NONLINEAR LARGE DEFORMATION BENDING PROPERTIES OF THE TRACHEA1)

研究了人工气管和生物气管拉伸和弯曲的力学性能及仿真方法。根据气管拉伸实验数据,拟合建立了人工气管的线弹性和生物气管的非线性幂函数本构模型,其与实验的最大误差为18.8%。根据非线性弯曲理论,建立了气管大变形的弯曲变形方程,并得到了其解析解,计算的弯曲载荷与实验的最大误差为8.7%。基于显式有限元法提出了气管弯曲变形的有限元仿真方法,犬气管的弯曲角度的有限元计算结果与实验的误差为3%。     

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(一)——模型理论

基于边界面模型方法研究了不同密实度和含泥量的饱和砂土在静、动荷载作用下的力学和变形特性。其中,初始边界面方程是通过改进修正剑桥模型椭圆形屈服方程得到的,后继边界面方程则是在前次边界面方程的基础上采用中心点映射法获得。针对原模型破坏应力比为定值,不能反映全应力状态和黏聚力在土体受力过程中的作用这一问题,基于三剪统一强度准则,通过等量代换法、坐标平移法对破坏应力比、相变应力比进行了修正,使修正后的椭圆形边界面适用于不同密实度和含泥量的饱和砂土。在此基础上应用边界面理论,研究了饱和砂土的三剪弹塑性边界面本构模型及有限元算式。该模型能够描述密实砂土在受力时表现的剪胀特性,同时可以反映中间主应力效应、应力区间效应、拉压差效应和黏聚力对应力-应变特性的影响。     

A unified plasticity model for cyclic behaviour of clay and sand

This paper presents the development and an experimental evaluation of a simple unified bounding surface plasticity theory for modelling the stress–strain behaviour of sand and clay under both drained and undrained cyclic loading conditions. The model concerned is called CASM-c, which is based on the unified critical state model CASM developed by Yu [Yu, H.S., 1995. A unified critical state model for clay and sand. Civil Engineering Research Report No. 112.08.1995. University of Newcastle, NSW 2308, Australia; Yu, H.S., 1998. CASM: a unified state parameter model for clay and sand. International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 22, 621–653]. CASM is a relatively simple model as it only requires seven model constants, five of which are the same as those used in the modified Cam-clay model. All these constants have clear physical meanings and may be easily determined from the results of triaxial tests. A key advantage of CASM over many other existing critical state models lies on its simplicity and unified nature as it can model the behaviour of both clay and sand.The extension of the model CASM presented in this paper consists of adopting the bounding surface plasticity theory and treating the reloading and unloading processes differently when calculating the hardening modulus. As a result, a smooth transition of stiffness and gradual accumulation of permanent strain and/or pore pressure in unload–reload cycles as well as the hysteretic behaviour can be reproduced. The results of model simulations show an encouraging agreement with experimental data from triaxial tests subjected to both one-way and two-way cyclic loading conditions.     

NONLINEAR UNIFIED STRENGTH MODEL OF GEOMATERIALS

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.     

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

Theory of electroelasticity accounting for biasing fields: Retrospect,comparison and perspective

力电耦合固体的非线性连续介质理论最早出现于20世纪50年代,而成熟于70年代.80年代末、90年代初则因智能材料与结构的兴起而又得到了新的发展,引起了较为广泛的关注,但应用上以线性分析为主.21世纪初以来,力电耦合软材料因其潜在的应用前景激发了众多的研究兴趣.由于牵涉到大变形,必须在一般非线性连续介质力学的框架内进行问题的建模和开展定量分析,因此力电耦合固体的非线性理论重新得到了大家的重视,出现了很多新版本.本文旨在阐述力电耦合固体非线性连续介质理论一般框架的基础上,采用3个构型的表述方式,较为详细地给出拉格朗日描述和更新拉格朗日描述下的力电耦合偏场理论,甄别不同理论表述版本之间的异同,以廓清目前文献中的混乱现象,为今后的相关研究提供理论指导.最后,本文讨论和展望了力电耦合偏场理论在不同研究领域的若干研究重点及其未来发展趋势.     

基于中间构形的大变形弹塑性模型

在大变形弹塑性本构理论中,一个基本的问题是弹性变形和塑性变形的分解.通常采用两种分解方式,一是将变形率(或应变率)加法分解为弹性和塑性两部分,其中,弹性变形率与Kirchhoff应力的客观率通过弹性张量联系起来构成所谓的次弹性模型,而塑性变形率与Kirchhoff应力使用流动法则建立联系;另一种是基于中间构形将变形梯度进行乘法分解,它假定通过虚拟的卸载过程得到一个无应力的中间构形,建立所谓超弹性-塑性模型.研究了基于变形梯度乘法分解并且基于中间构形的大变形弹塑性模型所具有的若干性质,包括:在不同的构形上,塑性旋率的存在性、背应力的对称性、塑性变形率与屈服面的正交性以及它们之间的关系.首先,使用张量函数表示理论,建立了各向同性函数的若干特殊性质,并导出了张量的张量值函数在中间构形到当前构形之间进行前推后拉的简单关系式.然后,基于这些特殊性质和关系式,从热力学定律出发,建立模型在不同构形上的数学表达,包括客观率表示的率形式和连续切向刚度等,从而获得模型所具有的若干性质.最后,将模型与4种其他模型进行了比较分析.      

复杂加载下混凝土的弹塑性本构模型

混凝土材料在不同应力路径下或复杂加载条件下会表现出差异性显著的应力应变关系,在小幅循环加载条件下,其应力应变关系会表现出类似于弹性变形的滞回曲线.在不同应力水平下,混凝土的应力应变关系以及破坏特性都具有静水压力相关特点,即随着静水压力增大,各向异性强度特性弱化.此外,混凝土受压及受拉破坏机理不同,因而对应于混凝土硬化损伤亦有不同,即可分为受压硬化损伤,受拉硬化损伤及两者的混合硬化损伤类型.基于Hsieh模型,对该模型进行了三点改进.（1）针对小幅循环加载下混凝土无塑性变形的试验规律,而模型中在应力水平较低的循环加载条件下始终存在塑性变形的预测问题,采用在边界面模型框架下,设置了应力空间的弹性域,初始屈服面与后续临界状态屈服面几何相似的假定.（2）基于广义非线性强度准则将原模型采用变换应力方法将其推广为三维弹塑性本构模型,采用变换后模型可合理的考虑不同应力路径对于子午面以及偏平面上静水压力效应形成的影响,并避免了边界面应力点奇异问题.（3）分别对拉压两种加载损伤模式建议了相应的硬化参数表达式,可分别用于描述上述加载中产生的应变软化及强度退化行为.基于多种加载路径模拟表明:所建立的三维弹塑性本构模型可合理地用于描述混凝土的一般应力应变关系特性.      

深梁理论的研究现状与工程应用

综述了深梁理论、截面剪切修正系数计算理论、深梁线性与几何非线性有限元、深梁材料非线性分析、深梁振动理论、深梁稳定理论、箱梁结构分析中弯曲、剪力滞、畸变分析时考虑剪切变形影响的计算理论、钢腹板桥梁考虑剪切变形的研究成果、弹性地基深梁、深梁理论在工程结构中的应用等. 提出了杆系结构的静力、振动和稳定分析方法都可用Timoshenko 深梁理论进行重建和重写.     

基于扩展多面体的离散单元法及其作用于圆桩的冰载荷计算

对于具有复杂几何形态的多面体单元,线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力,且接触变形和作用力方向也不易判断.基于闵可夫斯基和(Minkowski sum)方法的扩展多面体单元能够准确描述非规则颗粒单元的几何形态,并可精确计算单元间的接触碰撞作用.该方法具有接触判断简单、计算效率高的特点.它将基本多面体和扩展球体相叠加以形成具有光滑棱边和角点的扩展多面体单元.考虑扩展多面体单元相互作用过程中角点、棱边和平面之间的不同接触模式,发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该接触模型将不同接触模型下的法向刚度统一表述为单元接触中接触点处等效曲率半径的函数;黏滞力和切向弹性力接触模型则借鉴球体单元非线性接触模型的处理方法. 为检验扩展多面体的可靠性,对碎冰区冰块对圆桩结构的冰载荷进行了离散元分析. 采用沃洛诺伊(Voronoi)切割算法获得了碎冰的初始随机分布状态,并考虑了海冰在运动过程中的海水浮力和拖曳力.计算表明该扩展多面体单元可描述海冰在海流拖曳下的运动过程以及圆桩结构的动冰力特性.在此基础上进一步分析了冰速和冰块尺寸对圆桩冰力的影响,并确定了冰力在圆桩上的分布规律. 最后,讨论了目前扩展多面体单元在计算冰载荷方面的局限性和改进方法.      

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形,且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项,即非线性耦合变形项,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

Extremal properties of endochronic plasticity,part II: Extremal path of the constitutive equation with a yield surface and application

Extremal paths for endochronic constitutive equations without using a yield surface and the corresponding principle of minimum potential work were obtained in Part I of this article. In this paper, the extremal properties of endochronic constitutive equation with a yield surface and the corresponding method for deformation bound analysis are proposed. An example is presented that demonstrates that the application of endochronic constitutive models to simplified analysis is not significantly different from classical models due to the derived extremal properties. The adopted constitutive model involves both nonlinear isotropic and kinematic hardening, which may provide more accurate results in simplified and bounding analysis.     

MODEL EXPERIMENT ABOUT RESPONSE OF FLOATING ICE SHEET SUBJECTED TO MOVING AIR CUSHION VEHICLE

基于弹性薄板振动微分方程和相似理论,建立了气垫船在浮冰上运动的原型系统与模型系统参数之间的相似对应关系. 导出了浮冰层自由振动波形传播的相速度和群速度计算公式,明确了相速度的极小值和浅水波传播速度即为气垫船的第一、第二临界速度. 根据研制的高精度非接触式激光位移测量系统,在变水深拖曳水槽中, 开展了不同速度移动气垫载荷激励薄膜变形响应的系列实验,证实了存在使薄膜变形达到最大的移动气垫载荷临界速度. 第一临界速度使气垫载荷之后的薄膜产生最大的下陷变形,第二临界速度使气垫载荷之前的薄膜产生最大的上凸变形. 通过实验结果进一步分析了气垫速度、高度、压力及水深等参数对薄膜变形和临界速度的影响,揭示了移动气垫载荷激励薄膜变形响应的聚能共振增幅机理,为利用气垫船实施有效破冰提供了依据.     

FREE VIBRATION OF A SIMPLY SUPPORTED BEAM UNDER A NON-CONSERVATIVE DISTRIBUTED LOAD

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

具有内域的双层加筋圆柱壳动响应特性简

采用外域双渐近法模拟外部流体域,内域双渐近法模拟内部流体域,采用非线性有限元软件ABAQUS 模拟结构,建立流固耦合数值模型并验证了其有效性. 利用建立的数值模型研究内部流体对双层加筋圆柱壳动响应的影响. 研究结果表明：一阶双渐近的解在中后期振荡周期变短、幅值变小,而二阶双渐近的解与解析解吻合良好;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳外壳的塑性变形,对其内壳塑性变形的影响较小;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳的速度响应.     

结构性黏土模型在FLAC中的二次开发及应用

FLAC软件广泛应用于岩石及岩土工程数值分析中,但内置材料模型库的不足影响了其应用范围及分析结果的精细化。本文基于FLAC程序提供的二次开发平台,以结构性黏土边界面模型为例,在FISH编译环境下实现了复杂本构模型的开发与应用。首先,介绍了FLAC的关键开发技术和具体实施方法;其次,给出了结构性黏土边界面模型的基本原理及应力积分方法;然后,通过FLAC单元测试与FORTRAN程序计算结果的对比,验证了FLAC二次开发在多种应力路径下的正确性;随后,通过FLAC排水平面应变剪切试验模拟剪切带的形成,测试了二次开发模型的多单元模拟能力,同时验证了其网格依赖性问题;最后,通过对土坡开挖的模拟,测试了结构性黏土模型FLAC二次开发的工程适用性。     

软粘土卸载特性计算模型研究

本文从三个方面对软粘土的卸载特性进行了理论研究。采用太沙基一维固结理论，编制了内嵌固结计算的修正剑桥模型程序．对软粘土卸载强度进行了分析。推导了基于修正剑桥模型的孔压表达式并编制了相应的程序对软粘土的卸载孔压特性进行了研究，结果显示，在伸长条件下．孔压先由零逐渐发展到负的最大值．然后又逐渐减小至零。突破零位后，发展成为正孔压并最后达到正的最大值。围压越大，产生的负孔压的极值越大，最终的正孔压越小。将传统边界面模型的线弹性卸载过程改进为弹塑性．建立了软粘土的边界面广义弹塑性模型，从而使边界面模型可用于分析软粘土卸载过程中的塑性变形问题。理论分析结果与试验进行了比较验证，证明理论研究方法是可行的。     

双曲率壳的力学研究进展

双曲率壳是飞机、汽车以及船舶上常见的薄壁结构，其中性面可看作是一条动曲线沿着另一条曲线扫掠所形成的曲面．双曲率壳的非线性理论不断更新推动着双曲率壳力学行为的研究．随着工程实际应用的不断改进，如功能梯度材料(FGM)，加筋壳，弹性地基模型等的引入，双曲率壳在强度、变形和稳定性等方面的研究得到了进一步促进．本文首先回顾了双曲率壳结构非线性力学基本理论发展过程，主要阐述了经典的二维板壳理论，如Donnell 薄壳理论，一阶剪切变形壳理论，高阶剪切变形壳理论，和三维板壳理论的理论体系及基本公式，并对几种理论之间的联系和应用进行了总结和讨论，简述了近几十年来国内外学者在双曲率壳非线性弯曲、稳定性和振动等方面的最新研究成果，最后对双曲率壳体研究目前的局限性和未来的研究方向进行了探讨．     

可压缩空间发展混合层亚谐扰动作用分析简

基于线性稳定性理论,建立了可压缩空间发展混合层亚谐扰动作用的唯象分析图,用以分析并判定亚谐扰动相差对基频涡卷非线性演化类型的影响,据此导出了基频涡卷各类非线性演化的定量的相差唯象模型. 研究发现,当亚谐扰动波长较小时,对于单一亚谐扰动,基频涡卷的演化类型共4 类,分别是撕裂、中心对称群并、第1 类非对称群并和第2 类非对称群并现象. 撕裂与中心对称群并为特殊现象,对应特定的相差点;非对称群并为常见现象,对应除这些相差点之外的相差区间. 当亚谐扰动波长较大时,由于扰动幅值随空间指数增长,只存在非对称群并现象.