了3类6种多孔材料分别组合后进行实验研究。以甲烷/空气预混气体作为研究对象,利用自制薄型铁环将多孔材料固定在密闭容器管道系统内,对比分析了薄型铁环、单层型多孔材料、双层组合型多孔材料和三层组合型多孔材料的抑爆效果。结果表明:薄型铁环增强了气体爆炸强度,铁环后爆炸压力最大;多孔材料抑爆效果明显,双层组合型多孔材料抑爆效果相比单层型多孔材料和三层组合型多孔材料稳定;抑爆效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI,爆炸压力抑制效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI。     

The role of mechanics in biological and biologically inspired materials

In the development of new materials, researchers have recently turned to nature for inspiration and assistance. A special emphasis has been placed on understanding the development of biological materials from the traditional correlation of structure to property, as well as correlating structure to functionality. The natural evolution of structure in biological materials is guided by the interaction between these materials and their environment. What is most notable about natural materials is the way in which the structure is able to adapt at a wide range of length scales. Much of the interaction that biological materials experience occurs through mechanical contact. Therefore, to develop biologically inspired materials it is necessary to quantify the mechanical behavior of and mechanical influences on biological structures with the intention of defining the natural structure-property-functionality relationship for these materials. In particular, the role mechanics has assumed in understanding biological materials, and the biologically inspired materials developed from this knowledge, will be clarified. The following will serve to elucidate on this role: the helical structure of fibrous tissue, the multi-scale structure of wood, and the biologically inspired optimal structure of functionally graded materials.     

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科, 近年来,多 组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究,论文围绕非均 匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀 连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随 机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行 多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向。     

Green's function solution and displacement potentials for Transformed Transversely Isotropic materials

A totally non-degenerate expression for the Green's function of infinite Transversely Isotropic (TI) materials is first deduced from the solutions given by Pan and Chou [Pan, Y.-C., Chou, T.-W., 1976. Point force solution for an infinite transversely isotropic solid. Trans. ASME, J. Appl. Mech. 43 (4), 608–612]. Then this solution and also the displacement potentials for TI materials are extended by a linear transformation to a larger family of anisotropic materials (Transformed Transversely Isotropic or TraTI materials). This family depends on 12 independent parameters and contains non-orthotropic materials and in this way a first explicit analytical solution for the Green's function for a non-orthotropic material is obtained. The TraTI materials which have orthotropic Symmetry (StraTI materials) constitute a sub-family depending on 6 independent parameters in the symmetry basis of the material. These materials present a 3D anisotropy (different stiffnesses in three orthogonal directions). General displacement potentials and the Green's function solution for STraTI materials can be deduced by a simple change and introducing one additional parameter in the well-known TI solutions.     

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

五零能模式材料设计的非线性有限元计算方法

五零能模式材料是一种新型人工超材料,特征为其弹性模量矩阵的6个特征值中5个为零,可用等效体积模量来描述,表现出类似流体的性质,可被应用于声学隐声斗篷的设计中。然而,根据A.N.Norris[1]提出的理论,设计五零能模式材料时,与应用变换声学方法设计一般声学人工超材料不同,要求其满足一非线性偏微分方程约束。本文利用非线性有限元的完全拉格朗日方法,推导了这一偏微分方程的弱形式,并给出了相应的非线性有限元计算列式,以及迭代求解的具体算法。最后,给出了五零能摸式材料设计的二维和三维坐标变换数值算例。