含弱界面的微纳尺度双层梁的热弹性分析

众多微尺度实验已经证实了一些材料在微纳尺度下的力学行为具有尺寸效应.这种现象采用经典的弹性理论无法得到合理的解释,因而需要新的理论,修正偶应力理论就是其中一种.采用修正偶应力理论研究微纳尺度下两端自由铁木辛柯双层梁受热载荷后的弯曲响应,考虑两层之间存在弱界面.获得了梁的挠度、曲率以及界面剪力等表达式,并与经典弹性力学的结果进行了比较.通过分析计算可知,采用修正偶应力理论可预测微纳尺度下双层梁的尺寸效应,而当梁的特征尺寸远大于其材料的内禀尺度时,则与经典理论的结果一致.     

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.      

基于精化锯齿理论的功能梯度夹心微板静弯曲模型

基于精化锯齿理论和新修正偶应力理论,建立了能够准确预测功能梯度夹心微板挠度、位移和应力的静弯曲模型。为了描述微板不同方向上的尺度效应,将两个正交材料尺度参数引入本文模型。以受双向正弦载荷作用的简支板为例,探究了夹心微板弯曲行为中尺度效应对结构刚度的影响。算例结果表明,当微板几何参数与材料尺度参数接近时,基于本文模型所测微板的最大弯曲挠度、局部位移和应力均小于传统精化锯齿理论给出的结果,捕捉到了尺度效应;尺度效应随着微板几何尺寸的增大而逐渐减弱,当微板几何尺寸远大于材料尺度参数时,尺度效应消失。此外,板的跨厚比和功能梯度变化指数也会对尺度效应产生一定影响。     

偶应力理论下拉力型锚固体的受力特性

锚固体的受力特征及其影响因素是锚固体设计的重要依据,直接影响锚固效果。传统的经典弹性理论没有考虑应变梯度的影响。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑了弯曲效应对介质变形特性的影响。基于偶应力理论,建立了平面应变问题的有限元计算模型,研究锚固体锚固段界面上的剪应力分布、锚固体轴力分布、偶应力的尺度效应以及弹性模量和围压对锚固力的影响,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行了比较。结果表明,在偶应力理论下,锚固体锚固段界面的剪应力有所减小,特别是峰值处的剪应力减小明显;岩土的弹性模量越大,锚固界面局部剪应力越大;锚固力随着围压的增大而增大,偶应力尺度效应明显。     

考虑尺度影响的平面正交各向异性功能梯度微梁的屈曲分析

基于新修正偶应力理论,建立了能描述尺度效应的各向异性功能梯度微梁的屈曲分析模型。基于最小势能原理推导了控制方程及边界条件,并以简支梁为例分析了屈曲载荷及尺度效应受材料尺度参数和几何尺寸的影响。算例结果表明,在材料几何尺寸较小时,本文模型预测到的屈曲载荷明显大于传统理论的结果,有效地反映了尺度效应。几何尺寸较大时,尺度效应消失,本文模型将自动退化为传统宏观模型。模型反映出不同方向上的尺度参数对各向异性材料影响的效果不同。     

考虑尺度影响的平面正交各向异性功能梯度微梁的屈曲分析

基于新修正偶应力理论，建立了能描述尺度效应的各向异性功能梯度微梁的屈曲分析模型。基于最小势能原理推导了控制方程及边界条件，并以简支梁为例分析了屈曲载荷及尺度效应受材料尺度参数和几何尺寸的影响。算例结果表明，在材料几何尺寸较小时，本文模型预测到的屈曲载荷明显大于传统理论的结果，有效地反映了尺度效应。几何尺寸较大时，尺度效应消失，本文模型将自动退化为传统宏观模型。模型反映出不同方向上的尺度参数对各向异性材料影响的效果不同。     

一类多孔固体的等效偶应力动力学梁模型

一维多孔固体结构可采用等效连续介质梁模型来研究其动力学行为. 当类梁结构的高度尺寸和多孔固体单胞结构尺寸相近时,等效模型的力学行为会产生尺寸效应现象. 等效经典模型由于不包含尺度参数而无法描述尺寸相关特点,而广义连续介质力学模型则可以准确地考虑尺寸效应的影响. 基于偶应力理论,对一类单胞含有圆形孔洞的周期性多孔固体类梁结构,给出了分析其横向自由振动的等效连续介质铁木辛柯梁模型. 通过对单胞分析,在应变能等价和几何平均的意义下,定义了等效偶应力介质的材料常数. 利用已有的材料常数,推导了等效铁木辛柯梁的动力学微分方程. 将实际多孔固体结构进行完全的动力学有限元离散计算,所获得的解作为精确解以检验等效梁模型所获得的频率和振型的精度. 振型的比较借助于模态置信准则矩阵方法. 大量算例表明,等效偶应力铁木辛柯梁模型在频率和振型两方面均具有较高的计算精度. 重点研究了单胞孔径的相对大小、类梁结构高度与单胞尺寸比以及类梁结构长高比对等效梁模型精度的影响. 在此基础上,偏保守地建议了多孔固体类梁结构自振分析方法.      

基于修正偶应力和高阶剪切变形理论的变截面微梁的自由振动

基于修正偶应力和高阶剪切理论建立了仅含有一个尺度参数的Reddy变截面微梁的自由振动模型,研究了变截面微梁自由振动问题的尺度效应和横向剪切变形对自振频率计算的影响。基于哈密顿原理推导了动力学方程与边界条件,并采用微分求积法求解了各种边界条件下的自振频率。算例结果表明,基于偶应力理论预测的变截面微梁的自振频率均大于经典梁理论的预测结果,即捕捉到了尺度效应。另外,梁的几何尺寸与尺度参数越接近,尺度效应就越明显,而梁的长细比越小,横向剪切变形对自振频率的影响就越明显。     

尺度依赖的静电驱动各向异性微板的Pull-in效应

在新修正偶应力理论的基础上建立了一种可用于分析静电驱动各向异性微板的尺度依赖模型。模型中包含有两个材料尺度参数,在考虑材料宏观各向异性的同时也考虑了微观各向异性程度对结构Pull-in特性的影响。通过虚功原理推导了静电驱动微板的非线性控制方程并显式地给出了Pull-in电压和挠度的表达式。算例结果表明:本文模型所预测的Pull-in电压和挠度分别大于和小于经典宏观板理论的预测结果,即反映了微尺度结构下的尺度效应。尺度效应的影响在板厚度与材料尺度参数接近时逐渐增加,而随着两者比值的增加,该影响逐渐减弱,最终可以忽略不计。此外,本文也讨论了初始间隙d对Pull-in电压以及尺度效应的影响。结果表明随着d的增加,Pull-in电压随之增大,而Pull-in挠度变化不大。     

基于新修正偶应力理论的Mindlin层合板稳定性分析

基于新的各向异性修正偶应力理论提出一个Mindlin复合材料层合板稳定性模型。该理论包含纤维和基体两个不同的材料长度尺度参数。不同于忽略横向剪切应力的修正偶应力Kirchhoff薄板理论,Mindlin层合板考虑横向剪切变形引入两个转角变量。进一步建立了只含一个材料细观参数的偶应力Mindlin层合板工程理论的稳定性模型。计算了正交铺设简支方板Mindlin层合板的临界载荷。计算结果表明该模型可以用于分析细观尺度层合板稳定性的尺寸效应。     

多工况应力和位移约束下连续体结构拓扑优化

将文「１」所提出的对拓扑变量的独立连续映射（ＩＧＭ）的拓扑估化方法应用于连续体结构,从而建立了统一的以重量为目标,考虑应力和位移约束的连续体结构拓扑优化模型。通过对位移－应力拓扑解和各工况下应力拓扑解的综合协调,进而对于协调拓扑解按照阈值完成从离散到连续的反演,并且采用分层与加权策略克服了“荷载病态”困难。给出的经典的二维平面问题和三维连续体结构拓扑优化算例表明,这种统一的模型由骨架结构发展到连续     

模糊-区间参数连续体结构的拓扑优化设计

研究位移可靠性约束下的模糊-区间参数连续体结构的拓扑优化问题.利用3σ准则和信息熵分别将区间变量和模糊变量近似转换为随机变量,构建了随机参数平面连续体结构的拓扑优化模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数.以满足位移可靠性为约束条件;利用代数综合法导出了位移响应的数字特征的计算表达式;通过单位虚载荷求得位移灵敏度然后采用双方向渐进结构优化方法求解.通过两个算例验证了文中模型的合理性和求解策略的有效性.     

非线性连续体拓扑优化方法综述

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能, 为设计人员提供多样性的创新性设计, 近年来得到了快速发展. 该领域在线性问题上发展已经较为成熟, 已经成功应用到很多工程结构的高性能设计. 但实际工程中会涉及大量非线性问题, 如果将其近似为线性问题, 往往会产生较大误差, 甚至得到错误的结果, 可能会导致重大的工程安全事故. 在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下, 非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展. 本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法, 并对现有典型方法进行讨论和评述. 最后, 指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向. (如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等). 本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理, 同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.      

连续体结构的拓扑优化设计

对基于有限元数值求解技术的连续体结构的拓扑优化设计技术进行了综述. 利用密度-刚度插值格式和优化准则方法, 以结构的柔度最小化作为优化的目标函数, 论述并建立线弹性结构的静力学拓扑优化设计的数学模型和设计变量显示的迭代格式; 基于数学规划方法中的一种凸规划方法----移动渐近线方法和密度方法, 以结构的频率最大化作为优化的目标函数, 论述并建立了特征值问题拓扑优化设计的数学模型和设计变量隐式的更新方法. 对多目标拓扑优化问题、柔性机构的拓扑优化问题以及多物理场拓扑优化设计问题进行了讨论. 对优化结构中出现的棋盘格式和网格依赖性等数值计算问题进行剖析和讨论, 介绍和分析了目前解决数值计算问题常见的方法, 在此基础上对边界扩散现象进行了讨论. 给出了连续体结构拓扑优化设计的程序流程, 并用Matlab程序实现了算法, 通过几个典型的算例证明所综述方法的有效性.      

考虑自重载荷作用的连续体结构拓扑优化

针对自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中常遇到的柔顺度随单元密度变化的非单调性、非有效的材料体积约束和材料低密度区出现的``附属'效应等主要困难,提出了RAMP材料插值模型和平均敏度过滤技术相结合的求解策略,并采用MMA方法进行了优化求解. 研究了惩罚因子的选择对最优拓扑以及材料体积约束的影响. 结果表明,合理增大RAMP材料模型中惩罚因子(例如取值达到20.0), 可使材料体积约束达到有效约束. 此外,通过与Sigmund提出的敏度过滤技术比较表明,当引入平均敏度过滤技术时,结果0/1化程度较Sigmund的敏度技术高,可获得清晰的黑白拓扑.      

DISCRETE AND CONTINUUM MODELLING OF GRANULAR FLOW

This paper analyses three popular methods simulating granular flow at different time and length scales： discrete element method （DEM）, averaging method and viscous, elastic-plastic continuum model. The theoretical models of these methods and their applications to hopper flows are discussed. It is shown that DEM is an effective method to study the fundamentals of granular flow at a particle or microscopic scale. By use of the continuum approach, granular flow can also be described at a continuum or macroscopic scale. Macroscopic quantities such as velocity and stress can be obtained by use of such computational method as FEM. However, this approach depends on the constitutive relationship of materials and ignores the effect of microscopic structure of granular flow. The combined approach of DEM and averaging method can overcome this problem. The approach takes into account the discrete nature of granular materials and does not require any global assumption and thus allows a better understanding of the fundamental mechanisms of granular flow. However, it is difficult to adapt this approach to process modelling because of the limited number of particles which can be handled with the present computational capacity, and the difficulty in handling non-spherical particles. Further work is needed to develoo an aoorooriate aooroach to overcome these problems.     

Vibration analysis of periodic cellular solids based on an effective couple-stress continuum model

Cellular solids are usually treated as homogeneous continuums with effective properties. Nevertheless, these mechanical properties depend strongly on the ratio of the specimen size to the cell size. These size effects may be accounted for according to preliminary static analysis of effective continuums based on couple-stress theory. In this paper an effective dynamic continuum model, based on couple-stress theory, is proposed to analyze the behavior of free vibrations of periodic cellular solids. In this continuum model, the effective mechanical constants of the effective continuum are deduced by an equivalent energy method. The cellular solid structure is then replaced with the equivalent couple-stress continuum with same overall dimension and shape. Moreover, the finite element formulation of the couple-stress continuum for the generalized eigenvalue analysis is developed to implement the free vibration analysis. The eigenfrequencies of the effective continuum are then obtained via the shear beam theory or the finite element method. A conventional finite element analysis by discretizing each cell of the cellular solids is also carried out to serve as an exact solution. Several structural cases are calculated to demonstrate the accuracy and effectiveness of the proposed continuum model. Good agreement on structural eigenfrequencies between the effective continuum solutions and the exact solutions shows that the proposed continuum model can accurately simulate the dynamic behavior of the cellular solids.     

Effective couple-stress continuum model of cellular solids and size effects analysis

The purpose of this paper is to develop a homogeneous, orthotropic couple-stress continuum model to take the place of the periodic heterogeneous cellular solids. Through generalizing the definition of the characteristic length for isotropic couple-stress continuum, four characteristic lengths are introduced as material engineering constants for such kind of continuum. In order to determine the effective moduli and the characteristic lengths of the effective couple-stress continuum, a Representative Volume Element (RVE) method is constructed. The effective properties are obtained based on the response of the RVE under prescribed boundary conditions, and our results agree with the analytical solutions in literature. In addition, the influences of the relative density, the topology, the size, and the properties of the solid material of cellular materials on the effective moduli as well as the characteristic lengths are discussed, respectively. Furthermore, the size effects in cellular solid beams are investigated using our effective couple-stress continuum model. The results show that the developed continuum model in this paper can precisely capture the size effects in cellular solids.     

基于无单元Galerkin方法的受迫振动下的连续体结构拓扑优化

基于无单元Galerkin法(EFG)对受迫振动下的连续体结构进行拓扑优化设计。选取节点的相对密度作为设计变量,以动柔度最小化为目标函数,基于带惩罚的各向同性固体材料模型（SIMP）建立了受迫振动下的连续体结构拓扑优化模型,采用伴随法求解得到目标函数的敏度分析公式,利用优化准则法对优化模型进行求解。通过经典的二维连续体结构拓扑优化算例证明了该方法的可行性和有效性。