一种用于材料高应变率剪切性能测试的新型加载技术

高应变率下的冲击剪切实验技术是材料动态力学行为及其微观机理研究的重要基础.采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)装置一般可以获得材料在104s-1以内应变率的动态力学性能.在超过104s-1的应变率下对材料进行冲击剪切测试时,通常需要采用高速压剪飞片技术或由气炮发射子弹对试样进行直接加载.本文提出一种可用于传统霍普金森压杆技术的新型双剪切试样,可以在103~105s-1剪应变率范围实现对材料剪切性能的精确测量;同时,可以对材料的变形及失效过程进行直接观测.试样与压杆之间避免了复杂的界面或连接装置,通过转接头可以保证试样与压杆直接接触,提高测试精度,同时可以防止因试样的横向位移而导致的非均匀变形.获得了紫铜在1400~75000s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线,并采用计算软件"ABAQUS/Explicit"对双剪切试样的动态加载过程进行了数值模拟和结果验证.分析表明,剪切区的主要区域内剪切成分占主导地位,其应力应变场沿厚度及宽度方向基本呈均匀分布.实验得到的剪应力-剪应变曲线与模拟结果吻合较好,说明所提出的基于分离式霍普金森压杆系统的双剪切试样可以为材料的高应变率力学性能测试提供一种方便有效的加载技术.      

由Kirchhoff方程导出压杆的临界载荷

用Kirchhoff方程讨论压杆的稳定性,导出了适合任意端部约束的、直杆的 线性化扰动方程及其通解;根据积分常数非零解的存在条件,分别导出了不同端部约束压杆 的临界载荷.     

超细长弹性杆精确模型的运动学问题

作为研究DNA等生物大分子链力学行为的模型,考察弹性细杆精确模型截面随弧坐标和时间的运动学问题.给出了基本假定,用映射的概念阐明离散化思想,得到了杆的运动学方程,导出了存在拉/压变形时弯扭度和角速度的关系;定义了截面的虚位移,表示为弧坐标和时间变分均为零的变分法则,在微分和变分运算次序可以交换的前提下,导出了截面虚角位移的导数与截面弯扭度以及角速度变分的关系,为建立超细长弹性杆精确模型动力学的分析力学方法准备理论基础.     

弹性杆盘绕折叠的力学分析

以可伸展空间结构元件的盘绕折叠过程为工程背景,分析受圆柱面单面约束的弹性直杆变形为螺旋杆,最终压缩为叠放的平面圆环的变形过程.对此空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化.由于约束力的存在,也不能直接利用忽略分布力的Kirchhoff弹性杆方程.本文以表述截面姿态的欧拉角为变量,建立受圆柱面约束弹性杆平衡的非线性方程.利用方程的初积分计算杆截面的内力和力矩.忽略盘绕过程的惯性效应,将参数连续改变的螺旋线状态作为杆盘绕过程中的准平衡状态.导出为实现盘绕过程需要施加的轴向压力和扭矩随螺旋角的变化规律.根据一次近似稳定性理论分析得出:两端铰支弹性杆当相对扭率为零时不能保证螺旋线平衡的稳定性.若杆端支承允许存在相对扭转,则轴向压力和扭矩按文中确定的规律变化时可以保证盘绕过程的稳定性.     

大变形轴向运动梁的精确动力学模型

轴向运动梁的横向振动是具有实际工程背景的动力学问题.该文应用Cosserat弹性杆模型讨论圆截面轴向运动梁的动力学建模及其运动稳定性.以沿梁中心线的弧坐标代替方向固定的坐标轴,根据梁截面的姿态随弧坐标和时间的变化确定梁的变形过程.从欧拉的速度场概念出发,考虑梁截面转动的惯性效应和剪切变形,建立大变形轴向运动梁的动力学方程.其小变形特例为轴向运动的三维Timoshenko梁.基于该模型分析了轴向运动梁准稳态运动的静态和动态稳定性,导出可导致失稳的临界轴向速度.证明空间域内的欧拉稳定性条件是时间域内的Lyapunov稳定性的必要条件.      

关于弯剪矩阵法的思考

本文认为理想压杆的欧拉临界力推导的教学改革应是加强学生对压杆稳定性与拉、压、弯、扭问题之间本质区别的认识     

薄壁杆系结构的梁元分析模型

本文导出了用于薄壁杆系结构弹性分析的薄壁梁元分析模型，在空间梁元分析模型^[3]的基础上，采用了一种改进的位移模式，考察了薄壁杆件可能发生的拉压，剪切，弯曲，扭转和翘曲等各变形形式以及它们的耦合效应，得出了相应的单元形函数，同时从工程应变的定义出发，采用Taylor级数展开的方法，建立了单元的五阶近似正交变表达式，并建立了相应的薄壁单元刚度方程，从而得出了局部坐标系下单元刚度矩阵的显式，根据本文所导出的薄壁梁元分析模型，编制了相应的结构计算程序，通过算例验证了本文所推导的单元刚度矩阵，同时通过与传统空间梁元计算模型计算结果的比较，阐述了截面翘曲对薄壁杆系结构的影响。     

基于振动响应的杆结构损伤检测

从杆的纵向振动方程出发,建立了其相应的有限元动力学方程,利用直接积分法计算了杆在外激励下的振动响应.将杆的局部损伤模拟为单元抗拉刚度的减少,推导了响应对单元抗拉刚度的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行杆的局部损伤识别.数值算例表明,该文方法能快速准确地识别出杆的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感,说明本文方法具有一定的工程应用前景.     

含刚性段复合压杆的稳定性分析

压杆稳定性实验是材料力学中一个重要实验内容。然而,压杆稳定性实验中压杆两端的约束往往需要附加刚性的夹持件来实现。为了讨论压杆端部夹持件对测试结果的影响,本文基于弹性系统的稳定性理论,采用欧拉方法,分析了两端包含刚性段的复合压杆的稳定性,并通过数值求解讨论了刚性段不同占比情形下压杆的临界载荷。同时,采用有限元数值模拟方法验证了理论分析的结果。本文结论将为压杆稳定性实验教学提供参考。     

受圆柱面约束螺旋杆伸展为直杆的动力学分析

以大型空间结构的可伸展机械臂从折叠状态被释放的伸展过程为工程背景, 分析受圆柱面单面约束的弹性螺旋杆在惯性力作用下恢复为直杆的动力学过程. 对弹性杆空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化. Kirchhoff动力学比拟理论是研究细长弹性杆超大变形的有效工具. 但由于圆柱面约束的存在, 不能直接利用无分布力的Kirchhoff 模型, 而必须在方程中增加分布的约束力. 以表述截面姿态的欧拉角为变量, 建立受圆柱面约束弹性杆的动力学方程. 在圆柱面约束条件下, 认为弹性杆在伸展过程中仍维持半径不变的螺旋线形态, 仅螺旋线倾角和杆的扭率随时间变化. 对简化后的非线性微分方程导出解析积分, 以描述伸展运动的动力学过程, 导出螺旋杆伸展速度的变化规律, 以及从初始状态伸展为直杆所需时间的简明的解析形式计算公式.