低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

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．     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

热流密度/对流换热边界下双向梯度板的瞬态温度场分析

采用有限单元-有限差分法研究了热流密度/对流换热边界条件下双向梯度板的瞬态热传导问题。采用细观力学方法结合混合律准则描述了材料的热物理属性,通过推导一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型。计算给出了在考虑组份属性的温度效应下,温度场的时间响应历程以及不同时刻温度场的空间分布形式,并与材料属性温度无关时的计算结果进行了比较,最后讨论了相关参数对瞬态温度场的影响规律。结果表明：温度较低时,组份属性的温度效应对瞬态温度场影响很小;在 y 方向热流密度载荷的作用下,温度场沿 x、y 方向均存在明显的梯度;x 方向组份体积分布系数的增大,延长了温度场达到稳态需要的时间,绝对温度梯度沿 x、y 方向均增大,稳态温度场升高;增大 y 方向组份体积分布系数的值,情况相反。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

激光辐照下多层圆柱体中三维瞬态温度场的解析解

考虑外表面的气流影响和层间温度与传热的协调关系,建立了激光辐照下,层合圆柱体中的三维瞬态热传导解析模型。利用特征值法和Bessel函数,导出了各层柱体中三维瞬态温度场的封闭解析解。以一维轴对称问题为例计算了柱体中的瞬态温度场,给出了柱体内部温度随时间的变化和柱体表面换热系数对温度场的影响规律。本文的理论解可进一步用于分析层合圆柱体中的三维瞬态热-力效应,并可作为相应问题的数值模拟中数值模型的修正依据。     

空间薄壁管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对于辐射换热的薄壁杆件航天结构，为分析其在太空中不同时刻的姿态下的温度场和热变形，构造了一种相对自由度矩形管单元。其基本思想是从2维非线性瞬态热传导方程出发，假设沿矩形管横截面上每边的温度为线性分布，用4个角点的平均温度和温差来表示矩形管横截面上的温度分布，构造了一种1维2结点温度杆单元，该单元每个结点包含平均温度，上下面温差，左右面温差3个自由度；在计算热变形时，此三个广义温度参数分别对应热轴力和2个热弯矩载荷。经与三维有限元计算结果的比较，证明用该单元计算的矩形管温度场和位移场是可靠的。利用这种新型的薄壁矩形管单元和本文作者在其他文章中提出的薄壁圆管单元，可以对非线性换热条件下的复杂空间结构进行比较准确的温度场和热变形有限元分析，最后本文计算了考虑遮挡的太阳能帆板的瞬态温度场和热变形以说明其应用价值。     

采用包络-准则法优化考虑瞬态传热的薄板结构

刚度和强度是薄板结构的两个主要性能。在瞬态传热过程中,考虑热-力耦合,随时间和空间变化的非均匀温度场在结构中会引起热变形和热应力,温度场随时间变化的规律和空间分布依赖于板的厚度变化,进而影响板的刚度和强度。因此,考虑瞬态传热的薄板优化问题具有更强的非线性,更加难以求解。本文给出一种包络-准则方法处理这类结构优化问题。首先,针对外力荷载,进行一个结构柔顺性的优化设计;以这一设计为基础,通过瞬态热-力耦合分析及优化准则,计算多个时刻的优化设计变量并取其包络,对上述优化结果进行迭代修正,以消除瞬态温度场作用下较高的局部应力。优化算例表明,该方法对于考虑瞬态传热薄板优化问题有效。