热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法

研究结构稳态热变形和热应力的灵敏度分析方法,给出了直接法和伴随法两种算法。考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数。对尺寸和形状两类设计变量的灵敏度分析算例,验证了本文方法的精度。伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法。     

热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

密闭腔体声-结构耦合系统的动力灵敏度分析

以密闭空腔为对象,开展了声-结构耦合系统的动力分析和灵敏度计算,为系统性态优化设计提供理论和算法基础。分别把结构和声场进行离散化,推导了声-结构耦合系统的有限元方程,求解了耦合系统的频率和声压级响应。在此基础上,以结构尺寸为设计变量,计算了耦合系统的固有频率和声压级响应的灵敏度,解决了声-结构耦合系统动力灵敏度的数值算法问题。     

脆性材料热-力耦合模型及热破裂数值分析方法

针对混凝土、岩石等脆性材料,利用热传导和热-力耦合的相关理论,并结合材料在细观尺度上的损伤演化规律,提出了一种考虑损伤的热-力耦合模型,并在原有材料破坏过程分析系统RFPA(Realistic Failure Process Analysis)模型的基础上建立了脆性材料热破裂过程分析的数值模拟方法.该方法考虑了脆性材料在细观层次上力学性质的非均匀性(包括强度、弹模、传导系数等),并通过统计分布函数建立了宏、细观力学性能之间的联系.对不同均匀程度材料的数值模拟结果表明:材料的非均匀性对热传导规律、热应力分布以及热破坏模式有较大的影响.材料热力学性质的非均匀性加剧了材料内部热应力分布的非均匀性,这是致使非均匀材料热破裂的一个重要因素.对稳态和瞬态热传导两种条件下的脆性介质破裂过程模拟分析表明,考虑瞬态热传导计算所得到的破裂区小于相同条件下稳态热传导所得到的结果,表明在热破裂过程分析中,应注重考虑瞬态热传导对破裂过程的影响.     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础.针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型.其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合.基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用La-place变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程.结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测.     

航空发动机叶片-机匣碰摩热-结构耦合仿真

针对转静子碰摩过程中的摩擦热效应现象,建立了叶片-机匣的碰摩热-结构耦合模型.采用热-结构耦合单元,对航空发动机叶片-机匣进行了碰摩热效应特性研究.考虑摩擦因数及旋转过程中的离心力作用,对瞬态-热结构耦合场进行了有限元分析,研究了结构在温度场作用下的热-结构耦合应力和温度分布.与纯机械载荷下的应力分布对比,发现了碰摩热效应在叶片与机匣上的扩散规律.研究结果表明,考虑摩擦热效应时由于热应力的作用,导致结构的总应力水平升高进而产生热变形,从而使故障进一步恶化.由此可见,碰摩热效应的影响在实际航空发动机振动分析中不能忽视.     

功能梯度材料的热/机械耦合分析研究进展

对功能梯度材料结构的热／机械耦合问题的研究现状进行了评述,包括分析方法的进展、热载作用下的裂纹问题、优化设计问题、细观力学问题等,然后提出了需要进一步研究的方向．     

大型空间结构热?动力学耦合分析方法综述

近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热?动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.      

渗流-应力耦合随机性分析方法与应用

基于摄动随机有限元法计算参数随机性对渗流-应力耦合问题的影响, 以渗透系数和弹性模量为基本随机量, 推导了渗流-应力耦合摄动随机有限元迭代格式, 在此基础上对现有计算渗流场和应力场的单场随机计算程序进行改造. 使用改造程序对某大坝渗流-应力耦合问题进行分析, 并与商用软件计算结果进行对比.结果表明, 两种方法计算结果基本一致, 揭示了工程实际中的流固耦合规律, 改造的程序还可以输出商用软件未涉及的随机特征.     

内压柱壳在激光束照射下热爆破数值模拟

为研究内压圆柱壳在激光束照射下的破坏现象提出了一个高效可行的数值分析模型:采用了子结构方法把非线性区局限在较小的范围;采用了与应变速率有关的耦合的热传导分析;考虑了材料物理性质随温度的变化;考虑了热变形对结构刚度和荷载的几何非线性效应;考虑了内压是予先加载以及随后的热弹塑性过程.数值结果与文献[1]的实验大致吻合.     

Explicit Conditions for Local Thermal Equilibrium in Porous Media Heat Conduction

Based on the traditional formulation of heat transfer in porous media it is demonstrated that Local Thermal Equilibrium (Lotheq) applies generally for any boundary conditions that are a combination of constant temperature and insulation. The resulting consequences are being analysed and discussed. Among these consequences it is shown that the linear relationship between the average temperature difference of the two phases and the heat transferred over the fluid-solid interface is inappropriate for use in connection with conditions of Lack of Local Thermal Equilibrium (La Lotheq).     

短脉冲激光加热分数阶导热及其热应力研究

短脉冲激光加热引起材料内部复杂的传热过程及热变形,现有的以Fourier定律或Cattaneo-Vernotte松弛方程结合弹性理论为框架建立起来热应力理论在刻画其热物理过程存在严重缺陷. 本文基于分数阶微积分理论, 以半空间为研究对象, 建立了分数阶Cattaneo热传导方程和相应的热应力方程, 给出了问题的初始条件和边界条件, 采用拉普拉斯变换方法, 给出了非高斯时间分布激光热源辐射下温度场和热应力场的解析解, 研究了短脉冲激光加热的温度场及热应力场的热物理行为. 数值计算中, 首先对理论解进行数值验证, 然后取分数阶变量$p=0.5$研究温度场和热应力场的变化特点及激光参数对温度和热应力的影响,最后数值计算分数阶参数对温度和热应力场的影响. 计算结果表明, 分数阶Cattaneo传热方程和热应力方程描述的温度和热应力任然具有波动特性,与经典的Fourier传热模型和标准的Cattaneo传热模型相比, 分数阶阶次越大, 热波波速越小, 热波波动性越明显; 反之, 则热波波速越大, 热扩散性越强.激光加热和冷却的速度越快, 温度上升和下降的速度越快, 压应力和拉应力交替变化越快, 温度变化幅值越小, 热应力幅值影响不明显.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

热震边裂是涂层的常见失效模式之一, 严重影响涂层的防护性能, 因此准确预测涂层边缘裂纹的热致扩展行为至关重要. 文章基于Caputo分数阶导热模型, 研究热脉冲作用下涂层边缘裂纹扩展驱动力. 首先, 采用拉普拉斯变换和有限余弦积分变换得到瞬态温度场及热应力场的封闭解; 其次, 运用叠加原理及权函数法计算边缘裂纹尖端的热应力强度因子. 探讨了分数阶阶次、无量纲裂纹长度、无量纲时间等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明: 热应力强度因子的峰值随着分数阶阶次的增大而提高; 与分数阶超扩散情形相比较, 经典傅里叶导热将低估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 与分数阶亚扩散情形相比较, 经典傅里叶导热则会高估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 热流脉冲作用下, 短裂纹的热应力强度因子峰值更高, 因而更易扩展.     

短脉冲激光加热分数阶导热及其热应力研究

短脉冲激光加热引起材料内部复杂的传热过程及热变形,现有的以Fourier定律或Cattaneo-Vernotte松弛方程结合弹性理论为框架建立起来热应力理论在刻画其热物理过程存在严重缺陷.本文基于分数阶微积分理论,以半空间为研究对象,建立了分数阶Cattaneo热传导方程和相应的热应力方程,给出了问题的初始条件和边界条件,采用拉普拉斯变换方法,给出了非高斯时间分布激光热源辐射下温度场和热应力场的解析解,研究了短脉冲激光加热的温度场及热应力场的热物理行为.数值计算中,首先对理论解进行数值验证,然后取分数阶变量p=0.5研究温度场和热应力场的变化特点及激光参数对温度和热应力的影响,最后数值计算分数阶参数对温度和热应力场的影响.计算结果表明,分数阶Cattaneo传热方程和热应力方程描述的温度和热应力任然具有波动特性,与经典的Fourier传热模型和标准的Cattaneo传热模型相比,分数阶阶次越大,热波波速越小,热波波动性越明显;反之,则热波波速越大,热扩散性越强.激光加热和冷却的速度越快,温度上升和下降的速度越快,压应力和拉应力交替变化越快,温度变化幅值越小,热应力幅值影响不明显.     

结构层热扩散系数对超薄涂层热力性能的影响

将非傅立叶热传导模型(用于超薄热涂层)与傅立叶热传导模型(用于结构层)相结合求解温度场,运用有限元法求解热涂层热应力和裂纹驱动力,并分析结构层材料热扩散系数的变化对热涂层的热力学性能(温度场、应力场和断裂性能)的影响. 研究表明,结构层材料性能变化对温度场的影响主要表现在热冲击后期,对热应力和裂纹尖端驱动力后期的变化也有一定的影响.     

Thermal stresses induced by a point heat source in a circular plate by quasi-static approach

The present paper deals with the determination of quasi-static thermal stresses due to an instantaneous point heat source of strength g_pi situated at certain circle along the radial direction of the circular plate and releasing its heat spontaneously at time t = τ. A circular plate is considered having arbitrary initial temperature and subjected to time dependent heat flux at the fixed circular boundary of r = b. The governing heat conduction equation is solved by using the integral transform method, and results are obtained in series form in terms of Bessel functions. The mathematical model has been constructed for copper material and the thermal stresses are discussed graphically.     

层合材料的非傅里叶热传导及热应力

论文建立了一个双层材料层合板受瞬态加热情况下的非傅里叶热传导分析模型,用向后差分法得到了温度场的数值解,并对该差分格式的稳定性进行了讨论.给出了温度场随导热时间、热扩散率、空间与时间步长之比以及弛豫时间的变化趋势.同时,通过已经求得的温度场,求得了层合板内的应力场,给出了层合板内的热应力随时间的变化.     

考虑瞬态效应的承载隔热多功能结构拓扑优化

同时满足承载和隔热要求的多功能结构在高超飞行器热防护结构设计中倍受关注.实际隔热材料通常承载能力弱,而高承载材料隔热性能差,如何在有限空间内协同结构的承载与隔热成为关键问题.高超飞行器气动加热时间有限,存在加热时间短、热荷载变化大的特点.因此结构设计需要考虑时间因素和瞬态效应,而现有稳态传热与承载的多功能协同优化设计模...