基于修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法

随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本文利用求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(Gas Kineitc Unified Algorithm,GKUA)对应力张量、热流等宏观量数值积分求解的优势,提出了一种基于数值修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法。通过将GKUA获得的应力张量及热流用于修正N-S方程的本构关系,实现了存在局部稀薄效应的流动模拟,并且通过可压缩平板边界层、圆柱绕流问题的数值模拟,验证了方法的有效性。     

基于B-P本构模型的涡轮盘应力分析

针对Bodner-Partom统一粘塑性本构方程,采用Euler前差显式积分方法,编制了用户子程序,把该本构方程结合进了大型通用有限元软件ANSYS,进行了一维和二维的算例验证,并针对某涡轮盘进行了三维应力分析。该程序可考虑材料变形的率相关、循环加载等情况,适用于航空发动机高温部件非线性结构分析。      

HTPB复合固体推进剂含损伤和老化本构研究

通过热氧老化实验、声发射损伤检测实验和蠕变柔量测试实验确定HTPB复合固体推进剂非线性本构关系，并与Schapery非线性本构方程进行比较，结果表明，含损伤老化模型较好地解释了HTPB复合固体推进剂的非线性特征，可以应用分析HTPB复合固体推进剂的力学特性。     

含损伤粘弹性本构及其在有限元分析中的实现

为研究固体发动机药柱的损伤粘弹性行为,针对一种耦合损伤的三维非线性粘弹性本构模型,采用积分算法对其进行了数值离散,导出了本构方程的增量有限元形式.针对该增量型本构方程对应的非线性方程组,建立了采用Newton-Raphson迭代法求解的应力更新方法,并基于Abaqus软件和Fortran语言开发了相应材料本构子程序,最后应用算例对所设计数值方法及程序进行了验证与分析.结果表明,本文有限元解与对应解析解吻合良好,保持了很高的精度,所设计方法及程序有效,可应用于实际型号发动机药柱损伤结构分析.     

预浸机织织物的本构关系

 预浸机织织物是一种未固化的织物复合材料,其性质既不同于纯织物材料也不同于固化后的织物复合材料,具有独特的力学性质。根据连续介质力学的理论,结合预浸织物的非线性的黏弹性特性,从代数不变量出发,推导了预浸织物的本构方程。同时对描述预浸织物性能的像框剪切试验的步骤及方法做了阐述。通过像框剪切试验的结果与本构方程的对比,验证了本构方程的正确性,该方程较好地描述了预浸积物的性质。本构方程的导出为研究空间充气结构的静态、动态及热分析奠定了一定的理论基础。     

金属丝网橡胶的本构关系

通过对圆环形金属丝网橡胶成型制造过程的分析,在圆环嵌套模型基础上,结合干摩擦非线性理论和小曲梁模型建立了金属丝网橡胶材料的非线性本构关系,对不同相对密度的金属丝网橡胶试件进行了静态压缩实验,通过实验数据确定了本构关系方程的各项系数并实验结果进行比较.研究结果表明:建立的本构关系模型可以很好地描述金属丝网橡胶的非线性力学特性,实验结果能够较好地符合理论结果,并且该模型反映了相对密度、网格大小和网格宽度等参数的影响,从而实现了对材料结构刚度的预估.      

稀薄气体动力学的非线性耦合本构方程理论及验证

作为一种新兴的气体动力学本构方程理论体系,非线性耦合本构方程(NCCR)理论的创新之处在于黏性应力和热传导中抛弃了广义牛顿定律和傅里叶热传导定律,而是考虑熵条件从Boltzmann方程直接推导出了黏性应力和热传导非线性耦合输运方程即NCCR模型。NCCR模型在连续区域与广义牛顿定律和傅里叶热传导定律一致,但是在稀薄区域其非线性关系逐渐增强,即NCCR模型大大扩展了应力-应变和热传导-温度梯度的本构关系,为稀薄气体流动模拟提供了新的途径。为解决NCCR模型强非线性难题,发展了混合模态间断伽辽金求解NCCR和流动守恒方程的数值算法,成功避免了NCCR边界条件高阶量赋值的难题。并对典型亚声速、超声速NACA0012翼型绕流、高超声速圆柱绕流、极高马赫数圆柱绕流、微尺度激波-涡干涉、连续稀薄渐变算例、方腔流动进行了数值计算和验证。结果表明,在稀薄区域,NCCR模型准确捕捉到了流场信息,吻合于蒙特卡罗直接模拟(DSMC)或实验结果,包括:压力分布、速度分布、温度分布、壁面热流等。对圆柱绕流的进一步研究发现NCCR在低努森数下与Navier-Stokes方程结果相同,随着努森数升高两者差距逐渐扩大且在高努森数下NCCR吻合于DSMC和实验结果,从侧面证明了基于NCCR理论用同一套方程解决连续稀薄耦合流动的可能性。     

T300／5222叠层板的非弹性行为─—非线性蠕变

对Ｔ３００／５２２２复合材料叠层板在不同温度水平下以及非稳态的加－卸载作用下的材料行为进行了理论和实验研究。在Ｃｏｌｅｍａｎ－Ｎｏｌｌ的热力学本构框架之下进行讨论并提供了确定Ｔ３００／５２２２复合材料叠层板的非线性蠕变积分型本构方程的理论依据。利用实验数据确定了方程中的材料系数。此方程在预测不同载荷水平和方式作用下的材料行为时,与实验结果相符合。     

各向异性Chaboche黏塑性本构方程隐式应力积分算法

针对各向异性Chaboche黏塑性本构方程,利用有效参数控制法推导了该方程的隐式积分算法,该算法把所有未知量都用同一个控制参数表示,并形成控制方程,从而把本构方程应力积分的问题转化成一个非线性控制方程的求解问题.该积分算法程序,与通用有限元软件Marc结合,通过单个单元对单向拉伸、循环、松弛的响应的实验数据进行了数值模拟,通过与显式算法对比,该隐式算法的稳定性和收敛性有所提高.构件的对比分析也表明隐式算法比显式算法具有较高的效率.      

高度对金属橡胶材料力学性能的影响

根据以多孔材料理论为基础建立的非线性本构关系,通过对空心圆柱形金属橡胶材料做静态试验并对试验数据进行拟合,得到了非线性本构关系模型中各项系数与材料高度的变化关系,发现材料的高度越大,材料的非线性本构关系的各项系数的绝对值越大,从而实现了对由金属橡胶材料所组成的结构在密度和承载面积一定,高度发生变化情况下的非线性本构关系的预估。最后运用算例进行验证,说明运用金属橡胶材料非线性本构关系的各项系数和材料高度的关系式能准确地预估材料的非线性本构关系。     

归一化参数蠕变模型的程序实现与验证

为了准确模拟实际构件的蠕变行为和应力松弛效应,在通用有限元程序环境下,利用其提供的用户可编程特性工具,将所发展的一种能完整描述蠕变3个阶段变形特征的归一化参数模型编制成用户子程序.考查了子程序计算结果与试验数据的差异、时间步长对计算结果的影响,并对不同规模有限元模型的计算耗时作了对比分析.针对变载(应力、温度)情形,在子程序中实现了时间硬化理论和应变硬化理论,并提出的介于两者之间的相对时间硬化理论.对带孔平板进行了实例计算,表明所发展的模型能够与有限元结果对实际结构进行蠕变模拟,计算结果的规律说明所发展的方法可较好地模拟实际构件的蠕变行为和应力松弛效应,验证了子程序的有效性.      

涡轮叶片的粘塑性分析

本文应用正交各向异性Walker统一粘塑性材料本构模型，通过用户子程序的方法把本构方程引入大型有限元分析软件MSC．MARC中，用该模型对某发动机涡轮叶片进行了热粘塑性分析。计算结果表明，应用Walker模型对各向异性构件进行热粘塑性分析是可行的。     

带热障涂层导向器叶片二维温度场及热应力分析

本文针对某型发动机带涂层导向器叶片在设计状态时的温度和应力分布进行了有限元分析与研究。陶瓷热障涂层的本构模型采用了先进的 Walker粘塑性本构理论 ,并在分析中考虑到了由于电子束物理起相沉积 ( EB-PVD)涂层柱状结构在结构分析时的处理方法。分析比较不同陶瓷隔热层厚度 ( 0 .2 5 ,0 .1 2 5 mm)、不同类型涂层 (等离子、EB-PVD)的隔热效果及应力分布情况。     

Mesh-dependence of Material with Softening Behavior

The issue of mesh-dependence emerges when the conventional continuum damage model is applied to handling the softening behavior. In order to circumvent the mesh-dependence, the non-local theory is introduced into the conventional damage model and the finite element formulas are derived for two-dimensional gradient-enhanced damage model. A new element is proposed in which the basic unknown quantities are displacement, non-local equivalent strain and the gradient of non-local equivalent strain. The element and constitutive equation proposed in this article are added to the finite element software ABAQUS through user subroutine UEL. Numerical results show that the gradient-enhanced damage model can eliminate the mesh-dependence and is effective for dealing with the issue of softening behavior.     

线搜索增强的率相关晶体塑性本构积分算法及数值实现

建立在晶体微观变形机制上的晶体塑性本构理论提供了研究细观尺度上晶体材料力学行为的理论与方法.在率相关晶体塑性本构积分方法中,Newton-Raphson(N-R)迭代方法往往是迭代求解剪切应变增量的核心算法.为了提高采用N-R迭代算法的晶体塑性本构积分方法的效率,在理论上采用线搜索方法对N-R迭代方法的迭代步长进行再规...     

Dynamic Response Analysis of Bird Strike on Aircraft Windshield Based on Damage-modified Nonlinear Viscoelastic Constitutive Relation

Damage-modified nonlinear viscoelastic constitutive equation and failure criterion are introduced and the three-dimensional incremental forms are deduced based on the updated Lagrangian approach. A simple tensile test model and a split Hopkinson pressure bar model are built to verify the accuracy of the subroutine implemented within the non-linear finite element program LS-DYNA. A numerical model of bird strike on windshield is established to study the responses of windshield under three different bird velocities at three sites. The bird is represented by a cylinder with a hemisphere at each end and the contact-impact coupling algorithm is used in this study. It is found that the implemented subroutine can properly describe the mechanical behavior of polymethyl methacrylate under low and high strain rates and large deformation, and can be used validly.     

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。