复合材料中的渐近均匀化方法

本文将非均质弹性体的渐近均匀化方法应用于复合材料的宏观与细观分析之中。该方法基于平均化的思想，将复合材料视作由周期性的细观结构所构成，其场变量依赖于宏观和细观两个尺度的坐标变量而变化。通过建立位移和应力的渐近表达式，推导出关于周期性基元的细观平衡方程和细观本构关系，并与有限元数值方法相结合，得到材料的宏观等效性能和细观应力分布。对典型算例的分析，反映出该方法的有效性及准确性。     

复合材料应力分析的均匀化方法

建立了基于均匀化理论的确定复合材料结构应力场的方法．其实质是用均质的宏观结构和非均质的具有周期性分布的细观结构描述原结构；将力学量表示成关于宏观坐标和细观坐标的函数，并用细观和宏观两种尺度之比为小参数展开，用摄动技术将原问题化为一细观均匀化问题和一宏观均匀化问题．这两个问题的解确定了包含等效位移和一阶近似位移的位移场，由此获得应力场．利用该方法给出了圆柱形孔隙材料和单向纤维复合材料在单向拉伸时的应力场以及空隙材料简支梁的局部应力场，说明了该方法的有效性     

纤维加强复合材料的总体粘弹性响应

在某些纤维增强复合材料(FRC)中使用金属或高分子聚合物作为基体材料。在高温等情况下,这类材料具有明显的粘弹性特性。本文采用Riemann—Liouville形式的分数阶导数模型描述基体的粘弹性特性。通过渐近均匀化方法给出了预测FRC整体三维本构关系的解析表达式。给出了应用于基体具有Makris粘弹性关系的具体形式。以圆截面纤维正方形排列的情形为例,给出了等效模量随纤维体积比的变化曲线。结果说明,这类复合材料仍具有粘弹性特性,其整体粘弹性本构关系的弹性部分综合了纤维弹性和基体弹性的贡献,粘性部分来自基体粘性的贡献,复合材料具有和基体相同的粘性系数和分数阶。为分析微结构特征对整体特性的贡献,须求解两类局部问题。可以看出,在整体的等效模量中包含了局部变形的贡献,局部变形增加了复合材料的耦合刚度。     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好.论文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础.     

单向纤维复合材料粘弹性性能预测

建立了基于均匀化理论的单向纤维复合材料粘弹性性能预测方法。对单向纤维增强复合材料粘弹性问题的控制方程进行Laplace变换,在像空间中利用均匀化理论建立宏观松弛模量的Laplace变换与微结构描述参数以及变换参数间的关系。用Prony级数模拟松弛模量随变换参数的变化形式,并根据像空间中一系列变换参数对应的松弛模量的数值,采用函数拟合技术确定Prony级数的形式,从而确定用显示形式表示的松弛模量的Laplace变换随变换参数的变化规律。对显式表达式的逆变换获得时间域内的松弛模量。该方法利用拟合函数的逆变换避开了复杂的数值Laplace逆变换,使单向纤维增强复合材料的粘弹性性能的确定变得容易。文中给出了单向纤维复合材料松弛模量的数值预测结果并同有限元法模拟试验的结果对比,验证了预测结果的准确性以及本文方法的有效性。     

复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型.模型1设计具有极值弹性特性的复合材料,模型2设计多工况最刚微结构单胞.通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞,进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料.为了便于制造和应用,用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度.优化结果表明,该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计.     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性.同时,组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异.当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时,存在以下两个难点:一是随机变量众多,使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求;二是由于随机参数之间存在高维相关性,需要建立高精度的相关性模型.针对以上问题,本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法,综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数,基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性.该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布,并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递.结果显示,本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致,且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.      

多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展

简要介绍了多尺度方法的分类及各自的适用范围,重点阐述了主要的多尺度分析方法------均匀化理论,详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、黏弹性、塑性、失效退化、热力学等力学性能中的研究进展,最后对多尺度分析方法的前景进行了展望.      

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.     

基于独立分量分析的多源动态载荷识别方法

提出了基于独立分量分析的多源动态载荷识别方法, 解决了在结构系统未知的情况下载荷波形的识别问题. 该方法基于结构在多源动态载荷作用下, 其响应是载荷与对应的结构脉冲响应卷积的原理, 并假设载荷源相互统计独立. 与既有的载荷识别方法相比,该识别方法特点表现在: 结构质量, 刚度及阻尼等信息可以完全未知, 但以实际载荷间的独立性为优化目标; 用互信息来度量识别载荷间的独立性, 通过梯度下降算法取消识别载荷间的各阶相关性, 使识别载荷间基本满足相互独立; 从波形的角度来进行载荷识别.通过数值仿真表明: 该方法对测点, 噪声, 不同载荷形式及不同结构有较好的鲁棒性; 识别载荷与实际载荷在归一化条件下, 识别载荷与实际载荷相关性系数约为1.      

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采用谱单元方法推导带阻尼梁的传递函数矩阵. 采用一维连续梁的解析解作为动力形状函 数. 与有限元法相比,谱单元方法的自由度和单元数目小且计算精度高. 传递函数表示为梁 的几何和物理参数的超越隐函数,不同于用模态参数表示的传统传递函数. 提出了采用遗传 算法的结构物理参数识别方法. 以变截面悬臂梁为数值算例,显示该方法的有效性.     

随机振动离散分析方法

本文提出了随机振动的离散分析方法,给出了一种可以求瞬态乃至稳态均值和均方响应的递推公式,并证明了它的无条件稳定性。应用该公式可以求出线性和等价线性化的非线性振动系统的精确稳态均值和均方响应。     

复合随机振动分析的扩阶系统方法

提出了随机结构系统反应的子空间次序正交分解的思想．基于这一思想，文中导出了一类用于考虑随机激励的随机结构复合随机振动分析的扩阶系统方法，从而可以应用传统的确定性结构随机振动各种分析方法求解复合随机振动问题．作为特例，本文给出了使用模态分析法求解的过程．将文中算例与随机模拟结果相比较，证实了本文思想与方法的实用性．     

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆, 并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分 析思想, 提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法. 该方法以双自由度车体模 型的质量为变量, 通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量 (载荷), 避免了识别载荷时常遇到的病态问题, 对噪声鲁棒性强, 且需要传感器信息少. 每步优化 中, 利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念, 无需时时重构车-桥耦合系统的时 变系统参数矩阵, 显著提高了计算效率. 利用数值框架梁模型, 通过比较不同车辆简化模型 对移动体质量及等效移动载荷的识别效果, 验证了该方法的可行性和有效性, 即使在5% 的噪声影响下, 利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.     

拱坝—地基体系的多点输入虚拟激励法及随机响应分析

本文采用等效地基集总参数模型,推导了拱坝－地基体系多点输入随机分析的虚拟激励法对拱坝－地基动力相互作用体系在多点随机输入地震波作作下的随机的响应进行 分析,讨论了局部场地的散射效应及地震动空间相干性质损失对拱坝随机响应的影响。     

复合材料柱管撞击分析中的有限元方法

建立了复合材料柱管结构在撞击状态下的有限元分析模型,考虑了撞击大变形引起的几何非线性、撞击接触的非线性、纤维树脂复合材料的各向异性及材料的物理非线性．给出了利用该有限元方法分析玻璃环氧柱管撞击吸能特性,并与试验进行了比较,得到了较好的吻合结果,表明该有限元方法是有效的．此外,还讨论了纤维的铺设角度对复合材料管的吸能性能的影响．