基于十四面体模型的闭孔泡沫材料动态力学性能的有限元分析

应用有限元方法分析了基于十四面体模型的三维闭孔泡沫材料的动态力学性能。计算中所有十四面体具有相同的尺寸,主要研究了不同初始冲击速度、不同相对密度以及组成泡沫的机体材料的应变强化对泡沫材料的变形模态、平台力及密实化应变能的影响,尽可能全面地描述了泡沫材料的能量吸收特性。数值结果表明:冲击速度对泡沫模型的模态影响较大,特别受到高速冲击时,冲击端泡沫形成I形然后向支撑端传播;相对密度对能量吸收能力的贡献较大,密实化应变能随相对密度呈二次曲线变化;冲击速度、相对密度及机体材料的应变强化分别与坪应力呈线性关系。     

闭孔泡沫铝材料十四面体模型的改进

基于对闭孔泡沫铝发泡过程更为合理的假设,提出了描述胞体结构的改进的十四面体模型,使之可以反映密度增大时质量集中于支柱和顶点的情况。采用有限元方法及耦合边界条件,研究了闭孔泡沫铝的相对弹性模量、泊松比等弹性特征与胞体参数的关系,给出了拟合的弹性模量的计算公式,并对模型在弹性压缩变形下应力分布进行了分析。通过与已有模型的比较表明,改进模型可以较好地模拟闭孔泡沫铝材料的弹性性能。     

闭孔泡沫金属变形模式的有限元分析

运用有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了三维Voronoi闭孔泡沫金属在不同的冲击速度下的变形行为。随着冲击速度的提高,得到了3种变形模式:准静态均匀模式、过渡模式和冲击模式,并以相对密度和冲击速度为坐标建立了变形模式图。引入应力均匀性指标和变形局部化指标,确定了模式转化的临界速度,并与已有的冲击速度预测公式进行了比较。根据临界速度的数值和理论结果,提出了一种确定锁定应变的方案,结果介于压实应变和完全密实应变之间。     

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     

Effects of internal pore pressure on closed-cell elastomeric foams

A micromechanics framework for porous elastomers with internal pore pressure (Idiart and Lopez-Pamies, 2012) is used together with an earlier homogenization estimate for elastomers containing vacuous pores (Lopez-Pamies and Ponte Castañeda, 2007a) to investigate the mechanical response and stability of closed-cell foams. Motivated by applications of technological interest, the focus is on isotropic foams made up of a random isotropic distribution of pores embedded in an isotropic matrix material, wherein the initial internal pore pressure is identical to the external pressure exerted by the environment (e.g. atmospheric pressure). It is found that the presence of internal pore pressure significantly stiffens and stabilizes the response of elastomeric foams, and hence that it must be taken into account when modeling this type of materials.     

闭孔泡沫铝的高温局部压入力学响应

通过不同形状(平头和半球头)的压头在不同温度下对闭孔泡沫铝材料进行塑性压入实验,研究不同温度下闭孔泡沫铝的压入变形模式及载荷响应特性。并基于闭孔泡沫铝在高温下的准静态塑性压入载荷响应的实验结果,结合多种分析方法,(如量纲分析和有限元计算等),探索既考虑温度影响也包含压入深度影响的预测闭孔泡沫铝平头和半球头压入力学响应的经验公式。结果表明,本文得到的两种压头情况下的经验公式都能够较好地预测闭孔泡沫铝在不同温度下的压入力学响应。

     

泡沫铝率相关性能的有限元模拟

构建了三维随机分布球形泡孔模型,模拟开、闭孔混合结构泡沫铝材料的微细观结构,并通过有限元方法计算了10~104 s-1应变率范围内、孔隙率35%~65%泡沫铝材料的率相关性以及应变率和相对密度变化对泡沫铝动态压缩力学性能的影响。研究表明:中、低应变率下,泡沫铝材料率相关性能主要取决于基体材料的应变率敏感性;高应变率下,泡沫铝材料率相关性能受基体材料的应变率敏感性以及微结构惯性联合作用,且相对密度较低泡沫铝材料的微结构惯性效应更显著。     

Finite element model updating using variable separation

In the field of structural dynamics, reliable finite element response predictions are becoming increasingly important to industry and there is a genuine interest to improve these in the light of measured frequency response functions. Unlike modal-based model updating formulations, response-based methods have been applied only with limited success due to incomplete measurements and numerical ill-conditioning problems. The least squares approximation method is one of the methods used but often poses a problem of pseudo inverse due to the number of incomplete measurements. The proposed algorithm is a modification and extension of a previously-developed nonlinear least squares method for damage detection and finite element model updating. The paper derives explicit expressions for the first and second order partial derivatives with respect to the correction parameters and for the Jacobian matrix used in the Newton–Raphson solution of the nonlinear set of equations in order to avoid the pseudo inverse and to build a symmetrical system. The proposed method, assigned to a frequency parameterization which considers the minimum distance to be minimized, shows a good numerical stability. The performance of the method in localizing structural damage and updating model is examined using simulated measurements.     

基于mbS模式的有限单元法

mbS模式及其有限元法是在固体和结构分析模型中引入薄膜、弯曲和剪切理论,且采用纯拉压、纯弯和纯剪单元进行分析的数值方法。在时空系中剖分物质单元和时间单元上构造以指数函数和贝塞尔函数为插入函数且按Lagrange插值条件的薄膜、弯曲和剪切等基本位移函数,由此得到更加完备和耦合的固体和结构实体单元的变形模式,根据能量泛函变分原理得到静动力有限元基本方程的一致格式。研究表明,mbS模式及其有限元法可用于梁柱和板壳等结构的静动力分析及屈曲分析。     

分数阶导数粘弹性模型的有限元法

在分析分数阶导数三元件模型理论的基础上,把分数阶导数三元件模型引入有限元模型中,推导出具有分数阶导数三元件本构关系的粘弹性结构动力学有限元格式。同时,应用分数阶导数型粘弹性结构动力学方程的数值算法求解了该有限元格式的数值解。并以二维沥青路面结构为例进行了路面动态粘弹性响应分析。算例分析表明,该方法能够正确有效地进行路面动态粘弹性分析。     

典型梁-缘结构鸟撞破坏的有限元分析

以某特种飞机机身处典型支撑结构为对象,建立了鸟撞击多层间隙梁-缘结构的三维有限元分析模型。在给定的三种工况下,运用大型非线性动力学有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA的ALE-Lagrange耦合运算功能,计算得到了鸟撞击关键部位的数值结果及结构的鸟撞临界速度,考察了不同撞击点对结构动响应的影响,分析了结构鸟撞破坏机理,经与全尺寸实验结果比较,不论是结构的变形量还是破坏模式,两者均吻合较好,从而证明了本文方法及模型的正确性。     

Finite element analysis of the secondary buckling of a flat plate under uniaxial compression

Uemura and Byon (Int. J. Non-Linear Mech. 13, 1–14, 1978) presented experimental results and a numerical analysis about the secondary buckling of clamped flal plates under uniaxial compression. However, their numerical analysis is based upon an inconsistent flat plate finite element and it does not take into account the important influence of antisymmetric imperfections.This paper presents and discusses F.E.M. results obtained by two computer codes using very different approaches, and compares these results with the experimental ones.     

基于SGMD及LWOA-ELM的有限元模型修正

为得到待修正参数与结构响应之间的关系,提高模型修正的效率和精度,提出了一种基于辛几何模态分解(SGMD)和Lévy飞行鲸鱼优化算法(LWOA)优化极限学习机(ELM)的有限元模型修正(FEMU)方法。首先,对加速度频响函数(AFRF)进行SGMD分解,采用能量熵增量法确定重组辛几何分量(SGC)构成SGC矩阵。然后,利用LWOA对ELM的权值和阈值进行优化,提高ELM模型的预测效率,以LWOA-ELM为代理模型映射出待修正参数与SGC矩阵之间的关系。最后,以试验频响函数SGC矩阵与LWOA-ELM模型输出所得矩阵差值的F-范数最小为目标函数,结合LWOA求解待修正参数。算例分析表明,提出的方法用于有限元模型修正有较好的可行性和有效性。以SGC矩阵表征AFRF的修正方法,有较好的噪声鲁棒性;LWOA-ELM作为代理模型预测精度高,泛化能力强。     

薄壁杆侧向稳定分析有限杆元模型

根据位移变分原理,建立有限杆元模型,对薄壁杆进行侧向稳定分析。在考虑截面扭转、翘曲同时,特别考虑了反映剪力滞后现象的杆壁中面上剪应交的影响。推导出薄壁杆侧向屈曲能量方程可适用求解常用边界条件,任意棱形截面形状的薄壁杆的屈曲特征值问题。     

Finite deformation of incompressible fiber-reinforced elastomers: A computational micromechanics approach

The in-plane finite deformation of incompressible fiber-reinforced elastomers was studied using computational micromechanics. Composite microstructure was made up of a random and homogeneous dispersion of aligned rigid fibers within a hyperelastic matrix. Different matrices (Neo-Hookean and Gent), fibers (monodisperse or polydisperse, circular or elliptical section) and reinforcement volume fractions (10–40%) were analyzed through the finite element simulation of a representative volume element of the microstructure. A successive remeshing strategy was employed when necessary to reach the large deformation regime in which the evolution of the microstructure influences the effective properties. The simulations provided for the first time “quasi-exact” results of the in-plane finite deformation for this class of composites, which were used to assess the accuracy of the available homogenization estimates for incompressible hyperelastic composites.     

直杆碰撞刚性壁弹塑性动力后屈曲有限元分析

利用显式动力学有限元方法对直杆弹塑性动力后屈曲进行了分析,模拟了直杆轴向碰撞动力屈曲的变形及发展过程。分析中在直杆碰撞端局部临界屈曲长度范围内引入半正弦波形式的初始缺陷,计算结果与文献中的实验数据获得了很好的一致。分析结果表明,随着碰撞过程中所产生的应力波逐渐向前传播,后屈曲变形过程中所呈现的多个半波形式的高阶屈曲模态由初始具有单个半波形式的简单屈曲模态迅速演变而成。分析结果同时也揭示了直杆动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。     

CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物（CFRP）-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度（冲击能量）是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。     

金沙江虎跳峡河段岸坡变形破坏的相关动力因子研究

石墨层和单臂碳纳米管都是以C---C共价键结合的. 在小变形条件下C---C键的势能可用谐和函 数来描述，这与梁单元的变形能具有相同的形式，因此可以用梁单元等效C---C键的作用. 提出了一种C---C键的等效梁单元有限元模型，该模型能够完备地替代谐和势描述C---C键的 伸长、面内键角变化、离面键角变化和扭转. 通过分析石墨层的典型受载情况得到了等效梁 单元的参数，以及等效梁单元参数与谐和势参数的关系，并用该模型计算了单臂碳纳米管的 杨氏模量和泊松比，计算结果为相关文献所验证.     

形成不同拉压允许应力Michell桁架的有限元方法

提出了形成具有不同拉压允许应力材料的Michell桁架的有限元方法。采用正交异性材料模型,以结点位置杆件的密度和方向作为设计变量,由结点位置的值插值得到有限单元内部的材料性质,材料在设计域内连续分布,这样避免了单元之间材料性质的突变,因此从根本上避免了单元铰接、棋盘格现象以及单元依赖性等数值计算不稳定性问题。提出了一种基于优化准则法的迭代算法,用以形成不同拉压允许应力材料的Michell桁架。由有限元分析得到结点位置处的主应力方向作为杆件方向,根据主应力方向的应变和材料拉压允许应力调整杆件密度。最后由结点位置的杆件方向形成Michell桁架中连续分布杆件。