HT—7U超导托克马克纵场线圈等效模量的数值分析

HT－7U托克马克装置的纵场线圈是由多种材料组成的具有周期性分布的大型复杂结构，线圈可视为由超导线、支撑结构和绝缘材料组成的复合材料，结构极其复杂。整个线圈工作在液氦温区。在设计阶段对其宏观等效力学性能进行数值分析计算是十分必要的，但要对整个线圈直接进行有限元分析或实验是极其困难的，主要利用均匀化方法对其进行等效处理，从而分析计算其宏观等效模量，为线圈的设计和评估提供参考依据。另外本文对均匀化方法的边界条件进行了一些改进，提出了更加合理的三维边界条件。     

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.     

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

基于渐近均匀化方法的准周期梁结构等效刚度数值实现方法研究

相比周期梁结构,准周期梁结构沿轴向梯度变化,具有更大的设计自由度,能够获得更好的结构性能。由于其非均质性,一般将其均匀化为具有等效性质的均质梁结构,但现有工作很少涉及准周期梁结构等效性质的计算。本文针对由周期梁结构映射而成的准周期梁结构,通过引入雅可比矩阵,基于渐近均匀化方法推导的单胞方程及其等效性质计算列式,并建立了其单胞方程及等效刚度的有限元求解列式。该方法可以处理沿轴向变形的任意微单胞构型,数值算例验证了其正确性和有效性。     

一类混凝土力学参数的迭代多尺度有限元预测方法

根据多级配骨料混凝土特点,给出了一种迭代多尺度有限元方法预测其等效力学参数。本文首先介绍了多级配骨料混凝土的材料特点并给出了计算混凝土多尺度模型,然后基于多尺度方法介绍了计算混凝土力学参数的计算程序,最后针对小湾大坝中混凝土给出了算例说明了此种方法在预测混凝土等效力学参数的有效性。     

材料物性参数识别的梯度正则化方法

本文对梯度正则化方法（Ｇｒａｄｉｅｎｔ－Ｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）作了进一步的研究,给出一种建立了梯度正则化迭代算法和选择正参数的简明实用方法。文中椭圆算子方程参数识别算例不仅说明了ＧＲ法具有广泛的适应性和一定的抗噪声能力,而且收敛速度较快,具有较大的收敛范围。     

一种基于平均场理论的格栅材料均匀化方法

将颗粒材料中发展的一种基于平均场理论的解析均匀化方法应用于二维周期格栅材料;依据尺度分离原理和统计均匀表征元概念构建了格栅材料的两尺度均匀化模型,包括细观杆件单元的本构关系、细观位移-宏观应变关系式以及应力的细观力学表达式;推导了两种二维周期格栅材料等效弹性参数包括弹性模量、泊松比和剪切弹性模量的细观力学表达式。结果表明:等边三角形结构等效为各向同性连续体时,弹性参数表达式与文献中其他方法所得结果一致;正方形结构均匀化为正交各向异性连续体时,主平面内弹性模量等于杆件单元轴向刚度,泊松比和剪切弹性模量分别由杆件单元的泊松比和剪切刚度决定,符合正方形格栅材料的力学特性;对于非主平面内的正方形本构矩阵,选取坐标轴与材料主轴夹角为45°的方向为例进行推导,本文方法与坐标变换方法所得结果一致。以上结果均验证了本文所发展方法的有效性。     

考虑内部胞元能量等效的代表体元法

具有周期性胞元的超轻质材料在制造和应用过程中,不可避免地会出现基体材料、微结构拓扑和尺寸的随机性变化.此时,评价材料的等效弹性性能需要借助基于均匀化方法(周期性边界条件)或代表体元法(周期性边界条件,均匀应力或均匀应变边界条件等)的蒙特卡洛模拟.该文首先通过算例分析和比较了不同边界条件下的数值结果,讨论了结果的尺度效应和对胞元选取的依赖性.为了提高和改善Dirichlet边界条件下的计算效率和结果,提出了一种考虑内部胞元能量等效的代表体元法.该方法能够有效削弱边界条件和胞元选取的影响,从而实现了采用较小的代表体元得到更好的结果.数值算例验证了方法在预测确定性材料和随机性材料等效模量时的有效性.     

多孔材料孔隙尺寸对渗透系数影响的数值模拟

采用有限元方法数值模拟了多孔材料的孔隙尺寸与等效渗透系数之间的非线性关系.有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值.根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同孔隙尺寸的等效渗透系数,研究等效渗透系数与孔隙尺寸之间的关系.计算结果表明,在孔隙率不变的情况下,等效渗透系数与孔隙尺寸的平方成正比,该结论与经验公式相一致.而孔隙尺寸不变的条件下,随着孔隙率的增加等效渗透系数近似呈线性增加.     

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.     

弹性、热弹性物性值反问题的边界元分析

本文采用边界元法和卡尔曼滤波,对弹性、热弹性问题物性值进行反分析,由有限个观测点的位移值,同时反算出材料的拉压弹性模量Ε、泊桑比ν和线膨胀系数α。     

复合材料等效动态性能参数测试识别的复频率法

本文根据粘弹性理论,针对复合材料的各向异性,受横向剪切变形影响大以及比重轻等特点,构造了利用测试单粘弹性参数结构复频率的方法,识别得到复合材料等效动态性能参数的复频率.     

确定地基固结过程中材料参数的反分析法

结合有限单元法和数学规划法提出一确定地基固结过程中材料参数的反分析法。该法可以根据固结过程中的位移值和孔隙水压力值反算地基土的弹性系数、泊松比以及渗透系数。文中通过一些算例对该法进行了验证。     

非线性复合材料的一种杂交应力有限单元方法

建立了非线性复合材料模型的杂交应力有限元方法,并在材料主坐标系下提出直接方法计算单元非线性应力场,然后由此计算单元切线刚度矩阵和剩余载荷并转换到整体坐标系下,利用Newton-Raphson方法进行结构的位移迭代。在Hahn-Tsai非线性复合材料杂交元分析中,由位移和应力方程所导出求解单元非线性应力场的简单迭代法是条件收敛的,对较大载荷当迭代位移增加到一定程度以后无法得到应力收敛解。但是,利用本文提出的直接法由于完全避免了非线性应力场迭代,不仅很好地解决了这一问题,而且极大地提高了计算效率。数值算例说明该方法是确实有效的。     

云纹干涉法研究复合材料构件的应力强度因子

本文采用贴片云纹干涉法，测试并研究了正交异性板纯弯试件及拉伸试件的应力强度因子。文中给出了复合材料纤维加强方向不同时位移与应力强度因子的关系式，通过测试得出受力模型的全场位移，给出云纹图，进而由裂纹尖端位移场推算出应力强度因子Ｋ１及Ｋ值。试验结果与有限元计算结果吻合良好。     

超重力作用下软材料薄膜失稳的有限元分析

软材料在自然界和工业应用中无处不在,其显著特点是对外界刺激极其敏感,相对于传统材料其弹性模量更小,容易发生表面形态的失稳现象．现有研究主要把光、声、电等作为诱导材料失稳的因素进行研究,而重力往往作为常量考虑．本文通过有限元模拟,建立超重力作用下环向受限的圆柱状软材料薄膜失稳模型,探究了薄膜材料的密度、厚度、半径、剪切模量等材料和几何参数对失稳临界超重力和临界失稳模态的影响．结果表明,触发薄膜失稳的超重力随薄膜厚度和密度增大而减小,随剪切模量增大而增大,随着薄膜半径增大快速减小并迅速趋于常数．另外,当径厚比R/H较小时,无量纲临界超重力随着径厚比增大而单调减小,但当径厚比R/H大于3 时,此量为一个常数．超重力作用下软材料的临界失稳模态与密度、剪切模量等参数无关,随径厚比R/H增大,临界失稳模态波数增大、波长减小．     

多孔硅橡胶材料有限元计算的切线本构矩阵

为进行多孔硅橡胶材料非线性有限元计算，针对用伸长比表示的应变能函数，推导了多孔硅橡胶材料非线性有限元计算中切线本构关系的具体形式。并采用便于编程的矩阵记法，给出了非线性有限元计算中克希荷夫应力和格林应变之间的切线关系式。     

考虑孔隙影响的混凝土有效弹性模量预测分析研究

本文通过纳米压痕实验技术得到混凝土材料细观各相参数，基于渐进均匀化理论，采用蒙特卡洛方法和双向游走方法建立了含孔隙混凝土的胞元模型．分析了孔隙在冻融循环次数增加情况下对混凝土有效弹性模量的影响，同时与有限元模拟分析进行了比较．结果表明：随着冻融循环次数增加，孔隙体积分数增大，界面与砂浆压痕模量相对降低，但对骨料影响较小，导致混凝土宏观弹性模量随之降低；理论分析预测的混凝土有效弹性模量与有限元模拟结果吻合良好．应用含孔隙混凝土胞元模型能有效地预测混凝土宏观弹性模量，进而也为其在冻融作用下老化演变机理的研究评估提供了基础．     

Evaluation of Effective Parameters for Volatile Organic Compounds in Porous Media with Mobile Air Phase

Soil-venting or vacuum extraction is an effective tool for remediation of soils contaminated with volatile compounds. Brusseau’s [Water Resour. Res. 27(12), 3189–3199, 1991] model of fate and transport of volatile compounds in the gaseous phase of dual-porosity soils with rate-limited sorption is adopted in this study. Using temporal moment analysis, expressions for effective velocity and dispersion are derived. The values of effective transport properties are presented for a set of volatile compounds for two typical soils. Sensitivity of these effective parameters to Peclet and Damkohler numbers is discussed.