低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型

本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.      

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

论文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究.内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势:一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分.借助该模型,论文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性.在此基础上,论文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较.最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite, FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场. 基于Hamilton 能量变分原理, 推导了动力学控制方程组. 通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态. 随后, 结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明, 接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.      

圆板在物体撞击下的非线性动力响应

本文在Von Kármán大位移的意义上,利用虚位移原理伽辽金方法建立了圆板在物体撞击下的非线性动力响应的控制微分方程,在研究响应问题时,考虑了冲击载荷与圆板位移响应之间的耦合影响,文中使用时间增量法和奇异摄动理论求解问题的控制方程,获得了固支圆板非线性动力响应的近似解,并且求解了具体算例,绘出了圆板位移、应力响应曲线以及冲击力随时间的变化曲线。     

圆板在物体撞击下的非线性动力响应

本文在Von Kármán大位移的意义上,利用虚位移原理伽辽金方法建立了圆板在物体撞击下的非线性动力响应的控制微分方程,在研究响应问题时,考虑了冲击载荷与圆板位移响应之间的耦合影响,文中使用时间增量法和奇异摄动理论求解问题的控制方程,获得了固支圆板非线性动力响应的近似解,并且求解了具体算例,绘出了圆板位移、应力响应曲线以及冲击力随时间的变化曲线。     

粘弹性阻尼修改后结构系统动特性的预测

无阻尼或比例阻尼结构系统经粘弹阻尼修改后,可变为粘弹性阻尼系统。要获得其动特性,需求解复特征值问题。但是,随之带来了计算量大、费用高等问题。尤其是粘弹性材料特性随频率而变化,需求解高阶非线性复特征值问题,这对于一个自由度较大的结构,计算量太大,通常较难实现。本文在特征值修改方法的基础上,提出粘弹性阻尼局部动力修改方法,即仅需已知原结构系统的实模态参数,就可求出粘弹阻尼修改后系统的复模态参数。还发展了特征值和修改量同时迭代方法,有效地解决了粘弹材料复模量随频率变化引起的非线性复特征值问题。     

变温场中具损伤粘弹性矩形板的非线性动力响应分析

基于热粘弹性理论、Von Karman板理论和连续损伤力学,导出了二维状态下各向同性材料的变温粘弹性本构方程,建立了含损伤效应的各向同性粘弹性矩形板在变温场中的非线性运动控制方程,且应用有限差分法对问题进行求解.算例中,讨论了损伤演化及温度场等因素对粘弹性矩形板非线性动力学行为的影响,得出一些有意义的结论.     

高速移动荷载下黏弹性半空间体的动力响应

分别以移动荷载和黏弹性半空间体模拟运动列车荷载和地基,分析了地基在运动列车作用下的动力响应.首先采用Green函数法求解黏弹性半空间体在各种移动荷载模式作用下的动力响应的解析解,包括恒常和简谐移动点源、线源和面源荷载.然后采用IFFT算法和自适应数值积分算法计算解析解中的二维积分,得到了包括低音速、跨音速和超音速移动荷载作用下位移的数值结果.最后分析了速度对位移的分布和最大值的影响,发现当速度大于Rayleigh波速时,位移发生显著变化.     

冲击载荷作用下钢筋混凝土结构动力响应仿真

运用动态有限元技术对冲击性载荷作用下钢筋混凝土结构的动力响应进行细观结构的仿真分析，建立分离式材料模型，获得射弹在钢筋混凝土中的侵彻深度与弹坑半径，得出钢筋配筋率、配筋方式、配筋位置以及混凝土材料性质等相关因素的影响规律，并针对结果进行分析和讨论，为防护工程设计提供了参考依据。     

变速移动载荷作用下黏弹性地基梁动力响应1)

利用振型叠加法和Duhamel积分推导得到了在变速移动载荷作用下黏弹性地基梁的动力响应解析解。然后采用Gauss-Legendre求积公式对积分表达式进行计算,研究了移动载荷的初速度、加速度和地基参数对梁挠度的影响。结果表明：梁的挠度随着载荷初速度和加速度的增大而明显减小;此外计算发现增大地基剪切力、地基阻尼和弹性模量可以有效减小梁的挠度,并且梁动力响应的滞后现象还与地基阻尼有关,阻尼越大滞后现象越明显。     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.      

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型.该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUs/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化.针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性.同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响.     

winkler地基上弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应

本文针对工程实际中所遇到的撞击问题,在事先仅知撞击体初始速度的条件下,研究分析了半无限粘弹性Winkler地基上的弹性圆薄板受刚体撞击的动力响应问题,推导出了关于撞击力F(t)的非线性Volterra积分方程,给出了薄板位移响应W(r,θ,t)的一般表达式,并给出了相应的数值求解方法。作为实例,本文对周边固定的弹性圆薄板在圆心处受刚球撞击问题进行了分析计算,并对某些参数的影响进行了讨论。     

冲击作用下刚塑性拱的大变形响应分析

本文对受集中冲击作用的深圆拱的刚塑性动力响应进行了理论分析和数值计算，用瞬时构形法得到了问题的全程解，提出发生反向弯曲的必要条件和反向弯曲变形的近似分析方法，确定了反向弯曲出现的临界冲击速度范围，并讨论质量比，能量比和支承条件对结构的响应时间，塑性形区域和最变形的影响。本文理论分析结果与实验数据吻合。     

考虑剪切效应及阻尼时双模量梁的动载荷计算

在考虑剪切效应及阻尼的基础上,采用线性振动理论研究了双模量梁动载荷问题的冲击计算. 建立了双模量梁动载荷问题的振动微分方程,推导出了双模量梁动载荷问题的动位移、动载荷系数、冲击时间的表达式,并讨论分析了剪切效应及阻尼对双模量梁动载荷冲击问题的影响. 算例分析表明,对于某些双模量梁动载荷冲击问题,剪切效应及阻尼的影响是不能忽略的.     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.      

粘弹性夹芯层合旋转圆板的气动弹性动力稳定性分析

基于哈密尔顿原理,考虑作用于圆板上的空气动力载荷以及粘弹性复模量本构模型,论文建立了含有粘弹性夹芯层的旋转圆板的空气动力学模型,并给出了相应的稳定性的控制方程及边界条件.运用Galerkin方法,文中数值求解并给出了夹芯层合旋转圆板的动力学基本特征,以及结构几何参数、材料参数对于其前、后行波振动频率、阻尼和动力稳定性的影响.结果表明:通过优化合理选取粘弹性夹芯层合旋转圆板的几何参数和材料参数,可提高旋转圆板的临界转速和颤振速度,从而增强其稳定性.     

模糊随机荷载激励下模糊桁架结构的模糊随机动力响应的双因子分析方法

采用了一种新的双因子分析法研究了模糊参数桁架结构在模糊随机荷载激励下的动力响应问题.同时考虑结构参数模糊性和外载荷幅值的模糊随机性,利用模糊因子法和振型迭加法求出了动力响应模糊随机变量;进而基于随机因子法推导了动力响应的模糊数字特征.最后通过算例考察了结构参数和荷载的不确定性对动力响应的影响.     

高台基木结构在交通载荷作用下的振动响应研究

以西安钟楼为研究背景, 建立了钟楼-土层-隧道结构三者共同作用的三维有限元模型, 通过动力有限元分析得到了模拟地铁列车载荷作用下钟楼的振动响应规律; 根据现场全天候监测, 得到了钟楼在地面交通载荷作用下的振动响应; 在此基础上, 利用SRSS方法将二者进行叠加, 从而得到了钟楼木结构在地面和地下交通载荷共同作用下的动力响应, 并根据规范对其进行 了评估, 所得结论为今后相近古建筑在交通振动载荷作用下的响应分析及评估提供 了参考依据.     

ELASTIC-PLASTIC DYNAMIC RESPONSE OF A CANTILEVER BEAM SUBJECTED TO OBLIQUE IMPACT AT ITS TIP

By employing large deformation governing equations expressed in the form of finite difference, the dynamic responses of an elastic, perfectly plastic cantilever subjected to an oblique impact at its tip was numerically studied. Through analyzing the instantaneous distribution of the yield function （φ = ｜M/Mo｜ ＋ （N/No）^2）, bending moment and axial force during the early stage of the response, the elastic-plastic deformation mechanism and the influence of axial component of an oblique impact on the dynamic response of a cantilever beam were discussed. The present analysis shows that the deformation mechanism of an elastic-plastic cantilever subjected to an oblique impact consists of four phases, i.e. ‘the expanding compressed plastic region＇ mode; the ‘generalized traveling plastic hinge＇ and ‘shrinking plastic region＇ mixed mode; the ‘stationary plastic hinge＇ mode and ‘elastic vibration＇ mode. Compared with the two-phase deformation mode obtained by using the rigid, perfectly plastic approach, the mode of shrinking plastic region that occurred instantly after the oblique impact and the mode of stationary hinge were both confirmed. The primary features of the deformation mechanism are captured by both analysis methods. It has also been found that the beam＇s deformation is mainly controlled by the axial component of the oblique impact in the early phase of the dynamic response, the deformation mechanism is obviously different from the case of a transverse impact. With further development of the response, the axial component attenuates rapidly and gives negligible contribution to the yielding of the beam cross-section. At the same time, the bending moments along the cantilever develop gradually and dominate the beam＇s deformation. The numerical results indicate that the mass, impact speed and oblique angle are the important factors that influence the elastic-plastic dynamic response of a cantilever beam.