形状记忆合金复合材料层板非线性有限元分析

将形状记忆合金埋入复合材料层合板中构成智能复合材料结构.在外载或热载的作用下,形状记忆合金将使复合后的材料内部和结构的应力、应变分布发生改变,并改变结构的形状.由于形状记忆合金的大变形带来非线性,本文利用具有几何非线性分析功能的复合材料板壳元对模型进行计算和分析,形状记忆合金的驱动效应等效为力学载荷.可得到较精确的结果.      

热载荷蜂窝夹层板作用下固有频率预测与分析

针对热载荷作用下蜂窝夹层板固有频率变化的问题,分析了蜂窝夹层板在热载荷作用下的应力分布及固有频率,并根据应力分布预测了夹层板的固有频率变化,与仿真得到的频率变化一致。仿真结果表明:碳纤维蒙皮蜂窝夹层板在热载荷作用下的固有频率基本不变,且约束形式对频率变化的影响很小;铝合金蒙皮蜂窝夹层板在热载荷作用下时,约束形式对频率变化影响很大,当约束较少时频率基本保持不变,当约束较多时将引起结构固有频率大幅下降。     

轴对称载荷下横观各向同性泡沫材料的屈服面

利用二维有效应力和平均应力的描述方法,推导出三维横观各向同性泡沫材料在轴对称载荷下的特征平均应力、特征应力以及特征应变的表达式,得到用特征平均应力和特征应力描述的屈服面模型;并通过对面心立方单胞模型进行有限元分析,研究了横观各向同性泡沫材料的泡孔长径比对弹性性能和屈服面的影响.结果表明:随泡孔长径比的增加,泡孔伸长方向对应的泡沫模量增加,而与其垂直方向的泡沫模量则减小,且屈服面发生了逆时针转动;得到的屈服面模型与Gurson修正模型基本一致,且同有限元结果相符,为横观各向同性泡沫提供了一种新的屈服面描述.     

开孔泡沫塑料的应力松弛问题

开孔泡沫塑料具有良好的能量吸收和缓冲性能, 在工程中得到了广泛的应用, 对其粘弹性行为进行研究具有重要的意义.基于Lederman模型,应用三参数标准线性固体模型考虑基体的粘弹性性能,对开孔泡沫塑料的应力松弛行为进行了研究,并讨论了所加应变载荷、结构参数和泊松比对应力松弛曲线的影响.结果表明:应力松弛曲线对泊松比是不敏感的,并且,应变载荷的增加和相对密度的提高会使应力松弛变得更加明显,但应力响应的初始值和终值的比却不随应变载荷的提高而变化.     

Chaboche随动硬化模型参数确定及棘轮效应

采用遗传算法确定不同Chaboche随动硬化模型的参数,得到的3种模型中,四分量模型对棘轮的预测与试验结果符合最好.增大应力幅值或应力平均值,都会使应变峰值增大,应变累积速度加快;利用确定的四分量模型研究加载顺序对棘轮的影响.结果表明,平均应力加载顺序对棘轮预测有较大影响,加载顺序高-低的累积应变低于加载顺序低-高的累积应变,而且先加载的平均应力越大,后加载的载荷产生的累积应变越小;而应力幅值加载顺序对应变累积几乎没有影响.     

薄板的后屈曲损伤分析与疲劳寿命预估

针对薄板在面内压缩载荷作用下的后屈曲损伤问题进行了研究,并进一步考虑屈曲与疲劳损伤的耦合作用,预估了薄板的疲劳寿命.首先建立了薄板的有限元模型,通过线性屈曲分析得到屈曲临界载荷和屈曲模态,进而采用大变形理论,将线性屈曲的一阶屈曲模态作为初始位移扰动,进行薄板的非线性屈曲分析,得到屈曲临界载荷.其次,根据损伤力学理论与方法建立了薄板材料在单次加载过程中的损伤演化方程,并根据材料疲劳试验结果进行参数识别,获取损伤演化参数.根据非线性屈曲分析结果和损伤演化方程进行了后屈曲损伤分析.最后,考虑疲劳载荷的作用,基于损伤力学理论,采用有限元数值方法求解,考虑每次加载引起的损伤与后屈曲应力应变场分析的耦合作用,通过反复迭代计算,给出了结构疲劳寿命.本研究为工程结构的后屈曲损伤分析以及考虑后屈曲损伤的疲劳寿命分析提供了一种新方法和实现手段.      

基于应变的几何非线性梁建模与分析

柔性机翼在气动载荷作用下产生较大变形，几何非线性因素不容忽视。利用机翼柔性特点，通常采用梁模型进行结构建模。从几何精确梁理论出发，结合Hamilton原理推导了几何非线性梁的动力学平衡方程。不同于经典的位移基有限元，采用梁广义应变作为插值变量，得到广义质量阵、广义阻尼阵、刚度阵及载荷列向量，建立非线性应变梁模型。结合Newmark数值算法和牛顿-拉夫森（Newdon-Raphson）迭代法建立了动力学方程求解算法。针对典型算例，开展静、动力学分析，并分别与有限元软件的仿真结果进行对比。结果表明：在相当计算精度下，所建模型收敛特性更好。为进一步验证所建模型在工程实际应用中的精度和有效性，开展针对典型大展弦比机翼的地面静力试验。试验表明：仿真结果与激光位移计和光纤传感设备测得的变形值具有较高的一致性，验证了所建模型具有较高精度。     

表面裂纹三维弹塑性有限元分析

本文用三维弹塑性有限元计算了含表面裂纹均匀拉伸板在不同载荷大小下的弹塑性位移场、应力场和裂纹尖端塑性区等。计算结果表明:裂纹张开位移具有良好的线性段;对称面和前表面不是处于平面应变和平面应力状态,它们的塑性区用二维情况下的Irwin公式估计误差很大;裂纹尖端塑性区随着载荷的增加,后自由表面的影响也增加;体内大部分区域近似于无裂纹的轴向拉伸应力状态,仅在相当靠近裂纹尖端地区才有较强的塑性约束;裂纹顶端的第三维正应力也具有奇异性。这些结果对于表面裂纹的断裂、疲劳特性研究具有一定的参考价值。     

成形极限曲线（FLC）的新概念

失稳理论是FLC的理论基础。文章论述了FLC理论研究中存在的问题。指出:一般出厂板的表面状况不会影响板料的集中失稳;板内损伤平面应变时最严重。双拉时,板内损伤的积累、发展,导致应力状态向平面应变漂移;拉压时,载荷失稳后引起的双拉,也会导致平面应变。因此平面应变状态的出现是板料集中失稳的共同原因。在此基础上提出了建立FLC的统一的模型。     

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明:湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。      

正交各向异性矩形薄板稳定问题的直接解法

用分离变量法求解了正交异性矩形薄板的稳定问题,得到了3种边界条件下的解析解,结果与相关文献完全相同,求解方法比传统的半逆法要简单.分析了力边界条件给实施分离变量法带来的困难.给出了不产生泊松效应并能消除板刚体位移的方法.将叠层材料板等效为正交各向异性板,用解析方法求解了面内单向压曲问题,结果与有限元分析结果吻合很好,证明了分离变量方法的正确性和实用性.     

具有初始随机材料缺陷的非晶合金剪切带模拟

基于自由体积理论建立了以自由体积为内部参量的非晶合金本构模型,并通过ABAQUS UMAT子程序将之在有限元模拟中实现.以初始自由体积为材料缺陷参量,通过FORTRAN子程序抽取随机数及匹配单元编号的方法定义了初始随机材料缺陷.采用平面应变模型模拟了具有初始随机材料缺陷的非晶合金剪切带的形成和扩展过程,结果表明:自由体积局部增加会造成形变局部化,继而形成剪切带,并且剪切带的成核、形成和扩展会松弛周围应变和自由体积.数值模拟能有效捕捉非晶合金剪切带主要特征,其结果符合实验观察和自由体积理论预测.     

考虑横向剪切正交异性粘弹性薄板的蠕变屈曲

研究了正交各向异性粘弹性薄板在单向受压时的蠕变屈曲问题，在建立控制方程时考虑了横向剪切的影响，通过求解控制方程得到了挠度随时间变化的解析表达式以及瞬时临界载荷和持久临界载荷。     

Shear flow energy redistribution stipulated by the internal-gravity wavy structures in the dissipative ionosphere

The linear mechanism of generation, intensification and further nonlinear dynamics of internal gravity waves (IGW) in stably stratified dissipative ionosphere with non-uniform zonal wind (shear flow) is studied. In case of the shear flows the operators of linear problem are non-selfadjoint, and the corresponding Eigen functions – nonorthogonal. Thus, canonical – modal approach is of less use studying such motions. Non-modal mathematical analysis becomes more adequate for such problems. On the basis of non-modal approach, the equations of dynamics and the energy transfer of IGW disturbances in the ionosphere with a shear flow is obtained. Exact analytical solutions of the linear as well as the nonlinear dynamic equations of the problem are built. The increment of shear instability of IGW is defined. It is revealed that the transient amplification of IGW disturbances due time does not flow exponentially, but in algebraic – power law manner. The effectiveness of the linear amplification mechanism of IGW at interaction with non-uniform zonal wind is analyzed. It is shown that at initial linear stage of evolution IGW effectively temporarily draws energy from the shear flow significantly increasing (by an order of magnitude) own amplitude and energy. With amplitude growth the nonlinear mechanism turns on and the process ends with self-organization of nonlinear solitary, strongly localized IGW vortex structures (the monopole vortex, the transverse vortex chain or the longitudinal vortex street). Accumulation of these vortices in the ionospheric medium can create the strongly turbulent state.     

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

锯齿型扰流片对壁面压力分布的影响

在风洞用电子扫描阀进行测压,研究了绕平板扰流片和锯齿扰流片分离流动的壁面压力分布.结果表明平板扰流片和锯齿扰流片均在上游x/h=-6处剪切层开始分离,并再附于下游x/h≈20的位置.锯齿扰流片横向位置的变化对壁面平均压力分布几乎没有影响,但通过锯齿槽流向的压力脉动一般大于通过锯齿尖点流向的脉动.从平均压力分布看,锯齿高度可以增加扰流片阻流效果,采用锯齿扰流片可以减小下游壁面压力的脉动.     

2024-T3航空铝合金板材电磁V形弯曲应变分析

金属塑性成形后的应变特征影响零件的力学性能和使用寿命。电磁成形技术能提高金属的成形性,有助于克服铝合金室温成形性低的缺点,因而得到重视。本文以2024-T3航空铝合金板为研究对象,开展了电磁V弯成形和传统机械V弯成形的实验及数值模拟,研究了2种成形方法对弯曲成形试件V形弯曲圆角位置沿试件长度方向的应变特征的影响。数值模型表明,电磁V弯试件弯曲圆角处的拉应变峰值低于机械V弯试件;电磁V弯实验件的拉应变峰值比机械V弯试件低13.9%。同时,与机械V弯试件相比,电磁V弯试件有更大区域的金属材料参与了弯曲变形。