层间接触对沥青路面粘弹性动力响应影响研究

为分析沥青面层材料粘弹特性及路面各层间接触条件对沥青路面动力响应的影响,基于解析的方法,开展了层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的求解工作．采用修正的Burgers模型定义沥青面层材料的粘弹性本构关系,考虑沥青路面层间接触条件,在车辆荷载作用下,建立沥青路面的理论计算模型;通过Laplace-Hankel积分变换将偏微分方程组转化为常微分方程组并对问题进行求解;采用转换矩阵表征层间接触条件,求得层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的解析表达式．从沥青路面实例计算结果发现：修正的Burgers模型中的瞬时弹性模量参数是对弯沉计算结果影响最大的因素之一,路表弯沉随的增大呈下降趋势,特别是当较小时,这种趋势尤为明显;沥青混合料本构模型中的粘弹性修正系数B和黏性参数是影响路面路表弯沉计算结果的另两个重要因素,并且B和对弯沉峰值出现时间的影响具有相反的趋势;层间的非完全连续条件对沥青路面动态弯沉计算结果影响较大,并以面层与基层间的非完全连续对弯沉计算结果影响最为显著．     

残余应力与残余应变的几何作图法

理想弹塑性材料截面受弯达到部分塑性后完全卸载将存在残余应力与残余应变。本介绍了求解这种残余应力与残余应变的几何尺规作图法。     

微凸体碰撞对接触应力应变的影响

基于有限元法建立了单对半球状微凸体的接触、碰撞模型,研究了碰撞对微凸体在完全弹性、弹塑性和完全塑性三种接触状态下的Mises应力分布和等效塑性应变(PEEQ)的影响.结果表明:接触变形状态不同时,微凸体的Mises应力分布在碰撞过程具有不同的变化过程,但碰撞结束后,Mises应力值都降低,仅在完全塑性接触时,个别节点的Mises应力峰值大于屈服极限.碰撞使微凸体的等效塑性应变迅速增加到峰值,并保持到碰撞结束,与接触变形状态无关.完全弹性、弹塑性接触状态和完全塑性接触状态下,微凸体等效塑性应变的峰值分别位于接触中心区域和应变峰值环,这意味着裂纹可能产生的部位也不同.     

循环接触下安定状态问题的研究

基于线性随动强化理论,运用算子分离技术,研究将弹塑性问题转换为弹性问题和残余问题的分析方法,且针对循环载荷接触安定状态,建立了计算机分析程序,该研究能够分析计算弹塑性接触载荷在安定状态下的应力、残余累积应变及残余应力,分析计算了不同载荷的安定状态,并探讨其残余应力场的分析方法。     

变曲率连续滚滑接触安定性的数值方法研究

针对接触表面变曲率的特点,引入局部坐标系,构造出局部坐标下残余应力应变场的分布状态,建立了变曲率连续啮合过程中安定状态残余应力的计算方法。该数值方法将弹塑性问题分解为弹性问题和特征应变决定的残余问题,并采用增量映射方法求解特征应变决定的残余问题,可直接得到接触安定状态下的接触残余应力,并随之进行安定极限的判定。采用该数值方法计算了不同曲率处接触点的安定极限,给出了安定极限与摩擦因数之间的关系,并与有关数值结果相比较,验证了该算法的有效性。     

车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁系统随机振动分析

视车辆、路面体系和桥梁为整个系统,将车辆模拟成弹簧和阻尼器连接的多刚体,沥青路面层模拟成Kelvin模型支承的无限长梁,混凝土路面和主梁一起模拟成Euler-Bernoulli梁。应用弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的"对号入座"法则,建立了系统的竖向运动方程;并运用协方差等效方法模拟了车轮随机输入非平稳时域模型。研究了车辆制动作用下的车辆-路面-桥梁耦合系统的振动特性。计算表明:在其他条件相同时,刹车时,混凝土路面层对应的冲击系数为沥青路面层所对应系数的1.31倍;刹车时间为0.3 s时对应的冲击系数为刹车时间0.6 s所对应的1.29倍;路面的不平状况加剧了车辆制动作用时对桥梁冲击系数的影响。     

铁磁梁式板的磁弹塑性动力特征分析

针对典型的矩形磁脉冲,研究了横向磁脉冲作用下线性强化材料铁磁梁式板的磁弹塑性动力响应及其动力失稳特征,给出了线性强化铁磁梁式板的弹塑性动力失稳特征曲线;探讨了塑性应变强化系数对铁磁梁式板的动力响应特征曲线、最终平衡位置、残余构形等的影响.数值结果表明:在同等条件下,塑性应变强化系数越大,其相应铁磁梁式板的动力失稳磁场值越大,其相应的残余构形越小.     

含脱层损伤复合材料层合梁冲击动力响应实验研究

对纤维增强复合材料层合梁在受轴向冲击时的动力响应问题进行了实验研究。实验以单向玻璃纤维布和环氧树脂材料制作试件,在层间预埋薄铜箔模拟脱层损伤。采用激光测速仪测量子弹速度,动态应变仪和TDS420A数字示波器记录应变时程曲线进行动力响应分析。实验结果表明铺层角度是决定材料性能的主要原因,脱层损伤的存在及大小对动力响应和发生动力屈曲有重要影响。此外,初始缺陷的影响也是不可忽视的重要因素。     

现场实测结构温度对半刚性沥青路面性能的影响

针对中国特色的半刚性基层沥青路面,在广韶高速公路瓮城段进行为期一个月高温期的现场温度观测。运用三维有限元方法,结合现场实测温度,分析了半刚性沥青路面结构的最大拉应力、最大剪应力和最大路表弯沉在荷载和荷载耦合作用下的变化情况。结果表明,随着路面深度增加,温度波动的幅度逐渐减小;路面内的最高温度相对大气和路表温度滞后约1小时;沥青路面内部温度高于表面温度;大气、路表和路面内部温度变化基本同步,温度波峰与波谷的出现频率相同;在温度和荷载综合作用下,路表以下2cm深度范围内易出现因拉应力不足造成的开裂破坏;路表以下10cm深度范围内,较易出现剪切破坏;高温温度场的存在虽不会明显增大路面结构各层的拉应力与剪应力,但会明显增大路表弯沉,故易产生车辙破坏。     

低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.      

A DYNAMIC RESPONSE PREDICTION MODEL OF FIBER-METAL HYBRID LAMINATED PLATES EMBEDDED WITH VISCOELASTIC DAMPING CORE UNDER LOW-VELOCITY IMPACT EXCITATION 1)

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.     

关于安定定理的推理

1.静力安定定理的推理对于理想弹塑性物体,若以σ_(ij)、ε_(ij)表示该物体处于弹塑性状态时的实际应力和实际应变,以σ_(ij)~e、ε_(ij)~e表示在加载过程中相应于完全弹性体中的应力和应变,以σ_(ij)~r、ε_(ij)~r表示其实际的残余应力和残余应变,则有     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

上覆单相弹性层的饱和地基上弹性圆板轴对称竖向振动分析

基于弹性层和饱和土半空间轴对称弹性波动方程，运用Hankel积分变换方法，得到它们在变换空间内的解．进而由层间完全接触条件及圆板底面的混合边值条件，构造一组描述上覆单相弹性层的饱和地基上弹性圆板轴对称竖向振动的对偶积分方程．将该对偶积分方程化为易于数值计算的第二类Fredholm积分方程，求得地基表面动力柔度系数随无量纲频率的变化曲线及弹性圆板的相对位移幅值．     

移动荷载下路面板-层状多相弹性地基的稳态响应

考虑路面板和地基的相互作用,将路面板作为三维弹性体,建立路面板-层状多相弹性地基动力响应的三维多相层状弹性半空间体模型,分析了移动荷载作用下路面板-多相弹性地基系统的动力响应.将移动单元法引入到两相饱和弹性介质的半解析方法中,构造了随荷载按照相同速度运动的移动层单元,基于移动坐标下两相饱和弹性介质的动力控制方程和边界条件,应用加权残数法建立了两相弹性介质移动层单元动力方程,该方程可退化为单相弹性介质移动层单元动力方程,基于此,建立了移动荷载下多相弹性地基与路面板系统的三维动态响应的统一的半解析方程.并以两相饱和弹性半空间地基-单相弹性地基-路面板所形成的路面结构为例,数值分析了荷载速度、饱和层渗透系数、弹性层厚度等参数对路面板位移和土体孔压响应的影响.研究结果表明移动单元法是研究移动荷载下路面结构动态响应的一种有效的方法.     

斜冲击界面动力学研究

讨论了界面受到斜冲击时的动力学问题。有效冲击摩擦系数被处理成冲击过程及初始冲击角的函数 ;界面的法向响应描述计及弹性接触、弹性变形极限以及依赖于应变、应变率及温度的完全塑性接触 ;界面在冲击过程中的构形变化也予考虑 ,并采用平均应变、应变率及最大温升的概念与估算。这种新的斜冲击界面动力学模型用于数值模拟刚性球对于延性靶的斜冲击实验 ,计算与实验比较 ,结果是令人满意的。     

水工圆形隧洞围岩衬砌摩擦滑动接触的新解法

在实际工程中,围岩和衬砌接触时,它们之间并非完全光滑,也并非可以承受任意大的摩擦力.如果围岩与衬砌之间的剪应力大于所能承受的最大静摩擦力,接触面间将发生切向滑动,定义接触面上产生最小滑动量的状态为衬砌的真实工作状态,这种接触即为摩擦滑动接触.以库仑摩擦模型模拟围岩和衬砌之间的摩擦滑动接触,在考虑支护滞后效应的前提下,利用平面弹性复变函数方法列出了应力边界条件、应力连续条件以及位移连续条件的方程, 再结合最优化理论,建立了具有一般性的摩擦滑动接触解法.在利用混合罚函数法求解最优化问题的过程中,减少了设计变量的个数,极大地简化了优化模型,提升了优化过程的迭代速度以及优化结果的精度.以此为基础,获得了围岩和衬砌相互作用下圆形水工隧洞的应力解析解.该方法可以求解光滑接触和完全接触两种极限情况,具有一般性.同时,利用一种精确的计算方法得到了不同情况下满足完全接触条件摩擦系数的阈值,还分析了衬砌和围岩边界上切向应力的变化规律.      

NiTi合金伪弹性退化规律及尺度效应的试验研究

以NiTi合金在结构振动控制中的应用为背景,试验研究了加卸载循环次数和直径尺度对NiTi合金丝伪弹性特征的影响规律。研究结果表明,NiTi合金丝的残余应变随循环次数的增加呈指数关系增加,而其马氏体相变开始应力、奥氏体弹性模量、相变应变和等效阻尼比随循环次数的增加呈指数关系降低;随着直径尺度增加,循环加卸载后,NiTi合金丝的伪弹性退化程度显著增加。此外,残余应变与残余内应力、奥氏体弹性模量以及相变应变之间的线性关系揭示了NiTi合金伪弹性退化的内在机理。     

多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展

接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象, 其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要. 静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法, 在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异. 本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手, 详细介绍了两类模型的区别与联系. 首先, 根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型, 讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系, 阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题. 其次, 着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段), 分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点. 同时, 以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度, 避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差, 根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子. 探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系, 数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性. 另外, 为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题, 通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型, 并以一维球链为例, 证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度. 最后, 本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状, 并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.      

NiTi合金力学和阻尼性质研究及伪弹性退化分析

试验考察了NiTi合金在不同应变幅值循环载荷作用下的力学特性和阻尼性能,并引入了残余内应力分析伪弹性退化机理。用马氏体相变开始应力、残余应变等参数表征NiTi合金伪弹性特征,用等效阻尼比表征NiTi合金的阻尼性能。试验结果分析表明:应变幅值增加会加快NiTi合金伪弹性随循环次数的退化;当应变幅值处于马氏体相变开始和结束应变之间时,不同应变幅值下NiTi合金的马氏体相变平台随循环次数增加同步降低,且当NiTi合金在相变中段卸载时其阻尼性能最好;结合残余内应力与残余应变正相关线性关系可分析NiTi合金伪弹性退化内在机理。该研究可为循环载荷下NiTi合金伪弹性行为的准确描述提供依据,并可为NiTi合金阻尼器的设计提供参考。