NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

基于约束函数法的热力耦合有限元分析

分析了滑移接触条件下热力耦合现象,建立了热力耦合的有限元分析连续模型,提出了系统动力学平衡方程和热力学平衡方程。对系统中物体间的接触条件进行了分析,得到了物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件。应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组对热力耦合问题进行求解。实例表明,用约束函数法求解热力耦合问题,收敛性较好,算法稳定,计算结果能反映实际。     

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析

依据W-M分形函数建立了接触式机械密封摩擦副三维瞬态滑动接触模型,考虑了接触微凸体之间相互机械作用和摩擦的热力耦合,基于ABAQUS分析平台,首次提出了能够模拟机械密封摩擦副回转运动的计算模型,仿真分析了机械密封摩擦副在干运转条件下的摩擦特性. 研究结果表明:接触面温度分布不均匀,局部温度很高,在接触微凸体中心区域出现极值;在滑动后很短时间内温度急剧上升,随着滑动进行,接触节点温度继续升高,但是温升速率减缓;粗糙体轴向温度梯度较大,其亚表层区域存在较大的热应力,易发生热损伤失效;在接触微凸体轴向距表层较近的局部区域存在拉应力,滑动行为会使微凸体内部拉应力区域扩大,拉应力的数值也增大. 微凸体接触区轴向上的应力状态是变化的,依次为压应力-拉应力-压应力.      

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂.其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间.为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验.试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm³增加到1.6 g/cm³时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小.研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据.     

复合应力作用下强度退化的应力-强度干涉模型可靠性统计分析

在考虑随机复合应力作用下强度随使用时间不断退化时,研究了应力-强度干涉模型下的可靠性统计推断问题,给出了一个随机复合应力-强度退化干涉失效模型和模型未知参数的估计方法,该模型考虑了应力与强度退化的相关性,文章的最后利用算例验证了该模型的有效性。     

基于等几何有限元法的功能梯度微板热力耦合屈曲预测

基于修正偶应力理论和Kirchhoff板理论,建立了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元模型。该模型仅包含一个材料尺度参数,能够描述尺度效应现象,且满足修正偶应力理论的高阶连续性要求。基于虚功原理推导了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元方程。通过对板的典型算例分析,讨论了材料尺度参数、边长比及梯度指数对板稳定性的影响。结果表明,本文模型预测的屈曲载荷总是大于宏观理论的结果,即捕捉到了尺度效应现象;随着临界屈曲力的增加,临界屈曲热载荷线性减少;此外,边长比和梯度指数也对微板的稳定性产生一定影响。     

岩石压缩过程应力-应变-磁感强度效应的实验研究

为了弄清岩石挤压产生的磁感强度效应,将钕铁硼Nd-Fe-B磁芯分别植入圆柱形大理岩、石灰岩中,在其周围产生磁场.借助断裂使岩石导磁回路与磁强发生的改变,进行挤压过程中应力、应变和磁感强度三变量测试.研究结果表明:岩石裂隙变化能够引起磁感强度的改变,应力-应变-磁强存在一一对应的数值关系;达到最大应力前,大理岩、石灰岩周围磁感强度出现增大异常的破坏预兆;在岩石裂解阶段,应力-应变曲线与磁强-应变曲线的变化规律具有明确的反对称性.最后还建立了分段表达岩石应力-磁感强度拟合关系式.     

基于常规态型近场动力学的热力耦合变形破坏分析

基于常规态型近场动力学(Peridynamics, PD)理论,考虑物质点之间的非局部热传导,采用拉格朗日坐标系下的欧拉-拉格朗日方程,推导出常规态型近场动力学热传导方程;结合热力学第一定律和自由能函数建立了常规态型近场动力学热力耦合方程。模拟了含单孔单裂纹和多孔多裂纹板的热传导问题以及典型混凝土构件的热致变形和热力耦合破坏问题,并根据模拟出的温度分布及裂纹扩展情况,验证了本文模型和方法的有效性。基于提出的模型进一步分析了含初始裂缝混凝土三点弯梁的破坏过程及温度梯度和初始裂缝位置对其的影响。将提出的PD热力耦合模型运用于混凝土材料,使PD理论与工程应用相结合。     

流固耦合作用下真实人体上呼吸道呼吸流涡结构演化的数值仿真

通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型,运用大涡模拟数值方法,对考虑流固耦合作用的低强度循环呼吸模式下人体上呼吸道内的呼吸流进行了数值仿真,研究分析了人体口喉模型及气管支气管内的气流涡结构及其演化过程。结果表明,循环吸气过程中,气流在口腔中部以及舌苔上部形成多个涡管,在声门部位形成强烈的射流,在气管前壁出现马蹄涡,到气管中部大尺度涡结构逐步消失,支气管中只剩下一系列小尺度涡结构;循环呼气过程中,气流在气管底部产生较为复杂的涡结构,随着气流在气管内的融合,涡强度逐步减弱,在咽喉后壁形成拱状涡,气流进入口腔后,涡结构破裂,涡量扩散,没有较大的涡结构产生。     

基于内时大变形弹塑性本构模型的镦粗热力耦合分析

采用一个简单机械模型得到了热力耦合的弹塑性大变形本构方程,它满足不可逆热力学的基本约束,并考虑到了储存在残余微应力场中的能量对后续变形的贡献.发展了相应的算法,对弹性压板间的圆柱镦粗进行了分析.结果表明,在镦粗过程中的塑性耗散和工件两端的热传导造成工件中温度分布的不均匀,因此导致了材料力学性能的改变.与实验结果和等温假设下的计算结果进行了比较,表明计及塑性耗散热的计算结果与实验结果更为一致.     

单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性

论文利用液晶高弹体的应力-应变本构方程和力-序耦合方程,研究了沿指向矢单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性.由于力-序耦合,有序度在拉伸作用下变大,从而影响了液晶高弹体的应力-应变关系,使得应力在相同伸长下变小.不同温度下应力受到有序度影响的程度不同.由于有序度随温度升高而减小,当工程应力不变时,伸长随着温度升高而减小;当伸长不变时,应力随着温度升高而增大;伸长随温度的变化关系和应力随温度的变化关系都呈非线性.     

考虑化学-力学耦合的稳态裂纹问题

含有化学过程的多场耦合问题广泛存在于天然多孔介质、生物组织和新型功能材料中,其中各物质组分在应力、化学势梯度、温度差和电势差等共同作用下,会发生质量、动量和能量的传递和转化.本文研究了稳态扩散下有限厚度平板中的I型裂纹问题.通过傅里叶变换和引入位错密度函数,将问题归结为求解一组奇异积分方程,采用Lobatto-Chebyshev方法对其进行数值求解,最后对化学势分布和应力强度因子进行了讨论.     

热机载荷下多边形夹杂角端部应力场的杂交元分析

开发了一种多边形夹杂角端部超级单元模型,并将其与传统四节点单元组装,用于分析热-机载荷下结构中多边形夹杂角端部的应力场.与机械载荷作用下超级单元模型的区别在于,该模型将夹杂角部邻域应力场分为奇异项和非奇异项,而奇异性项又可分解为热致部分和力致部分.在数值计算中,首先分析了单正方形夹杂问题,验证了模型的有效性,考察了材料匹配的影响;然后分析了双正方形夹杂的干涉问题,考察了夹杂间距的影响.结果表明,当前模型可避免局部网格的高度加密,从而提高有限元计算的效率.     

热应力作用下结构声-振耦合响应数值分析

考察飞行器结构热应力对结构及其内声腔声-振耦合特性的影响,建立考虑热应力因素的声-振耦合动力学有限元方程,对一个典型飞行器结构考虑热应力时的声-振耦合动力学响应进行分析。计算结果表明,热应力的存在对耦合模型的固有频率影响较小,受热应力影响较大的区域主要集中在机头及机身等部位,其固有振动特性有较明显的变化。通过对比结构加速度与内声腔声压级的响应结果发现,热应力的影响主要表现为系统响应幅值及峰值位置的改变。     

混合温场作用下地铁车站结构的热力研究

为研究地铁车站在火灾发生过程中结构随温度升高的受力和变形情况,以某地铁站主体结构为对象进行研究。车站中火源产生的温场是由热对流和热辐射叠加而成的混合温场,为使模拟更加精确,根据材料性质随温度改变的情况对模型材料参数进行调整;模拟了温度在4℃~1000℃范围内车站结构的受力、变形特征。分析结果表明:相同温度下,火源位置3对应的监测点沉降量最大,位置2次之,位置1最小;火源位置1和位置2测点沉降基本发生在距火源中心±20m内,位置3在±40m内,从沉降量看温度在600℃~1000℃范围内结构有进入塑性阶段趋势;空间刚度越小,热应力释放的主要区域越集中;火源位置1的热应力释放区间距火源中心80m之外,位置2在±20m内,位置3在±10m内,从竖向应力看在800℃~900℃范围内结构有进入塑性阶段趋势。研究可为火灾过程中或灾后车站结构安全性评价提供依据。     

拉伸载荷作用下共面表面裂纹间应力强度因子影响系数的有限元分析

采用参数化有限元方法,结合节点力法和循环迭代算法,对一有限厚矩形板表面有两个相邻共面半椭圆表面裂纹在拉伸载荷作用下进行了求解,得到了两裂纹在不同形状和相隔距离时的应力强度因子的影响系数,计算结果对含三维广布裂纹结构的剩余强度和疲劳寿命有参考意义.     

杆件在偏心压力作用下的正应力及其强度计算讨论

杆件在偏心压(拉)力作用下的正应力及其强度计算问题在一般材料力学教科书中都有过专门的介绍,然而在这些介绍当中均没有考虑作用在杆件上的轴向外力在杆件弯曲变形中所引起的附加弯矩对正应力的影响贡献,本文在考虑这一影响贡献的基础上,推导出了计算杆件最大正应力的表达式,并与材料力学教科书中的未考虑上述影响的对应公式进行了比较,给出了二者之间的相对误差随载荷的变化规律,并说明了这种误差的影响范围。     

多孔介质在压力梯度作用下的热质耦合数值模拟

多孔介质干燥导致热质耦合传输过程。本文基于连续介质力学的宏观尺度,对多孔介质的热、湿和气三者耦合迁移进行数值模拟,研究压力梯度对热质传输的影响。多孔介质传质机理主要为水汽和空气的对流和扩散传输、吸附水在含湿量梯度作用下的自由扩散和其在温度梯度即Soret效应驱动下的流动。采用Galerkin加权余量的有限元方法,提出了...     

混凝土类材料动态压缩强度在多维应力状态下的应变率效应

对混凝土类材料动态压缩应变率效应研究的发展及问题进行了概述,对比不同应力状态下混凝土类材料动态压缩应变率效应的表现特征,揭示了不同加载路径下实测动态强度提高系数的显著差异。研究表明,在高应变率下,基于初始一维应力加载路径的试件将因横向惯性效应导致的侧向围压而演化至多维应力状态,传统霍普金森杆技术无法获得高应变率下基于真实一维应力路径的动态强度提高系数,在强度模型中直接应用实测数据将过高估计材料的动态强度。鉴于应变率效应的加载路径依赖性,将仅包含应变率的强度提高系数模型扩展至同时计及应变率和应力状态的多维应力状态模型,并结合Drucker-Prager准则在强度模型中给予了实现。针对具有自由和约束边界试件开展的数值霍普金森杆实验表明,多维应力状态下的应变率效应模型可以考虑应变率效应随应力状态改变的特点,从而准确预测该类材料的动态压缩强度。研究结果可为正确应用霍普金森杆技术确定脆性材料的动态压缩强度提供参考。