考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义.目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性,与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差,因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性,有望提高温升预测结果的准确性.基于弹塑性接触理论,同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性,通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量,将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式,从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式,分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响.结果表明,当列车高速行驶时,对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微;蠕滑率和行车速度的增大,均会引起摩擦功率的增大,进而导致钢轨表面温度的升高;钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升.此外,在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估,且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

摩擦接触弹塑性分析的数学规划法

本文提出摩擦接触弹塑性分析的数学规划法,是弹性接触问题解法的推广,使之能处理比例加载时的塑性效应。利用所导出接触问题总刚度阵的逆,结合参变量线性互补公式,仍可消去由接触单元而引入的惩罚因子。于是,可以获得一个弹塑性问题、弹性接触和弹塑性接触问题的有限元参数二次规划法模型。所选的几个实例说明了方法的实用性。     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度和有效性.      

属性与温度相关材料的广义热弹性问题有限元分析

计及材料特性与温度的相关性,基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,建立了此类问题的有限元控制方程. 由于材料属性的温度相关性,温度控制方程具有非线性,积分变换求解方法难以采用,因而将有限元方程直接在时间域求解. 利用所建立方法研究了材料特性与温度相关、带有孔洞的无限大体在热冲击和机械冲击作用下的广义热弹性问题. 分析表明,在时间域直接求解材料属性与温度相关的广义热弹性问题是可行的,所得结果具有很高的精度,热的波动性得到充分的展现. 同时发现,热冲击载荷作用时,材料属性与温度的相关性对结构的机械响应影响显著,对温度响应影响很小;机械载荷作用时,材料参数与温度的相关性对所有响应影响都很小. 因此,研究热冲击载荷作用的机械响应时,必须考虑材料属性的温度相关性,而研究温度响应时,无论何种冲击载荷,都可以不考虑材料属性的温度相关性.      

水工圆形隧洞围岩衬砌摩擦滑动接触的新解法

在实际工程中,围岩和衬砌接触时,它们之间并非完全光滑,也并非可以承受任意大的摩擦力.如果围岩与衬砌之间的剪应力大于所能承受的最大静摩擦力,接触面间将发生切向滑动,定义接触面上产生最小滑动量的状态为衬砌的真实工作状态,这种接触即为摩擦滑动接触.以库仑摩擦模型模拟围岩和衬砌之间的摩擦滑动接触,在考虑支护滞后效应的前提下,利用平面弹性复变函数方法列出了应力边界条件、应力连续条件以及位移连续条件的方程,再结合最优化理论,建立了具有一般性的摩擦滑动接触解法.在利用混合罚函数法求解最优化问题的过程中,减少了设计变量的个数,极大地简化了优化模型,提升了优化过程的迭代速度以及优化结果的精度.以此为基础,获得了围岩和衬砌相互作用下圆形水工隧洞的应力解析解.该方法可以求解光滑接触和完全接触两种极限情况,具有一般性.同时,利用一种精确的计算方法得到了不同情况下满足完全接触条件摩擦系数的阈值,还分析了衬砌和围岩边界上切向应力的变化规律.     

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.     

ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT CLINKER UNDER DIFFERENT TEMPERATURES BASED ON HERTZIAN INDENTATION METHOD1)

本文通过高温球压法得到各种脆性和准脆性材料的表面压痕应力与应变之间的关系曲线。通过压痕应力-应变曲线的分析既可比较方便地确定出材料的压痕弹性模量、剪切模量和布氏硬度,又可比较不同温度下水泥熟料的变形性能。在不同温度(25 ${^\circ}\!$C$\sim $1400 ${^\circ}\!$C)处理下,球压应力松弛试验载荷松弛,在载荷峰值为100 N时,随着温度的升高,水泥熟料载荷松弛更明显。随着温度从500 ${^\circ}\!$C升高到1400 ${^\circ}\!$C,载荷松弛非常明显,尤其温度高于1200 ${^\circ}\!$C,水泥熟料样品内部的硅酸三钙(Ca$_3$SiO$_5$, 简称C3S)分解以及有部分液相的出现引起的应力松弛现象最为明显,在1275 ${^\circ}\!$C时熟料基本上已经软化,载荷急速松弛,所以认为1275 ${^\circ}\!$C为熟料的脆延转化温度。通过水泥熟料高温球压松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆-延转化温度,测定熟料弹性模量和抗压强度急剧变化的温度范围。研究水泥熟料在不同温度下的力学行为和力学特性,探索提高粉磨效率的新途径,实现高温下的低能耗粉碎。