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。     

基于能量转化机制的岩石强度的演化机理研究

针对岩石强度的演化机理是提高强度准则计算精度与适用性的前提,基于能量转化是物质物理过程的本质属性,弹性应变能是材料破坏的内在机理,通过试验与理论研究,探究了围压、中间主应力及泊松比对岩石强度演化规律的影响.结果表明:岩石破坏与应力状态及岩石变形特性有关,忽略泊松比的影响是中间主应力效应提出的理论依据,并指出围压效应与中间主应力效应忽略变形影响,既与试验结果不一致,又是据此建立的强度理论精度较差的内在原因.岩石强度的演化是围压、中间主应力及泊松比共同作用的结果,并据此研究了静水应力状态下材料破坏特性、围压区间性及三轴拉伸强度恒大于三轴压缩强度条件.理论及试验表明,体现了围压、中间主应力及泊松比影响的强度理论具有较高计算精度与适用性.研究成果对于精准地描述岩石破坏特性,建立普遍适用的强度理论具有重要意义.     

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。     

冻土水热力耦合作用的数学模型及数值模拟

将冻土体视为空间弹性体,提出了土体在冻结过程中水分场、温度场、应力场三场耦合的一般数学模型,并给出了相应的离散方程及其解法,最后给出了数值算例,并与实测值比较,证明了该模型和算法的正确性。     

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.      

基于近场动力学的材料热力耦合损伤行为分析

为对热载荷作用下材料的损伤破坏行为进行研究,本文提出了单键双参数近场动力学热力耦合模型,给出了该模型下键的断裂准则。该模型考虑了键的切向变形与温度变化之间的关系,解决了键型近场动力学热力耦合模型只能对定值泊松比材料进行求解的问题,可研究温度场作用下泊松比对材料损伤行为的影响。本文采用该模型对热冲击作用下陶瓷片的损伤行为进行了模拟分析,结果表明,通过该模型得到的裂纹萌生及裂纹扩展形态与实验结果吻合较好;进一步就泊松比对材料损伤破坏行为的影响进行研究,结果表明,随着泊松比增大,裂纹萌生时间提前,裂纹间距增大,而主裂纹长度会增加,泊松比的变化对热荷载作用下材料的破坏损伤行为有明显的影响。     

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。     

粉质粘土结构性参数试验研究

为合理描述外部环境改变引起土体结构性的变化规律,基于综合结构势理论,通过三轴剪切试验,研究了应力比结构性参数(mη)随试验条件的变化规律.试验结果表明:粉质粘土应力-应变曲线包括应变软化型曲线、理想弹塑性曲线、应变硬化型曲线3种形式;粉质粘土强度随着含水量的增大而减小,随着围压的增大而增大.粉质粘土应力比结构性参数随着含水率和围压的增大而减小.采用初始应力比结构性参数和结构性损伤量参数两个参数,建立了粉质粘土结构性应力-应变数学模型.将试验结果与模型计算结果进行了对比分析,结果表明二者强度误差小于3％,说明了所建立模型的合理性.     

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。     

火灾中非均匀温场热力耦合隧道管片受力分析

针对作为地铁隧道主要受力构件的管片在火灾非均匀温度场中产生的复杂的应力分布问题,结合大连地铁201标段盾构隧道工程实例,使用FLAC3D模拟了发生火灾时非均匀温场温度线性升高过程中管片的应力-应变分布和变化特征。根据温度不同材料性质不同的客观事实,在模拟过程中随着温度的升高实时调整材料参数,使模拟结果更加准确。取0℃~1000℃作为温度范围,每升高100℃作为一个特征点进行研究,分别得出了衬砌结构变形分布规律及其应力变化分布规律,进而确定了其在该形式火灾作用下的危险部位。分析结果表明：在火灾温度作用下,盾构隧道管片衬砌的最大水平压力和最大竖直压力分别是初始值的10.5倍和8.9倍,均作用在90°±22.5°范围内的隧道管片上;在300℃时总位移明显增加。本文的研究可为评估盾构隧道在火灾作用下的安全性提供参考依据。     

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.     

棕榈纤维加筋土抗剪强度特性及机理研究

为改善客土喷播后边坡浅层土体强度较低的问题,对棕榈纤维加筋土开展不固结不排水(Unconsolidated Undrained,UU)三轴试验,研究棕榈纤维加筋土在纤维掺量为0.35％、0.55％、0.75％、0.95％,纤维长度为5 mm、10 mm、20 mm、30 mm下不同加筋条件组合对土体抗剪强度特性的影响及其加筋机理.试验结果表明:在粉质黏土中掺入棕榈纤维可以显著提高土体的强度和抗变形能力.极限主应力差在纤维掺量为0.75％、纤维长度为20 mm时达到峰值,较素土提高172.9％;纤维掺量和长度等因素对黏聚力提升显著,较素土提升149.6％.对内摩擦角影响较小,在3°以内变化;对棕榈纤维进行SEM扫描电镜下观察后发现,棕榈纤维表面的沟槽可以增大纤维与土颗粒间的界面摩擦力和咬合作用,从而可以改善土体抗剪强度指标.     

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.     

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.     

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.