欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型,其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型,并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响;(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下,传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析,比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别,得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果;(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

高精度欧拉流体弹塑性问题的数值方法研究

将描述固体材料的应力应变关系与欧拉流体动力学方程组耦合求解,通过引入界面捕捉方法描述多物质界面,将带弹塑性的多材料相互作用问题从形式上转化为计算单一材料问题,采用Roe方法近似求解Riemann问题,给出以Godunov方法为基础的二阶精度欧拉弹塑性流动的数值计算方法,适用于计算大变形流动等问题,并通过数值实验进行验证.     

有限转动张量的保角参量及在多柔体系统中的应用

采用保角转动参数描述了多体系统中的大转动张量．该方法消除了传统的欧拉参数描述所必需的约束方程，并且适于大变形部件的建模需要．利用以上结果建立了含大变形梁状部件的多体系统的力学模型．     

用杂交应力元分析板的弹塑性屈曲

基于一个含面内初应力薄板问题的修正的Hellinger-Reissner变分原理,导出了一个十二自由度矩形杂交应力弯曲板元。并首次将杂交应力模型用于求解各向同性以及加筋平板的弹塑性欧拉屈曲问题。计算中,将Sturm序列方法与0.618加载法相结合以确定临界应力。材料性质采用Stowell塑性屈曲理论及Ramberg-Osgood应力应变关系加以反映。 计算结果与解析解、实验值均符合良好。而且比多数已知有限元解精确。这表明,用杂交应力模型求解平板的弹塑性欧拉屈曲问题可行,方便,可以获得满意结果:本文导出的单元精度高、收敛快。     

利用松质骨理想化模型对骨小梁刚度的研究

利用结构张量的概念建立了考虑松质骨结构各向异性的理想模型，将杆型与板型两种传统模型统一起来．采用均匀化理论，通过有限单元的数值计算建立了松质骨弹性常数与结构张量、固体体积比之间的数值关系，并预测了骨小梁的弹性模量．结果表明，本文模型较好地体现了松质骨的各向异性力学性质．对骨小梁的计算结果表明，骨小梁的弹性模量在６７６ＧＰａ～１０９ＧＰａ范围内，平均意义上的结果是９２１ＧＰａ．     

Lode角对应力张量的导数的基本性质

为计及岩土类材料塑性力学行为的中主应力影响或应力路径相关性,通常将应力张量Lode角/Lode数引入屈服函数与塑性势函数。由此在计算塑性应变增量时必然涉及Lode角/Lode数对应力的导数张量（记为 ）。然而,应力张量主值有重根时 的计算存在困难。本文给出了 的主值计算方法及谱分解表达式并详细讨论了张量 的基本性质。     

增量原理有限元分析非线性橡胶类材料

1.引言橡胶类材料构件的几何和材料性能都是非线性的,而且材料的非线性关系一般用三个变形张量不变量表述。本文基于势能驻值原理。采用以变形前的构形为参考状态的Lagrange法。以该状态的Green应变张量的物理分量和Kirchhoff应力张量的物理分量建立起适用于大位移和大应变的增量形式的有限元计算列式。列式中考虑了不平衡力的修正项和不可压缩性偏差的修正项。由于在工业上使用的受力的橡胶类构件多半为轴对称     

可压超弹性-塑性材料中的空穴生成

本文研究了材料的弹塑性性质对球体中空穴生成问题的影响，材料的弹性用一种可压超弹性材料的本构关系来描述，材料的塑性用满足材料的不可压条件和Tresca屈服条件的理想塑性材料的本构关系来描述。这类超弹性．塑性材料中可以发生空穴的生成现象，得到了在表面拉伸作用下球体中空穴生成时空穴半径与临界拉伸之间的关系式和临界拉伸。球体的变形可分为弹-塑性变形阶段和完全塑性变形阶段，球体中心首先形成塑性变形区域，并有空穴的突然生成；塑性变形区域能够快速增长，并且使球体很快进入完全塑性变形阶段；空穴在弹-塑性变形阶段迅速增长，但进入完全塑性变形阶段后增长较慢。同时给出了不同变形阶段球体中的应力分布。数值结果表明材料的塑性性质对材料中的空穴生成有明显的影响。     

金属基复合材料的强度与损伤分析

用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMC)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G-T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMC在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系.     

各向同性弹性损伤的双标量描述

损伤状态的描述是损伤力学中仍未完善解决的基本问题．我们旨在对此问题就最简单的一种情形——各向同性弹性损伤，进行较为全面的研究．首先，指出了古典各向同性损伤理论中，基于应变等效假设，用单个标量损伤变量描述损伤状态的局限性．然后，建立了一个用两个标量损伤变量描述的各向同性弹性损伤模型．此模型解除了古典理论的局限，能完全描述各向同性弹性损伤，并且得到本文数值实验的验证．最后，将本文模型与现有细观力学结果连接，给出了宏细观损伤变量之间的关系，使得细观量可以通过宏观量来反映，建立了一个用细观损伤材料常数描述细观缺陷特征的损伤本构模型     

固定网格的数值流形方法研究

针对单纯几何非线性的材料大变形问题, 提出一种新的研究思路------固定数学网格的数值流形方法, 简称固定网格流形法, 可以看作是采用了固定网格的拉格朗日方法. 它充分利用数值流形方法的数学网格与材料物理边界分离的特性, 具备拉格朗日法和欧拉法各自的优势, 避免了原始拉格朗日法的网格扭曲问题以及欧拉法对移动边界难以精确描述和迁移项较难处理的问题. 采用数值流形方法的大变形分步计算格式, 使得固定网格流形法实现起来并不复杂, 仅需要每步切割网格形成新的流形单元, 以及对初应力载荷进行适当的处理, 而后者是固定网格流形法的关键. 针对固定的矩形数学网格开展研究, 采用一阶多项式覆盖函数的高阶流形法, 给出了两种初应力计算方法, 并用悬臂梁大变形算例验证了固定网格流形法的可行性, 将来需要进一步解决初应力载荷所带来的计算稳定问题.      

极端变形问题的物质点法研究进展

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法. 本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用.     

大变形下初始斜交异性本构方程

采用材料主轴法,建立了初始斜交异性材料在变形构形（Euler描述）下的斜交异性本构方程,以及在初始构形（Lagrange描述）下的形式。具体给出了斜交异性线弹性材料方程的显式,它在Lagrange描述下形式简洁,可方便地用于有限元计算。文中指出,在变形构形下是线弹性的材料,在Lagrange描述下其本构方程一般已成为非线性,我们称之为本构转换非线性。这种非线性在实际的有限元计算中还未引起重视。为理论简明,本构方程是对二维给出的。     

局部弹性翼型非定常分离的动力学特性

对在低雷诺数下局部弹性翼型绕流中, 局部弹性导致的自激振动所产生的复杂非定常流动分离现象和描述方法进行了分析. 采用ALE-CBS方法数值模拟了具有可动边界的绕流流场问题, 同时采用Galerkin方法求解局部弹性结构的控制方程. 着重研究了翼型的局部弹性对流动分离和翼型性能的影响, 并分别从Eulerian和Lagrangian的角度分析了局部弹性结构导致的不同非定常分离现象, 其中Lagrangian角度可以方便地揭示出局部弹性翼型大幅度提高升力的机理和流动中的能量迁移. 结果表明翼型的局部弹性对非定常分离和分离泡的演化过程有着明显的影响, 可以使得流体质点由主流获取动量实现再附, 并且在一定的攻角下可以将固定分离转变为移动分离, 从而明显地提高了翼型的升力.      

Nonlinear Eulerian thermoelasticity for anisotropic crystals

A complete continuum thermoelastic theory for large deformation of crystals of arbitrary symmetry is developed. The theory incorporates as a fundamental state variable in the thermodynamic potentials what is termed an Eulerian strain tensor (in material coordinates) constructed from the inverse of the deformation gradient. Thermodynamic identities and relationships among Eulerian and the usual Lagrangian material coefficients are derived, significantly extending previous literature that focused on materials with cubic or hexagonal symmetry and hydrostatic loading conditions. Analytical solutions for homogeneous deformations of ideal cubic crystals are studied over a prescribed range of elastic coefficients; stress states and intrinsic stability measures are compared. For realistic coefficients, Eulerian theory is shown to predict more physically realistic behavior than Lagrangian theory under large compression and shear. Analytical solutions for shock compression of anisotropic single crystals are derived for internal energy functions quartic in Lagrangian or Eulerian strain and linear in entropy; results are analyzed for quartz, sapphire, and diamond. When elastic constants of up to order four are included, both Lagrangian and Eulerian theories are capable of matching Hugoniot data. When only the second-order elastic constant is known, an alternative theory incorporating a mixed Eulerian–Lagrangian strain tensor provides a reasonable approximation of experimental data.     

An effective limiting algorithm for particle-based numerical simulations of compressible flows

Eulerian computational fluid dynamics (CFD) and Lagrangian computational structural dynamics (CSD) are used extensively in the aerospace industry. Combined mesh-based Eulerian and particle-based Lagrangian algorithms arevery effective for modelling and simulation due to the increased efficiency of combining the two numerical simulations. However, when compressible flows are simulated using a particle-based algorithm, calculations of strong discontinuity, such as a shock wave, may become unstable. In the present study, a numerical limiter is integrated with a particle-based CFD code to remedy this instability. The limiting algorithm incorporates an ‘averaging’ technique which calculates average values using the properties of neighbouring particles (also known as material points), including mass, momentum and energy. These averaged values are then input to a min-mode limiter to eliminate numerical noise and incur dissipation in the flow in areas with steep property gradients. The results of this algorithm show very stable solutions with minimal oscillations when applied to the one-dimensional shock tube problem and an increased accuracy with reduced oscillations for a two-dimensional cylinder cross-flow problem.