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。     

跳跃振子平衡及其分岔的能量分析

用能量方法研究了跳跃振子的平衡与分岔.用势能驻值条件确定了平衡位置所满足的方程,通过势能极值判断平衡的稳定性.在不同的弹簧构型下,数值计算了平衡随系统弹性刚度和质量比变化的分岔图.结果表明,弹性刚度和质量比较小时,系统只有一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点;刚度和质量比充分大时,系统分岔出一个新的稳定平衡点和一个新的不稳定平衡点.     

考虑局部损伤区变化的能量平衡尺寸效应模型

尽管研究者已经提出各种各样的尺寸效应模型, 但是建立能描述不同类型尺寸效应规律的模型依旧是力学和材料学中最具挑战性的问题之一. 首先通过系统深入分析局部损伤区(localized damage zone, LDZ)随试件尺寸的变化规律, 提出能够准确地描述LDZ非线性尺寸效应的理论模型并验证. 在此基础上, 建立考虑LDZ随尺寸变化的能量平衡尺寸效应模型. 考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型能体现5种不同类型的尺寸效应规律. 随着尺寸增大, 类型1: 名义抗压强度逐渐减小, 最终趋于单轴压缩弹性极限; 类型2: 名义抗压强度先在一定尺寸范围内为真实抗压强度, 然后逐渐减小, 最终趋于单轴压缩弹性极限; 类型3: 名义抗压强度先增加, 然后逐渐减小, 最终趋于单轴压缩弹性极限; 类型4: 名义抗压强度先逐渐增加到真实抗压强度, 然后在一定尺寸范围恒为真实抗压强度, 再逐渐减小, 最终趋于单轴压缩弹性极限; 类型5: 名义抗压强度不随尺寸变化. 文章模型首次理论预测类型4尺寸效应存在, 并证实微纳尺度钛合金尺寸效应试验中存在这一规律. 对考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型分析表明: LDZ尺寸与试件尺寸相对变化率之间的竞争是本文尺寸效应模型能体现5种类型的尺寸效应的原因. 由于笔者先前已经证明能量平衡尺寸效应模型能很好预测类型1, 2和5尺寸效应, 但其不能体现类型3和4尺寸效应. 因此, 文章应用考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型和IUSEL (improved unified size-effect law)预测类型3和4尺寸效应试验数据, 结果表明: 考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型能很好预测各种材料类型3和4尺寸效应试验数据变化规律, 而IUSEL不能描述类型4尺寸效应数据变化规律. 考虑LDZ变化的能量平衡尺寸效应模型和IUSEL预测所有尺寸效应数据的总平均确定系数接近.     

薄膜单元和六面体单元的耦合计算模型

本文提出薄膜单元和六面体二次等参单元的耦合计算模型.由所编制的计算程序进行实例计算,计算结果与解析解一致.     

螺旋压榨机的受力分析及平衡问题

对螺旋压榨机的受力分析问题进行了详细的讨论;用平衡方程、虚位移原理和类比的方法推导出螺杆旋进与旋出时驱动力偶矩与压力的关系及自锁条件;并将有关结论推广到其它螺旋机构.     

脉冲液体射流泵能量平衡试验研究

根据脉冲液体射流泵主要流动部件的能量损失压力比,对其能量平衡进行试验,研究了主要过流部件的能量转化与脉冲频率之间的关系。与恒定液体射流泵试验数据进行对比,证明了脉冲频率、脉冲装置对脉冲液体射流泵的主要流动部件的能量损失压力比有一定的影响;且脉冲射流是提高射流泵传能及传质效率的有效途径。     

考虑表面强化或损伤的抗压强度能量平衡尺寸效应模型

表面强化或损伤与局部损伤区(或称断裂过程区)会导致准脆性材料名义强度呈现尺寸效应,但是建立考虑这两种因素的模型依旧是尺寸效应研究方向挑战性问题之一.首先深入系统分析引发试样表面强化或损伤的因素,提出能够反映试样表面强化或损伤的尺寸效应模型.在此基础上,通过分析试样表面强化或损伤层与内部区域引发的尺寸效应,结合表面强化或损伤尺寸效应模型和笔者之前提出的能量平衡尺寸效应模型,建立考虑表面强化或损伤的能量平衡尺寸效应模型(EBM-SSD).然后对EBM-SSD进行参数分析.最后应用EBM-SSD预测3种类型尺寸效应试验和模拟数据,并和笔者之前提出的考虑局部损伤区变化的能量平衡尺寸效应模型(EBM-LDZ)预测对比.结果表明:EBM-SSD能体现无尺寸效应、上升尺寸效应、下降尺寸效应和先升后降尺寸效应的原因是,随着试样尺寸变化,强化或损伤的表面层与内部区域叠加作用或互相竞争的结果;EBM-SSD能准确描述上升、下降和先升后降3类尺寸效应试验和模拟数据;除编号5 Pilton砂岩, EBMSSD预测剩余试验和模拟尺寸效应数据的确定系数均大于EBM-LDZ,并且其平均确定系数为0.972 9.     

直接基于单元平衡的变截面梁反应分析方法

固定形状的单元位移插值函数不能合理地近似变截面梁内部的位移变化,从而影响了传统梁单元用于计算变截面梁的精度.采用直接基于单元平衡的思想给出了计算变截面梁反应的有限元方法,解决了单元位移插值函数局限性所带来的问题.导出了变截面梁单元的单元刚度矩阵、单元等效节点荷载和单元一致质量矩阵.在此基础上,利用编制的程序进行了算例验证与分析.算例验证了本文理论的正确性,表明本文方法具有很高的计算精度.     

有限单元质量质心集中方法的探讨

提出利用单元质量质心集中方法来优化单元惯性效应表征、改善单元力学效应匹配的思想: 将单元质量质心集中能够建立精确描述单元质点系惯性效应的动力学方程, 进而达到优化单元惯性效应表征以及改善单元惯性和变形两种力学效应匹配的目的. 本文通过一维问题的频散效应分析等对该方法的有效性进行了详细的分析和验证.     

准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电, 是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题. 将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案. 但是, 环境振动中低频成分占比较大, 而传统振动能量采集方法较难实现低频( < 10 Hz)振动能量的高效转化, 这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用. 文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置, 可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能. 首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程, 并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式, 同时对比了数值解与解析表达式的结果; 进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响. 最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机, 搭建了实验平台, 测试了系统的动力学响应与电学输出, 验证了理论结果的正确性. 研究结果显示当频率为2.5 Hz时, 准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V. 文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量采集器需要跨越势垒而难以实现超低频小幅值能量俘获的难题, 进一步夯实振动能量采集理论, 为超低频小振幅振动能量的高效采集提供新思路.     

圆柱形弹药空气中爆炸相似性规律

针对战场损伤试验中弹药费用高、使用风险系数大的问题,采用量纲分析的方法对圆柱形弹药相似性模型的建立方法进行分析,研究原型同相似性模型之间冲击波峰值压力的关系,利用有限元仿真软件AUTODYN对冲击波传播过程进行数值仿真,并结合实弹试验数据对相似模型的有效性进行验证。研究结果表明,AUTODYN仿真结果同量纲分析结果一致,同时与实弹试验结果也吻合较好,说明在实际试验中可以使用缩比模型替代原型进行试验。该研究为弹药缩比模型在战场损伤试验中的使用提供了理论基础,具有一定的工程价值。     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

Elastic and elastic–plastic singular fields around a crack-tip in particulate-reinforced composites with progressive debonding damage

This paper deals with elastic and elastic–plastic singular fields around a crack-tip in particulate-reinforced composites with debonding damage of particle-matrix interface. Numerical analyses are carried out on a crack-tip field in elastic-matrix and elastic–plastic-matrix composites reinforced with elastic particles, using a finite element method developed based on an incremental damage theory of particulate-reinforced composites. A particle volume fraction and interfacial strength between particles and matrix of the composites are parametrically changed. In the elastic-matrix composites, a unique elastic singular field is created on the complete damage zone in the vicinity of a crack-tip in addition to the conventional elastic singular field on the no damage zone. The macroscopic stress level around a crack-tip is reduced by the debonding damage while the microscopic stress level of the matrix remains unchanged. In the elastic–plastic-matrix composites, the damage zone develops in addition to the plastic zone due to matrix plasticity, and both the macroscopic and microscopic stress revels around a crack-tip are reduced by the debonding damage. It is concluded from the numerical results that the toughening due to damage could be expected in the elastic–plastic-matrix composites, while it is questionable in the elastic-matrix composites.     

平面应变脆性损伤裂纹场分析

根据Ｂｕｉ的脆性损伤理论，本文研究Ｉ型拉伸裂纹的平面应变过程区及其力学场。计及裂尖材料的有限变形，细致的有限元分析给出了小范围屈服条件下两种典型的损伤区形貌。     

BRITTLE-DAMAGE ANALYSIS OF CRACKS UNDER CONDITIONS OF PLANE-STRAIN TENSILE LOADING

An abrupt damage model, taking full account of finite geometrychanges, is used to study both the shapes of damage zones and the stress strain fieldsfor a plane-strain tensile crack under the small-scale yielding condition. Two typicalcrack-tip damage profiles are simulated by the element vanish technique. The fracturetoughness increment due to damage dissipation is evaluated in terms of the energyrelease rate.     

基于Pushover分析的钢框架整体刚度和屈服强度的概率统计特性

近年来随着静力弹塑性分析Pushover方法的广泛应用，基于Pushover分析的结构整体可靠度分析引起了人们很大兴趣。然而，该方法在分析结构承载力的概率特性时，需要进行大量样本的Pushover分析。本文以钢框架结构为例，考虑了结构构件面积、材料弹性模量、屈服强度、恒荷载和活荷载的随机性，根据不同的水平荷载模式对钢框架进行Pushover分析，对钢框架的双线性整体抗力模型参数(弹性刚度、屈服后刚度和屈服强度)的概率分布特性进行K-S检验，并得到了有关统计叁数．结果表明钢框架双线性整体抗力模型参数均服从对教正态分布．     

扭杆刚度衰减问题研究的损伤力学方法

研究目的在于预估扭杆弹簧在给定扭角下储存给定年限后的剩余扭矩值。由于给定时间一般都很长,这里引用损伤力学原理进行此项研究。首先,在固定扭角(等于工作贮存扭角)的情况下进行扭转实验,得到扭矩与时间的实验曲线。然后,利用这些实验结果,以损伤力学作为理论基础,确定损伤力学中损伤演化方程的材料常数,并据此建立以扭角与材料常数为参量的扭矩与时间函数关系,绘制了相应的扭矩与时间的理论曲线。最后,预估扭杆弹簧在给定扭角下储存给定年限后的剩余扭矩值。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

Seismic Evaluation of Multi-Storey RC Frame Using Modal Pushover Analysis

The recently developed pushover analysis procedure has led a new dimension to performance-based design in structural engineering practices. With the increase in the magnitude of monotonic loading, weak links and failure modes in the multi-storey RC frames are usually formed. The force distribution and storey displacements are evaluated using static pushover analysis based on the assumption that the response is controlled by fundamental mode and no mode shift takes place. Himalayan-Nagalushai region, Indo-Gangetic plain, Western India, Kutch and Kathiawar regions are geologically unstable parts of India and some devastating earthquakes of remarkable intensity have occurred here. In view of the intensive construction activity in India, where even a medium intensity tremor can cause a calamity, the authors feel that a completely up-to-date, versatile method of aseismic analysis and design of structures are essential. A detailed dynamic analysis of a 10-storey RC frame building is therefore performed using response spectrum method based on Indian Standard Codal Provisions and base shear, storey shear and storey drifts are computed. A modal pushover analysis (MPA) is also carried out to determine the structural response of the same model for the same acceleration spectra used in the earlier case. The major focus of study is to bring out the superiority of pushover analysis method over the conventional dynamic analysis method recommended by the code. The results obtained from the numerical studies show that the response spectrum method underestimates the response of the model in comparison with modal pushover analysis. It is also seen that modal participation of higher modes contributes to better results of the response distribution along the height of the building. Also pushover curves are plotted to illustrate the displacement as a function of base shear.