随动强化材料壳体的安定分析

在循环加载下壳体结构的安定分析,特别是对于具有应变强化的材料制成的壳体结构的安定分析具有很大的实际意义.文中对随动强化材料的安定定理有了进一步的认识并应用它去分析壳体结构的安定载荷.对于一个真实状态其残余应力与塑性应变之间是相关的.但我们在定理中所示的与时间无关的残余应力场(σ_ijr)和与时间无关的几何容许的塑性应变场(σ_ijp)可以是不相关的.明确指出这点对于工程应用带来很多方便,否则将是十分困难的.为此还给出了该定理的新的证明方法.我们还应用了上述定理对一个半球封头的圆柱壳体进行了安定分析.根据所求得的弹性解,各种可能的残余应力和塑性应变分布,结构的安定分析可归结为一个数学规划问题.计算结果表明应变强化材料的安定载荷要比理想塑性材料的安定载荷高出30～40%,这说明在安定分析中考虑材料强化是重要的,可使壳体结构的设计承载能力有相当大的提高,同时对改进目前壳体结构的设计提供了科学依据.     

杂交元假设应力模式的变形刚度分析

通过本征变形模式提出识别杂交元零能变形模式和假设应力场中零能应力模式的新方法,同时给出了在假设应力场中增加应力模式时杂交元变形刚度的计算公式．从而从理论上阐明了在假设应力场中增加零能应力模式不仅不能抑制单元零能变形模式而且可能增加非零能变形模式的刚度,因此不宜用来假设应力场;同时进一步指出寄生应力模式将使单元产生虚假应变能而使单元显得过刚,因此即使它能够抑制单元零能变形模式也不宜用来假设应力场,从而为假设应力场提供了合理的建议．数值算例说明了包含零能应力模式和寄生应力模式时单元的性能．     

横观各向同性多孔超弹性矩形板的单向拉伸

利用横观各向同性超弹性材料的广义neo-Hookean应变能函数研究了含有多个微孔的超弹性矩形板在单向拉伸作用下的有限变形和受力分析.给出了含有某种对称性分布的多个微孔的矩形板的变形模式,通过求解该变形模式满足的微分方程,将它用两个参数表示出来.可应用最小势能原理导出变分近似解,从而得到矩形板的变形和应力分布的解析解.分析了板中微孔的增长及微孔边缘应力的分布情况,讨论了板的各向异性程度及微孔的大小和孔间距离的影响,得到了单个、三个及五个微孔板中微孔的增长变形和孔边应力分布的一些基本规律规律,并进行了相互比较.     

保持时间对镍钛形状记忆合金单轴循环相变的影响

对镍钛形状记忆合金在不同保持时间下的循环变形行为进行了实验研究。结果表明:循环加载下,峰值和谷值载荷保持会促进材料持续发生相变和逆相变,峰值保持时间越长,峰值应变越大,耗散能越大;峰值保持时间对残余应变的演化影响不大;进而有谷值保持时间比没有谷值保持时间的峰值应变、残余应变和耗散能都大。发生在保持时间内的相变应变随循环周次的增加逐渐减小,随保持时间的增加而增加。当加载的峰值应力接近相变结束应力时,保持时间的增加对马氏体相变的促进作用相对微弱。     

饱和多孔介质的超粘弹性本构理论研究

为了建立能考虑固体材料、多孔固体与流体可逆和不可逆变形的饱和多孔介质超粘弹性理论,以多孔固相为参考构型,以有效应力、材料真实应力和流相真实孔压作为状态变量,结合混合物均匀化响应原理获得各项均符合热力学功共轭特征的饱和多孔介质能量平衡方程,根据非平衡热力学熵分解理论求得熵流和熵产.结果表明,超弹塑性理论是该理论的一个特例;多孔固体的总变形可分为固相间隙和材料变形两部分,间隙应变与Terzaghi有效应力构成功共轭对,材料应变与材料真实应力构成功共轭对.饱和多孔介质的自由能可分为固相和流相两部分.当固相间隙和材料变形解耦时,固相所含的自由能又可分为间隙和材料两部分.证明了Skempton有效应力不是饱和多孔介质的基本应力状态变量.     

超材料电磁波有限元模拟中的相关问题 献给林群教授80华诞

超材料是指一种人工合成的纳米电磁材料,它的介电常数和磁导率对某些波频段会同时为负,从而导致其折射率为负.超材料硏究的兴起始于2000年,在过去的十多年一直是多个学科的研究热点.本文侧重介绍电磁波在超材料中传播所涉及的模型方程以及如何用有限元方法求解.本文是对过去十年来计算数学在此领域工作的一个总结.最后提出一些值得继续探讨的问题.     

玻壳成型过程诱导残余应力的数值预测

建立了玻壳压制成型固化过程中残余应力预测的数值模拟模型,采用平行平板间玻璃熔体的固化问题来描述成型过程中残余应力形成的机理,并假定材料为热流变简单粘弹性材料．基于板壳理论,将产品视为平板单元的组合,并采用有限元法来求解,这种方法可以象全三维计算一样一层层地计算残余应力,非常适合复杂形状的薄压制成型产品．最后通过实验比较验证了所提出的模型和方法．     

压电超材料梁中弹性波带隙特性与界面传输的主动控制

该文采用周期压电负电容电路,研究了弹性波超材料梁中带隙特性的主动控制问题.该系统利用外部电路改变所连接压电材料的材料参数,从而改变结构的等效参数,实现对带隙特性的调控.通过对单胞进行控制,可观察到主动控制系统作用时带隙的产生与消失.构造了含有交界面的弹性波超材料梁结构,分析了主动控制系统对波动界面传输特性的影响.     

基于滑移与微纤维伸缩两种耗能机制的弹塑性本构模型

本文考虑了固体材料内以拉压和滑移方式消耗变形功的两种主要物理机制,提出了用纤维构元与滑移构元共同组集的弹塑性材料模型.两种构元都是单自由度变形体,其力学性质及塑性变形中的耦合硬化系数可由传统的材料力学实验确定.各种取向的构元在三维空间中均匀分布,并与宏观应变协调变形.从模型结构的力学响应导出了全量型和增量型本构方程,不必预先设定加载函数(塑性势函数).构元经历的变形历史与其取向有关,作为组合效应的应力应变关系能反映加载路径的影响.因此,本文得到的本构方程既保持了简洁的数学形式,又能模拟复杂加载条件下材料的宏观弹塑性力学行为. 本文预测了几种多晶金属材料在典型复杂加载路径下的应力应变响应与后继屈服面,与实验结果吻合良好.     

微加工静电超声传感器的动力学机制及其建模 *

通过对微加工静电超声传感器的动力学机制的深入研究发展了一个空气弹簧支撑的张力板模型 (tensile-plate-on-air-spring,简称为TDK模型 ) .该模型全面计及了气隙空气弹簧的刚度 ,膜片的弯曲刚度和平面张力这三个机械刚度及一个静电负刚度的影响 .根据这个模型通过适当选用传感器的几何结构 ,尺寸和材料 ,便可获得所需要的基频和带宽 ,从而为微加工超声传感器的研究和优化设计提供了一个可靠的理论基础 .     

Multimaterial Lattice Structures With Thermally Programmable Mechanical Behaviors北大核心CSCD

传统的点阵结构一旦制备完成,其力学性能通常在使用寿命内保持不变。设计和制造具有环境适应特性的智能点阵结构,可编程地感知和响应外界变化(例如光强、压强、溶液、温度、电磁场、电化学激励),并在时间和空间上进行形状重构、模式转换和性能调控,仍然是人造材料研究领域重要的科学挑战。该文采用具有不同玻璃化转变温度和温度依赖性的多种聚合物材料,通过合理设计材料空间分布,提出了一类具有热可编程力学响应能力的多材料点阵结构。结合理论分析和有限元模拟,研究了组分材料相对刚度对多材料点阵结构的Poisson比、变形模式以及结构稳定性的影响。通过温度变化实现了对多材料点阵结构弹性常数、压溃响应和结构稳定性的调控,使多材料点阵结构表现出极大的热变形、超弹性和形状记忆效应。为设计和制造自适应保护装备、生物医学设备、航空航天领域的变形结构、柔性电子设备、自组装结构和可变形软体机器人等开辟了新途径。     

无限维Hamilton系统稳态解的保结构算法

基于Hamilton变分原理和Bridges意义下的多辛积分理论,提出了保持无穷维Hamilton系统稳态解能流通量和动量通量的保结构分析方法.针对复杂的无穷维Hamilton系统的多辛对称形式,首先讨论了其稳态解所满足的对称形式的守恒律问题;随后,以一个典型的无穷维Hamilton系统——Zufiria方程为例,采用box离散格式,模拟了其稳态解,并验证了算法的保结构性能.研究结果显示:采用保结构算法能够较好地模拟无穷维Hamilton系统的稳态解,并保持了无穷维Hamilton系统稳态解的能流通量和动量通量两个重要力学参量.这一研究结果将为复杂无穷维Hamilton系统稳态解的数值分析提供新的途径.     

加捻纤维复合材料三维残余应力分析

本文提供一种对于含有加捻纤维束的复合材料由于固化而产生的热残余应力的分析研究.纤维束中的纤维经过加捻产生了一种螺旋形状,这种形状所产生的三维热弹性力学问题可以利用能量法获得解答.这个问题的热残余应力场可以表示为纤维、基体材料的性质以及纤维束几何参数的函数.纤维/基体界面上的残余应力(包括环向和径向的应力)都可以从这些分析中得到.本文分析的结果表明:加捻纤维束构成的复合材料,由于纤维的适当加捻,可以减弱由于纤维与基体各具不同的热膨胀系数而产生的热固化残余应力.     

基于自由度缩聚的最小秩修正损伤诊断

为了解决实测模态参数与有限元分析模态参数不匹配对损伤诊断精度影响的问题,推导了基于自由度缩聚法的残余力向量公式及最小秩修正公式.通过对结构自由度缩聚后的损伤前、后残余力向量的运算,可以得出相较于损伤前的残余力变化率向量,将残余力变化率向量元素的绝对值作为改进的残余力向量,通过运用推导出的改进残余力向量,能够较好地解决采用最小秩修正法时所选取模态个数必须等于待修正刚度矩阵秩这一矛盾,并由缩聚后最小秩修正公式计算出损伤程度.研究表明:在考虑噪音干扰下,改进的残余力向量法对自由度缩聚后的受损结构依然具有较高地识别精度.利用推导的最小秩修正公式进行损伤程度识别其结果是可靠的.本文所提方法既可以实现对实测自由度不完备结构的损伤定位,又可进行损伤程度的识别,具有较高的鲁棒性和损伤诊断性能.     

有负顾客到达的M/G/1休假可修排队系统

采用补充变量法和母函数的方法研究了有负顾客到达的M/G/1休假可修排队系统,其中负顾客的抵消规则是带走正在接受服务的正顾客并使得服务器处于修理状态.休假策略是空竭服务多重休假.文中给出了系统存在稳态的充要条件,系统稳态队长分布的概率母函数及系统可靠度的L变换.     

带裂纹方形截面杆扭转问题的自然边界元与有限元耦合法

根据基于区域分解的自然边界元与有限元的耦合法,研究了带裂纹的方形截面杆的扭转问题,编制了耦合法计算程序,计算了几种尺寸截面的抗扭刚度、截面各点的应力及裂纹的应力强度因子,并绘出了裂纹尖端的应力分布图.计算中,还探索了松弛因子对迭代收敛速度的影响.从实践上证实了自然边界元与有限元的耦合法所具有的优点.     

半无限平面裂纹构型横向应力的Green函数

针对各向同性弹性无限大板中半无限裂纹,用解析函数方法求解了裂尖处横向应力的Green函数.加载情况为一任意集中力作用于任意一内点处.用叠加法求解了复势,它给出该平面问题的弹性解.通过渐近分析抽取复势的非奇异部分.基于该非奇异部分,用一种直接方法求解了横向应力的Green函数.进一步,用叠加法得到了一对对称和反对称集中力加载时的Green函数.然后,用得到的Green函数来预测铁电材料双悬臂梁试验中畴变引起的横向应力.用力电联合加载引起的横向应力来判断试验中所观察到的稳定和不稳定裂纹扩展行为.预测结果和试验数据基本吻合.     

静脉壁的力学特性及负压失稳问题

应用一类超弹性应变能函数,通过非线性弹性理论,研究了静脉壁在跨壁压及轴向拉伸联合作用下的变形和应力分布等力学特性,并分析了静脉壁的负压失稳问题．首先利用超弹性材料薄壁圆筒模型,得到了静脉壁在跨壁压及轴向拉伸联合作用下的变形方程,给出了正常静脉压下静脉壁的变形曲线和应力分布曲线,讨论了静脉壁的变形和应力分布规律．然后给出了负跨壁压下静脉壁的变形曲线,并由能量比较讨论了静脉壁的负压失稳问题．     

采用新方法研究加层压电材料中平行界面共线双裂纹的断裂问题

利用新的方法(Schmidt方法)研究加层压电材料中含共线并与材料界面平行的双裂纹在稳态弹性波作用下的动态问题,经富立叶变换使问题的求解转换为求解两对三重对偶积分方程.这些方程可以采用Schmidt方法来求解,这个方法不同与以前求解所利用的方法.结果表明应力强度因子不仅与裂纹的几何尺寸、入射波频率、加层厚度有关,而且与材料性质有关.     

基于修正偶应力理论的Timoshenko微梁模型和尺寸效应研究

基于修正偶应力理论,将Timoshenko微梁的应力、偶应力、应变、曲率等基本变量,描述为位移分量偏导数的表达式.根据最小势能原理,推导了决定Timoshenko微梁位移场的位移场控微分方程.利用级数法求解了任意载荷作用下Timoshenko简支微梁的位移场控微分方程,得到了反映尺寸效应的挠度、转角及应力的偶应力理论解.通过对承受余弦分布载荷Timoshenko简支微梁的数值计算,研究了Timoshenko微梁的挠度、转角和应力的尺寸效应,分析了Poisson比对Timoshenko微梁力学行为及其尺寸效应的影响.结果表明:当截面高度与材料特征长度的比值小于5时,Timoshenko微梁的刚度和强度均随着截面高度的减小而显著提高,表现出明显的尺寸效应;当截面高度与材料特征长度的比值大于10时,Timoshenko微梁的刚度与强度均趋于稳定,尺寸效应可以忽略;材料Poisson比是影响Timoshenko微梁力学行为及尺寸效应的重要因素,Poisson比越大Timoshenko微梁刚度和强度的尺寸效应越显著.该文建立的Timoshenko微梁模型,能有效描述Timoshenko微梁的力学行为及尺寸效应,可为微电子机械系统（MEMS）中的微结构设计与分析提供理论基础和技术参考.