基于分子动力学模拟的多晶结构微观热-力耦合行为的计算

基于分子动力学模拟,建立了一套可用于表征微观下多晶结构热-力耦合行为的算法框架。该算法的要点是将连续模型和分子模拟耦合起来,并使守恒定律在微观连续模型和原子层次上都得到满足,与利用传统的连续介质力学建立晶界与晶粒的本构方程相比,本模型中的连续流是通过原子模型准确计算得到的,从而避免了使用经验的本构方程。     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

周期性复合材料湿热力耦合问题的二阶渐近分析

渐近均匀化方法是一种很好的分析复合材料力学性能的方法.通过建立考虑材料湿热效应的双尺度渐近展开模型,研究了周期性复合材料在湿、热、力耦合作用下的结构响应.将带有小参数的位移渐近展开式代入湿热力耦合控制方程,利用等效积分\"弱\"变换推导出复合材料等效参数的单胞控制方程以及均匀化方程.为了提高计算精度,本文对均匀化解进行了一阶和二阶修正,利用FreeFem++软件进行了数值模拟.结果显示:双尺度二阶渐近分析能够高效、准确地计算出一系列多场耦合问题,为研究周期性复合材料的力学性能提供了新的方法.     

基于精化高阶理论的层合板热-力问题有限元分析

基于精化高阶理论,建立了层合板有限元模型,编制了相应的MATLAB程序.分析了三层四边简支层合板在力荷载作用下的响应,与解析解吻合良好.分析了热-力共同作用下层合板的响应,与基于ABAQUS软件建立的精细有限元模型计算结果相对比,验证了模型的高效性.研究了跨厚比和铺设方式对层合板层间应力的影响,结果表明:跨厚比对层间应力影响显著,两者之间大致呈反比例函数关系;对称铺设方式可以有效降低层合板中的层间应力.     

固体的统计细观力学——-连接多个耦合的时空尺度

从固体力学所面临的新的挑战------多物理、多尺度耦合及其现状的描述开始, 以层裂过程为例, 说明了这些多尺度非平衡问题的基本困难在于, 在固体中不同尺度上有不同的微结构层次及不同的演化物理和速率. 接下来, 概述了一些针对这一困难的独特的思路及其成果. 第3部分强调了一些统计平均方法的范式, 以及处理包含多个时间和空间尺度的问题的新思路, 特别是非平衡损伤演化导致宏观失效的问题. 在第4部分, 简要评述了一些连接多个空间和时间尺度的细观力学框架, 如位错理论, 物理细观力学, Weibull理论, 随机理论等, 并且阐述了其中蕴含的跨尺度耦合的机理. 然后, 在第5部分, 回到了描述损伤演化过程的框架, 也就是统计细观损伤力学以及它的跨尺度封闭近似. 基于这些跨尺度框架, 在第6部分, 对控制跨尺度耦合的可能机理进行了评述和比较. 由于对失效时灾变的洞察与跨尺度强耦合紧密相关, 一些非平衡和强相互作用的新概念在第7部分进行了讨论. 最后, 以一个简短的总结和一些建议结束.     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性.同时,组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异.当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时,存在以下两个难点:一是随机变量众多,使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求;二是由于随机参数之间存在高维相关性,需要建立高精度的相关性模型.针对以上问题,本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法,综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数,基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性.该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布,并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递.结果显示,本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致,且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性.同时,组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异.当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时,存在以下两个难点:一是随机变量众多,使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求;二是由于随机参数之间存在高维相关性,需要建立高精度的相关性模型.针对以上问题,本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法,综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数,基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性.该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布,并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递.结果显示,本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致,且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.     

水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。     

复合材料框架结构刚度几何双尺度优化设计

航空航天结构对超轻质大跨度框架类结构提出了迫切的需求,考虑纤维增强复合材料框架结构宏观与微观的可设计性,基于结构与材料一体化优化理念,研究了复合材料框架结构宏观拓扑与微观纤维铺层参数并发优化的双尺度优化问题。以宏观管件构件内半径与微观连续纤维缠绕角度为两类独立的设计变量,建立了以最小化结构柔顺性为目标函数、材料用量为约束的双尺度复合材料框架结构优化列式,给出了宏微观设计变量灵敏度信息的求解算法。讨论并对比了单尺度微观纤维缠绕角度优化、宏观截面拓扑优化与宏微观双尺度并发优化。数值算例表明,双尺度并发优化设计可进一步发掘结构与材料的承载潜力,实现既定性能下的结构轻量化设计。     

大型正交异性结构动力学分析的空间-时域多尺度方法及应用

为了更加精确、快速地求解大型正交异性结构整体及局部动力响应,提出了基于有限元模态分析和参数优化的等效及多尺度建模方法,在等效建模时可以充分考虑结构细节对整体动力学属性的影响,在时域内采用基于显式中心差分子循环算法求解系统方程,可以减小局部精细建模带来的求解时间惩罚。通过大型盾构隧道地震响应以及船-桥碰撞过程仿真计算验证了方法的有效性和实用性,仿真得到的响应规律可为相关结构设计提供参考。     

The OPCM strain gauges for strain and stress measurement of orthotropic material structures

The orthotropic mechanical sensor of piezoelectric composite material made from piezoelectric ceramic and resin materials and their sensing mechanism are presented. The sensing equations of the adhered-and embedded-type sensing units are deduced, which are used to detect the stresses in orthotropic material structures. The surface strain of the orthogonal plate is measured under the action of the planar stress field, and the error is analyzed. Supported by the National Natural Science Foundation (No. 59635640), the Science Foundation of Jiangsu Education Committe (99KJD130001) and the Science Foundation of Jiangsu Province (BK99116).     

双层纤维压电智能薄板几何非线性建模与分析

纤维压电MFC(Micro-Fiber Composite)的强致动力和高柔性等特点具有广泛的应用前景,但是材料组成结构复杂给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,采用冯卡门非线性、中等转角及大转角几何非线性等理论,建立了MFC压电智能结构的多种几何非线性有限元模型。同时该模型考虑了压电纤维角度变化对结构形变的影响。分别对两种不同结构的MFC进行了建模与仿真,分别是MFC-d31和MFC-d33,前一种主要利用压电d31效应,而后一种主要利用压电d33效应。随后,通过一压电悬臂梁结构实验数据验证了模型的准确性。最后,利用所建模型对一种双层纤维压电智能薄板结构进行了几何非线性的计算与仿真。     

用于正交异性材料构件应变、应力测量的OPCM传感元件研究

介绍了由压电陶瓷和树脂材料构成的正交异性压电复合材料（Orthotropic Piezoelectric Composite Material,简称OPCM）应变传感元件的构造及传感原理，推导了粘贴式和埋入式OPCM传感元件测量正交异性材料构件中应力的传感方程。对受平面应力场的作用的正交异性板的表面应力，应变进行了实测研究，并对测试误差进行了分析。     

数据/物理驱动的复合材料非线性力学响应代理模型

复合材料因其优异的力学性能在多个工业领域获得广泛应用。复合材料结构的多尺度力学响应分析计算量巨大,对开发高效高精度的数值计算方法带来挑战。近年来深度学习等人工智能技术快速发展,为复合材料多尺度力学响应分析带来机遇。目前复合材料多尺度分析采用的代理模型大多单纯由数据驱动,物理解释性较差。针对由两相超弹性材料组成的复合材料代表性体积单元,本文采用数据/物理共同驱动的神经网络建立了三种非线性力学响应代理模型,采用不同的构建策略实现在代理模型中融入不同程度的物理解释;通过对代表性体积单元等效力学行为的预测,综合对比分析了三种代理模型在计算效率、精度和适用性等方面的表现,为平衡数据驱动和物理解释性以建立有效的复合材料力学响应代理模型提供了参考。     

插秧机微机械陀螺随机误差分析及建模

微机械陀螺广泛应用于组合导航系统.以插秧机 GPS/INS 组合导航系统为研究背景,针对微机械陀螺的误差进行了研究.为了提高插秧机组合导航系统的定位精度,首先通过分析微机械陀螺的工作原理对微机械陀螺的误差来源和分类进行了深入的分析,说明微机械陀螺的随机误差是影响插秧机组合导航系统定位精度的一个主要因素.然后基于时间序列的分析建立了微机械陀螺的 AR 随机误差模型,并利用此模型采用 Kalman 滤波算法对采集的试验数据进行处理.实验结果表明,在采用 AR模型后,微机械陀螺的随机误差的方差减小了一个数量级,随机误差的幅值也明显减小.     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.