考虑压电驱动元件布局的作动器拓扑优化设计

工程中常需要设计各种各样的作动器以满足一定的驱动要求。本文采用拓扑优化的方法设计以压电材料为驱动的作动器。通过拓扑描述方法和RAMP（Rational Approximation of Material Properties）材料插值模型相结合的建模方式,建立了压电驱动元件布局与柔性机构构型协同设计的优化模型;以电压的...     

多重故障模式下的电动伺服系统故障建模方法

针对电动伺服系统的多重故障建模问题,提出了基于仿真模型重构和故障模型嵌套组合的多重故障建模方法。将电动伺服系统划分为若干功能单元,在各功能单元仿真模型基础上,提炼故障描述函数,利用统一故障表达式构建各功能单元故障模型。为了有效描述系统多重故障,提出了功能单元内多故障模型逐层嵌套+功能单元间故障模型组合的故障建模方法,重点分析并给出了不同类型多重故障的故障模型嵌套原则。仿真分析和实验验证结果表明,所建立故障模型可有效描述多重故障发生时的系统工作性能,提出的多重故障建模方法合理有效,具有普遍适用性,为故障诊断、构建故障知识库和容错控制仿真验证等提供了良好的研究手段。     

胞元结构X-Ray三维成像及其FEM模拟

采用微纳米X-Ray断面成像技术,通过对含有CaCl2生物淀粉膨化结构材料三维成像规律的研究,确定了胞元体结构形态,并分析了断层胞元分布规律.建立了带有微细孔洞结构材料三维几何描述模型,通过理论建模和数字编程实现了与非线性有限元的连接,分析了微米级胞体材料受载后的场变量分布.     

城市道路交通问题与交通流模型

分析了目前城市道路交通存在的严重问题．从连续性描述、统计描述、离散描述3种研究方式,综述了交通流流体力学模型、气体动力论模型、跟驰和元胞自动机模型的研究进展,分析了主要交通流模型的建模思想、动力学方程(或演化规则)以及研究方法,展望了今后交通流模型的发展趋势．     

功能梯度材料热传导问题的近场动力学模型

当材料中存在不连续性缺陷的时候,传统的基于连续介质理论的方法在研究热传导问题时存在诸多不便．我们基于近场动力学方法(Peridynamics)建立了功能梯度材料的热传导模型,并且研究了在温度荷载作用下功能梯度材料的温度场的变化表现．该文概述了PD方法应用于热传导问题时的详细理论基础,描述了其建模思路以及计算体系,给出了使用PD方法模拟结构承受温度荷载时的计算格式,讨论了不同梯度形式对功能梯度材料内热传导的影响．算例结果表明：通过PD模型所得到的温度场与解析解吻合较好,证明了PD方法在分析功能梯度材料热传导行为等问题时的可行性．     

薄膜破坏过程数值模拟的MPM方法

将连续与不连续本构模型相结合用于薄膜破坏过程的模拟计算. 采用von Mises关联塑性本构模型描述材料的弹塑性变形过程，在塑性硬化和软化阶段通过检查分岔 是否发生, 从而判断是否有破坏出现，即材料出现应变局部化现象. 一旦出现破坏，则在发生 破坏的区域采用位移不连续(decohesion)本构模型进行模拟, 直到破坏面两侧材料完全分离. 分离阶段采用相应的分离算法同时运用黏性边界条件以提高计算效率. 结果表明结合连续与 不连续本构模型的方法, 能很好地模拟材料从局部化到完全破坏的过程，体现了材料破坏连续 建模的思想，可用于预测材料发生破坏的环境和形式, 从而通过改变材料工作环境提高其使用 寿命；同时数值算例也显示了物质点法(material-point-method, 简称MPM)的健壮性和有 效性.     

丁基橡胶粘弹性材料的非线性蠕变本构描述

对丁基橡胶ZN-17粘弹性材料进行了不同温度、不同应力水平下的蠕变实验,揭示了该材料的非线性蠕变特性。基于蠕变实验结果,对标准线性固体模型描述该材料蠕变行为的预言能力进行了评估,提出了新的非线性蠕变本构模型。通过与实验结果比较,表明新模型能较好地描述该材料的非线性蠕变特性。     

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

本文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究。该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为。本文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布。数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验。数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性。此外,本文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向。     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.      

感性材料与结构分析的两尺度模型

感性材料是一类基于植物仿生思想,利用化学能产生机械能的高能量密度智能材料。与植物感性运动类似,感性材料能够运用细胞半透膜,有选择、可控地将物质传输到体内产生定向变形。感性材料由基体材料中夹杂液体腔组成,液体腔周围有一层包含离子传输通道(离子泵、离子通道、离子协运机制等)的人工合成细胞膜。本文对感性材料的基本建模过程进行描述,建立了多感性驱动单元与结构相互作用的分析模型,并给出了计算结果。在感性单胞层次,通过对细胞膜离子传输过程以及结构力学模型进行耦合计算,再现感性运动中离子传输和基体结构的力学响应情况;通过改变各初始输入参数,研究不同参数对感性材料变形和响应过程的影响。