纳米单晶氩机械拉伸性质的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法对纳米单晶氩杆进行了机械拉伸变形和断裂的模拟研究。在拉伸过程中可以观察到原子位错,间隙的形成,裂纹的出现,以及后来的断裂分离等现象,与宏观的拉伸试样相似。MD模拟的拉伸试样的真实应力应变图显示,纳米单晶氩杆随着应变的增加应力略有增加,超过某一应变值后,应力急剧增加到最大值。随后,在加载速率较大时试样突然脆性断裂,在加载速率较小时应力却有一个突然的下降变负过程。这说明加载速率对材料的强度影响很大,当加载速度分别为2.16m/s和6.49m/s时,纳米单晶氩材料相应的断裂强度为2.6GPa和6.6GPa。纳米单晶氩材料在断裂前经历了一个较大的塑性变形过程,但其断裂方式却是完全脆性的。另外,纳米单晶氩材料在自由边界条件下充分弛豫后在垂直于拉伸的方向有轻微的收缩,不同于Al,Cu,Ni等具有FCC晶格结构的纳米单晶材料由于内力的作用引起轻微膨胀。     

大型柔性空间结构热-动力学耦合系统的非线性有限元分析

针对在轨航天器柔性附件的热-动力学耦合系统,发展了一种基于更新Lagrange格式的非线性有限元分析方法。构造了一种一维温度杆单元,该单元通过增加节点自由度数能够同时得到薄壁杆件横截面的平均温度和沿杆截面周向的温差,这些温度直接产生相应的热轴力、热弯矩和热双力矩。利用Rodrigues公式得到薄壁梁在大转动情况下的坐标转换矩阵,并推导了非线性动力学方程。进一步考虑结构变形和热流入射角的相互影响后,就得到了高度非线性的热-动力学耦合有限元方程。首先用标准考题验证了该方法的正确性,然后利用该方法对哈勃太空望远镜太阳翼的热诱发弯扭耦合振动问题进行了分析,给出了可能导致其失效的模式。
     

辐射换热条件下空间薄壁圆管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对航天结构中常见的辐射换热条件下的空间薄壁圆管结构，构造了一种用于非线性瞬态温度计算的傅立叶－有限单元。圆管温度沿杆长用有限元离散，沿周向分布展成三角函数。圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度，并且在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在结构热变形分析时圆管单元节点上既承受温度轴力，又承受截面温差导致的热弯矩。采用这种单元对非线性换热条件下的复杂空间结构进行离散可以较准确地反映结构的温度场与热变形。经与前人的解析解和三维有限元结果的验证，证明该单元是可靠的。对太阳能帆板梁与空间抛物面天线的热－结构分析说明这种新单元的应用价值。     

蜂窝夹芯旋转壳的屈曲分析

蜂窝夹芯复合材料旋转壳是航天器中的重要部件,且常常与其它部件互相联结,联结区局部高应力往往诱发复杂的局部屈曲模态,为此发展了一套有限元求解方案。针对蜂窝夹芯层合壳体构造了一种基于相对自由度技术的32节点三层壳元,这种单元避免了传统壳元的转动自由度,易与三维实体单元连接,使变厚度、带有补强的复合材料层合壳体等复杂结构得以正确建模。同时运用旋转周期结构有限元技术对大规模的空间蜂窝夹芯层合结构成功实施了屈曲分析。数值算例表明了计算策略的有效性和优越性。     

大型空间结构热弹性非线性有限元分析

由薄壁管组成的大型空间结构在外层空间受到太阳等星体的辐射加热，其热变形是值得关注的。为了准确地预测这种变形，首先推导了一种梁的热弹性几何非线性增量有限元格式，用以分析该类结构的热-力学响应，然后考虑到空间结构热流输入与变形耦合的特性，提出了一种热-力学耦合分析的有限元方法。对哈勃太空望远镜太阳能帆板热变形的实例计算表明，数值解与理论解符合较好。数值算例表明，结构内部热变形的不一致程度越大，考虑几何非线性对于热变形计算结果的影响越大；热流入射方向角和热变形大小是影响耦合效应的主要因素。