热点应力法在高速列车设计中的应用

应力可靠性预测对高速列车车体的安全设计非常重要.本文采用国际焊接学会推荐标准预测高速列车车体关键部位应力,通过热点应力法对应力集中部位表面应力进行外推.计算结果表明通过参考点外推得到的热点应力总是明显小于有限元计算的结果,并且更接近于实验值.采用两点外推法或三点外推法计算结果的差别很小.     

大尺寸非对称薄膜型声学超材料的低频隔声特性研究

针对低频声波的衰减问题，设计了一种大尺寸月牙盘非对称薄膜型声学超材料结构，利用有限元法计算了其传输损失和位移场。其结构尺寸可达100 mm,隔声频率降低至10 Hz,并在10～500 Hz的低频范围内展现出良好的隔声性能。与对称型薄膜声学超材料结构的隔声频带和隔声量相比，通过在单胞中引入不对称性，使得结构的低频隔声频带拓宽了23 Hz。通过模态分析发现，不对称性使薄膜声学超材料产生更多的振动耦合模式，Lorentz共振与Fano共振的同时存在提升了月牙盘型非对称结构的隔声性能。同时，薄膜和质量块的尺寸与偏心量等参数变化可进一步优化隔声效果，为声屏障低频隔声效果的提升在结构优化设计方面提供了一种解决思路。     

含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．     

高韧性合金钢断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值的联合试验方法

在柴油机曲轴、连杆等关键零部件的可靠性设计和失效评估中,断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值分别是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展和裂纹开始扩展的重要指标．但是,对于高韧性合金材料,难以通过常规试验所推荐的厚度确定平面应变断裂韧性,而门槛值的测定通常不但非常耗时,且难以直接应用于不同循环特性的实际结构．本文针对高韧性合金钢34CrNi3MoA,提出一种将断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值试验合二为一的试验方法,即用同一个试件可以同时测定门槛值和断裂韧性．利用断裂韧性关于试件厚度的渐近特性,以几种较薄试件的试验,确定平面应变状态下的断裂韧性．试验结果还表明,裂纹扩展门槛值的试件厚度依存性可以忽略,并给出了任意循环特性（应力比）下的门槛值计算公式．     

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

为提高数值计算的精度, 断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格, 而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格, 且对于裂纹扩展问题的数值模拟, 大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题. 论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题, 该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分, 无需任何人工干预, 网格剖分效率极高, 由于比例边界有限元法本身的优势, 四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点, 无需任何特殊处理. 通过引入虚节点的思想, 将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点, 虚节点的自由度作为附加自由度处理, 并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面, 含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别, 使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分, 界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征. 最后, 通过若干算例验证了该方法的性能, 建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.      

各向同性超弹性本构模型数值计算及验证

现有多种形式的橡胶本构模型试图预测橡胶力学性质,其中部分模型已写入有限元软件中用于仿真计算,还存在较多拟合性较好的模型无法在有限元材料库中直接获得。本文详述了由不变量和主伸长率描写的各向同性超弹性本构模型的数值实现方法,并结合最新的本构模型开发了UHYPER和UMAT子程序。将UHYPER用于有限元实现对多孔橡胶板的拉伸仿真,对比仿真和试验结果,验证子程序的正确性以及评估本构模型预测复杂应变场的准确性;将UMAT用于单轴、等双轴和剪切拉伸的有限元仿真,对比仿真和本构模型理论结果,验证子程序的可靠性。结果表明,有限元仿真结果与理论结果拟合较好,子程序能够契合本构模型的力学描述,所述方法可以用于超弹性材料的数值计算。     

各向异性复合材料尖劈和接头的奇性应力指数研究

提出了一个新的、基于位移的、求解三维尖劈端部奇性应力指数问题的非协调元特征分析法。该方法假定尖劈端部邻域内的位移场没有采用奇异变换技术，导出虚功方程的出发点不同于过去原有求解裂纹尖端近似场的有限元特征分析法，在有限元离散时采用的单元形式为非协调元。文中运用该方法给出了若干求解各向异性复合材料尖劈／接头端部奇性应力指数的算例。所有的计算结果表明，本文方法能够求解复杂尖劈／接头的全部奇性应力指数，使用的单元少而且精度高。     

各向异性损伤力学在螺纹疲劳寿命预估中的应用

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题。在微结构力学模型基础上建立轴对称的各向异性疲劳损伤本构关系,通过有限元-附加力解法编制考虑各向异性损伤的有限元程序。应用引入门槛条件的损伤演化方程,并以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命。用这一方法预估30CrMnSiNi2Aφ5和φ8螺栓全寿命。结果表明,理论S-N曲线与试验S-N曲线吻合良好并且门槛条件对修正低应力下疲劳寿命有很好的效果。本方法所需机时较少,可用于工程实际构件的高周疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计。