纳米流控能量吸收耗散系统

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统(nanofluidic energy absorption system,NEAS)将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷-位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态(即是否可以重复使用),并通过载荷-位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

爆炸载荷下RC单向简支板的能量法优化设计

由钢筋混凝土(RC)板的抗力-位移(R-y)曲线特性可知,曲线下方面积代表板 在爆炸载荷作用下可能吸收的能量. 对爆炸载荷作用下RC板的R-y曲线采用双折线模型,计 算不同配筋率的R-y曲线下方面积,面积最大时的配筋率即可定义为相应设计的最佳配筋率. 考虑材料非线性及高应变率对混凝土和钢筋强度的影响,采用分层法迭代求解抗 力-挠度(R-y)曲线. 研究结果可供受爆炸载荷的RC板优化设计借鉴.     

纳米流控能量吸收耗散系统

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统(nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS)将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分于动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态(即是否可以重复使用),井通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

Nanofluidic energy absorption system: A review

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统（nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS）将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态（即是否可以重复使用）,并通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

多次低强度冲击对蜂窝纸板缓冲性能的影响

针对多次低强度冲击缓冲包装材料局部损伤研究的不完善,本文首次研究了多次低强度冲击对蜂窝纸板缓冲性能的影响。首先对蜂窝纸板进行5cm高度下的低强度多次冲击,再进行80cm高度下较高强度的一次冲击,以模拟实际产品运输过程中的冲击与跌落。通过实验获得了蜂窝纸板的载荷-位移曲线和能量吸收图。结果表明:1首次低强度冲击后蜂窝纸板出现屈曲和折叠,载荷-位移曲线出现屈曲峰值;受到重复冲击后折叠扩展,载荷-位移曲线由软弹簧变形阶段和平台阶段构成,屈曲现象不再明显,平台阶段的承载力比首次低强度冲击时的屈曲载荷下降了60%;随着低强度冲击次数的增加,蜂窝纸板在各次冲击时吸收的能量呈上升趋势;2蜂窝纸板剩余结构在经受较高强度冲击时,其载荷-位移曲线具有软弹簧变形阶段、平台阶段、密实化阶段的特征,平台阶段体现出明显的屈曲渐进过程;随着低强度冲击次数的增加,蜂窝纸板剩余结构在较高强度冲击时吸收的能量呈下降趋势。蜂窝纸板在经历多次低强度冲击后,虽有局部折叠,但仍能在一定程度上起到保护产品的作用,是一种理想的缓冲结构材料。     

面内压缩载荷和横向载荷共同作用下薄板的后屈曲性能分析

本文研究在面内压缩载荷和横向载荷同时作用下的薄板后屈曲问题。应用能量原理建立受面内压缩载荷和横向载荷共同作用时板的大挠度能量泛函,直接用最优化方法求上述能量泛函的极小值,从而得到了薄板的后屈曲平衡路径。所得结果同前人的解析解一致。文中分三种情况讨论了横向载荷对受压薄板的后屈曲性能的影响。     

FCC铝纳米压痕的多尺度模拟

采用准连续介质方法模拟面心立方(FCC)铝单晶薄膜在纳米压痕下产生的变形过程.分别用四种不同的压头宽度,得出载荷-位移响应曲线和应变能变化曲线,发现压头宽度越大,晶体产生塑性变形的临界载荷越大;临界载荷的大小和采用能量理论预测的大小基本一致;模拟过程中,观察到位错成核现象,了解到载荷-位移响应曲线的突降是由位错成核现象所引起,四种情况中压头载荷的降幅大致相同;最后分析了模型在原子层次下的变形机理.     

镍单晶薄膜纳米压痕的准连续介质模拟

用准连续介质方法模拟了大规模原子的镍薄膜在纳米压痕下发生初始塑性变形的行为.主要得到了:(1)载荷-位移响应.在载荷位移曲线上除了反应晶体弹性性质的直线外还有数次的载荷突然下降过程.(2)位错形核现象.与载荷-位移曲线上的载荷突然下降相对应的在受压的晶体上发现了位错形核现象,说明载荷的下降是因为位错形核引起的.(3)位错的发射机制.用Peierls-Nabarro位错模型以及能量法分析了位错的发射机制,理论值与计算值吻合较好.(4)几何必需位错密度.用一个简单的模型计算了几何必须位错密度.此外还考虑了边界条件对模拟结果的影响.     

冲击载荷下不同荷电状态结构化锂离子电池负极响应分析

传统的锂离子电池研究多注重本身相关机理以及储能能力的提高，而结构化电池不仅能够储能，且可以作为结构本身承受一定载荷．本文设计了一种新型结构化电池石墨负极板，通过修正准静态下石墨的力学指标得到对应高应变率下的压缩应力-应变曲线、失效应变，采用数值分析方法对石墨负极板的承载能力进行了分析．同时，由于荷电状态(State of charge, SOC)会影响石墨的弹性模量、失效应变、厚度以及压缩应力-应变曲线等力学性能，因此在石墨的本构方程中考虑并修正了SOC产生的影响．通过有限元模拟了不同SOC下石墨负极板受到冲击后的响应，结果表明随着应变率或SOC增大，石墨负极板承载高速冲击的能力也随之降低．本文的研究成果可以为结构化电池负极的结构设计提供参考．     

血红细胞力学性能的纳米压痕实验和有限元模拟

采用纳米压痕技术和有限元方法研究了血红细胞的生物力学性能. 进行了血红细胞的纳米压痕实验, 得到了血红细胞的材料参数和变形形貌; 在实验基础上, 建立了血红细胞的三维有限元模型, 模拟了血红细胞的压痕载荷-位移曲线, 并考虑了参数效应. 数值模拟结果和实验数据符合很好. 通过改变压头与材料之间的摩擦系数和压头曲率半径等参数, 比较了载荷-位移曲线的变化情况. 研究表明摩擦系数对压痕载荷-位移曲线和应力分布影响很小, 而压头曲率对载荷-位移曲线的影响明显.     

基于损伤分布模型的震损RC框架力学性能分析与实证研究

震损结构的剩余荷载位移响应分析十分重要，是准确评估震后钢筋混凝土(RC)框架结构剩余性能的基础，然而震损结构损伤的不均匀分布为其荷载位移响应的定量分析带来了困难。本文基于纤维梁柱模型提出了一种能够考虑地震损伤不均匀分布的震损RC框架数值模型。基于震损RC框架的损伤现象对其损伤分布进行了量化，考虑了材料损伤沿柱高度与截面深度的分布；基于量化结果分别确定了RC框架中各纤维梁柱单元中不同位置处纤维的损伤本构关系，并对其剩余荷载位移响应进行了定量分析；以一个一榀三层四跨的RC框架试验为算例，对模型进行了验证。结果表明，本文模型能够较为准确地模拟震损RC框架的剩余荷载位移响应，其中最大剩余承载力、刚度和屈服强度等各项指标计算误差均值均在10%以下，因此本文模型能够为震后RC结构的评估工作提供一种新的思路。     

偏心迷宫密封动静特性研究

建立了不同偏心状态下迷宫密封三维数值分析模型，应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法计算密封静态和动态特性. 结果表明:转子偏心会降低密封抑制流体泄漏的效果；密封腔内周向压力高点随偏心率增大逐渐偏离最小间隙处. 低偏心率(≤ 0.5)下，静态直接刚度K与静态交叉刚度k变化较小，高偏心率(> 0.5)下K和k的绝对值减小. 随着偏心率的增大，密封小间隙侧流动黏性效应增强是产生负静态直接刚度的主要原因. 密封偏心涡动时，低偏心率(< 0.6)下刚度和阻尼系数变化较小，随偏心率和涡动频率的升高直接刚度逐渐变为负值；随偏心率的增大，交叉刚度在正交两个方向上大小不再相等，有效阻尼降低，高偏心率(≥ 0.6)下有效阻尼受偏心率影响更显著.      

基于应变能法的单搭接螺栓剪切模型

为了简化复杂结构在冲击数值分析中的大量螺栓连接,可用等效的载荷位移模型代替复杂的螺栓连接关系,本文中针对单搭接螺栓连接在剪切载荷下建立了连接本构关系。首先通过对有预紧力的单搭接螺栓进行实验和精细有限元模拟,揭示了螺栓剪切载荷位移曲线的特征并针对不同特征阶段进行了相应的物理机理分析。在此基础上对于载荷位移曲线的界面黏结、部分滑移、整体滑移阶段提出了连接本构模型的基本形式和各阶段的参数估算方法。在部分滑移阶段考虑了4个方面的刚度贡献,其中部件对螺栓的支撑刚度是三维非轴对称变形问题,理论求解非常困难,本文中通过应力分布研究,采用应变能法解决了螺栓的支撑刚度的估算问题。提出的单搭接螺栓剪切模型物理含义明确,参数估算简单,准确度高。     

基于非局部塑性模型的应变局部化理论分析及数值模拟

通过求解一个第二类Fredholm方程,得到了基于非局部塑性软化模型的应变局部化问题理论解,结果表明,只有在当采用过非局部修正形式的非局部塑性软化模型才能得到应变局部化解,且得到的塑性应变分布和荷载响应依赖于所引入的特征长度及过非局部权参数。通过一维应变局部化有限元数值解,验证了非局部理论的引入能克服计算结果的网格敏感...     

Combined numerical simulation and nanoindentation for determining mechanical properties of single crystal copper at mesoscale

Constitutive laws are critical in the investigation of mechanical behavior of single crystal or polycrystalline materials in applications spanning from microscale to macroscale. In this investigation, a combined FEM simulation and experimental nanoindentation approach was taken to determine the mechanical behavior of single crystal copper incorporating the mesoplastic constitutive model. This model was implemented in a user-defined subroutine in 3D ABAQUS/Explicit code. Nanoindentation was modeled using the multiscale modeling technique involving mesoplasticity and elasticity, i.e., mesoplastic constitutive model was used near the local nanoindentation region (where the dislocations are generated) while elastic constitutive model was used in rest of the region in the workmaterial. The meso-mechanical behavior of the crystalline structure and the effect of the mesoplastic parameters on the nanoindentation load-displacement relationships were investigated in the FEM analysis. Nanoindentation tests were conducted on single crystal copper to determine load-displacement relationships. Appropriate mesoplastic parameters were determined by fitting the simulated load-displacement curves to the experimental data. The mesoplastic model, with appropriate parameters, was then used to determine the stress-strain relationship of a single crystal copper at meso-scale. The effect of indenter radius (3.4-) on material hardness under nanoindentation was simulated and found to match the experimental data for several indenter radii (3.4, 10 and ). A comparison of the topographies of nanoindentation impressions in the experiments with FEM results showed a reasonably good agreement.     

斜圈弹簧力学性能的有限元分析

斜圈弹簧在医疗器械、高压开关、汽车工业等领域应用广泛. 但其结构特殊, 受力复杂, 目前尚无有效的理论计算方法得出其载荷位移曲线, 只能通过数值仿真的方法研究其力学性能. 利用有限元软件ANSYS参数化建立环形斜圈弹簧有限元模型, 通过对模型的分析求解, 得出了其主要参数线径、节距、倾斜角与斜圈弹簧力学性能之间的关系. 研究了斜圈弹簧工作状态下的受力变形情况, 计算分析结果为斜圈弹簧的优化设计和合理应用提供了理论依据.     

Evaluation of Ductile Damage Parameters under High Stress Triaxiality

The GTN model proposed by Gurson, Tvergaard and Needleman has been widely applied to predict ductile fracture. However, the evaluation of the GTN model under high stress triaxiality has only been reported in a few studies. In this paper, a series of tensile tests on round notched specimens were performed to evaluate the applicability of the GTN model parameters under high stress triaxiality. The evaluation was carried out by comparing the predicted load-displacement curves with experimental results. It was observed the GTN model parameters only depend on the material except the critical void volume fraction. The influence of stress triaxiality on the critical void volume fraction was discussed. A further discussion about the construction of a new void coalescence criterion for the GTN model was also presented in this paper.     

混凝土三维细观接触面模型数值模拟与CT试验验证

对混凝土三维随机骨料模型进行了改进,在骨料和砂浆之间加入了"面-面接触单元"模拟两者的接触特性,编制了相应的命令程序,称新模型为混凝土接触面模型.采用双折线损伤演化模型进行计算,对数值模拟结果进行了分析研究.从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面与CT试验结果进行了比较,表明试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT试验...     

Effect of parameters on the rubbing condition of an unbalanced rotor system with initial permanent deflection

A rotor-stator rubbing Jeffcott model of a rotor system with mass unbalance including the mass eccentricity and the initial permanent deflection was set up and the corresponding governing motion equation was derived by d’Alembert principle. Through the analytical method, the rubbing condition was analyzed. Whether the rub would happen and when the rub would happen were well solved. The amplitude of the rotor center was calculated, and the rubbing factor was introduced to determine whether the rub would happen or not for all rotating speeds. Rubbing speeds when rub began to happen were obtained. Parameters such as the mass eccentricity, the initial permanent deflection, damping coefficients, and the phase angle between the mass eccentricity and the permanent deflection were used to analyze their effect on the rubbing condition. Results were obtained and could be used to prevent the rubbing fault or decrease the damage of the rub and diagnose or balance the initial permanent deflection fault.     

基于三维各向异性分形理论的固定机械结合面法向接触刚度建模研究

摘要：将结合面微凸体拓展为椭球体,基于KE有限元模型,类比球形微凸体在弹塑性接触变形阶段法向载荷、接触面积以及变形量之间的关系,根据椭球体的弹性接触理论,采用代入法得到了表征椭球形微凸体弹塑性接触变形机制的对应关系式。结合三维各向异性分形几何理论得到了结合面接触点离心率的有效区间为[0,0.7374],在此基础上,假设结合面接触点离心率分布在有效区间内,在该区间上服从指数分布,且与接触点面积分布相互独立,根据概率论以及接触点的面积大小分布函数,获得了关于结合面接触点面积与离心率的二维联合分布密度函数,进而建立了包含椭球形微凸体完全弹性、弹塑性以及完全塑性三种变形机制的结合面法向接触刚度分形模型。所建模型理论刚度与实验数据的对比结果,表明了模型的正确性及有效性,能较好的预测固定结合面在轻载状态下的法向接触刚度。