周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果．数值结果表明,Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞（微结构的最小周期）个数的增加,分别从上下界逼近均匀化方法的结果．对于一类具有特殊微结构的桁架材料,只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果．指出产牛尺度效应的判据是,对Dirichlet型边界条件下的代表体元法,单胞公共边界处的节点支反力是否平衡;对Neumann型边界条件下的代表体元法,单胞边界间变形是否协调．最后,我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料,其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到．     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

变厚度板弯曲的边界元分析法

由于变厚度板弯曲问题的控制分方程复杂，直接求解其基本解推导边界积分方程建立边界元分析法较为困难，本文通过引入等效荷载，等效刚度，将此问题的控制微分方程化成与普通薄板弯曲问题基本方程相同的形式，利用求解通板弯曲问题的边界元迭代求解，建立了分析变厚度板弯曲问题的蛤法，算例表明本方法理正确，精度良好。     

用于多种夹层板等效的有限元分析法

针对夹层板力学性能解析法难于计算复杂结构的夹层板且通用性差的问题,本文采用有限元分析法研究了夹层板性能的等效方法。对夹层板的代表体单元模型施加位移约束,模拟弯曲变形时线性独立的应变分量和弯曲内力;根据夹层板内力与应变的本构关系,求出刚度矩阵;最后由刚度矩阵得出宏观等效弹性常数,从而把夹层板等效成连续材料的单层板单元。将该方法与解析法计算结果进行比较得到的夹层板单元四个主要弹性常数误差在0.2%以内,验证了该方法的有效性;另外采用该方法等效三种典型结构夹层板,比较实际模型和等效模型的弯曲响应,得到的误差均在1.4%以内,表明该方法在不考虑复杂多变的夹芯结构时具有通用性。     

基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型

考察了结构最小尺寸与材料特征长度量级相当的格栅材料等效性能,建议了基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型以及确定等效模量的代表体元模型,给出了相应的位移边界条件. 在此基础上导出了正交各向异性偶应力介质的特征长度表达式和偶应力介质梁的抗弯刚度表达式,定义了偶应力影响因子\delta以表征梁的偶应力效应. 具体计算了几种典型的格栅材料的等效偶应力模量以及格栅梁在一定工况下的挠曲线,并与相应的有限元离散解进行对比,结果表明,等效结果具有较高精度,且当宏观结构的尺寸和微结构尺寸相差不大时,宏观结构表现出强烈的偶应力效应.偶应力介质的特征长度表征了偶应力效应的强弱,进而分析了格栅材料的相对密度,单胞尺寸以及几何构型对等效介质特征长度的影响.      

面内变刚度薄板弯曲问题的挠度?弯矩耦合神经网络方法

发展了一种求解面内变刚度功能梯度薄板弯曲问题的神经网络方法. 面内变刚度薄板弯曲问题的偏微分控制方程为一复杂的4阶偏微分方程, 传统的基于强形式的神经网络解法在求解该偏微分方程时可能会遇到难以收敛、边界条件难以处理的情况. 本文基于Kirchhoff薄板弯曲理论, 提出了一种直角坐标系下任意面内变刚度薄板弯曲问题的神经网络解法. 神经网络模型包含挠度网络与弯矩网络, 分别用于预测薄板的挠度与弯矩, 从而将求解4阶偏微分方程转换为求解一系列二阶偏微分方程组, 通过对挠度、弯矩试函数的构造可使得神经网络计算结果严格满足边界条件. 在误差的反向传播中, 根据本文提出的误差函数公式计算训练误差并结合Adam优化算法更新模型的内部参数. 求解了不同边界条件、形状的面内变刚度薄板弯曲问题, 并将所得计算结果与理论解、有限元解进行对比. 研究表明, 本文模型对于求解面内变刚度薄板弯曲问题具备适应性, 虽然模型中的弯矩网络收敛较挠度网络要慢, 但本文方法在试函数的构造上更为简单、适应性更强.      

构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究

针对构造上正交各向异性凹凸板等效刚度的研究问题,考虑经典弹性薄板理论和凹凸板的几何周期特性,划分出了以凸起为中心的典型单元,首先研究了典型单元的刚度特性,再通过刚度组合方法得到了凹凸板的等效弯曲刚度;然后以四边简支正交各向异性凹凸板为例,基于经典薄板理论中纳维二重三角级数推广到正交各向异性板的解,利用本文的等效刚度公式分别计算了在集中载荷作用下板的挠度和其自身的固有频率。计算结果与ANSYS有限元的模拟结果进行对比,理论计算与有限元模拟结果一致,验证了本文等效解析方法的合理性和精确性。最后讨论了凹凸板的各项尺寸参数对刚度等效精度的影响,并对其原因进行了分析。本文给出的等效刚度解析方法便于工程应用,尤其在应对大规模凹凸板刚度求解中具有计算简便的优点,研究结果对凹凸板静力学和动力学的研究以及实际工程应用具有重要的指导意义。     

三角形截面梁柱构件的三维等效弹簧计算模型

传统有限元在分析梁柱构件时一般采用常应变单元和双线性单元,但此类单元在梁柱构件受弯分析中计算精度不是很高.本文根据梁柱构件的力学性能,在三维连续介质体受到轴向变形和弯曲变形的状态下,利用其轴向变形和弯曲挠度相同,得到具有相同宽度和高度且刚度等效的超静定桁架力学模型.然后,通过桁架杆的截面参数求得弹簧的刚度系数,从而得等效弹簧元模型.本文提出的等效弹簧模型计算方法简单,便于扩展到更为复杂的构件分析中.     

应变硬化薄板夹持型滚弯成形过程分析

现存文献对薄板的连续滚弯成形过程的数学模拟多限于讨论三辊轮解锥型弯板过程,且基于较多的假定和板的小变形情况。而开发有更多的功能和更高的生产效率的四辊轮连续弯板机需研究夹持型滚弯成形过程。本文将「１」的工作,理想塑性材料平面应变薄板的夹持型连续滚弯成形过程的弹塑性大变形弯曲的力学分析,推广至一般应变硬化材料的情形。得出了控制微分方程的解析解。采用固支边界条件模拟刚度很大的平持系统对板的夹持。通过对线     

随机边界弹性约束预应力钢桁架随机内力摄动分析

为了更合理地模拟实际边界条件，本文在钢桁架各支承处引入一组弹性约束，并以边界性约束刚度的随机性，在建立拉索式预应力钢桁架基本计算基本理论的基础上，推导了拉索式预应力钢桁架随机内力摄动分析一一般公式，并给出了算例。     

Effective couple-stress continuum model of cellular solids and size effects analysis

The purpose of this paper is to develop a homogeneous, orthotropic couple-stress continuum model to take the place of the periodic heterogeneous cellular solids. Through generalizing the definition of the characteristic length for isotropic couple-stress continuum, four characteristic lengths are introduced as material engineering constants for such kind of continuum. In order to determine the effective moduli and the characteristic lengths of the effective couple-stress continuum, a Representative Volume Element (RVE) method is constructed. The effective properties are obtained based on the response of the RVE under prescribed boundary conditions, and our results agree with the analytical solutions in literature. In addition, the influences of the relative density, the topology, the size, and the properties of the solid material of cellular materials on the effective moduli as well as the characteristic lengths are discussed, respectively. Furthermore, the size effects in cellular solid beams are investigated using our effective couple-stress continuum model. The results show that the developed continuum model in this paper can precisely capture the size effects in cellular solids.     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

基于水平集法的薄板加强筋分布优化理论研究

基于水平集方法,提出薄板加强筋分布的拓扑优化理论。采用Kirchhoff板单元,通过刚度等效,分别使用不同的抗弯刚度表征薄板与加强筋,继而通过水平集方法描述加强筋的布局并进行加强筋分布拓扑优化。以最小柔顺度为设计目标,进行了几种典型载荷下加筋板结构的加筋分布优化设计,通过与变密度方法（SIMP）结果以及现有文献设计结果进行对比,验证了本文提出的加强筋分布拓扑优化理论。结果显示,本文方法能够避免灰度单元,获得清晰的加强筋优化布局和尺寸。     

A lattice deformation based model of metallic lattice sandwich plates subjected to impulsive loading

A lattice structure deformation mechanism based theoretical model is developed to predict the dynamic response of square lattice sandwich plates under impulsive loading. The analytical model is established on the basis of the three-stage framework proposed by Fleck and Deshpande (2004). In the first stage, the impulse transmitted from air shock loading to the sandwich plates by fluid-structure interaction is analytically calculated. The lattice core suffers non-uniform compression in the second stage due to the clamped boundary conditions. The structure deformation mechanism is introduced in the lattice core compression and the analytical nominal stress–strain curve of core compression accords well with previous experimental results. In the final stage, the sandwich plate is analyzed as a continuum plate with non-uniform thickness deduced by inconsistent deformation of the front and back sheets.The experiment results of square metallic sandwich plates with tetrahedral lattice core are presented and compared with analytical prediction to validate the theoretical model. Good agreements are found between the predicted and testing results for both the impulse transmitted to the sandwich plates and the maximum deflection of the back face sheet.     

利用有限元构造Michell桁架的一种方法

提出了一种新的形成Michell桁架的有限元分析方法.该方法以纤维增强正交各向异性复合板为材料模型,根据有限元分析结果调整各单元的纤维密度和方向.采用所提出的一种迭代格式,经过少量迭代,形成满足Michell准则的应变、内力场.该方法适于不同几何形状、支撑条件及荷载情况.算例结果表明该方法是有效的.     

复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动分析

点阵夹芯结构是一种由上下面板和中间点阵芯子组成的新型轻质多功能结构.由于该结构具有独特的结构形式,其力学特性分析比较复杂.论文将离散的点阵芯子等效为连续均匀材料,研究了复合材料四面体点阵夹芯梁的自由振动特性.考虑面板的弯曲变形和芯子的剪切变形,根据Hamilton变分原理,推导出复合材料点阵夹芯梁的自由振动控制方程.以...