一种特殊梯度分布的功能梯度圆柱壳的二维分析

功能梯度材料是一种新型材料,其结构分析已成为当今力学研究的热点。本文对一种特殊梯度分布的功能梯度材料圆柱壳进行了二维精确分析。从弹性力学平面应变问题的基本方程出发,引入应力函数,导出功能梯度材料圆柱壳受静载作用下的控制微分方程。假设材料的杨氏模量沿半径方向呈幂函数分布,泊松比为常数,利用分离变量法,导出了简支边界情况下功能梯度圆柱壳的精确解。通过算例分析了不同梯度变化时,功能梯度圆柱壳内的应力和位移变化规律。计算结果表明不同梯度分布的圆柱壳结构中的应力、位移沿厚度方向的变化规律是不同的,有时甚至差别很大。因此对于材料性质梯度变化的功能梯度材料圆柱壳,必须针对其自身特点,建立相应的理论分析模型。     

轴对称任意梯度圆筒的弹性动力学解

基于轴对称平面应变问题的运动方程及弹性梯度材料的应力和位移关系,通过将圆筒分层使材料性质离散为分段常数函数,同时在时域内应用有限差分格式,求得了材料性质沿径向梯度变化的圆筒弹性动力学解。本文解不仅适合任意梯度的弹性圆筒,而且容易满足多种形式的初始条件和边界条件。通过对材料性质沿径向为连续函数分布和分段函数分布的梯度圆筒数值分析,并与已有文献结果比较,得出本文解与已有文献的解吻合较好,验证了本文解的正确性和有效性。对材料性质为分段函数的三层组合圆筒分析发现,中间功能梯度层的指数分布因子对圆筒的径向位移和应力随时间变化都会产生显著影响。     

功能梯度矩形板问题三维理论的半解析解

针对功能梯度材料矩形板问题,基于三维弹性理论,将位移和应力分量作为基本变量,通过双三角级数将其控制微分方程转化为常微分方程组的边值问题。采用插值矩阵法直接对常微分方程组边值问题进行求解,得到了功能梯度材料矩形板三维位移、应力场的半解析解。通过算例给出了材料参数按指数形式和幂函数形式变化情况下的功能梯度板的弯曲问题。对比有限元法和状态空间法,结果表明：本文提出的状态空间与插值矩阵法相结合的半解析法能有效地分析材料参数按任意形式连续变化的功能梯度矩形板问题,且具有良好的精度,精度可达10-4量级,能够满足工程需要;与其他方法相比,本文方法具有实施便捷、计算量小等优点,根据其力学场分析结果可设计出满足各种不同需求的功能梯度材料。     

均布荷载作用下功能梯度简支梁弯曲的解析解

利用应力函数半逆解法,研究了均布载荷作用下、材料属性在厚度上任意变化的功能梯度简支梁弯曲的解析解,给出了各向应力应变与位移的解析显式表达式.首先根据平面应力状态的基本方程,得出了功能梯度梁的应力函数应满足的偏微分方程,并根据应力边界条件得出了各应力分布的表达式;进而根据功能梯度材料的本构方程和位移边界条件,得出了应变和位移的分布.最后,通过将本文的解退化到均质各向同性梁并与经典弹性解比较,证明了本文理论的正确性,并求解了材料组分呈幂律分布的功能梯度梁的应力和位移分布,分析了上下表层材料的弹性模量比λ与组分材料体积分数指数n对应力和位移分布的影响.     

基于金相图片识别功能梯度材料参数的梯度分布函数

功能梯度材料具有复杂的细观结构.其内部构造远比匀质材料复杂.以目前的实验条件,测量功能梯度材料参数分布函数一般是十分困难的.该文提出一种细观元方法,直接利用功能梯度材料金相图片信息,来进行功能梯度构件宏观响应的跨尺度力学分析.另在功能梯度材料结构静、动力正演分析基础上,根据正演所求得的挠度或固有频率值,采用混和罚函数法来反演识别功能梯度材料参数的宏观梯度分布函数.     

三种工况下SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件的应变测试

SiC/Al梯度功能材料试件各梯度单层由不同体积浓度的铝合金和陶瓷SiC复合而成,由于材料组分梯度变化,有效缓和了双材料界面的应变跳跃问题,从而能够获得了优异的使用性能,本文从实验的角度采用激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在三种工况下进行实验研究.通过实验采集试件在各工况下的位移场云纹图,根据位移与条纹级数的关系以及小变形条件下应变与条纹级数关系式,获得梯度功能材料紧凑拉伸试件预制裂纹区的应变分布.通过实验结果与文献对比分析,在有关梯度功能材料的裂纹扩展准则的适用性方面取得一致结论;同时,就实验获得的应变结果,讨论了梯度功能材料的材料参数变化规律,以及材料组分和梯度层结构对FGM材料整体力学性能的影响.     

功能梯度材料结构分析的半解析数值方法研究

一种典型的半解析数值方法——线法被引入功能梯度材料的结构分析。首先推导了功能梯度材料位移形式的平衡方程和边界条件,然后阐述了线法功能梯度材料结构分析的基本步骤和数值原理。该方法的基本思想是通过有限差分将问题的控制方程半离散为定义在沿梯度方向离散节线上的常微分方程组,然后应用B样条函数Gauss配点法求解该常微分方程组得到问题的解答。为演示线法在功能梯度材料结构分析中的应用,给出了线性梯度和指数梯度功能梯度材料板分别受恒定位移、均匀拉伸载荷和弯曲载荷作用的数值算例。与相应问题解析解和其他数值方法的比较表明,线法的计算结果具有很高的精度,而且不需要任何特殊的考虑就能够有效模拟材料内部物性参数的连续变化,也无需事先选取满足特定条件的待定场函数,是一种非常适合功能梯度材料结构形式和材料特点的半解析数值方法。     

双相介质参数反演的遗传算法

研究遗传算法在双相介质材料参数反演中的作用.将一维双相介质在动载荷下的表面位移响应的计算值与实测值进行拟合,以最小方差作为目标函数,把双相介质参数反演问题归结为非线性多峰函数的最优化问题.全局最优解的求解采用多点并行搜索的遗传算法,克服了传统梯度爬山法难于求得全局最优的困难.算例表明了遗传算法的可行性和稳健性.     

梯度非均匀有限层-基结构界面裂纹动态断裂的数值分析

研究了具有一个界面裂纹的有限尺寸梯度非均匀层-基结构在面内冲击载荷作用下的动态响应问题;提出了分析这类问题的一种数值方法,其核心是计算具有一定宽度的裂缝位移场,通过对到缝端距离及缝宽的双重插值求裂尖处动态应力强度因子。文中对涂层是弹性模量及密度连续变化的梯度非均匀材料,基体是各向同性均匀材料的层-基结构作了具体计算,数值结果清楚地显示出动态应力强度因子的时程变化规律,及有关参数(梯度参数,层厚,层长)对它的影响。     

基于多尺度模型解释固体中的挠曲电效应

挠曲电效应是一种跨尺度的多场耦合现象。当前的宏观挠曲电理论均是基于应变梯度局部破坏晶体反演对称这一微观机理对该现象进行唯象描述。该宏观理论与基于晶格动力学及密度泛函理论的微观挠曲电理论模型之间存在较大差异。难以将两者结合用以跨尺度地研究材料中的挠曲电效应。针对该现状,本文基于前人提出的原子场理论,建立了一种新的多尺度挠曲电模型。并在该多尺度模型框架下解释了应变梯度诱发极化的微观机理。一方面,与基于连续介质力学的唯象理论不同,本文从材料微结构演化的角度推导了原子位移与极化的关系。另一方面,与通过晶格波假设原子位移的微观理论不同,本文得到的极化表达式更加真实和广义地解释了挠曲电效应。其能够适用于材料边界存在机械力作用,材料内部存在缺陷等复杂的情况。本文所建立的多尺度挠曲电模型能够为后续多尺度挠曲电效应的研究提供一些思路。     

Parameter identification for improved viscoplastic model considering dynamic recrystallization

The successful application of viscoplastic model considering dynamic recrystallization depends on how well the parameters are identified. However, it is difficult to obtain satisfactory parameters using conventional parameter identification methods. The reasons are due to difficulties in obtaining homogeneous deformation, high complexity of physical process described by the model and large number of parameters. In this paper, the material parameters are identified by inverse analysis. Global information on objective function is firstly studied by an improved uniform random sampling method; secondly, a hybrid global optimization method, which combines the genetic algorithm, the Levenberg–Marquardt algorithm, the augmented Gauss–Newton algorithm and the flexible tolerance method, is constructed and an inverse analysis numerical procedure, which combines the proposed optimization method with the finite element analysis, is proposed; at last, a set of satisfactory material parameters for 26Cr2Ni4MoV is obtained by the proposed inverse analysis numerical procedure.     

基于填充函数与DCD的全局优化算法及其反演

岩土工程中以监测位移为已知信息的反演问题可通过带未知变量约束空间的优化模型去求解.该模型中的优化函数常具有非线性、非凸性等特点,使得反演结果容易陷入局部最优的困境.为了应对在运用优化算法反演此类问题时存在的困境,并提高其算法效率,依据填充函数优化思想与DCD(Dynamic Canonical Descent)思想在反...     

一个基于塑性的损伤本构模型的参数辨识

研究了一个用于混凝土的基于塑性的损伤模型本构参数辨识问题。把从实验获得的应力-应变曲线与数值计算中获得的应力-应变曲线的差别,作为局部水平上最小二乘法的目标函数。为了求解这个反问题,局部水平上求解损伤弹塑性正问题的子程序被嵌入到本文的反问题的迭代格式之中。灵敏度系数矩阵是通过有限差分方法近似计算得到的。给出的数值计算例子计算了单轴压缩试验结果的参数辨识问题。采用反分析得到的模型参数值,对单向拉伸及三种不同侧压作用下的压缩试验进行了数值模拟。数值结果表明:本文采用的应力反分析计算格式稳定,且具有合理的准确性,数值计算得到的应力-应变结果可以较准确地拟合实验曲线。     

高斯牛顿技术求解偶应力反问题

建立了便于敏度分析的偶应力反问题数值求解模型,给出了直接法和伴随法两种敏度计算格式.在反演计算中采用了高斯牛顿技术对未知本构参数进行识别,探讨了测点数目、初值选取和数据噪音对反演结果的影响,数值算例给出了令人满意的结果.     

曲面拟合在拉格朗日反分析方法中应用的探讨

把一组不同位置的速度(应变)波形构筑的x-t域离散成8节点或9节点单元,每个单元的插值函数为10或12参数多项式,利用拉格朗日反分析可以得到相应的应力(速度)波形。正如路径线法,曲面拟合反分析的某一单元函数值计算需要利用前一单元与该单元交界点的计算值,因而误差生成和发展有时很难预测、控制。文中对不同位置、不同数量量计线情况下,拉格朗日反分析中的曲面拟合法及路径线法误差生成、发展进行了分析,分析结果对材料实验中布置速度(应变)传感器的数量及其间距是有一定帮助的。     

基于泰勒级数展开的区间反演方法

实际结构或构件的几何与材料参数总包含不确定性,在对结构计算模型进行精确分析时,有时需要对参数不确定性进行量化。本文提出了一种用于区间参数识别的反演方法,即基于泰勒级数展开式分别建立参数与响应的区间中值、区间半径的对应函数关系,并通过构建两个反演问题来分步识别参数区间中值和半径,以避免区间扩张现象和简化优化反演过程。通过数值质-弹系统初步验证了方法的可行性,然后基于一组钢板的动测数据,识别了钢板的几何及材料特性参数的区间范围。研究结果表明,本文方法具有良好的区间反演精度,能有效地避免区间扩张现象,可以用于实际工程区间问题的求解。     

基于逆复合二次径向基函数的对称复合材料层合板自由振动分析

利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对Reddy的高阶剪切变形理论进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性.将不同材料参数、几何尺寸和边界条件的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明:逆复合二次径向基函数在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有收敛性好及精度高等一系列优点.     

Using Resampling Residuals for Estimating Confidence Intervals of the Effective Viscosity and Forchheimer Coefficient

Determination of parameters characterizing flows in porous media is a complex inverse problem. It is especially difficult to determine confidence intervals of such parameters. In this note, we develop a method based on utilization of bootstrapping in order to find confidence intervals of model parameters, which are determined by minimizing the discrepancy between model predictions and published experimental results. The discrepancy is characterized by the objective function defined as the sum of squared residuals in the points where experimental measurements are taken. A residual is defined as the difference between the experimentally measured value and the model prediction of this value. We utilized bootstrapping to generate surrogate experimental data by randomly resampling residuals and then adding them back to model predictions. The model parameters that give the best fit with a large number of surrogate data were then determined. By analyzing the histograms of best-fit parameter values, we were able to find confidence intervals for these parameters. We utilized the developed method to determine confidence intervals for the effective viscosity and Forchheimer coefficient.     

Bammann-Chiesa-Johnson粘塑性本构模型材料参数的一种识别方法

粘塑性本构模型能否成功模拟金属高应变率大应变变形过程依赖于材料参数识别结果的好坏。由于BCJ模型考虑了应变率、温度与材料硬化之间的耦合效应以及应变率、温度历史效应,同时模型中包含了多个材料参数,因此很难通过试验直接识别模型的材料参数。本文针对BCJ模型中的耦合效应和历史效应,基于对模型中材料参数物理涵义的界定,给出了一种对材料参数解耦、分离并进行估计的方法,获得了模型材料参数估计公式,估计了材料参数的取值范围。在此基础上,编制了BCJ模型应力积分径向返回算法和粒子群优化算法的计算程序,应用重新设计了BCJ模型耦合效应和历史效应的反分析方法,在参数取值范围内对材料参数进行了优化识别。以OFHC Cu为例,应用提出的识别方法对BCJ模型的材料参数进行了识别,计算结果和试验结果符合较好。     

Elastic Cherenkov effects in transversely isotropic soft materials-I: Theoretical analysis,simulations and inverse method

A body force concentrated at a point and moving at a high speed can induce shear-wave Mach cones in dusty-plasma crystals or soft materials, as observed experimentally and named the elastic Cherenkov effect (ECE). The ECE in soft materials forms the basis of the supersonic shear imaging (SSI) technique, an ultrasound-based dynamic elastography method applied in clinics in recent years. Previous studies on the ECE in soft materials have focused on isotropic material models. In this paper, we investigate the existence and key features of the ECE in anisotropic soft media, by using both theoretical analysis and finite element (FE) simulations, and we apply the results to the non-invasive and non-destructive characterization of biological soft tissues. We also theoretically study the characteristics of the shear waves induced in a deformed hyperelastic anisotropic soft material by a source moving with high speed, considering that contact between the ultrasound probe and the soft tissue may lead to finite deformation. On the basis of our theoretical analysis and numerical simulations, we propose an inverse approach to infer both the anisotropic and hyperelastic parameters of incompressible transversely isotropic (TI) soft materials. Finally, we investigate the properties of the solutions to the inverse problem by deriving the condition numbers in analytical form and performing numerical experiments. In Part II of the paper, both ex vivo and in vivo experiments are conducted to demonstrate the applicability of the inverse method in practical use.