空孔与运动裂纹相互作用的动焦散线实验研究

为研究预制裂纹不同偏移距离时运动裂纹与空孔的相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,将预制裂纹的偏移距离设定为唯一变量,对含空孔的有机玻璃(PMMA)试件进行冲击三点弯实验。研究表明,存在两个临界距离:（6 mm (2 R )、9 mm (3 R )）,在该偏移距离下,裂纹扩展轨迹、动态断裂特性发生显著改变:(1) 预制裂纹偏移距离不大于3 mm时,裂纹贯穿空孔,发生二次起裂,且二次起裂的速度与应力强度因子显著大于一次起裂,无偏移时裂纹轨迹的分形维数为最小值;(2) 偏移距离增大至6 mm时,裂纹不再贯穿空孔,空孔对裂纹先吸引后排斥,裂纹速度与应力强度因子先减小后增大,裂纹轨迹的分形维数达到最大值;(3) 偏移距离大于6 mm时,空孔对裂纹的吸引作用逐渐减小,大于9 mm后,空孔对裂纹的吸引不再显著,裂纹起裂后即向落锤加载方向扩展直至贯穿试件。     

基于湍流模型的高速螺旋槽机械密封稳态性能研究

针对高速工况下的液膜润滑螺旋槽端面机械密封,建立了其湍流润滑模型,采用有限单元法结合松弛迭代技术实现了润滑方程和液膜湍流模型的数值求解,对比分析了层流模型和湍流模型下不同螺旋槽几何参数和工况参数对密封性能的影响. 结果表明:液膜湍流效应显著提升了螺旋槽机械密封端面液膜的动力润滑效应,密封的开启力、泄漏率和刚度明显大于层流模型预测值. 在不同条件下,比较而言螺旋槽内产生更加明显的湍流效应,其内液膜流动行为远不同于层流模型. 以开启力为优化目标,湍流模型获得的优化螺旋槽几何参数在螺旋角、槽深明显不同于层流模型. 在高速和低黏度介质下,机械密封的湍流效应不可忽略.      

多变量单元结构共振解耦动力优化设计方法

针对截面多变量单元结构的动力优化问题,建立了带频率约束的结构动力优化设计模型,对隐式非线性频率约束函数进行Taylor近似展开,给出了截面多变量单元频率梯度函数显式表达式,基于Kuhn-Tucker条件构建迭代算法,其中拉格朗日乘子通过建立联合方程组求解,形成了含多变量单元共振解耦优化设计方法。以矩形截面单元结构为算例的结果表明,所给单元多变量算法具有良好的准确性;截面变量对频率的贡献存在主次之分,区分指标可采用梯度值;次要变量的修正因子迭代中可采用定值,且其下限应尽可能降低,利于节约成本。本文工作对多变量复杂截面结构动力优化设计可提供理论指导,提高结构动力优化方法的适用性。     

辛解析奇异元在动荷载作用下V型切口问题中的应用

利用辛解析奇异单元,结合时域精细算法,研究了动荷载作用下的含平面V型切口问题。时域上,采用时域精细算法,并结合自适应算法控制展开项数,保证了计算精度。空间域上,切口尖端附近采用辛解析奇异单元,其余区域采用常规有限单元,避免了局部网格加密。本文使用的辛解析奇异单元不需要过渡单元和局部网格加密,且能够通过奇异单元内部的参数关系直接给出切口尖端的应力强度因子,不需要复杂的后处理过程。数值结果表明,本文方法具有良好的精度和稳定性,可以准确地计算动态应力强度因子。     

光滑扩展有限元方法及其特点研究

将光滑有限元法S-FEM（Smoothed Finite Element Method）的子域光滑应变技术和边域光滑应变技术同时引入到扩展有限元XFEM（Extended Finite Element Method）中,提出一种新的光滑扩展有限元法S-XFEM（Smoothed Extended Finite Element Method）。在单元选取及扩充结点选取时采用ES-FEM的光滑域划分方式,在数值积分计算刚度矩阵时采用基于三角形子域的CS-FEM积分思路,并给出了高斯点的积分策略。设计了S-XFEM程序架构并利用Matlab语言编制了S-XFEM计算程序。通过几个经典算例研究对比了XFEM和S-XFEM的特点,验证了S-XFEM的精确性和适用性。结果表明,XFEM和S-XFEM均具有很高的计算精确性和收敛性,XFEM计算精度略高于S-XFEM,而S-XFEM在网格独立性上则明显优于XFEM。     

变截面钢板弹簧刚度计算的传递矩阵法

钢板弹簧悬架是商用汽车的关键部件,对整车的平顺性以及操纵稳定性有着重要影响,采用变截面少片簧代替多片簧是整车轻量化的重要趋势。由于变截面钢板弹簧成型的复杂性,传统的设计计算方法存在较大误差。在精确分析梯形梁单元变形特性的基础上,提出了一种新的变截面板簧刚度计算的传递矩阵法。对于广泛应用的各种变截面板簧,一般只需十来个单元即可得到非常逼近于有限元精确分析的结果。最后,通过不同类型板簧和不同方法的对比计算验证了该方法的有效性。     

基于单元分类的CMOL常开缺陷单元容错映射

CMOS纳米分子混合电路(CMOS/nanowire/MOLeclular hybrid circuits, CMOL)在制造过程中会引入较高缺陷率, 从而导致可用映射资源的减少. 针对由此产生的映射困难问题, 本文采用单元分类思想, 对部分缺陷单元加以利用, 以增加可映射单元数, 进而提高映射成功率. 首先根据单元缺陷类型的差异, 将缺陷单元分为可用和不可用两类进行标记, 然后对可用缺陷单元加以利用, 并采用改进的进化算法完成单元容错映射. 实验结果表明, 与已有方法相比, 新方法在运行效率和成功率上分别得到了19.17%和30.14%的提升.     

La3+和Ce4+对尾矿微晶玻璃显微结构及性能的影响

选用白云鄂博尾矿及粉煤灰为主要原料,采用熔融法制备得到了CaO-Al2 O3-MgO-SiO2(CAMS)系尾矿微晶玻璃.借助差热分析、X射线衍射以及扫描电子显微镜、维氏硬度仪等研究了La2 O3和CeO2对尾矿微晶玻璃析晶行为、显微结构及性能的影响.结果表明,添加La2 O3和CeO2后尾矿微晶玻璃的主晶相均未发生改变,但稀土的添加会诱导微晶玻璃内产生元素集聚体.聚集体内Si元素分布均匀,稀土元素以及Al、Na聚集,元素Ca和Fe缺失.聚集体的形成致密化玻璃网络结构,从而增加裂纹扩展阻力,消耗裂纹扩展过程中的能量,抑制裂纹的扩展并最终提高材料的维氏硬度.     

考虑轴力二阶效应悬臂梁的支承及裂纹参数识别

建立了轴向压力作用下悬臂裂纹梁边界支承和裂纹损伤程度识别方法．首先,将悬臂梁边界非完整支承等效为竖向和扭转弹簧、梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧,利用Laplace变换,得到了边界弹性支承、考虑轴向压力二阶效应、具有任意裂纹数目Euler-Bernoulli悬臂梁弯曲挠度的解析解．其次,提出了边界弹性支承弹簧柔度和裂纹等效扭转弹簧柔度的识别方法．最后,通过数值试验,考察了轴向压力,裂纹深度以及测量误差等对识别结果的影响,说明了本文考虑轴向压力二阶效应的悬臂梁边界支承弹簧柔度及裂纹等效扭转弹簧柔度识别方法的适用性和可靠性,结果表明：相比于应变测量误差,挠度测量误差对裂纹损伤程度识别结果影响更加敏感,且轴向压力对裂纹损伤程度识别影响较小,因此,应严格控制挠度的测量误差．同时,边界支承扭转弹簧柔度的识别误差大于其竖向弹簧柔度识别误差．这些结果为实际工程中边界非完整支承悬臂裂纹梁的参数识别提供了指导．     

一种新型三角形裂尖单元及其在结构裂纹分析中的应用

构造了一种适合边界元分析裂纹问题的三角形单元,该单元中的形函数包含两部分,主要部分用于捕捉裂纹尖端上位移分布的陡峭特性(性质),另一部分为常规的拟合函数,体现裂纹尖端位置附近的物理量在其他方向上的连续分布。形函数主要部分的构造充分利用了已有理论研究获得的结论,在裂纹表面,随着距离远离尖端,位移分布与■函数保持同阶变化。在传统形函数的基础上,通过先乘以一项同阶于■的变量项,再在系数中将其在形函数所在点上的值除去,便得到新型的用于拟合裂纹尖端附近位移和面力分布的形函数。新的形函数能够满足形函数的delta性质,但归一性不再满足,因此,新的形函数只用于物理量的拟合,而几何量的拟合依然采用传统方案。通过对偶边界元方法计算裂纹尖端的张开位移后,利用一种位移外插方法计算获得应力强度因子。数值算例关注了一种无限域内的圆盘裂纹,应用新构造的三角形单元于对偶边界元中计算结构在受到斜拉力时裂纹尖端的三种应力强度因子。通过与参考解进行对比,验证了该插值方案用于对偶边界元分析裂纹问题时的正确性和高精度。