一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

功能梯度材料扁锥壳的热弹性大变形分析

研究了功能梯度材料扁薄锥壳在横向非均匀升温场中的几何非线性大变形问题.基于von Kármán几何非线性理论推导出了以中面位移为基本未知量的功能梯度扁薄锥壳在横向非均匀热载荷作用下的轴对称大挠度控制方程.采用打靶法数值求解所得非线性常微分方程边值问题,得到了锥壳的大挠度弯曲变形数值解.给出了锥壳的变形与其形状参数、载荷和材料参数等变化的特征关系曲线,分析和讨论了温度参数和材料梯度变化参数对变形的影响.     

基于物理中面FGM简支梁的弯曲行为

基于一阶非线性梁理论,利用物理中面概念导出了FGM梁的基本方程,分析了热载荷作用下简支FGM梁的弯曲行为.当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向、并按成分含量的幂指数形式变化;利用打靶法数值地求解了所得方程.数值结果表明:热载荷作用下,夹紧FGM梁发生过屈曲变形,而简支梁则发生较为复杂的热弯曲变形;在同一热载荷作用下,简支FGM梁将会产生三种构形问题;剪切变形对夹紧FGM梁的热变形影响比简支梁更明显.     

鼓泡法试验薄膜力学行为的研究

本文采用弹性理论,研究了鼓泡法试验过程中,外力(P)与薄膜中心挠度(w_0)之间的本构关系,计算出P与w_0的数学表达式.该分析模型考虑了薄膜内延展变形及薄膜中残余拉应力对本构关系的影响,并在较大挠曲区间范围内(挠度为10~(-2)～10~2倍薄膜厚度)分析本构关系特征.分析结果表明,外力与薄膜中心挠度之间本构关系可表示为:P∝w_0~n,n为指数.随着薄膜中心挠度的增加,薄膜的主要力学行为由弯曲过渡到延展,本构关系由线性过渡到立方关系,本构关系方程指数n由1增加到3.利用本构方程进行数值计算结果表明,薄膜挠曲所需外力随着薄膜半径增加而减小,随着残余拉应力的增加而增加.相对于以往不考虑延展变形的小挠度模型,本文所提出的力学模型更适合于大挠度条件下鼓泡法试验.     

裂纹尖端疲劳塑性区研究

循环塑性区大小是疲劳断裂研究中非常重要的一个参数.本文运用数值方法,考察了不同塑性本构模型、有限单元尺寸、几何非线性、载荷比等参数对于裂纹尖端疲劳塑性区大小的影响.结果发现除塑性本构模型外其他参数对于裂纹尖端疲劳塑性区大小影响不大.同时对Ⅰ、Ⅱ型混合裂纹在多轴非比例载荷下给出了由Jiang和Kurath定义的疲劳塑性区...     

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基于形状记忆合金Brinson一维热力学本构关系和von K\'{a}rm\'{a}n几何非线性薄板理论,研究了径向嵌入SMA丝复合材料加热圆板在横向均布 机械载荷作用下的弯曲响应, 获得了周边不可移简支和夹紧圆板的中心最大挠度与升温之间的关系曲线. 结果表明,形状 记忆合金丝在从马氏体向奥氏体的逆相变过程中所产生的相变回复力对板的弯曲变形具有明 显的调整作用. 通过嵌入SMA纤维丝和施加升温载荷可以主动而有效地调节受机 械载荷作用圆板的弯曲变形.     

填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏

采用一种计及三轴因子的损伤模型,以本构关系的内变量理论为基础得到了热塑性本构关系的普适显武表达式;得到了改进的Johnson-Cook本构模型的增量形式; 考虑温度和损伤对材料参数的影响,计入温度和损伤对材料塑性变形发展的耦合作用,给出完备的计算方程组;用Lagrange显示差分的方法对填药柱壳在内部爆炸载荷下的变形和破坏进行了数值模拟,并对结果进行分析,与实验结果进行了比较.     

基于仿真和智能算法骨骼肌超弹性本构参数的反演方法研究

从事高强度的体力工作者经常会发生肌肉软组织的损伤, 因此对骨骼肌的变形特性和应力分布的研究受到了越来越多的重视. 获取正确的本构参数对于生物软组织的力学行为的研究至关重要, 而本构参数的确定本质上是一个逆过程, 具有很大的挑战性. 本文分别采用K近邻(K-nearest neighbor, KNN)模型和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型并结合非线性有限元仿真, 提出了两种确定骨骼肌本构参数的反演方法. 首先建立了骨骼肌压缩的有限元模型, 对其压缩条件下的变形特性进行了有限元仿真, 得到了相应的变形特性及应力分布规律, 同时也建立了骨骼肌组织的名义应力和主伸长之间非线性关系的数据集. 其次, 分别利用KNN模型和SVR模型搭建了针对骨骼肌组织进行本构参数反演的机器学习智能算法, 对相应的数据集进行训练, 结合单轴压缩实验的实验数据预测了材料的本构参数. 最后, 对分别基于KNN模型和SVR模型对骨骼肌超弹性本构参数的误差结果进行了分析, 通过引入相关系数$R$和决定系数$R^{2}$对采用两种反演方法的有效性进行数值上的验证. 结果表明, 利用KNN模型和SVR模型结合有限元仿真是确定骨骼肌超弹性本构参数的有效、准确的方法, 该方法也可进一步推广到其他类型的非线性软组织的本构参数反演.      

Bingham 流体中蛋白质气泡动力学特性研究

根据粘弹性蛋白质气泡有限变形的应力方程,利用Bingham流体的本构关系,得到Bingham流体中蛋白质气泡在内外压力差、弹性有限变形应力及粘性耗散产生的应力共同作用下内径的非线性振动方程．运用数值方法求解该方程,对蛋白质气泡有限变形的振动特性进行分析．研究了流体的静压力、Bingham流体的特性参数、蛋白质膜的粘弹性对蛋白质气泡振动特性的影响．结果表明,蛋白质气泡膜的振动具有非线性特性,降低气泡内外的压力差,振幅减小,振幅随时间衰减变慢,振动频率降低,平衡时气泡变形小,变形达到平衡时所需的时间也相对较短;增加Bingham流体的塑性粘度会使振幅衰减速度加快,频率降低,平衡时气泡变形小;增加蛋白质膜的粘弹性会抑制气泡的振动,增强气泡承受载荷的能力．     

混凝土静力与动力损伤本构模型研究进展述评

对混凝土材料在静力和动力载荷作用下的损伤本构关系模型进行了评述.梳理了混凝土本构关系研究的历史脉络和逻辑脉络;归纳总结了在混凝土本构关系研究发展过程中具有代表性意义、并且对重大工程建设具有参考意义的若干混凝土静力和动力损伤本构模型.基于对混凝土材料非线性及随机性的理解和诠释,阐述了混凝土静力和动力本构关系研究的发展趋势.      

汽车玻璃高温蠕变特性的实验与理论研究

通过对汽车用挡风玻璃进行不同温度、不同应力水平下的单轴拉伸蠕变实验,揭示了其非线性蠕变变形特性.实验发现,不同温度和载荷下的蠕变曲线形状类似,高温(550℃～590℃)下该材料的减速蠕变变形不很明显,主要表现为稳态和加速蠕变变形,且其断裂数据符合Monkman-Grant关系,应力和温度对其影响不显著.基于实验结果,本文建立了非线性高温蠕变本构方程.理论预测与实验数据进行了比较,结果表明所提出的本构方程能较好地描述汽车玻璃高温蠕变变形的全过程.     

航行气垫船激励浮冰响应的模型实验研究

基于弹性薄板振动微分方程和相似理论,建立了气垫船在浮冰上运动的原型系统与模型系统参数之间的相似对应关系. 导出了浮冰层自由振动波形传播的相速度和群速度计算公式,明确了相速度的极小值和浅水波传播速度即为气垫船的第一、第二临界速度. 根据研制的高精度非接触式激光位移测量系统,在变水深拖曳水槽中, 开展了不同速度移动气垫载荷激励薄膜变形响应的系列实验,证实了存在使薄膜变形达到最大的移动气垫载荷临界速度. 第一临界速度使气垫载荷之后的薄膜产生最大的下陷变形,第二临界速度使气垫载荷之前的薄膜产生最大的上凸变形. 通过实验结果进一步分析了气垫速度、高度、压力及水深等参数对薄膜变形和临界速度的影响,揭示了移动气垫载荷激励薄膜变形响应的聚能共振增幅机理,为利用气垫船实施有效破冰提供了依据.      

轴向运动SMA层合梁的主共振分析

研究了均布横向载荷作用下轴向运动SMA(形状记忆合金)层合梁的横向非线性振动。考虑轴向运动效应、轴力等因素的综合影响,利用力平衡条件、变形协调方程及SMA多项式函数的本构关系,建立了SMA层合梁在均布横向载荷作用下的动力学方程。针对两端简支边界条件,通过伽辽金积分得到了轴向运动SMA层合梁横向振动微分方程。应用平均法得到了横向载荷作用下系统主共振幅频响应方程,对理论结果进行了数值验证;分析了轴向运动速度、温度、激励参数对系统稳态响应的影响。结果表明:轴向速度、轴向载荷的变化只对系统共振频率产生影响;在外激励幅值较大时,温度增加和SMA层增厚对系统产生了相同的减振效果。     

具有分数导数本构关系的非线性粘弹性Timoshenko梁动力学行为分析

本文利用分数导数型本构关系建立了在有限变形情况下Timoshenko梁的控制方程并利用Galerkin方法进行简化。然后利用一种存储部分历史数据的分数积分的计算方法对梁的控制方程进行求解。考察了载荷参数和分数导数参数对梁振动的影响,并采用非线性动力学中的各种数值方法,如时程曲线、功率谱、相图、Poincare截面等,揭示了非线性粘弹性Timoshenko梁丰富的动力学行为。     

闭孔泡沫铝的多轴唯象受压本构参数

基于显微计算机断层扫描影像信息, 逆向重建闭孔泡沫铝试件的三维细观有限元模型, 定量研究闭孔泡沫铝在多轴压缩载荷作用下的大变形力学行为. 讨论了泡沫金属唯象弹塑性本构参数的确定方法, 根据计算结果确定了3 个有代表性的泡沫材料本构模型的本构参数, 并验证了这些本构模型在描述多轴压缩应力状态下的精度. 研究表明, 对于单轴压缩, 3 个本构模型的屈服面均有很好的精度;对于静水压缩, 有限元软件"ABAQUS"的可压缩泡沫本构模型屈服面会发生严重偏离, 陈-卢本构模型"屈服面" 略微低估静水压缩的屈服应力, 而体积强化本构模型的屈服面有很好的精度.      

粘弹性桩的混沌运动分析

研究了在轴向载荷和周期性横向载荷共同作用下非线性粘弹性嵌岩桩的混沌运动情况。假定桩和土体分别满足Leaderman非线性粘弹性和线性粘弹性本构关系，得到的运动方程为非线性偏微分．积分方程；利用Galerkin方法将方程简化为非线性常微分一积分方程，同时利用非线性动力系统中的数值方法，进行了数值计算，得到了不同载荷参数、几何参数、材料参数时粘弹性桩发生周期运动、多周期运动及混沌运动的时程曲线、相图、功率谱、Poincare截面图，同时得到了挠度-载荷、挠度-几何参数、挠度-材料参数等分叉图，考察了各种参数的影响。数值结果表明非线性粘弹性桩在一定的条件下可以通过倍周期分叉的方式进入混沌运动状态，且桩的载荷参数、几何参数、材料参数对其运动状态有较大的影响。     

冷质部件支撑结构中压杆的热过屈曲分析

以圆杆式冷质量支撑结构中的压杆为研究对象,考虑了材料线膨胀系数α随温度非线性变化的特性及材料本构关系的非线性,基于轴线可伸长原理建立了压杆的热过屈曲数学模型;利用打靶法分别分析了材料本构关系取线性模型和非线性模型时的压杆热屈曲过程,并对二者进行了对比。研究结果表明:无论材料本构关系采用线性模型还是非线性模型,当α取常数时临界屈曲温度与柔度无关;而当α随温度非线性变化时,柔度则对临界屈曲温度产生影响;在同一柔度下,考察α对屈曲特性参数的影响规律时材料本构关系的非线性特性不可忽略;在非线性本构关系下线膨胀系数随温度非线性变化时可得到最大轴向载荷、最小横向支座反力、最小轴线总伸长量;较小的横向支座反力可以有效减小支撑结构中心收缩位移,较小的轴线总伸长量可以有效减小压杆周向固定端连接处应力。     

聚氯乙烯弹性体静动态力学性能及本构模型

为揭示聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能,采用万能材料试验机和改进的分离式霍普金森压杆实验装置获得了材料在应变率为0.001、0.01、0.1、1 510、2 260和3 000 s?1下的应力应变曲线,并以屈服强度为整形器优选参数,对比了紫铜、铜版纸和铅等3种整形器材料的整形效果。使用修正的ZWT非线性黏弹性本构模型描述聚氯乙烯弹性体在静、动态载荷下的力学性能。结果表明:聚氯乙烯弹性体在静态载荷下具有应变率效应和显著的超弹性特性,动态载荷下表现出较明显的应变率效应和较强的抗变形能力,且静动态载荷下的力学行为受应变历史影响较大。3种整形器材料中铜版纸的整形效果最好。修正后的ZWT非线性黏弹性本构模型能够得到统一参数的本构表达式,且各应变率下的拟合结果与实验结果具有较好的一致性。     

MODEL EXPERIMENT ABOUT RESPONSE OF FLOATING ICE SHEET SUBJECTED TO MOVING AIR CUSHION VEHICLE

基于弹性薄板振动微分方程和相似理论,建立了气垫船在浮冰上运动的原型系统与模型系统参数之间的相似对应关系. 导出了浮冰层自由振动波形传播的相速度和群速度计算公式,明确了相速度的极小值和浅水波传播速度即为气垫船的第一、第二临界速度. 根据研制的高精度非接触式激光位移测量系统,在变水深拖曳水槽中, 开展了不同速度移动气垫载荷激励薄膜变形响应的系列实验,证实了存在使薄膜变形达到最大的移动气垫载荷临界速度. 第一临界速度使气垫载荷之后的薄膜产生最大的下陷变形,第二临界速度使气垫载荷之前的薄膜产生最大的上凸变形. 通过实验结果进一步分析了气垫速度、高度、压力及水深等参数对薄膜变形和临界速度的影响,揭示了移动气垫载荷激励薄膜变形响应的聚能共振增幅机理,为利用气垫船实施有效破冰提供了依据.     

考虑运动硬化的DD3镍基合金力学行为研究

详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,引入了运动硬化规律,考虑了温度和应变率对晶体塑性变形的影响,通过针对每个滑移系考虑屈服准则和流动规律建立了晶体塑性模型. 对积分过程进行了推导,通过编写ABAQUS材料用户子程序(UMAT), 实现本构模型的有限元积分算法. 在此基础上模拟了DD3镍基单晶合金在单轴拉伸和循环载荷下的响应,并与实验数据进行了对比. 利用该模型可以很好地模拟镍基单晶所具有的各向异性特性,体现了镍基单晶在循环载荷作用下的拉-压不对称性.