冠脉支架纵向柔顺性优化模型

柔顺性是冠脉支架主要的力学性能之一,因此改进支架的柔顺性是一个重要的研究课题。本文利用有限元方法建立了MACTM支架的悬臂梁结构模型,经过非线性数值模拟,发现该支架在弯曲时只有LINK构件发生变形,而且局部模型和整体模型的弯曲结果十分接近。根据上述结论,本文建立了对支架柔顺性进行优化的数学模型,利用ANSYS的一阶优化...     

载荷方向不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

采用一种高效的方法开展了在外载荷作用方向不确定条件下,连续体结构动态稳健性拓扑优化设计研究,有效降低了结构的稳态动响应对简谐激励作用方向随机扰动的敏感性.首先基于概率模型,将动载荷作用方向的不确定性用正态分布函数表示.其次通过二阶泰勒展开式,高效地计算出在激励方向扰动情形下结构动柔顺度的均值和方差,进而推导出了其对拓扑设计变量的一阶导数灵敏度显性表达式.最后在材料体积约束下,以动柔顺度概率特征指标的加权和为设计目标,基于变密度方法,对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计,并与传统载荷方向固定条件下的确定性优化结果进行对比,充分展示了考虑外激励作用方向随机扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响.对优化数值结果进一步分析表明,采用文章提出的方法所得结构的动响应稳健性更高,能有效抵抗外激励作用方向的随机扰动.只需少许增加材料,稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.     

粘接多胞管三点弯曲实验与数值研究

基于实验和数值模拟方法,本文研究了一种易制备粘接多胞薄壁结构的弯曲性能,分析了粘接多胞管在横向三点弯曲加载下的变形和能量吸收性能。三点弯曲准静态实验表明：由于粘接的作用,通常情况下粘接多胞管的能量吸收性能高于其基本构成单胞管能量吸收的总和,但在某些情况下粘接可以带来70%的性能提升。借助于LSDYNA,我们计算模拟了三点弯曲实验,计算得到的粘接多胞管变形模式和力-位移曲线与实验结果吻合良好。此外,采用计算模拟方法,我还对三种不同接触条件下的结构响应进行了对比分析,结果表明：如果未出现明显的粘接脱开,则粘接多胞管的吸能特性与完整的多胞结构相当,否则其能量吸收性能会被严重削弱。     

基于扩展多尺度有限元法的含液闭孔材料拓扑优化

基于扩展多尺度有限元方法,提出了含液闭孔结构多尺度拓扑优化方法。该多尺度优化方法旨在研究含液闭孔胞元布局对整体含液闭孔结构力学性能的影响。首先针对含液闭孔结构的整体结构柔顺性问题,采用类似SIMP模型对结构的宏观粗网格等效刚度阵进行插值,建立含液闭孔结构柔顺性的拓扑优化列式;其次,针对含液闭孔材料能够利用胞体内部液体腔体积增量产生变形的特性,提出含液闭孔材料柔性机构的概念,并以结构指定位置方向输出位移为目标,建立液体体积膨胀作用下的含液闭孔柔性机构多尺度拓扑优化数学模型。本文基于自主软件平台SiPESC完成了程序研发,并通过数值算例验证了所提出的拓扑优化方法的有效性。     

电磁力诱导二次流对微流体混合效果影响的研究

设计了一种微流道中液体混合的方法, 基于电磁力的作用, 诱导微流道中二次流动 发生, 从而产生Dean涡, 使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸, 使不 同流体的接触面积大大地增加, 从而提高混合效率. 对3种结构的工况进行了比较. 建立了微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟,对流体混合过程进行了分析并对混合效率进行了评价. 进行了验证性的试验研究, 对模拟结果与试验结果进行了比较, 结果相吻合.     

海洋电缆中关键力学问题的研究进展与展望

海洋能源是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋电缆是连接海洋能源生产系统各设施的能源传输、生产控制的关键装备之一, 被誉为海洋能源开发的“生命线”. 如何设计海洋电缆能够抵抗极端海洋灾害, 同时满足安装、服役中弯曲柔顺性的要求, 实现“刚柔并济”的结构性能, 是海洋能源开发领域亟待解决的核心难题. 本文围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点, 全面总结了海洋电缆设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展. 首先, 针对海洋电缆结构的理论分析, 阐述了拉伸、扭转和弯曲刚度的基本理论以及拉扭耦合和非线性弯曲行为研究进展. 其次, 介绍了数值仿真方法在海洋电缆工程中的应用, 特别介绍了海洋电缆数值分析专业软件方面的研究成果. 再次, 探讨了海洋电缆多场耦合分析、结构优化设计和疲劳寿命的计算方法. 最后详细介绍了海洋电缆结构的实验测试技术和测试装备. 本文通过对海洋电缆研究方法和研究热点的详细综述, 揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点, 并展望了海洋电缆未来发展的主要技术需求和研究方向. 上述工作对海洋电缆在我国海洋油气能源开发中的高可靠性工程应用提供了基础理论和技术参考.      

高强钢波纹夹芯结构的力学性能研究

本文利用ABAQUS仿真软件分析了高强钢波纹夹芯结构在三点弯曲以及面内压缩时的力学响应。将计算结果与实验值和理论值进行了对比,验证了数值模拟的准确性。分析了芯板材料属性（高强钢DP900和普通低碳钢DC01）以及波纹芯板排列方向(横向、纵向)对夹芯结构力学性能的影响。结果表明DP900高强钢波纹芯板夹芯结构抗弯强度是DC01低碳钢夹芯结构的2.39倍,抗压强度是低碳钢夹芯结构的1.40倍,纵向波纹夹芯结构比横向波纹夹芯结构弯曲刚度高11.63倍。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应

针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。     

泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟

泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.     

Load-Deformation Behavior of Nitinol Stents

The rate of fracture of Nitinol stents in the superficial femoral artery (SFA) is higher than desirable. Development of more fracture-resistant stents requires a better understanding of in-vivo loads, how stents deform under these loads, and the influence of the artery on stent deformation. In the work reported here, testing devices were designed and constructed to measure loads in stents undergoing tensile, bending, and torsional deformations. Tests to measure mechanical stiffnesses were performed on stents, mock arteries, and stents emplaced in mock arteries. Significant stent/artery interaction was observed under tension and bending; little interaction occurred under torsion loads. The results are explained by changes in stent geometry under load. The deformation, load, and stent/artery interaction information will be useful in validating finite element codes for designing and analyzing stents.     

A study on the bending stiffness of single-walled carbon nanotubes and related issues

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are usually modeled as elastic tubes and their bending stiffness D is often related to their axial stretching modulus E (Young's modulus) as in mechanics of materials (i.e. D=EI where I is the moment of inertia of the tube). However, recent studies show that large discrepancies may exist when this relationship is used to predict Young's modulus of carbon nanotubes (CNTs) through bending dominated deformations. In the present paper, the bending stiffness of SWCNTs and some related issues are investigated by the combined use of the molecular-mechanics (M-M) model and the deformation mapping technique. Based on the analysis results, the contradictions mentioned above can be explained well. Furthermore, an analytical expression for the bending stiffness of SWCNTs is also presented. It shows that the bending stiffness of a SWCNT is approximately proportional to the cube of its radius which agrees well with the existing molecular dynamics simulation and continuum theory based results.     

Zigzag carbon nanotubes—Molecular/structural mechanics and the finite element method

This paper discusses in details the relation between the bond bending stiffness used in molecular mechanics and the bending stiffness used in structural mechanics for zigzag carbon nanotubes (CNTs).Recent publications assumed the structural bending stiffness EI/a to be a constant and set it equal to the molecular bond bending stiffness C. By developing a closed form expression for the deformation of zigzag CNTs under simple tension, we suggest that the relation between EI/a and C is more complex. It actually depends on the bond bending stiffness C, the torsional angle φ and the lattice translational index n. In the limit of an infinite tube radius, which represents a graphene sheet, EI/a tends to C/2. Numerical simulations are also presented that validate the results.     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响,为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元,推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵,其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序,采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态,并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形,结果表明,主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大,且矢跨比越大,主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题,尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥,需要在设计和施工中引起足够的重视。     

考虑界面滑移效应的组合裂纹梁弯曲解析解

将上部子梁的裂纹等效为线性扭转弹簧,考虑组合梁连接面的滑移位移,建立了以组合裂纹梁挠度和滑移位移为基本未知量的组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型．利用Laplace变换及其逆变换,给出了组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型的解析通解．在此基础上,研究了均布载荷作用下简支组合裂纹梁的弯曲变形问题,数值分析了连接面剪切刚度、裂纹深度、数目和位置等参数对组合裂纹梁弯曲变形的影响,结果表明：在裂纹处,组合裂纹梁挠度曲线存在尖点,而横截面转角曲线存在跳跃,且随着裂纹数目和深度的增加,挠度和横截面转角跳跃值增大;随着连接面剪切刚度的增加,挠度和横截面转角减小,并最终趋于定值．并且,随着组合梁跨高比的增加,连接面剪切刚度对梁挠度影响逐渐减弱．     

三维机织复合材料细观几何建模研究

论文提出一种简化的纱线变形方法建立三维机织复合材料细观几何模型,考虑了纱线截面形状、纱线截面扭转、纱线弯曲系数等模型参数,建立了模型参数可灵活调整的建模方法.采用该方法分析了纱线的层数、模型尺寸、纱线的弯曲系数对材料性能的影响.结果表明,当纱线层数较小时,表层的边界效应对材料性能影响较大,厚度方向不建议采用周期性边界条件;在自由边界条件下,模型长度约为2倍单胞、宽度约为1.5倍单胞尺寸时,可以实现刚度测试误差范围控制在2%以内.此外,纱线弯曲系数对复合材料单胞刚度计算结果有较大影响,适当的纱线弯曲系数能够使刚度计算误差控制在7%以内.     

ANCF索梁单元应变耦合问题与模型解耦

索粱结构在土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用.在各类索梁动力学建模方法中,由于绝对节点坐标方法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)能够描述柔性体的大变形和大转动问题,因此非常适合大变形索梁结构的动力学建模.对绝对节点坐标索梁单元的应变进行分析可知,弯曲变形会引起单元内部轴向应变的不均匀分布,即单元轴向应变与弯曲应变相互耦合.这种应变耦合效应使单元产生伪应变能,导致单元刚度增大,造成单元失真.分析不同弯曲角下的单元应变及应变能可知,弯曲变形越大,单元失真越严重.通过构造等效一维杆单元重新描述轴向应变,实现了轴向应变与弯曲应变解耦.在此基础上推导广义弹性力,得到了绝对节点坐标索梁单元的应变解耦模型.对解耦前后的两种梁模型进行静力学和动力学仿真,结果表明;解耦模型消除了单元伪应变,相比原模型表现出更好的收敛性和曲率连续性,在相同单元数目下具有更高的精度.同时由于解耦模型降低了单元刚度,因此相比原模型,速度曲线中不再有高频振动.     

Nonlinear dynamics of three-dimensional belt drives using the finite-element method

In this paper, new nonlinear dynamic formulations for belt drives based on the three-dimensional absolute nodal coordinate formulation are developed. Two large deformation three-dimensional finite elements are used to develop two different belt-drive models that have different numbers of degrees of freedom and different modes of deformation. Both three-dimensional finite elements are based on a nonlinear elasticity theory that accounts for geometric nonlinearities due to large deformation and rotations. The first element is a thin-plate element that is based on the Kirchhoff plate assumptions and captures both membrane and bending stiffness effects. The other three-dimensional element used in this investigation is a cable element obtained from a more general three-dimensional beam element by eliminating degrees of freedom which are not significant in some cable and belt applications. Both finite elements used in this investigation allow for systematic inclusion or exclusion of the bending stiffness, thereby enabling systematic examination of the effect of bending on the nonlinear dynamics of belt drives. The finite-element formulations developed in this paper are implemented in a general purpose three-dimensional flexible multibody algorithm that allows for developing more detailed models of mechanical systems that include belt drives subject to general loading conditions, nonlinear algebraic constraints, and arbitrary large displacements. The use of the formulations developed in this investigation is demonstrated using two-roller belt-drive system. The results obtained using the two finite-element formulations are compared and the convergence of the two finite-element solutions is examined.     

Nonlinear softening and hardening nonlocal bending stiffness of an initially curved monolayer graphene

In the present article, the governing nonlinear nonlocal elastic equations are obtained for a monolayer graphene with an initial curvature and the related softening and hardening bending stiffness is analytically calculated. The effects of large deformation, initial curvature, discreteness and direction of chiral vector on the bending stiffness of the monolayer graphene are discussed in detail. A behavior more complex than previously reported in the literature emerges. It is found that the bending stiffness of graphene strongly depends on the initial configuration, showing not obvious maxima and minima, and suggesting the possibility of a smart tuning.