四角点简支双稳态层合板振动特性研究

双稳态层合板作为一种柔性可变体结构,为实现振动状态下的构型调控,将对其开展固有振动特性的 研究．本文以四角点简支约束的矩形非对称铺设双稳态板作为研究对象,运用最小势能原理、一阶剪切变形理 论、以及冯卡门几何非线性位移应变关系,得到双稳态板的两种稳态构型．首次给出了适合于四点简支的6参 数构型函数与17参数构型函数,研究对比发现对于稳态构型采用17参数的构型函数结果相对更精确;对于应 用线性位移应变关系的基于任一稳态构型下振动固有特性而言,这两种构型函数得到的结果基频相差2 %,其 它阶次频率相差也不大．随后采用6参数构型函数得到的稳态构型研究了几何尺寸、铺层数分别对两种稳态构 型固有振动特性的影响．本研究对于进一步研究该类结构动态跳变机理具有重要意义．     

分级周期梁结构的振动带隙特性优化研究

针对分级周期梁结构,进行了振动带隙特性优化研究,以期提高结构的减振性能。采用谱元法计算分级周期梁的频响曲线,并结合传递矩阵法计算结构的色散关系,将两种方法相结合来研究结构的振动带隙特性。构建带隙占比函数作为优化目标函数,将单胞结构的尺寸作为优化参数进行带隙特性优化。经过优化,使得在研究频段内带隙特性大大提高。通过与有限元法和振动实验相对比,验证了谱元法计算和优化结果的正确性。研究内容对于提高周期结构的振动带隙特性和减振应用提供有益参考。     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

基于手性特征可调力学参数结构设计方法研究

针对航天航空及生物医学等领域对可变力学参数材料结构的需求,通过细观结构设计研究了实现材料宏观力学参数可调的方法。首先对可实现多种变形形式的四阶与反四阶手性负泊松比二维结构进行了不同组合;再基于能量原理理论研究了组成结构的平面弹性响应,得到理论表达式并分析了基元微结构构型变化及宏观力学响应的变化规律,进而探索变力学参数材料结构的设计方法。结果表明:手性特征的引入是实现力学参数可调的有效方法,通过改变表征手性特征的微结构参数,可以实现结构宏观力学参数的主动调控。在此基础上,通过对不同基元进行随机组合,得到了可以满足刚度动态可调的结构。本文提出的变刚度结构设计理论及方法可为变力学参数结构设计提供相应的理论依据及设计参考,对航空航天及生物医学等领域的各种变力学参数元器件的设计及应用具有一定的指导意义。     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.      

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距.为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗.基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型.为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度.进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异.最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化.拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.     

二维格栅材料带隙特性分析与设计

周期性材料或结构常表现出阻断特定频段的波传播的特异性质(带隙性质),通过合理设计可以调整带隙的位置和带宽等, 带隙材料在滤波、导波、隔音、隔振等方面有巨大的应用潜力. 据此背景, 研究了材料微结构构型对带隙性质的影响. 分析和比较了三角形、米字形、四边形、六边形、反六边形、Kagome形和钻石形等7种典型拓扑构形格栅材料的带隙性质与弹性波在其中的局部衰减特性, 提出了可表征特定带隙性质的目标函数, 从而对不同构型的材料进行选优; 进一步得到并数值验证了材料微结构中几何参数对带隙性质的影响规律, 为通过改变构型几何参数设计具有特定性质的带隙材料提供参考.      

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的 广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞 结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构 双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指 出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征. 逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂 非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动. 根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的 吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的 多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非 线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.      

基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构

现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变?位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.      

多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征.逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动.根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.     

Improvement of Mechanical Properties of Wood-Plastic Composite Floors Based on the Optimum Structural Design

A study is carried out on the structural design of wood-plastic composite floors. The geometric parameters of the cavities, the structure, and the means to optimize the performance of these light boards are investigated. Various structural parameters of the boards, such as size,shape, and the pattern of cavities are also studied. The optimal structure can be determined by calculation and analysis of the strength, stiffness, weight and cost of the material. A finite element model for the mechanical analysis of wood-plastic composite floors is established; and the results are used to verify the strength criteria under bending deformation, which is the most common loading condition of flooring board.     

基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模

提出了一种基于弹性力学第一性原理的数据驱动力学建模方法,其能够从基于弹性力学方程的数值计算结果建立简洁且能准确捕捉变形机制的力学模型。基于有限元计算得到的高精度数据和无监督数据驱动控制方程识别方法Seq-SVF,从梁的载荷和位移数据中自动识别出了Timoshenko梁形式的弯曲控制微分方程,得到了三种不同加载条件下剪切影响系数关于结构尺寸和力学参数的函数表达式。揭示了经典模型适用的加载条件,同时还给出了一种未发现的新模型。通过将基于弹性力学的第一性原理计算与数据驱动范式相结合,克服了传统建模方法的局限性和对人类经验的强依赖性,为建立简洁的力学模型提供了一种新途径。     

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

功能梯度变曲率曲梁的几何非线性模型及其数值解

基于弹性曲梁平面问题的精确几何非线性理论,建立了功能梯度变曲率曲梁在机械和热载荷共同作用下的无量纲控制方程和边界条件,其中基本未知量均被表示为变形前的轴线坐标的函数。以椭圆弧曲梁为例,采用打靶法求解非线性常微分方程的两点边值问题,获得了两端固定功能梯度椭圆弧曲梁在横向非均匀升温下的热弯曲变形数值解,分析了材料梯度指数、温度参数、结构几何参数等对曲梁受力及变形的影响。     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

Theoretical and numerical investigation of HF elastic wave propagation in two-dimensional periodic beam lattices

The elastic wave propagation phenomena in two-dimensional periodic beam lattices are studied by using the Bloch wave transform. The numerical modeling is applied to the hexagonal and the rectangular beam lattices, in which, both the in-plane （with respect to the lattice plane） and out-of-plane waves are considered. The dispersion relations are obtained by calculating the Bloch eigenfrequencies and eigenmodes. The frequency bandgaps are observed and the influence of the elastic and geometric properties of the primitive cell on the bandgaps is studied. By analyzing the phase and the group velocities of the Bloch wave modes, the anisotropic behaviors and the dispersive characteristics of the hexagonal beam lattice with respect to the wave prop- agation are highlighted in high frequency domains. One im- portant result presented herein is the comparison between the first Bloch wave modes to the membrane and bend- ing/transverse shear wave modes of the classical equivalent homogenized orthotropic plate model of the hexagonal beam lattice. It is shown that, in low frequency ranges, the homog- enized plate model can correctly represent both the in-plane and out-of-plane dynamic behaviors of the beam lattice, its frequency validity domain can be precisely evaluated thanks to the Bloch modal analysis. As another important and original result, we have highlighted the existence of the retro- propagating Bloch wave modes with a negative group veloc- ity, and of the corresponding ＂retro-propagating＂ frequency bands.     

基因芯片纳米力学行为的能量模型

本文利用能量法研究了无标记生物检测中基因芯片的纳米力学行为.首先,在考虑微悬臂梁机械能和基因层静电能、构型熵、渗透能的情况下,借助Strey通过实验得到的双链DNA(dsDNA)自由能的经验势,建立了DNA纳观几何、物理、化学特征以及芯片几何尺寸、宏观力学性能等因素与基因芯片总能量之间的关系.其次,利用能量最小原理预测了Wu实验中基因芯片的纳米挠度响应.数值计算结果与Wu的实验数据比较表明,芯片的弯曲挠度随着DNA链长的增长而增加,且数值结果与实验数据吻合良好;同时四层梁模型和两层梁模型的比较表明,金层和铬层对芯片纳米挠度的影响不可忽略.     

In-plane mechanical behaviors of 2D repetitive frameworks with four-coordinate flexible joints and elbowed beam members

The mechanical properties of an open-framework structure constructed of joints and beam members are strongly influenced by both its geometrical configuration and joint flexibility. This paper clarifies the relationship between joint flexibility and Poisson's ratio, which is a mechanical criterion for solid deformation, and discusses two types of in-plane anisotropic structures made up of four-coordinate flexible joints and elbowed beam members. Uniaxial tensile analyses estimate the linear and nonlinear elastic properties of these frameworks by applying straightforward joint modeling with multi-rotational degrees of freedom. The numerical results show that these proposed frameworks produce a variety of deformability dependent on the joint flexibility in auxetic deformation with a negative Poisson's ratio, the folding mechanics under kinematic indeterminacy, and the transition of Poisson's ratio between the positive and negative values. The geometrical and topological aspects of the obtained mechanical behaviors are discussed.     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．