三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.      

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

纤维增强金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学分析

高温下金属基复合材料的蠕变主要由基体蠕变和界面扩散蠕变两部分构成,以往的研究中常常只考虑其中一种蠕变机理,从而导致得到的规律具有较大的局限性．本文提出了一种可预测金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学方法,同时考虑了基体蠕变和界面扩散蠕变两种蠕变机理,导出了具有张量形式并满足不可压缩性的界面扩散蠕变应变表达式．采用Mori-Tanaka法和自洽法二者结果的平均以便更准确地计算纤维中的应力,揭示了两种蠕变机理相互影响的竞争关系．研究了恒定双轴荷载下的总体蠕变和固定位移约束下的应力松弛这两种常见蠕变问题,探究了基体蠕变与界面扩散蠕变两种蠕变机理在总蠕变中发挥的作用,考察了不同加载条件和不同纤维体积分数对复合材料整体蠕变行为的影响．     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

基于碎点法的动态断裂分析

工程中的冲击防护结构在撞击、爆炸等冲击载荷下可能发生动态断裂并最终破坏, 抑制结构的动态断裂是提升结构防护能力的重要手段, 为此需要准确预测结构在动态载荷下的断裂行为. 数值仿真是预测动态断裂的重要手段, 然而当前工程中常用的有限元法在模拟断裂方面仍存在网格畸变和难以显式引入裂纹等问题. 碎点法是近年来提出的一种不连续型伽辽金弱形式无网格方法, 适合模拟断裂问题, 本文提出一种显式动力学格式的碎点法并将该方法应用于动态断裂分析. 一方面, 碎点法参考弱形式无网格类方法, 将求解域离散为空间中的节点和子域, 并基于支持域内的节点群构造子域的位移试函数, 因此该方法的子域具有抵抗畸变的能力. 另一方面, 碎点法参考间断伽辽金有限元法, 使用分片连续的位移试函数, 并引入内部界面数值通量修正保证方法的一致性和稳定性, 因此该方法易于在结构中显式引入裂纹. 本文首先介绍碎点法的核心思想和离散形式, 接着推导了动力学碎点法弱形式动量方程, 然后建立了碎点法的显式动力学求解格式, 最后通过算例验证动力学碎点法预测应力波传播和动态断裂行为的能力.      

动点的牵连运动分析与运动合成定理推证

点的合成运动分析中,复杂运动合理地分解和合成的关键在于牵连点的运动分析,牵连点是动系上与动点瞬时相重合的点,由于动点在动系上不断变迁,故牵连点随时间变动。本文指出,任一瞬时,牵连点均是动系上的某一“固定”点,仅随动系一起运动,采用解析方法提出了牵连点速度和加速度的一种表示方法,并推导了点的速度和加速度合成定理。本方法无需引入相对导数,易于学生理解。     

新工科背景下力学跨学科课程的建设与探讨

新一轮科技变革业已开始,我国正在大力推动“新工科”建设。力学专业作为工科的关键基础之一,需要结合新时代工程教育改革方向来推进专业教育与学科建设。本文以生物力学与仿生跨学科课程为例,分析了当前跨学科课程所面临的学生缺少了解、教师定位不清、教学方式单一等问题,提出了与低年级通识教育、基础力学课程、现代教育技术相结合的针对性措施,并对其实施效果进行总结,以期为现有工科中的跨学科课程建设提供借鉴和参考。     

滑坡冲击铲刮变量的计算方法研究

高速远程滑坡运动过程中,冲击铲刮效应不仅增加滑坡的体积与规模,而且会增大滑坡成灾范围,风险预测与判断出现明显误差,导致灾难性事件的发生。目前对于高速滑坡的铲刮深度、铲刮范围和铲刮体积等变量计算往往是采用基于经验的铲刮率算法,其是通过体积增量来反算铲刮变量的数学方法,而实际情况中高速滑坡的冲击铲刮是滑体冲击力和地表可铲刮材料之间的力学屈服破坏作用的结果。本文基于接触力学、弹塑性力学和岩土力学,提出了地表可铲刮层在附加冲击荷载作用下铲刮变量的理论计算方法,认为竖向冲击和切向剪切是滑体冲击铲刮过程的两种主要作用方式。结合实际岩土体材料参数,发现不考虑切向荷载时,铲刮层塑性区主要以竖向破裂区为主,考虑切向荷载时,铲刮层塑性区沿切向迁移,直至塑性边界贯通至地表,符合实际情况,实现了对铲刮变量的定量化计算。     

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分（finite difference method,FDM）-离散元（discrete element method,DEM）耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC3D和PFC3D程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘（NSCB）试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。