钢筋砼结构材料非线性本构关系及有限元法研究

随着工程结构问题研究发展的深入和电子计算机的迅速发展,非线性有限元法在钢筋混凝土结构分析中得到了越来越广泛的应用。与线弹性有限元法相比,非线性有限元法具有"全过程仿真"的特点。本文对钢筋砼结构材料非线性本构关系及有限元法的特点、研究进展、存在问题做了分析和评价;重点探讨了非线性分析中所使用的材料本构方程、材料非线性有限元分析方程和有限元程序的编制。最后对上述研究进行了概括并提出了应用前景。     

铁电-铁弹材料的非线性本构关系及其有限元实施

分析了铁电-铁弹材料在极化过程中的滞回曲线, 根据以往的实验结果提出了一系列假设, 建立了电致屈服与应力屈服准则和等向强化模型, 提出了在屈服阶段增量形式的流动法则, 用唯象的方法提出了力-电耦合的非线性本构关系, 推导了适用于有限元计算的非线性本构关系的矩阵格式. 计算了矩形的铁电-铁弹材料试件在电场作用下从初始未极化状态至过极化状态, 然后在单轴压力作用下的去极化过程. 并与实验结果进行了比较.     

铁电材料的非线性本构行为

针对铁电试样电畴随机分布的情况,提出了多电畴力学模型．模型中极化后的铁电试样由许多靠近极化电场方向的随机分布的电畴所组成．每个电畴看作是一个单元,每个单元的翻转驱动力计算公式中的应力和电场强度采用宏观应力和电场强度,利用标定的电畴翻转驱动力与电畴翻转体积分数之间的强化关系,计算出每个单元的电畴翻转体积分数,将外加应力和电场强度和求得的电畴翻转体积分数代入本构方程就可以求得各个单元的应变和电位移,对所有单元进行体积平均得到铁电试样的宏观本构响应．同时也对铁电试样的非线性本构行为进行了有限元模拟．在有限元计算中,首先由宏观应力和电场强度计算出每个单元电畴翻转驱动力,进而得到各单元电畴翻转体积分数,就可以针对本次加载进行有限元计算,计算中考虑到各单元自发极化方向不同而引起的交互作用得到各单元的应力、应变和电位移,体积平均求得试样的宏观本构行为．根据以上两种方法进行了计算,计算结果包括单轴力加载和单轴电加载下的应力应变曲线、应力电位移曲线以及力电耦合加载下铁电试样的电滞回线、蝶形曲线,理论预测与实验结果符合良好．     

磁电弹性耦合材料中的本构关系

磁电弹性耦合材料的力学本构方程一般形式是通过应力、电位移、磁感应强度来表示应变、电势和磁势。文章根据连续介质的热力学理论,利用Gibbs自由能和Legendre变换,系统地推导了磁电弹性耦合材料8种形式的本构方程,为磁电弹性耦合材料的进一步研究提供了理论基础。     

非线性粘弹性材料的一个瞬时弹性本构关系

运用非线性粘弹性本构理论中的弹性回复对应原理,得到了一个简单的适用于非线性粘弹性材料的瞬时弹性本构关系.结合实例分析, 验证了由该瞬时弹性本构所表征的非线性粘弹性本构关系能对非线性粘弹性材料的力学行为进行合理描述的结论.     

沥青混合料非线性粘弹性本构关系研究

为进一步研究沥青混合料非线性粘弹性关系,采用简单性能试验机(SPT)在不同温度(5、25、45℃)和荷载作用频率(0.5、1、5、10、25 Hz)下的测定沥青混合料动态模量和相位角。通过对比Burgers模型与建立的分数导数模型对试验结果的拟合,表明分数导数模型较以往的模型能够较好地拟合试验曲线,拟合参数具有实际物理意义,能够用于描述沥青混合料的动态粘弹性性能。     

固体材料数据本构研究

本文在对固体材料的传统本构模型进行分析研究的基础上,应用现代计算技术,探索数据的内在结构,提出了新一代固体材料的数据本构模型。同时给出了固体材料数据本构的操作步骤和具体实现方法。最后结合具体应用实例做了优越性讨论。     

铁电材料P-E本构关系

铁电材料的极化机制包括：位移极化,转向极化．位移极化正比于外加电场;将电畴的固有电矩在极化方向按玻尔兹曼能量取加权平均得到转向极化．由此推出一个简单的解析表达式,表达了铁电材料极化强度P与外电场E的本构关系．将该解析表达式的结果与文献给出的电滞回线实验数据进行比较,2者符合得非常好．该解析表达式对磁滞回线的模拟效果也非常令人满意。     

泡沫材料连续模型的本构关系

提出了基于混合物理论的泡沫材料连续模型的本构关系,引进体积分数的概念,在理性热力学公理的框架内,通过考察体构关系的热力学约束,建立了能够反映复杂热力学条件的固－一气两相泡沫材料的本构方程。     

具有压电材料薄板稳定性的有限元法

考虑一均匀各向同性薄板结构,在板面内受面力作用,且在板的上下表面离散分布着压电执行元件。设每块压电片具有相同的材料,且作用相同电压。不考虑压电元件对整体结构刚度的影响;只考虑执行元件对板的逆压电效应,而不考虑板弯曲对执行元件中电场强度的影响。要根据压电材料的逆压电效应,利用三角形三节点单元,用变分原理导出压电结构反平面应力问题位移法的有限元表达式以及在大找度小变形情况下的稳定性有限元特征方程。可利     

非线性材料本构模型结构和参数的耦合进化识别

在引入进化思想的基础上,利用进化算法全局最优搜索特点,结合非线性力学分析方法,提出了材料非线性本构模型结构和参数的耦合进化识别算法,对复杂的非线性材料本构模型进行全局识别·复合材料非线性本构模型的识别结果表明了该方法的科学性,为非线性材料的研究提供了一条新途径     

一种压电复合材料层合板机电耦合有限单元

基于压电复合材料层合板经典理论,建立了一种四边形机电耦合有限单元．所建单元具有ｍ个电自由度,可直接模拟单元中的电压作用和检测电压输出;单元每一节点具有５个位移自由度,可计及复合材料层合板的拉弯耦合变形．给出了各类刚度矩阵的形式,简述了利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理推导出机电耦合基本运动方程的过程,并根据所推导的有限元素和基本方程编制了程序并进行了计算,所得结果与文献中的计算和试验结果相吻合．     

智能结构中压电元件的最佳厚度

研究了在智能结构中压电元件,粘合层及主结构之间厚度的匹配关系,在常电压作用下,压电元件存在一最佳厚度使有效弯矩最大。对于钢基体和铝基体的梁,压电层的最佳厚度分别为基体厚度的１／２和１／３。     

一种新型压电舵机的设计

设计了一种由两组独立的压电角位移执行机构组成的基于压电致动器的新型电动舵机.压电致动器产生的位移经过杠杆机构放大以后转换为舵偏角的输出.推导了压电舵机的数学模型,在此基础上讨论了影响压电舵机性能的因素,并通过实验加以论证.研究结果表明所设计的压电舵机具有结构紧凑、体积小、质量功率比高、价格低、响应速度快等优点,适用于小型旋转制导弹药.     

橡胶类材料大应变硬化的本构关系

橡胶材料具有良好的弹性性能和拉伸能力,为典型的超弹性材料．其在大应变时常呈现出应力一应变的增强或软化效应,本构关系较复杂．目前,有关橡胶材料大应变硬化的本构关系实验研究尚属匮乏．文中对橡胶类材料大应变时的硬化现象进行了实验和理论研究,提出了一种新的应变能函数来描述橡胶材料的本构关系,测定了橡胶材料硬化时的本构参数,并进行了实验验证．研究结果表明该应变能函数可较好地描述橡胶材料在大应变时的硬化现象,为进一步研究橡胶材料硬化的本构特性提供了参考依据．     

梁振动控制的分布压电单元法

提出了一个用于梁振动控制的新方法——分布压电单元法,它包括压电模态传感器与压电模态致动器的设计方法以及相应的模态控制方法。     

压电材料静力耦合机理的三维解析及简化分析

在三维压电材料本构方程的基础上,推导出了用位移和电势表示的三维横观各向同性材料的平衡微分方程．考虑到平面问题的广泛性,推导得到了三维压电材料的弹性常数在二维情况下的表达式,为二维理论分析作出了准备．同时,还考察了受垂直于极性轴的轴向力的压电材料的三维解析解,得到了这种情况下的位移和电势分布情况．进而,简单分析了压电材料中弹性常数与工程常数之间的关系     

梯度功能压电材料的一组参数识别

当考虑压电材料的压电参数g31,弹性参数S33和材料密度ρ沿厚度呈梯度变化时,通过测量压电材料悬臂梁在电场或横向集中力作用下梁的宏观反映(如应变、位移和电势),给出了确定这些参数分布的公式,包括g31、S33的单参数识别及体积力与联合参数识别的方法.对联合参数识别方法在常体力、材料参数S33为常数或在厚度方向呈线性变化等情况下的应用问题进行了讨论.