基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究

为解决工程中得到广泛应用的钢管混凝土结构承载力计算问题,在总结分析已有钢管混凝土短柱承载力计算理论的基础上,利用弹性变形理论,推导出了钢管混凝土短柱极限承载力计算公式,利用推导得出的计算公式,对混凝土的泊松比趋近于零、混凝土的弹性模量趋近于零、钢管和混凝土的弹性模量和泊松比都相等、钢管和混凝土的泊松比相等而其弹性模量不等、钢管混凝土短柱端面上混凝土凸出或凹进的影响等六种条件下,钢管混凝土结构的承载情况进行了分析.     

考虑宏细观损伤的隧道裂缝区围岩弹塑性分析

针对以往隧道含裂缝围岩弹塑性分析仅考虑细观损伤的不足,本文在统一强度理论下考虑宏细观损伤因子、水的渗透压力以及中间主应力,推导出含裂缝区围岩的应力、洞室位移量的计算公式和考虑损伤的围岩抗力系数表达式;并应用于现有隧道分析计算。其计算结果表明:①不考虑宏观损伤会使计算的细观裂缝区半径偏小;②宏观裂缝区半径不变,细观裂缝区半径随着支护抗力变大而变小;③随着细观裂缝区半径增大,洞室位移量随着弹性模量增大而减小,且随着内聚力增大而减小,泊松比越大,其增长曲线斜率越大,细观裂缝区半径较小时,洞室位移量随着泊松比增大而减小,细观裂缝区半径较大时,洞室位移量随着泊松比的增大而增大。研究成果可以为隧道工程支护力的确定以及支护结构的选取提供理论参考。     

复合材料模量细观分析的一般性模型

基于细观力学理论,提出了横观各向异性复合材料弹性常数的分析模型,并给出了纵向(纤维长度方向) 与横向弹性模量、横截面内剪切模量和泊松比等材料性能参数的理论推导和计算公式. 此方法简洁准确地反映了材料横观各向异性性能,改进了常规细观力学模型,也为工程分析提供了理论依据;同时在复合材料力学课程教学中,有助于深化学生对复合材料细观分析的理解,具有一定的启发性.     

多组贯穿闭合裂隙岩体变形模型研究

根据等效岩体理论,并考虑闭合裂隙面摩擦效应,建立了含多组贯穿闭合裂隙岩体的数学模型,给出了岩体轴向应变、等效弹性模量与等效泊松比的表达式,系统地研究了岩块性质和裂隙参数对等效弹性模量与等效泊松比的影响。结果表明:岩块弹性模量对等效弹性模量与等效泊松比的影响随弹性模量增大而逐渐减弱,等效泊松比与岩块泊松比近似呈正比例关系;当裂隙角度小于50°时,裂隙几何参数对等效弹性模量影响较大,对等效泊松比影响较小,随着角度增大,影响逐渐减弱;岩体变形受裂隙组数影响较大,由于闭合裂隙面的摩擦效应及多组裂隙间的制约作用,含两组及三组裂隙时岩体变形较小,只含一组裂隙时岩体变形最大,无裂隙岩体变形几乎可以忽略。     

传递矩阵法分析中心荷载下对称刚性板地基沉降及反力

利用传递矩阵法对横观各向同性地基上受中心荷载的对称刚性板问题进行了分析,文中分析了坚向的弹性模量Ev水平的弹性模量Eh、坚直面上的剪切模量Gv以及Eh和Ev的比值n、Gv和Ev．的比值m、水平向应力引起的正交水平向应变的泊松比vh、竖直向应力引起的水平向应变的泊松比Vch对沉降和基底反力的影响;同时采用成层地基进行分析,将其计算结果与常规方法中采用对弹性模量和泊松比在计算深度内按深度加权平均的计算结果进行比较;可对比看出传递矩阵法更符合地基的实际情况,结果也趋合理。     

辽西风积土动剪切模量与阻尼比特性试验研究

研究辽西风积土的动力特性离不开其动剪切模量与阻尼比这两个最基本的参数. 通过一系列动三轴试验, 分析了围压、固结比、振动频率对原状风积土的动剪切模量与阻尼比的影响情况, 并探讨了其产生的机理. 通过试验数据分析表明, 风积土的动剪切模量随围压的增大而增大, 但阻尼比随围压的增大而减小; 动剪切模量随固结比的增大而增大, 阻尼比随固结比的增大而减小; 动剪切模量和阻尼比均随振动频率的增大而增大, 但影响较小, 不如前两个因素明显.     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

基于修正偶应力理论的Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应研究

为研究Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应,基于修正偶应力理论推导了梁的变形能计算公式,得到了反映尺寸效应的量纲归一化刚度公式;利用最小势能原理求解了Euler-Bernoulli微梁,得到了反映尺寸效应的量纲归一化挠曲线方程和量纲归一化最大应力方程。通过数值模拟计算,研究了Euler-Bernoulli微梁的刚度和强度等力学特性的尺寸效应,分析了泊松比对Euler-Bernoulli微梁的刚度和强度等力学特性的影响。分析结果表明:在微尺寸范围内Euler-Bernoulli微梁的刚度随尺寸的增大而减小,其强度则随尺寸的增大而增大,当量纲为一的高度大于20时,Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应不明显,可忽略不计;泊松比越大,微梁强度越大,刚度越小,当量纲为一的高度大于20时,泊松比对微梁强度和刚度的影响可忽略不计。     

免充气轮胎下沉量及封闭型菱形多孔结构分析

以鸟巢结构式免充气轮胎为研究对象,建立了该免充气轮胎的计算模型。提出了免充气轮胎多孔结构封闭式下沉量算法,应用ABAQUS有限元仿真软件对封闭型菱形多孔结构单向相对弹性模量进行了拟合分析。将该免充气轮胎下沉量的理论计算值、有限元仿真结果以及同型号充气轮胎的实验结果进行了对比。结果表明该免充气轮胎多孔结构封闭式下沉量算法能够近似计算该免充气轮胎的下沉量。     

次轻页岩集料混凝土基本力学性能试验研究

为了研究次轻页岩集料混凝土的基本力学性能,以取代率为变化参数,用碎石、河砂分别取代全轻混凝土中的陶粒、陶砂,配制形成石轻混凝土、砂轻混凝土。对其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等基本力学性能指标开展了试验研究,获取了次轻页岩集料混凝土的受力破坏形态,分析了取代率对次轻页岩集料混凝土力学性能指标的影响规律。建立了次轻页岩集料混凝土弹性模量、轴心抗压强度与立方体抗压强度换算关系、拉压比与泊松比关系等计算模型。研究结果表明:随着碎石、河砂取代率的增加,次轻页岩集料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度逐渐增大,弹性模量逐渐增大;石轻混凝土的泊松比呈先减小后增大的变化规律;砂轻混凝土的泊松比则逐渐减小。通过引入取代率影响参数,所建立的计算模型简单实用,计算精度良好。     

NiMnGa颗粒/环氧树脂复合材料的力学性能研究

将通过球磨法获得的Ni2MnGa颗粒与双酚A二缩水甘油醚环氧树脂混合均匀并常温固化,制备出相应的复合材料试件;通过拉伸-卸载试验研究了NiMnGa颗粒对树脂基体的增强效果;以试验为基础,从细观力学的角度分析了NiMnGa颗粒对树脂基复合材料弹性特性的影响;采用商用有限元软件Abaqus,对NiMnGa/树脂复合材料单胞模型进行了仿真计算。分析结果表明:随着NiMnGa颗粒体积含量的增加,试件的拉伸模量和剪切模量增大、泊松比减小;随着椭圆NiMnGa颗粒长短半轴比的减小,复合材料纵向泊松比增加、纵向拉伸模量减小,横向拉伸模量呈先减后增的趋势,剪切模量则呈先增后减的趋势。通过对比可知试验值、理论值、有限元模拟值数值相近且变化趋势一致。     

零泊松比手风琴蜂窝等效模量

柔性蒙皮是变形机翼和风力机叶片的关键组成部分。一维变形的柔性蒙皮不仅要求其支撑结构具有良好的面内变形和面外承载能力,还需要具有零泊松比特性。手风琴蜂窝具有零泊松比特性,可用作一维变形柔性蒙皮支撑。为全面分析其面内外弹性变形特性,综合考虑结构的内力弯矩、轴力和剪力,通过卡氏第二定理对其x向等效弹性模量和x-y面内等效剪切模量进行了推导;利用最小余能原理和最小势能原理确定了x-z面内的等效剪切模量;此外还推导了其y和z向的等效弹性模量以及y-z面内的等效剪切模量;然后通过ANSYS有限元仿真对等效模量理论公式进行了验证;最后将本文理论模型与现有模型进行了比较。结果表明,理论公式和有限元仿真吻合较好,在结构设计时采用较大的斜梁高度系数h和斜梁间距系数g,较小的厚度系数t以及较大的竖直梁厚度系数η,有望获得具有较小面内刚度和较大面外刚度的手风琴蜂窝结构。该结果可用于手风琴蜂窝面内外等效模量的快速预测,为一维变形柔性蒙皮的结构设计提供相应的参考。此外,本文理论模型相比传统模型更为精确且具有更加广泛的应用范围。     

超重力作用下软材料薄膜失稳的有限元分析

软材料在自然界和工业应用中无处不在,其显著特点是对外界刺激极其敏感,相对于传统材料其弹性模量更小,容易发生表面形态的失稳现象．现有研究主要把光、声、电等作为诱导材料失稳的因素进行研究,而重力往往作为常量考虑．本文通过有限元模拟,建立超重力作用下环向受限的圆柱状软材料薄膜失稳模型,探究了薄膜材料的密度、厚度、半径、剪切模量等材料和几何参数对失稳临界超重力和临界失稳模态的影响．结果表明,触发薄膜失稳的超重力随薄膜厚度和密度增大而减小,随剪切模量增大而增大,随着薄膜半径增大快速减小并迅速趋于常数．另外,当径厚比R/H较小时,无量纲临界超重力随着径厚比增大而单调减小,但当径厚比R/H大于3 时,此量为一个常数．超重力作用下软材料的临界失稳模态与密度、剪切模量等参数无关,随径厚比R/H增大,临界失稳模态波数增大、波长减小．     

砂岩岩石力学参数各向异性研究

对胜利油田不同深度的四口井的砂岩岩芯进行了三轴压缩试验和动态岩石力学参数试验。根据获得的垂直地层方向和平行地层方向的试验数据,计算了各岩石力学参数的各向异性系数。通过分析围压以及深度对各向异性系数的影响,给出了砂岩峰值强度各项异性系数、静泊松比各向异性系数、纵波波速各向异性系数、纵横波速比和动泊松比各向异性系数与深度的拟合公式。发现峰值强度、纵波波速和纵横波速比的各向异性系数都随着深度的增加而减小,而泊松比各向异性系数随着深度的增加而增大。动、静弹性模量各向异性系数与深度相关性都很差,动弹性模量各向异性较弱,静弹性模量相对较强。     

周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础, 预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效 应的一种简单有效计算方法. 以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解; 同时, 建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子$n$的解析关系, 证明了两种构型的周期性多孔材 料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子$n$的增大而减小. 当$n \to \infty $时, 即体胞尺寸相对整体结构无限小时, 多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值; 当体胞的材料体分比增大时, 多孔材料等效剪切模量也随之增大. 此外, 依据周 期性多孔材料的结构对称特性, 使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸 效应的预测, 极大地提高了计算效率.     

用能量法分析层状材料弹性接触问题

利用能量法分析了层状材料（薄膜／基体）弹性接触问题，得到了具有一阶精度的闭合解，给出了求解薄膜弹性模量和泊松比的表达式，并与有限元的数值解进行了比较。二者比较结果表明：在工程材料范围内，理论解与数值解相差在6％以内；同时表明单相材料中剪切模量与弹性模量之间的关系也适用层状材料中的薄膜材料。在数值解的基础上，讨论了薄膜厚度与压头半径的比值对求解精度的影响，发现此比值对精度影响不大。通过对层状材料等效泊松比与等效弹性模量的定义，给出了用压痕实验测定薄膜泊松比与弹性模量的方法。     

冲击作用下复合材料叠层板层间开裂演化模型

采用双线性特性破坏模型研究了复合材料叠层板层间开裂裂纹的演化, 通过引入弹性/剪切模量的损伤参数, 推导出损伤参数与应变之间的微分方程, 并得到裂纹耗散功率与损伤参数变化率之间的关系. 计算不同初始冲击速度下复合材料叠层板某界面上应变、应变率响应以及损伤参数的演化, 即可得到该界面发生层间开裂的情形及其对剪切模量的影响.通过检查界面各点处的损伤参数是否发生改变, 预测了冲击完成之后复合材料叠层板第1, 2层之间发生层间开裂区域的大小与位置; 该预测结果与实验数据及其他破坏准则计算结果基本相符. 计算结果表明, 在冲击过程中当界面上任意点处的剪应力超过剪切强度后, 该点附近的剪切模量开始发生衰减, 衰减大小随铁球初始冲击速度的增大而增大, 并从靠近冲击中心的位置逐渐向周围递减. 在四边简支边界条件下, 复合材料叠层板的层间开裂区域同样最先出现在界面中靠近冲击点的位置, 区域面积随初始冲击速度的增大不断扩大. 当初始冲击速度足够高时, 第1, 2层界面的两条对称轴上开始出现多个独立的开裂区域.      

基于三维细观力学模型的开孔泡沫弹性性能预测

泡沫材料的宏观力学性能主要取决于基体材料的力学特性及其微细观结构特征,基于细观力学模型的分析方法是泡沫材料力学性能研究的重要途径。文中基于Matlab语言和Abaqus软件构建了描述中等孔隙率开孔弹性泡沫材料微结构特征的三维随机分布球形泡孔模型,并采用有限元方法对弹性泡沫压缩变形进行了模拟,并计算给出了不同孔隙率弹性泡沫材料弹性模量、剪切模量、体积模量以及泊松比的分布,建立了相应的唯象表达式。与理论模型及测试结果的比较表明,本文基于三维随机泡孔模型模拟结果构建的唯象表达式能够对弹性泡沫材料的弹性力学性能给出很好的预测。     

磁流变弹性体若干物理量的数值分析

应用有限元方法,考虑了颗粒的磁化饱和过程与非线性磁化过程,计算得到了磁流变弹性体中的磁场分布,进而研究了在不同磁场大小、不同颗粒体积比浓度下磁流变弹性体在成链方向的相对磁导率,计算结果和实验结果取得了一致。利用Maxwell应力张量,计算了磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量。分析了颗粒体积比浓度、外加磁场对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。研究了颗粒为旋转椭球形状时,颗粒的放置方式与其长短轴之比对磁流变弹性体的磁致剪切模量的影响。计算结果表明,磁流变弹性体的相对磁导率随颗粒体积比浓度的增大而增大,随磁场强度的增大而减小,颗粒的形状和放置方式对磁流变效应有很大的影响。     

闭孔泡沫铝的塑性泊松比

在表征闭孔泡沫铝的力学性能中,塑性泊松比是较为重要的参数之一。本文应用Kelvin十四面体模型构建出不同相对密度的闭孔泡沫铝三维细观模型并采用LS-DYNA对所得细观模型进行单轴准静态压缩计算。数值模拟分析发现,随着轴向应变的增加,泡沫铝泊松比-轴向应变曲线呈倒S形,存在峰值和极小值,曲线变化规律与泡沫铝胞孔的变形有密切关系。根据泊松比-轴向应变曲线与胞孔变形之间的关系,给出了平均塑性泊松比的定义。计算结果显示,随着相对密度的提高,闭孔泡沫铝的平均塑性泊松比增大。当闭孔泡沫铝的相对密度低于0.1时,其平均塑性泊松比接近于零,计算中可以忽略;当闭孔泡沫铝相对密 度大于0.1时,其平均塑性泊松比随相对密度的增加而呈线性从0.17增加到0.5