多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于Biot唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上, 以化学-力学耦合理论为特例,利用相应的控制方程和本构关系,给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.     

水泥基材料的化学-力学耦合作用

水泥石良好的粘结性能和力学性能决定水泥基材料和结构的耐久性.通过试验和理论研究,发现水泥石中含钙水化物质,特别是氢氧化钙Ca(OH)_2和水化硅酸钙C-S-H在化学腐蚀作用下的流失是一个复杂的过程.假定水泥基材料为宏观均匀材料,引入考虑两种水化物不同扩散过程的化学扩散模型.提出了新的化学-力学损伤本构模型,描述水泥基材料在不同化学腐蚀下的应力应变关系.综合应用提出的水泥基材料的化学-力学损伤本构关系和化学扩散模型,可以较好地反映水泥石具有时间效应的力学特性.     

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

正智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合     

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

本文重点评述了自然界中的典型智能软材料:聚合物胶体和水凝胶以及关节软骨的多场耦合力学问题的国内外研究现状。基于唯象热力学理论和哈密顿原理,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论。重点针对等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,通过哈密顿原理,建立了化力耦合系统的有限元列式。证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性。通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用。最后展望了智能软材料多场耦合研究的未来发展趋势。      

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

化学-力学耦合理论与数值方法

该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.     

考虑化学-力学耦合的稳态裂纹问题

含有化学过程的多场耦合问题广泛存在于天然多孔介质、生物组织和新型功能材料中,其中各物质组分在应力、化学势梯度、温度差和电势差等共同作用下,会发生质量、动量和能量的传递和转化.本文研究了稳态扩散下有限厚度平板中的I型裂纹问题.通过傅里叶变换和引入位错密度函数,将问题归结为求解一组奇异积分方程,采用Lobatto-Chebyshev方法对其进行数值求解,最后对化学势分布和应力强度因子进行了讨论.     

智能复合材料的化学-力学完全耦合理论及有限元计算

许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体,都表现出多场耦合行为.目前化学-力学耦合理论属于一个比较新的领域,还不成熟.本文主要研究化学一力学耦合行为,并在ABAQUS软件中进行了数值模拟计算.应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的的本构关系椎导出了力学-化学耦合的等效积分形式,建立力学-化学耦合的有限元方程.在ABAQUS软件中开发用户单元子程序,进行数值模拟.计算结果表明:力学与化学存在着相互耦合作用,浓度变化能引起固体的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布:由于耦合作用,固体的有效性能与扩散性质都发生了改变:力学-化学耦合作用过程实际是机械能与化学能之间能量转换过程;最终,研究体中械能与化学能达到相互平衡状态,且质量守恒.本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学-化学耦合行为.     

理论力学研究性教学新探索——变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理

本文探讨理论力学中变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理的联系。Reynolds输运定理是连续介质(例如流体)质量/动量/能量输运规律的共同基础,因而具有基本的理论重要性。本文通过详细对比分析说明：在理论力学中,基于一般质点系模型的变质量系统动力学与连续介质力学的输运规律,本质上具有相同的理论框架和分析工具。如果在任意质点系模型的基础上引入质点空间连续分布的假设,则可以将变质量离散体系的力学结论拓展至连续介质的基本输运规律(包括质量/动量/能量)。     

混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型

提出了混凝土化学损伤和力学损伤的耦合模型.用损伤变量表示的本构关系模拟混凝土力学性能.分析了化学侵蚀下混凝土损伤发展过程.研究表明,应力软化造成混凝土局部损伤是结构失效的根源.局部化学损伤出现的时候,平衡微分方程不能满足.为了解决这个问题,采用了非局部损伤模型.试验和有限元计算结果表明,混凝土化学-力学耦合作用的非局部损伤模型能够较好地描述受化学侵蚀与荷载共同作用的损伤状态.     

ANALYTICAL SOLUTIONS FOR A ONE-DIMENSIONAL CHEMO-MECHANICAL COUPLING PROBLEM

Chemo-mechanical coupling exists in a lot of intelligent materials including hy- drogels, biological tissues and other soft materials. These materials are able to respond to ex- ternal stimulus, such as temperature, chemical concentration, and pH value. In this paper, a one-dimensional theoretical model for chemo-mechanical coupling is proposed for analyzing the uniaxial stress/strain state of coupling materials. Based on the chemo-mechanical coupled gov- erning equation, the displacement function and concentration function are derived and the stress and chemical potential are obtained. It is shown that the present chemo-mechanical theory can characterize the chemo-mechanical coupling behavior of intelligent materials.     

RENEWAL OF BASIC LAWS AND PRINCIPLES FOR POLAR CON-TINUUM THEORIES (Ⅱ)—MICROMORPHIC CONTINUUM THEORY AND COUPLE STRESS THEORY

IntroductionThispaperisadirectcontinuationofRef.[1 ] .InitthecoupledconservationlawofenergypresentedinRef.[2 ]wasextendedandtherathercompletesystemsofbasicbalancelawsandequationsformicropolarcontinuumtheoryhavebeenconstitutedbycombiningtherenewedresultsandthetraditionalconservationlawsofmassandmicroinertiaandtheentropyinequality .Thepurposeofthispaperistorestablishthesystemsofbasicbalancelawsandequationsformicromorphiccontinuumtheoryandcouplestresstheoryviadirecttransitionsandreductionsfromth…     

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

部分应力杂交动力分析模型的混合变分原理

本文通过对具有单重卷积积分的二类变量的Ｇｕｒｔｉｎ型混合变分原理进行修正，采用“部分应力杂交”的概念，建立了线弹性动力分析 部分应力杂交变分格式，并在此基础上构造出时间有限元模型，这种模型对于分层复合板的动力分析尤其适用。     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

非局部模型与变形局部化数值模拟

基于非线性身体场论,建立了材料非局部连续模型、变分方程及相应的实时拖带系大变形有限元数值模型,设计了这一模型的数值卷积算法,由于广义函数弱收敛定理和卷积理论,证明所提出的非局部连续模型具备收敛性和稳定性。并阐明了材料特征尺度数学物理意义,统计加权函数的选择原则,数值结果表明非局部模型描述变形局部化问题是适当的。     

DISCRETE AND CONTINUUM MODELLING OF GRANULAR FLOW

This paper analyses three popular methods simulating granular flow at different time and length scales： discrete element method （DEM）, averaging method and viscous, elastic-plastic continuum model. The theoretical models of these methods and their applications to hopper flows are discussed. It is shown that DEM is an effective method to study the fundamentals of granular flow at a particle or microscopic scale. By use of the continuum approach, granular flow can also be described at a continuum or macroscopic scale. Macroscopic quantities such as velocity and stress can be obtained by use of such computational method as FEM. However, this approach depends on the constitutive relationship of materials and ignores the effect of microscopic structure of granular flow. The combined approach of DEM and averaging method can overcome this problem. The approach takes into account the discrete nature of granular materials and does not require any global assumption and thus allows a better understanding of the fundamental mechanisms of granular flow. However, it is difficult to adapt this approach to process modelling because of the limited number of particles which can be handled with the present computational capacity, and the difficulty in handling non-spherical particles. Further work is needed to develoo an aoorooriate aooroach to overcome these problems.     

数值流形方法在连续体数值分析中的应用

在平面连续作的数值计算中使用数值流形方法的各阶覆盖位移函数和统一的三节点三角形流形单元,能够得到高精度的数值结果,且具有编程和前后处理简单等优点,克服了有限元法复杂理论的不足．文中还引入了三角形单元Ｈａｍｍｅｒ数值积分,使流形方法的程序编制通用化．     

生物芯片压电微流体泵液-固耦合系统模态分析

对压电微流体泵粘性流体周期流动进行厚度积分平均近似,得到包含粘性的,非线性浅水波动方程,并采用有限元法得到微泵液体压强矩阵方程.液体压强矩阵方程和压电硅片振动有限元方程耦合,得到一个包含微泵进出口扩散管的液-固耦合系统振动方程.液-固耦合系统的模态分析结果表明,微泵液-固耦合系统的自然频率比不耦合的硅片振动自然频率低很多.随着微泵厚度的减少,液体附加质量和粘性阻尼对耦合系统自然频率的影响更加明显.同时发现,对应的压电片振型函数在液-固耦合前后没有明显变化.还给出硅片一阶模态的振幅-频率特征曲线.对薄型无阀压电微流体泵,浅水波模型合理地表达了微泵液体流动和压电硅片振动的相互作用,以及液体附加质量和粘性阻尼对微泵液-固耦合系统动力特征的影响.