压电弹性层合板静力机电耦合特性的解析解

应用经典板壳理论和压电理论对层合板结构进行简化.对四边简支压电层合板在不同电学边界条件下,包括四边电学开路和电学短路,上下表面受外加电压及无外加电压作用,进行分析,求得了电势和挠度的解析表达式.给出了压电层和基体的挠度、电势分布图.     

考虑内部损伤影响的层合板最终强度预测

层合板强度分析若只考虑面内失效而忽略自由边界处的分层失效,往往会高估强度值,得不到合理的预测结果.该文提出了一种层合板强度的数值分析方法,综合考虑了层合板的面内失效(基体失效和纤维断裂)以及层间分层失效.采用有限元方法对层合板进行结构分析得到板的应力响应,结合面内失效判据和分层失效判据对层合板各个单层进行失效判断,采用刚度退化和逐步失效方法求得层合板的最终失效强度.与以往方法相比,该文模型和方法考虑的因素更全面.数值算例表明该方法预测得到的最终失效载荷和分层起始载荷和已有文献实验结果一致.     

均衡型层合板

本文在经典层合板理论的基础上讨论了层合板的均衡型问题.给出了既适合阿络理论也适合层合板理论的广义均衡型条件;阐明了均衡型的力学机理.均衡型是使层合板面内各方向具有相同相对伸长时的铺层形式.说明了均衡型层合板的应变和应力计算方法.引入均衡应变概念,讨论了与金属层复合时层合板的均衡型,并用表格形式开列了网络理论的相应公式.本文的结果不仅适合同种纤维增强的层合板,也适合不同种纤维增强的混杂层合板.     

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为.采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象.在弹性-粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究.结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值.并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合.     

压电弹性层合板静力机耦合特性的解析解

应用经典权壳理论和压电理论对层合板结构进行简化。对四边简支压电层合板在不同电学边界条件下,包括四边电学开路和电学短路。上下表面受外电压及无外加电压作用,进行分析,求得了电势和挠度的解析表达式,给出了压电层和基体的挠度、电势分布图。     

层合球面各向同性热释电空心球的瞬态响应

运用叠加原理，将层合球面各向同性热释电空心球的球对称动力学问题的解分成准静态和动 态两部分，准静态部分首先运用状态空间法给出了显式表达式，然后运用分离变量法、初参 数法和特征函数展开技术，给出了动态部分的表示式，再结合内外表面上的电学边界条件和 界面上的电学连续条件，导出一个关于时间函数的第二类Volterra积分方程，运用插值法 可成功地给出此积分方程的高精度数值解，最终可求得原问题的位移、应力、电位移以及电 势的响应. 此方法适用任意层数且各层是任意厚度的层合热释电空心球作用随时间以任意形 式变化的球对称温度场. 文中还给出了数值结果.     

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主要基于三维弹性力学和状态空间法给出了四边简支各向同性矩形层合板自由振动和 强迫振动问题的精确解. 首先基于三维弹性力学建立了层合板的基本方程,利用状态空间法 解决了层合板的自由振动问题,然后根据Lagrange动力学方程求解了层合板受到横向冲击时 的强迫振动响应.     

层合厚板混合状态Hamiltonian动力元及其半解析解

文中在时间方向采用Ｌａｐｌａｃｅ变换，给出了层合厚板动力学问题混合状态Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程及其半解析法．该方法在层板平面内采用通常的有限元离散，而沿板厚方向采用状态控制方程给出解析解答．在层与层之间采用迁移矩阵法，给出层合板上下表面力学量之间的关系式．利用打靶法得到响应在象空间的一般解，然后再利用拉氏逆变换的数值解求出层合板的瞬时位移场和应力场．     

用Hamilton半解析法分析固化降温过程中的层间热应力

推导了增量形式Ｈａｍｉｌｔｏｎ半解析法公式；给出了层合板瞬态热弹性问题的求解过程；对复合材料层合板在固化降温过程中的热应力进行了分析。结果表明，在降温过程中层合板内将会出现较大的应力峰值，这些应力峰值将是导致层合板在固化工艺过程中出现破坏的原因。本文的工作将对固化工艺研究具有参考价值。     

复合材料失效判据有效性验证方法研究

为系统地验证复合材料失效判据计算精度和有效性范围,给出了4种材料体系、6种铺层形式的层合板在单轴、双轴载荷下的失效试验数据,用以评估复合材料失效判据在单向层合板失效包线、多向层合板初始失效包线、多向层合板最终失效包线、层合板变形及层合板的破坏特性等五个方面的预测能力。并根据验证方法和有效性评估策略对失效判据计算精度进行量化考核,给出了失效判据在五个层面上的计算精度。     

无限长圆柱体中广义电磁热弹耦合问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了处于磁场中无限长理想圆柱导体在边界受热冲击作用时的电磁热弹耦合问题.建立了广义电磁热弹耦合的有限元方程,为避免积分变换方法求解带来的精度丟失.采用将有限元方程直接在时间域求解的方法,得到了圆柱体中的温度、位移、应力、感应磁场和感应电场的分布规律,反映了热的波动性及电磁热弹的耦合效应.结果表明,将有限元方程直接在时间域求解,可以获得各物理量的准确分布.得到温度在热波波前处的阶跃,准确地反应热波的波动效应.     

热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法

研究结构稳态热变形和热应力的灵敏度分析方法，给出了直接法和伴随法两种算法。考虑了温度场的耦合作用，在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数，在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数。对尺寸和形状两类设计变量的灵敏度分析算例，验证了本文方法的精度。伴随法在应用程序中的实现，为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法。     

岩土介质非稳态热固结耦合问题的热源函数法

考虑耦合效应的饱和土体热固结问题控制方程,利用Fourier变换、Laplace变换给出其在变换域上的解,将初始温度场分布视为虚拟的热源或者将热源等价为特定的初始温度分布,利用热源函数法给出瞬时线热源非稳态温度场、应力场和位移场的解析求解方法,通过在时间域和空间域上进行积分,给出有初始温度场分布以及有分布内热源存在且热源强度随时间变化条件下的热固结问题计算方法。对一无限大物体内存在有平面矩形域热源情况下周围介质的温度、孔隙水压力以及位移等的变化特征进行分析。研究表明,热源函数法可有效地求解一系列复杂情况下的热固结问题。     

Analysis of the nonstationary spatial propagation of elastic waves from cavities subject to mechanical and thermal loads

A numerical analytic method is proposed to solve nonstationary coupled problems of thermoelasticity with regard to the finite velocity of thermal waves. The method is used to analyze the nonstationary spatial propagation of elastic waves from a cavity subjected on its surface to mechanical and thermal loads. The ray theory of propagation of wavefield discontinuities is used. To determine the time dependence of the field parameters behind the wavefront and to account for the relationship between the mechanical and thermal fields with prescribed accuracy, a numerical iterative procedure that employs the properties of characteristics is used. Plots are presented for the nonstationary stresses and temperature near a prolate spheroidal cavity subject to step mechanical loading and near an elliptical cylindrical cavity subject to thermal shock __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 42, No. 8, pp. 79–88, August 2006.     

特定方向"零膨胀"的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向"零膨胀"同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

高能炸药药柱实验热爆炸的方法和结果

报导了有限尺寸非限定药柱的实验热爆炸方法，给出了三种尺寸的ＪＨ９１０５、ＪＯ９１５９、ＪＯＢ９００３、ＪＯＢ９００６和ＪＢ９００１炸药发生热爆炸的爆前升温、临界温度及其温度场分布数据，讨论了ＪＨ９１０５炸药的自催化机理和炸药发生热爆炸的超临界特征。     

A numerical study of the thermal performance of fins with time-dependent boundary conditions,including initial transient effects

A finite-volume numerical model is constructed and applied to evaluate the time-dependent heat-transfer characteristics of longitudinal fins with a rectangular profile. To facilitate comparisons with analytical solutions, the problem is taken to be one-dimensional with constant thermal properties. Two base boundary conditions are considered: (1) a step change and (2) a periodic change in temperature. Parametric studies are carried out to investigate the effects of grid size, time step, fin parameter, Fourier number, amplitude and frequency of base-temperature oscillation on the fin temperature distribution, heat-transfer rate and efficiency. The study shows an excellent agreement between the numerical and analytical results and investigates the importance of the initial transient effects.     

热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

采用包络-准则法优化考虑瞬态传热的薄板结构

刚度和强度是薄板结构的两个主要性能。在瞬态传热过程中,考虑热-力耦合,随时间和空间变化的非均匀温度场在结构中会引起热变形和热应力,温度场随时间变化的规律和空间分布依赖于板的厚度变化,进而影响板的刚度和强度。因此,考虑瞬态传热的薄板优化问题具有更强的非线性,更加难以求解。本文给出一种包络-准则方法处理这类结构优化问题。首先,针对外力荷载,进行一个结构柔顺性的优化设计;以这一设计为基础,通过瞬态热-力耦合分析及优化准则,计算多个时刻的优化设计变量并取其包络,对上述优化结果进行迭代修正,以消除瞬态温度场作用下较高的局部应力。优化算例表明,该方法对于考虑瞬态传热薄板优化问题有效。     

A Dual Phase Lag Model on Thermoelastic Interaction in an Infinite Fiber-Reinforced Anisotropic Medium with a Circular Hole

The model of generalized thermoelasticity proposed by dual phase lag (DPL), is applied to study the thermoelastic interactions in an infinite fiber-reinforced anisotropic medium with a circular hole. A decaying with time thermal field on the boundary of the hole, which is stress free, causes the thermoelastic interactions. The solutions for displacement, temperature, and stresses are obtained with the help of the finite element procedure. The effects of the reinforcement on temperature, stress, and displacement are studied. The exact solution in the case of isotropic medium is discussed explicitly. The accuracy of the finite element method validated by comparing between the finite element and exact solutions for absence the reinforcement.