形状记忆合金椭圆孔口问题的有限单元法

基于Lagoudas形状记忆合金(SMA)三维本构模型,假设材料为各向同性,推导了SMA平面应力状态的增量型本构方程,继而编写了ABAQUS用户自定义材料(UMAT)子程序,研究了在双向拉伸情况下,外载荷、温度、椭圆孔口长短轴之比对超弹性SMA椭圆孔口板中应力诱发马氏体相变区的影响。数值结果表明:应力诱发马氏体相变首先发生在椭圆孔口长轴端点部位,在外加载荷作用下逐渐扩展到板内,并由内向外形成马氏体相区、相变混合区和奥氏体相区;SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积与施加外载荷成正相关,与温度成负相关;随着椭圆孔口长短轴之比增大,SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积呈现出先减小后增大的趋势;拉应力差值相同时,相较于拉应力沿椭圆孔口长轴方向较大的情况,当拉应力沿椭圆孔口短轴方向较大时,SMA板内完全相变区面积较大,椭圆孔口周边应力集中现象更明显。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

水合物沉积物的力学本构模型及参数离散元计算

为有效描述水合物沉积物在不同水合物饱和度与围压情况下的力学行为,该文基于广义Hooke(胡克)定律建立了水合物沉积物的应力 应变关系方程和弹性模量弱化方程;基于三轴压缩试验确定了水合物沉积物的软化系数和软化指数,基于颗粒流程序（PFC3D）开发了水合物沉积物初始弹性模量的离散元算法（DEM）.利用建立的应力 应变关系方程、弹性模量弱化方程和初始弹性模量DEM,数值模拟了水合物沉积物在6种不同水合物饱和度与围压情况下的力学行为.数值模拟结果与三轴压缩试验结果的对比表明,建立的应力 应变关系方程、弹性模量弱化方程和初始弹性模量DEM,能有效预测水合物沉积物的力学行为,可为水合物井筒设计与安全开采提供理论基础和计算方法.     

基于修正偶应力理论的Timoshenko微梁模型和尺寸效应研究

基于修正偶应力理论,将Timoshenko微梁的应力、偶应力、应变、曲率等基本变量,描述为位移分量偏导数的表达式.根据最小势能原理,推导了决定Timoshenko微梁位移场的位移场控微分方程.利用级数法求解了任意载荷作用下Timoshenko简支微梁的位移场控微分方程,得到了反映尺寸效应的挠度、转角及应力的偶应力理论解.通过对承受余弦分布载荷Timoshenko简支微梁的数值计算,研究了Timoshenko微梁的挠度、转角和应力的尺寸效应,分析了Poisson比对Timoshenko微梁力学行为及其尺寸效应的影响.结果表明:当截面高度与材料特征长度的比值小于5时,Timoshenko微梁的刚度和强度均随着截面高度的减小而显著提高,表现出明显的尺寸效应;当截面高度与材料特征长度的比值大于10时,Timoshenko微梁的刚度与强度均趋于稳定,尺寸效应可以忽略;材料Poisson比是影响Timoshenko微梁力学行为及尺寸效应的重要因素,Poisson比越大Timoshenko微梁刚度和强度的尺寸效应越显著.该文建立的Timoshenko微梁模型,能有效描述Timoshenko微梁的力学行为及尺寸效应,可为微电子机械系统（MEMS）中的微结构设计与分析提供理论基础和技术参考.     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高,且性能稳定,在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析,基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型,据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料(UMAT)子程序;利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算,与实验结果的对比验证了计算结果的有效性;在SMA波纹板原始结构基础上,提出了SMA短带错落布置型新结构,并进行了数值模拟分析与验证;提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施,可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高，且性能稳定，在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析，基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型，据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序；利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算，与实验结果的对比验证了计算结果的有效性；在SMA波纹板原始结构基础上，提出了SMA短带错落布置型新结构，并进行了数值模拟分析与验证；提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施，可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10%时,渗流-应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。