周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础, 预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效 应的一种简单有效计算方法. 以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解; 同时, 建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子$n$的解析关系, 证明了两种构型的周期性多孔材 料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子$n$的增大而减小. 当$n \to \infty $时, 即体胞尺寸相对整体结构无限小时, 多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值; 当体胞的材料体分比增大时, 多孔材料等效剪切模量也随之增大. 此外, 依据周 期性多孔材料的结构对称特性, 使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸 效应的预测, 极大地提高了计算效率.     

HOMOGENIZATION—BASED TOPOLOGY DESIGN FOR PURE TORSION OF COMPOSITE SHAFTS

In conjunction with the homogenization theory and the finite element method, the mathematical models for designing the corss-section of composite shafts by maximizing the torsion rigidity are developed in this paper. To obtain the extremal torsion rigidity, both the cross-section of the macro scale shaft and the representative microstructure of the composite material are optimized using the new models. The micro scale computational model addresses the problem of finding the periodic microstructures with extreme shear moduli. The optimal microstructure obtained with the new model and the homogenization method can be used to improve and optimize natural or artificial materials. In order to be more practical for engineering applications, cellular materials rather than ranked materials are used in the optimal process in the existence of optimal bounds for the elastic properties. Moreover, the macro scale model is proposed to optimize the cross-section of the torsional shaft based on the tailared composites. The validating optimal results show that the models are very effective in obtaining composites with extreme elastic properties, and the cross-section of the composite shaft with the extremal torsion rigidity. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172078 and 10102018)     

NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.      

复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计

提出复合材料扭转轴截面微结构拓扑优化设计新模型，模型的优化目标是获得具有最大宏观剪切特性加权和的单胞形式．通过模型和均匀化方法及优化技术可以获得优化的微结构单胞，进而改善或者得到最优宏观弹性特性的复合材料．为了便于制造和应用，胞体材料用来获得复合材料的极值剪切模量．最后的优化结果表明，该模型连同数值处理技巧可以非常有效地实现微结构的拓扑优化设计．     

MOLECULAR SIMULATION OF DRIVEN CAVITY FLOWS WITH HIGH REYNOLDS NUMBER

采用扩散信息保存(diffusive information preservation,D-IP)方法计算了雷诺数为10²~10⁴的二维方腔流动. D-IP方法是一种基于扩散运动观点的分子模拟方法, 克服了经典直接模拟蒙特卡罗方法对于时间步长和网格大小的严格限制.在计算中, D-IP方法的时间步长和网格大小分别为分子平均碰撞时间和平均自由程的几十倍乃至几百倍, 所得到的方腔流线分布和旋涡的精细结构, 均与Navier-Stokes方程数值解相符.     

LATTICE BOLTZMANN SIMULATION OF POWER-LAW FLOW PAST AN ELLIPTIC CYLINDER

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数C_p 和黏度系数C_v 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

A NEW SEMI-ANALYTIC ALGORITHM OF NEARLY SINGULAR INTEGRALS IN HIGH ORDER BOUNDARY ELEMENT ANALYSIS OF 3D POTENTIAL

分析了三维边界元法高阶曲面单元几何特征,定义接近度来表征源点与积分单元的接近程度.利用源点在积分单元上的垂足点建立局部极坐标系,构造与几乎奇异积分核函数具有相同奇异性的近似函数.从奇异积分核函数中扣除其近似函数,分离出积分核中主导的奇异函数部分,将奇异积分分解为规则核函数和奇异核函数两项积分.规则核函数积分应用常规Gauss数值积分计算,奇异核函数积分在局部极坐标系ρθ下分离积分变量ρ和θ,对ρ积分建立解析计算列式,对θ积分应用常规Gauss数值积分计算,从而对三维位势问题高阶边界单元几乎强奇异和几乎超奇异积分建立一种新的半解析算法.给出了若干温度场算例,采用边界元法高阶单元几乎奇异积分半解析法计算了近边界内点位势和位势梯度,并与线性单元正则化算法计算结果对比,结果证明提出的半解析法计算几乎奇异面积分和薄壁结构更加高效.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用

利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University, CIP-ZJU) 数学模型, 对低科勒冈-卡朋特(Keulegan–Carpenter) 数KC 静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re = 200 时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟. 模型在直角坐标系统下建立, 采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程, 基于多相流的理论实现流固耦合同步求解, 利用浸入边界方法处理固体边界. 模拟结果与现有文献结果进行比较, 二者吻合情况较好, 验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.      

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

气体动理学统一算法的隐式方法研究

目前的气体动理学统一算法(unified gas kinetic scheme, 简称UGKS) 在求解高速流动问题时的计算效率,难以满足求解复杂工程问题的需求. 为了提高该算法的计算效率, 本文对模型方程的对流项和碰撞项进行了隐式处理, 并针对UGKS 界面通量与演化时间相关的特点, 引入了演化时间平均界面通量, 通过对控制方程矩阵进行近似LU 分解(lower-upper decomposition), 实现了隐式UGKS. 不同来流马赫数的圆柱绕流算例测试表明, 只要演化时间选取得当, 隐式方法可以得到与显式方法完全相同的结果, 且计算效率可以提高1~2 个量级.      

METHOD OF STRONGLY SINGULAR INTEGRAL EQUATION FOR THE TORSION OF CYLINDER WITH EDGE CRACK

From the dislocation type solution of the torsion of single crack,by using the concept of finite part integrals,we reduce the torsion problem of cylinder with a single crack into an integral equation with strong singularity.The numerical method is also obtained and several numerical examples are calculated successfully at the end of this paper.     

A STUDY ON JET PHENOMENON OF R22 GAS CYLINDER UNDER THE IMPACT OF SHOCK WAVE

重物质气泡在平面激波作用下出现射流是一个非常有趣的物理现象, 它与气体属性、激波强度密切相关, 气泡内外波系结构复杂, 值得进行深入探讨. 论文采用水平集方法结合真实虚拟流体方法捕捉物质界面, 对R₂₂圆柱气泡在平面激波作用下的射流现象进行了数值模拟, 详细阐述了波系结构在气泡内外的演变过程, 总结了导致气泡射流现象形成的典型波系结构特征, 从波系结构角度解释了射流形成的原因.论文也对不同强度的激波冲击R₂₂圆柱气泡的情况进行了归纳, 发现激波强度对射流现象的出现以及射流结构的尺寸特征有重要影响, 得出了 R₂₂圆柱气泡能否出现射流结构的临界激波强度, 以期对实验结果起到指导与验证作用.     

基于应变梯度中厚板单元的石墨烯振动研究

基于应变梯度理论建立了单层石墨烯等效明德林(Mindlin) 板动力学方程,推导了四边简支明德林中厚板自由振动固有频率的解析解. 提出了一种考虑应变梯度的4 节点36 自由度明德林板单元,利用虚功原理建立了单层石墨烯的等效非局部板有限元模型. 通过对石墨烯振动问题的研究,验证了应变梯度有限元计算结果的收敛性. 运用该有限元法研究了尺寸、振动模态阶数以及非局部参数对石墨烯振动特性的影响. 研究表明,这种单元能够较好地适用于研究考虑复杂边界条件石墨烯的尺度效应问题. 基于应变梯度理论的明德林板所获得石墨烯的固有频率小于基于经典明德林板理论得到的结果. 尺寸较小、模态阶数较高的石墨烯振动尺度效应更加明显. 无论采用应变梯度理论还是经典弹性本构关系,考虑一阶剪切变形的明德林板模型预测的固有频率低于基尔霍夫(Kirchho) 板所预测的固有频率.      

On Extension and Torsion of Strain-Stiffening Rubber-Like Elastic Circular Cylinders

This paper is concerned with investigation of the effects of strain-stiffening on the response of solid circular cylinders in the combined deformation of torsion superimposed on axial extension. The cylinders are composed of incompressible isotropic nonlinearly elastic materials. Our primary focus is on materials that undergo severe strain-stiffening in the stress-stretch response. In particular, we consider two particular phenomenological constitutive models for such materials that reflect limiting chain extensibility at the molecular level. The axial stretch γ and twist that can be sustained in cylinders composed of such materials are shown to be constrained in a coupled fashion. It is shown that, in the absence of an additional axial force, a transition value γ=γ _t of the axial stretch exists such that for γ<γ _t , the stretched cylinder tends to elongate on twisting whereas for γ>γ _t , the stretched cylinder tends to shorten on twisting. These results are in sharp contrast with those for classical models such as the Mooney-Rivlin (and neo-Hookean) models that predict that the stretched circular cylinder always tends to further elongate on twisting. We also obtain results for materials modeled by the well-known exponential strain-energy widely used in biomechanics applications. This model reflects a strain-stiffening that is less abrupt than that for the limiting chain extensibility models. Surprisingly, it turns out that the results in this case are somewhat more complicated. For a fixed stiffening parameter, provided that the stretch is sufficiently small, the stretched bar always tends to elongate on twisting in the absence of an additional axial force. However, for sufficiently large stretch, the cylinder tends to shorten on undergoing sufficiently small twist but then tends to elongate on further twisting. These results are of interest in view of the widespread use of exponential models in the context of the mechanics of soft biological tissues. The special case of pure torsion is also briefly considered. In this case, the resultant axial force required to maintain pure torsion is compressive for all the models discussed here. In the absence of such a force, the bar would elongate on twisting reflecting the celebrated Poynting effect.      

用边界元法求一般截面的弯曲中心

使用Saint-Venant弯曲理论,将一般截面柱体的横向弯曲问题,归结为解两个同类型的边界积分方程,并用此求得了柱体的弯曲函数和附加扭转函数,在此基础上,可用边界元法确定一般截面的弯曲中心。最后为了说明方法的应用,给出了一个数值算例。     

Cell size effects for vibration analysis and design of sandwich beams

In this work, sandwich beams are studied to reveal the underlying size effects of the periodic core cells for the first time within the framework of free vibration analysis of such an advanced lightweight structure. The energy equivalence method is formulated as a theoretical approach that takes into account the cell size effect. It is compared with the asymptotic homogenization method and direct finite element method systematically to show their consistence and applicability. The accuracy of free vibration responses predicted by the detailed finite element model is used as the standard of comparison. It is shown that the cell size is an important parameter characterizing the cellular core rigidities that influence vibration responses. The homogenization model agrees exactly with the asymptotic solution of the analytical expression of the beam model only whenever the cell size tends to be infinitely small.     

RESEARCH OF CONSTITUTIVE RELATION CORRECTION OF GEOTECHNICAL MATERIALS AND THEORETICAL SOLUTION DUE TO PILE-SOIL INTERACTION

地基土的变形模量值不仅和土层所受的先期固结压力大小直接相关, 还受桩土作用产生的附加体积应变的影响.首先, 针对岩土散体材料分析其本构关系的主要影响因素, 研究模量随埋藏深度和体积应变的变化规律, 并对Duncan-Chang本构模型进行抗拉模量值修正.其次, 综合考虑岩土材料拉压模量不等修正以及桩土作用位移边界特点, 应用变分理论推导桩土作用造成的位移、应变和应力场理论解答.最后, 应用已有的经典土压力理论和小孔扩张理论对理论推导结果进行对比和分析验证.研究结果对桩基础设计施工、相应环境保护措施的选择和设计有较大的指导作用.