声焦散线及其与应力强度因子的关系

 根据焦散线的形成原理，以及含I型裂纹试件受力前后光程差与 声程差表达式的相似性，提出了声焦散线的概念，得到了声焦散线沿 横向最大尺寸与应力强度因子的关系，为通过声焦散线法确定应力强 度因子打下了基础.     

多孔压电驻极体材料的孔洞微结构优化研究

多孔压电驻极体是带有分布电荷的孔洞聚合物材料,是一种新型的压电材料.多孔压电驻极体材料的宏观压电性与内部孔洞微结构的构型和分布密切相关.将多孔压电驻极体材料看成含周期微结构的复合材料,采用渐近均匀化理论求解宏观等效系数性质,基于变密度法和拓扑优化方法,利用ANSYS的APDL参数化设计语言编制基于有限元分析的优化程序,给出最优的孔洞微结构拓扑,获得最大压电系数.     

三维空间下非均匀泥沙絮团分形维数计算方法比较

运用有限扩散凝聚模型对絮凝体的成长过程进行了三维模拟。在三维空间下,分别运用密度函数法、球体的回转半径法、沉降法推导了均匀沙、非均匀沙絮凝体分形维数的计算方法,建立模型计算并比较了各分形维数方法的计算值。结果表明:三种方法计算得出的分形维数均为1.75~2.19,回转半径法得到的分形维数略大于密度函数法和沉降法;均匀沙、非均匀沙维数均随颗粒数的增加而降低;非均匀沙絮团的分形维数略大于均匀沙絮团维数值。研究结果对黄河等高浊度细颗粒含沙水流的治理与处理具有一定的理论和实际应用价值。     

裸眼完井螺旋钻孔-射孔套管的有限元分析

针对裸眼完井中一种新型的螺旋钻孔-射孔套管,结合室内材料试验及有限元法,对不同深度的直井和水平井中套管承受非均匀载荷的力学性能进行分析。结果表明:随井深增加,套管所受应力和最大变形增加;同井深情况下,随着套管孔眼数量和孔眼面积增加,套管最大变形增加,最小应力减小、最大应力增加。应力集中是降低套管承载力的主要因素,选用套管时要考虑到载荷不均匀系数引起的应力破坏和变形引起的失稳破坏。研究结论可为合理选择、设计套管,确定套管钻孔和射孔的孔径、密度、相位,分析钻孔后套管的剩余强度,保证套管使用的安全性提供一定的理论依据。     

轴向尺寸对泡沫铝动静态力学性能的影响

通过材料密度均匀性分析得知,泡沫材料密度分布的均匀性越差,尺寸的影响越明显,对于密度分布区间小、并符合正态分布的试件,尺寸的影响较小.根据Hopkinson杆动态测试的应力均匀性假定,利用石英片监测试件左右端面达到应力均匀所需的时间,试件轴向尺寸越大,惯性效应的影响也越大.选择合适的尺寸,将试件的惯性效应(波动效应)与...     

基于局域分析的疲劳短裂纹群体演化随机模型

采用局域裂纹数密度描述金属材料中不同局部区域的疲劳短裂纹群体损伤的发展情况通过考虑在不同局域存在的材料性质的随机涨落及局部损伤对损伤总量发展的影响，建立了局域裂纹数密度演化随机方程对方程数值求解从而模拟了材料的疲劳短裂纹损伤过程结果显示出主裂纹出现的随机性，并讨论了裂纹总数与最大裂纹尺度在统计意义上的演化特征     

基于均匀材料微结构模型的热弹性结构与材料并发优化

研究由宏观上均匀多孔材料制成的结构的优化设计问题,待设计的结构受到给定的外力与温度载荷作用,优化设计旨在给定结构允许使用的材料体积约束下,设计宏观结构的拓扑及多孔材料的徼结构,使得结构柔度最小.本文提出了一种宏观结构与微观单胞构型并发优化设计的方法.在此方法中,引入宏观密度和微观密度两类设计变量,在微观层次上采用带惩罚的实心各向同性材料法SIMP(Solid Isotropic Material with Penalty),在宏观层次上采用带惩罚的多孔各向异性材料法PAMP(Porous Anisotropic Material with Pemlty),借助均匀化方法建立两个层次阃的联系,通过优化方法自动确定实体材料在结构与材料两个层次上的分配,得到优化设计;提供的数值算例检验了本文所提方法及计算模型,并讨论了温度变化、材料体积及计算参数对优化结果的影响.研究结果表明同时考虑热和机械载荷时,采用多孔材料可以降低结构柔顺性.     

基于自适应网格的材料渗透系数设计

采用基于单元(结点)密度为设计变量进行结构和材料的拓扑优化设计时,有限元网格的密度对优化设计有很大影响. 在以渗透系数为目标进行材料微结构设计时,为了较好地描述单胞中的流固边界,需要将单胞划分为很小的网格,进一步增加了有限元计算和优化分析的规模. 为了降低计算规模, 研究了基于自适应网格的逆均匀化方法,以最大化各向同性等效渗透系数为目标,进行材料微结构设计. 优化迭代过程中,对单胞中流固界面处的网格进行自适应加密,降低优化问题的计算规模. 采用这一算法,对不同初始密度分布得到的单胞优化结果虽然不同,但具有相同的材料微结构,一定程度上说明了该方法的有效性.      

材料非均匀性对泡沫金属拉伸性能的影响

通过对开孔泡沫铝进行拉伸实验,考察了泡沫金属材料的非均匀性对其拉伸性能的影响.首护先,通过分析同一批试件的初始密度,考察了材料的初始非均匀性;其次,重点考察了初始密度对材料破坏特性的影响.分析表明,即使初始密度比较接近的试件,它们的破坏应力和应变也有较大的离散性;对于不同初始密度的试件,破坏强度有随初始密度的增加而变大...     

缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

多孔材料/结构尺度关联的一体化拓扑优化技术

针对多孔材料的尺度效应和微结构构型的可设计性，提出以宏观结构最大刚度为目标，材料表征体胞构型为变量的材料／结构尺度关联一体化设计新方法．采用有限元超单元技术，验证了材料表征体胞尺度、边长比、平移、对称周期分布方式对构型设计结果的影响，实现了材料宏观布局设计、材料表征体胞构型精细设计以及多尺度均匀化设计的统一。基于凸规划对偶优化求解技术与二次型周长控制约束，完成了快速设计与材料分布棋盘格效应的控制。计算结果表明，在给定材料用量的情况下，该方法能有效地实现蜂窝结构的拓扑优化设计，设计结果充分反映了蜂窝夹层结构的尺度效应，为轻质结构设计提供了新的设计方法。     

层裂损伤的细观数值分析

采用体胞模型的分析方法推导了材料在弹塑性变形阶段的孔洞增长方程。假设所有孔洞的内外半径之比相同,用数值方法定性分析了材料在层裂损伤过程中孔洞数密度分布的变化。通过分析孔洞数密度分布、孔洞体积累积百分比、不同大小孔洞所占体积份额的计算结果,指出初始损伤对损伤演化有直接影响。     

基于刚度与应力问题的多相材料双尺度拓扑优化研究

本文针对双尺度晶格结构的优化设计,在质量约束条件下,提出了一种将均匀化方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)相结合的拓扑优化方法,并引入双向渐进(BESO)思想指导单元的增删．对于双尺度优化设计,利用均匀化理论实现了微观尺度与宏观尺度的耦合．为了解决工程应用中的多相材料布局以及结构刚度、应力双目标优化问题,引入带有加权因子的材料插值方案,利用改进的密度插值函数推导出带惩罚因子的灵敏度计算公式,利用全局p范数应力方案消除应力的局部行为．为了使多相微观结构具有较强的边界连通性,对微观单元进行基于密度的边界设计．最后,对经典的L型梁与二维支撑结构进行优化设计,分析了p范数应力参数对优化结果的影响．结果表明,所提出的算法可以有效地使双目标达到最优解的平衡状态．此外,通过与经典的均匀化算法以及相关领域研究的结果进行对比,证明了所提出算法在多相材料以及双目标优化问题中的优越性,为未来双尺度优化解决工程问题提供了一定的理论基础．     

基于参数化水平集方法的微结构拓扑优化设计

相比于单一材料,复合材料具有轻质高强等优点,拓扑优化方法是设计复合材料的方法之一.本文采用改进的参数化水平集方法,更新了水平集迭代格式,并应用水平集带方法在优化过程中引入中间密度,使水平集方法与变密度法无缝结合以改善水平集方法的拓扑寻优能力,降低其初始设计依赖性.本文以最大化体积模量、剪切模量和负泊松比作为材料设计目标,结合均匀化方法预测材料的宏观等效性能,研究了不同体积分数、多种初始设计及水平集带方法的引入对优化结果的影响,并得到了多种满足不同目标函数的微结构拓扑形式.数值算例验证了本文方法在复合材料微结构设计问题中的有效性.     

层状非均匀材料边裂纹引起的J积分变化量分析

均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分为零,层状非均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分通常不为零且与路径相关。在位移载荷保持不变条件下引入裂纹会使J积分改变,本文分析引入裂纹所导致的远场J积分变化量,即有裂纹时与无裂纹时沿同一远场路径的J积分之差,其值等于裂尖J积分与界面J积分变化量之和。对于层状非均匀材料,虽然无裂纹时和有裂纹时的远场J积分、界面J积分都与路径相关,但当积分路径远离裂尖后,有裂纹与无裂纹时的远场J积分之差、界面J积分之差与路径无关,引入裂纹所引起的远场J积分变化量等于边界应变能密度释放量沿边界的积分。对于均匀材料半无限大平面的边裂纹,裂纹能量释放率等于无裂纹时应变能密度与8倍裂纹长度的乘积;对于层状材料的边裂纹,裂纹能量释放率等于应变能密度释放量沿边界的积分减去界面J积分变化量。     

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP (Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。     

某SUV汽车二四驱适时切换机构壳体优化设计

为优化某SUV汽车切换机构壳体、降低材料成本与应用成本,对切换机构壳体进行了材料与结构的轻量化设计。首先建立了切换机构的有限元模型,基于静力学分析结果,选用PPS工程塑料替换传统材料A380型铝合金作为壳体材料;再对拓扑优化后的壳体结构去除了高密度区域的多余材料并构建加强筋;最后利用Solidworks与ANSYS无缝衔接技术建立新结构的参数化模型,采用中心复合试验设计方法得到了壳体壁厚、加强筋厚度、连接台高度这3个设计参数所决定的壳体质量、最大等效应力、最大变形量的响应面模型,利用MOGA响应面优化方法得到最优解集并确定壳体最优结构设计参数。结果表明:拓扑优化后,壳体质量为486.84g,较原壳体减轻了27.5%,最大等效应力为90.143MPa,较原壳体降低了20.7%;多目标优化后,壳体质量为477.24g,最大等效应力为80.73MPa,优化效果显著。     

考虑均一微结构的结构/材料两级协同优化

以结构最小柔顺性为目标,提出了考虑均一微结构的结构/材料两级协同优化方法。出于制造考虑,假设了材料微结构在宏观上具有相同的构形。为实现拓扑优化,本方法在两个尺度上独立定义了单元密度作为设计变量,分别引入了SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)和PAMP(Porous Anisotropic Material with Penalization)方法对密度进行惩罚,并且采用了周长约束控制微结构拓扑的复杂度。借助均匀化方法建立了结构和材料之间的联系,从而将两个尺度上的设计纳入到一个优化模型中,实现了协同求解。数值算例验证了本方法的有效性和正确性,讨论了各参数的影响,优化结果体现了类桁架材料的优越性。     

自相似多孔材料的力学性能与吸能特性

通过对自相似多孔材料的研究,给出了该结构的代表体积单元和相对密度。采用有限元方法对多孔材料面外的准静态压缩以及动态压缩进行数值模拟,分析了其变形模式,提取了应力-应变响应曲线,讨论了相对密度对多孔材料的弹性模量、平台应力、密实应变以及单位质量吸能的影响。研究发现:多孔材料在面外准静态压缩时,弹性模量、平台应力随相对密度的增大而增大,密实应变随相对密度的增大而减小;相对密度主要影响多孔材料的平台应力和弹性模量。多孔材料在面外动态压缩时,在相同的冲击速度下,多孔材料相对密度越大,其单位质量吸收的能量越多。     

管道内均匀与非均匀PEO溶液湍流减阻特性研究

在自制重力式循环水槽中(最高试验Re数可达105),测试分析了管道内均匀与非均匀聚氧化乙烯(PEO)溶液的湍流减阻规律。结果表明,均匀PEO溶液减阻率(DR)随Re数和浓度增加而提高(最大减阻率70%),但浓度大于临界浓度(100p.p.m)后DR不再增加;而相同浓度均匀PEO溶液的减阻效果随时间逐渐减弱,且Re数越大,剪切破坏越严重,DR下降越明显。与均匀PEO溶液不同,非均匀PEO溶液(从管壁狭缝向内喷射PEO溶液所得)不受剪切破坏影响,减阻效果更稳定,且药品使用量小;同时通过增大喷射速率、Re数和喷射液浓度,可提高减阻率(最大减阻率50%)。对比可见,喷射减阻方式仅需消耗少量药剂,就能实现显著、稳定减阻,有望用于水下航行体湍流减阻。