材料非线性微-宏观分析的多尺度方法研究

介绍并比较了近年来在材料非线性微-宏观分析多级数值方法方面的研究工作. 针 对考虑材料内摩擦接触的颗粒材料多尺度计算问题，建立一种基于数值技术的多级分析方 法. 方法的特点是在对材料进行微观分析的基础上建立宏观材料的多尺度非线性数值本构模 型. 而对材料弹塑性多级分析问题，建立了基于转换场技术的算法，采用近似技术建立非线 性分析的本征应变矩阵，使方法具有表达简单与实现方便的特点. 给出了数值算例， 通过比较说明了方法的正确性与有效性.     

周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果.数值结果表明,Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞(微结构的最小周期)个数的增加,分别从上下界逼近均匀化方法的结果.对于一类具有特殊微结构的桁架材料,只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果.指出产生尺度效应的判据是,对Dirichlet型边界条件下的代表体元法,单胞公共边界处的节点支反力是否平衡;对Neumann型边界条件下的代表体元法,单胞边界间变形是否协调.最后,我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料,其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到.     

周期性点阵桁架材料力学性能分析的一种新的多尺度计算方法

论文提出一种周期性点阵桁架材料力学性能分析的新的多尺度方法.方法的主要思想是通过数值构造能反映周期性桁架材料单胞内部非均质性的多尺度基函数,从而在大尺度上求得单胞的等效刚度阵,大大减小了模型计算量.通过引入基函数的耦合附加项,以考虑多维矢量场问题不同方向问的耦合作用.数值研究表明,采用线性边界条件构造基函数有时会产生较...     

非均质材料弹塑性破裂过程的数值模拟研究

阐述了岩土类材料的非均质特性，根据这种特性提出了对材料参数进行随机赋值的方法。为了对非匀质类材料的弹塑性破裂过程进行数值模拟研究，必须在有限元计算中实现材料的参数随机赋值。还给出了实例－－平面应力状态下试样的弹塑性破裂过程的数值模拟分析。     

弹塑性双材料界面裂纹的渐近分析

本文通过精确的数学分析,对于遵循塑性形变理论的幂硬化材料界面裂纹,求得了裂纹面面力自由和裂纹面无摩擦接触两种情况下的分离变量形式的全连续HRR 型奇性渐近解,这种全连续的奇性渐近解只对特殊的混合参数M'才存在.对任意指定的混合参数M',我们进一步求得了含弱间断的分离变量形式的HRR 型奇性渐近解(?)我们得到的所有解均保证了界面处的面力连续条件和位移连续条件,且不出现弹性双材料界面裂纹问题中所常见的应力振荡奇性和裂纹面相互嵌入的不合理现象.     

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.     

基于数值子结构方法的结构弹塑性分析

结合震害调研及数值分析可知,结构最终失效可能仅由部分关键构件破坏引起,大部分构件仍处于弹性或小变形状态。因此为提高计算效率,在结构全过程分析中一致采用非线性单元建模并非必要,同时为准确考虑关键构件的非线性响应,本文提出一种新的数值子结构建模策略。进入弹塑性状态后,针对一般钢构件或钢筋混凝土构件采用动态替换子结构方法在单元或截面层次将其替换成非线性单元或非线性截面,并基于OpenSees平台开发了两类新单元予以实现;针对可能发生严重损伤的关键构件,采用隔离子结构方法将其隔离并建立精细化分析模型,考虑主、子结构间不同尺度边界耦合,并推导了切线刚度的传递关系,采用Client/Server技术在OpenSees平台开发了一类新的接口单元予以实现主、子结构之间的信息传递。为验证新开发单元的合理性,分别以钢及钢筋混凝土平面框架结构为例,采用纤维单元、动态替换子结构方法以及隔离子结构方法建模进行静、动力分析。计算结果表明,采用本文提出的动态替换子结构方法与常规建模方法的计算结果完全吻合并且可大幅缩短计算耗时,随着荷载水平的增大,结构中受到动态替换的构件比例急剧增大,计算效率提高程度略有降低,但仍远高于常规模型;采用本文提出的接口单元可准确传递主、子结构间的界面信息,为隔离数值子结构方法在结构弹塑性分析中的应用提供了基础。     

功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性分析

假设功能梯度材料为一理想弹塑性材料,其弹性模量和屈服强度沿梁高度方向按照幂函数变化,在小变形及平截面假设下研究功能梯度材料纯弯曲梁的弹塑性性能.根据Mises屈服准则导出了纯弯曲梁的弹性极限弯矩的解析表达式,建立了梁在弹塑性状态时截面弯矩与截面弹、塑性区分布之间的关系式,给出了梁进入塑性极限状态时中性轴的位置以及塑性极限弯矩的解析计算公式.数值算例的结果表明,功能梯度材料梁的弹塑性性能与均匀材料梁不同,其屈服不一定首先产生于截面最大应力点,而可能有多种不同的屈服模态及相应的塑性扩展.弹性模量及屈服强度的梯度变化对功能梯度材料纯弯曲梁的中性轴位置、截面弹塑性应力分布以及塑性极限弯矩均有较大影响.研究结果可为功能梯度材料梁的弹塑性分析提供一定的参考.     

材料弹塑性性能数值模拟的多尺度方法

将均匀化方法和渐近分析(Asymptotic Analysis)与参变量变分原理相结合提出了一种模拟复合材料非线性性能的多尺度数值方法.该方法用渐近分析建立宏-细观变量之间的联系,利用参变量变分原理计算非线性响应,求解过程采用迭代算法.为提高计算精度,针对Von-Mises准则和Tsai-Hill准则,提出了一个基于参变量变分原理的改进算法,算例表明该方法可以显著消除传统方法采用线性展开式构造线性互补条件所带来的误差.     

线弹性幂强化材料平面杆系弹塑性分析的数值解

各杆任意铰接在一个刚体上的平面杆系是一种比较复杂的杆系结构,某些其它类型的平面杆系常常可以看作是它的特例。本文将材料的本构关系描述为线性幂强化形式,推导出了该类平面杆系结构弹塑性分析的普遍表达式,编制了通用程序,使这一类问题有了一个通用的解题方法。     

地下结构多尺度动力分析方法

近年地下结构震害频发,针对目前地下结构抗震研究中实际存在的多尺度动力问题,提出了地下结构多尺度动力分析方法,该方法不需要任何附加的过滤和阻尼就能有效地消除高频波的虚假反射. 以桥域耦合理论为基础,引入拉格朗日乘子将不同尺度区域之间的约束关系,通过能量势函数隐含到动力方程中,推导出不同尺度域的动力控制方程;基于中心差分法,提出了用于地下结构多尺度分析的动力显式算法,以求解所建立的多尺度动力耦合体系. 以实际工程为应用实例,通过与传统的位移耦合方法的对比分析,说明了该多尺度方法用于地下结构动力分析的可行性以及对消除高频波虚假反射的有效性.      

复合材料弹塑性多尺度分析模型与算法

对材料非线性多尺度分析的计算模型与算法进行研究.在构建周期分布单胞分析算法的基础上,发展针对复合材料结构材料非线性多尺度分析的一般有限元方法.方法的特点是将所建立的单胞分析过程作为有限元分析的子程序嵌入到总程序系统当中,完成对应的高斯点应力计算,因而使所发展的方法具有实现方便的特点.给出数值计算结果,验证了方法与所发展的多尺度有限元分析程序的正确与有效性.     

摩擦接触弹塑性分析的数学规划法

本文提出摩擦接触弹塑性分析的数学规划法,是弹性接触问题解法的推广,使之能处理比例加载时的塑性效应。利用所导出接触问题总刚度阵的逆,结合参变量线性互补公式,仍可消去由接触单元而引入的惩罚因子。于是,可以获得一个弹塑性问题、弹性接触和弹塑性接触问题的有限元参数二次规划法模型。所选的几个实例说明了方法的实用性。     

不同拉压模量厚壁球壳弹塑性分析

对具有不同拉压模量的厚壁球壳,采用双剪统一强度理论推导了其扩张问题的应力及位移的统一解. 分析了不同模量、不同模型控制参数对厚壁球壳扩张时的扩张压力和应力场的影响.结果表明：厚壁球壳弹性极限压力、应力场、位移场等均随着模量控制参数、模型参数的变化而变化,在$\alpha<1$的情况下(即$E^ + < E^ - $),可以明显提高球壳的弹性极限压力$p_e $; 厚壁球壳塑性极限压力与材料的拉压模量无关,与模型参数$\eta$有关,且随$\eta$的增加,先增大后减小. 因此若采用经典的弹性理论和单一的模型参数对厚壁球壳进行设计计算,会带来较大的误差.     

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对具有不同拉压模量的厚壁球壳,采用双剪统一强度理论推导了其扩张问题的应力及位移的 统一解. 分析了不同模量、不同模型控制参数对厚壁球壳扩张时的扩张压力和应力场的影响. 结果表明：厚壁球壳弹性极限压力、应力场、位移场等均随着模量控制参数、模型参数的变 化而变化,在$\alpha<1$的情况下(即$E^ + < E^ - $),可以明显提高球壳的弹 性极限压力$p_e $; 厚壁球壳塑性极限压力与材料的拉压模量无关,与模型参数$\eta $有关,且随$\eta$的增加,先增大后减小. 因此若采用经典的弹性理论和单一的 模型参数对厚壁球壳进行设计计算,会带来较大的误差.     

圆柱形扁壳弹塑性分析

本文采用加权残数法中的离散型最小二乘法求圆柱形扁壳的弹塑性解,文中的方法可以用于较为复杂载荷和边界条件的圆柱形扁壳的弹塑性问题。 采用加权残数法有它独特的优点:简便、准确、迅速、工少价廉,而且非常适宜于应用微型计算机来实施。     

弹塑性结构安定下限分析的无网格局部Petrov-Galerkin法

将基于Voronoi结构的无网格局部Petrov-Galerkin法与减缩基技术相结合,建立了一种安定下限分析的新方法.为了克服移动最小二乘近似难以准确施加本质边界条件的缺点,采用了自然邻近插值构造试函数.通过引入基准载荷域上载荷角点的概念,消除了安定下限分析中由时间参数所引起的求解困难.利用减缩基技术,将安定分析问题化为一系列未知变量较少的非线性规划子问题.在每个非线性规划子问题中,自平衡应力场由一组带有待定系数的自平衡应力场基矢量的线性组合进行模拟,而这些自平衡应力场基矢量可应用弹塑性增鼍分析中的平衡迭代结果得到.算例结果汪明了提出的分析方法的有效性.     

具确定弱区域正交各向异性薄板的弹塑性屈曲分析

基于弹塑性力学和损伤理论,建立了一个与应力球张量有关的具损伤正交各向异性材料的混合硬化屈服准则,该准则无量纲化后与各向同性材料的Mises准则同构,在此基础上,建立了正交各向异性材料的增量型和全量型弹塑性损伤本构方程,并以具确定弱区域正交各向异性矩形薄板为例,根据屈曲时的能量准则和全量理论,以等效塑性应变为内变量,对其弹塑性屈曲问题进行了分析,讨论了几何参数和弱区域对正交各向异性薄板弹塑性屈曲临界应力的影响.     

理想弹塑性锚杆拉拔理论分析

假定拉拔时锚固体与周围岩土体之间的剪切位移荷载传递符合理想弹塑性模型,推导出锚杆抗拔力的解析算式．根据埋设于淤泥质土层中锚杆的拉拔破坏性试验数据,采用该公式计算锚杆抗拔力,并与实测值对比,两者较为吻合．