深空探测车单轮牵引性能的离散元仿真

利用离散元数值分析方法,对矩形、直角梯形和三角形截面轮齿车轮与土壤颗粒单元的相互作用进行仿真研究.分析细观尺度下,土壤颗粒单元受3种轮齿车轮扰动后的接触反力分布规律.采用坐标转换和代数求和的数学方法,建立细观离散元分析结果与宏观车轮牵引性能参数的对应关系,推导土壤推力、行驶阻力及其挂钩牵引力的表达式,以研究轮齿截面的几何形状对车轮牵引性能的影响.计算结果表明,在相同行驶环境下,直角梯形轮齿车轮具有最佳的牵引性能.      

非比例循环加载条件下砂土的变形特性

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对砂土进行了剪应力幅值和应力主轴耦合循环变化的非比例加载排水试验.试验控制条件为:在剪应力幅值周期性变化的同时应力主轴相对试样的沉积方向在0°~180°之间循环旋转.着重分析了这一复杂非比例循环加载条件下砂土的变形特性,包括3个正应变分量的发展、剪应力剪应变关系以及体应变随循环周数的变化关系.其中体应变的主要规律为:随循环周数的增加,砂土的体缩应变不断累积,但累积速率呈递减趋势.试验同时发现剪应力幅值的变化幅度对砂土的变形特性有显著影响.     

基于应变不变量失效理论的复合材料损伤模拟

应变不变量失效理论基于物理失效模式判断纤维和基体的损伤,适于研究纤维与基体的细观相互作用及固化残余应力的影响.介绍了应变不变量失效理论的物理背景,建立了正方形、六边形和钻石型细观代表体积单元模型,给出了宏观应变到细观应变的转换方法,提出了相应的失效模式和损伤演化准则.基于应变不变量失效理论求得了CCF300/5228材料体系的机械应变放大系数和热应变放大系数,对CCF300/5228复合材料开孔层合板的拉伸破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程.计算与试验结果取得了较好的一致性,证明了该理论的适用性.     

模拟月壤可行驶性的离散元数值分析

基于模拟月壤扫描电镜显微照片,建立土颗粒的几何模型,提出不规则形状颗粒群系统的生成策略,构建模拟月壤颗粒间接触的简化本构模型,并利用量纲分析法和双轴压缩试验离散元模拟,建立土宏观力学特性与细观模型参数的关系,结合模拟月壤的三轴压缩试验数据确定离散元模型参数.在月球重力环境下,对轮-土交互作用进行离散元模拟,推导土壤推力的细观表达式,定性分析不同滑转率时土颗粒的动态行为,定量分析模拟月壤的可行驶性.研究结果表明,土壤推力随滑转率的提高而增大;当车轮以高滑转率行驶时,土壤推力相对行驶时间存在瞬态和稳态2个阶段,并且瞬态值高于稳态值.     

含孔隙缺陷三维五向编织复合材料偏轴拉伸力学性能分析

针对孔隙缺陷对材料力学性能的重要影响,在材料细观模型中引入随机分布的孔隙缺陷,研究了含孔隙缺陷三维五向编织复合材料的偏轴拉伸力学性能。基于2种典型编织角试件,讨论了孔隙率对材料正轴力学性能的影响,通过与实验数据对比,确定了材料的孔隙率。结合周期性边界条件施加偏轴拉伸载荷,获取了不同偏轴角度下材料的应力-应变曲线,并预测了材料的强度性能。模拟了典型偏轴角度下材料的细观损伤起始、演化过程,分析了材料的失效机理,为其他复合材料结构孔隙缺陷问题及偏轴载荷问题数值分析提供了一定的参考。      

锥形物体对月壤冲击过程的试验及离散元分析

月球探测器着陆过程中着陆器足垫首先与月壤接触,因此,足垫的动力响应直接关系到探测设备的安全着陆及后续工作的实施。采用试验和离散元数值模拟的方法,以锥形物体代替实际足垫,对冲击模拟月壤过程中锥形物体的锥角和冲击速度及质量的影响进行详细研究。离散元模拟获得的结果与试验结果一致。研究结果表明,冲击速度和质量决定了锥形物体与模拟月壤颗粒之间的动量转移,对冲击过程有很大的影响;当采用不同锥角的锥形物体冲击时,由于锥形物体与颗粒介质接触面积的影响,随着锥角的增大其冲击深度和冲击时间均减小,而锥形物体受到的冲击力峰值逐渐增大。此外,对冲击过程中颗粒的速度矢量进行讨论,从细观角度对颗粒介质在冲击载荷作用下的动力特性及颗粒间的相互作用进行探讨。以上结果对航天着陆器的着陆过程的研究提供了理论依据,并且对利用特种设备在月球表面进行贯入探测具有一定的参考价值。     

Experimental investigation on deformation behavior of TJ-1 lunar soil simulant subjected to principal stress rotation

The knowledge of mechanical properties of lunar soil is of fundamental importance for the coming exploration of the Moon. This paper aims to investigate the fundamental deformation behavior of lunar soil and the effects of the intermediate principal stress coefficient, deviatoric stress ratio, and mean stress during the principal stress rotation. First, an improved technique was proposed to generate homogeneous samples based on the Multi-layer Undercompaction Method. Second, three series of tests on TJ-1 lunar soil simulant under the principal stress rotation were performed with a hollow cylinder apparatus at Tongji University, China. In each series of tests, only one value of the three variables mentioned above was changed while the others were kept constant. The test results demonstrate that the rotation of principal stress can result in significant plastic deformation, volumetric strain, and non-coaxiality (non-coincidence of the increment direction of principal plastic strain with the principal stress direction) of TJ-1 lunar soil simulant. In addition, it is found that the intermediate principal stress coefficient, deviatoric stress ratio, and mean stress have different influences on the four strain components, i.e. _εz,_εr,_εθ${\epsilon }_z\text{,}{\epsilon }_{\text{r}}\text{,}{\epsilon }_{\theta }$ and _γzθ${\gamma }_{z\theta }$, volumetric strain, and non-coaxiality during the principal stress rotation. The influence of deviatoric stress ratio is relatively stronger than the others. Therefore, the influence of principal stress rotation on the deformation behavior of lunar soil should be taken into account carefully in the design and construction of facilities on the lunar surface in the future.     

The problems of simulation of planetary systems accumulation processes

Evolution of a system consisting of a great number of bodies that are gravitationally interacting and aggregating in contacts is considered. Body motions take place in the gravitational field of a central massive body (Sun or planet) in the same plane and at the initial time of system evolution orbits of all bodies are circular. It is shown that during evolution of the protoplanetary cloud, ring zones of matter rarefaction and condensation develop. Development of the condensation zones leads to the formation of planets, the most part of which acquire a direct rotation about their axes. In the case under consideration, approximate agreement between the law of planetary distances and that of geometric progression takes place as it is observed in planetary and satellite systems. The formation of the terrestrial planets and Jovian planets has been simulated. The principal numerical results have been obtained through digital simulation of planetary accumulation.     

砂土硬化特征的描述及其试验验证

采用不同路径下砂土的三轴拉伸和三轴压缩试验结果,分别选用塑性体积应变、塑性剪应变、清华模型硬化参数、塑性功和统一硬化参数H作为硬化参数,在以上硬化参数和应力比空间里探讨了砂土的硬化规律和应力路径相关性.基于修正剑桥模型的屈服函数,采用塑性体积应变、塑性功和H作为硬化参数,推导了分别对应的本构模型.通过饱和塔克拉玛干沙漠砂的三轴试验结果,表明了H在描述砂土应力应变特性上的适用性.      

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.     

广义非线性强度与广义滑动面

广义Mises准则满足八面体面上的剪应力和正应力之比为常数,SMP(Spatially Mobilized Plane)准则满足空间滑动面上的剪应力和正应力之比为常数,那么对于包含或逼近现有非线性强度准则的广义非线性强度,在物理空间中应存在一平面,且满足该平面上的剪应力和正应力之比为常数.为此,提出了介于八面体面和空间滑动面之间的广义滑动面,与广义非线性强度相对应,广义滑动面上的剪应力与正应力之比为常数,并给出了广义滑动面上应力比的表达式,及主应力空间中的强度面形状.通过深入分析和对比,表明了广义非线性强度和广义滑动面在材料强度描述上的一致性.      

橡胶O形圈密封结构的有限元分析

建立固体火箭发动机的橡胶O形圈的二维轴对称模型,采用非线性有限元方法计算了O形橡胶圈在库存和工作状态的变形及应力,分析了上下法兰张开间隙、初始压缩量、密封槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料、O形圈截面尺寸及工作温度等典型参数对密封性能的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率、密封圈材料等典型参数对最大接触压应力影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角对剪切应力影响明显.这些分析为密封结构的优化设计打下了基础;同时探讨O形圈应力分布规律,确定密封圈易受损和失效关键部位,初步确立了固体火箭发动机密封失效准则和失效模式.     

一种有负泊松比效应的二维多胞材料力学模型

负泊松比多胞材料具有独特的力学性能,有着良好的应用前景.基于旋转机制,提出了一种具有负泊松比效应的、由部分内凹以及部分规则六边形组成的二维多胞材料力学模型;预测了模型的泊松比及刚度系数随角度的变化关系,计算了该模型的剪应变,并通过能量法给出了其弹性本构方程.结果表明:该力学模型不但能产生负的泊松比,而且还可导致大于1的正泊松比及呈现"负刚度"特征;通过调整模型胞壁长度的比值和特征角的大小可以改变模型的刚度系数.这些结果对二维多胞材料的微结构设计具有一定的工程参考价值.     

经编织物增强聚丙烯复合材料

采用2种不同编织形式的经编织物经过热压成型制备了连续玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合材料,并利用扫描电子显微镜对该复合材料的浸渍状态微观形貌和空隙率进行了分析.同时研究了织物结构对复合材料浸渍性能的影响,讨论了影响复合材料力学性能的因素及其变化规律,比较了2种织物的编织形式.结果表明,经编织物法是制备热塑性复合材料的可行途径;不同织物形式具有不同的浸渍性能,直接影响复合材料的力学性能.      

球形压头压入中摩擦对材料参数识别的影响

利用量纲分析原理和有限元方法,研究了球形压头压入中摩擦对于幂强化材料塑性材料参数识别的影响.通过定义一种基于能量的表征应变,根据识别的两个压入深度的表征应变和表征应力,得到材料的塑性特性;最后研究了摩擦对压入响应、表征应力及材料参数提取的影响.研究结果表明,摩擦对压入的影响与材料的应变硬化指数、弹性模量与屈服极限的比值及弹性功与总功的比值密切相关,弹性功与总功的比值越大,摩擦的影响越小;摩擦对材料参数提取的影响不可忽略,当摩擦系数未知时,对于压入过程中弹性功与总功的比值较大的材料,近似取摩擦系数为0.15,能得到较合理的材料参数识别的结果.