相似有限元理论

采用力学相似理论和有限元法相结合,建立了模型与原型的相应关系,确定了几何相似因子为β时载荷相似因子为β＾２,通过对模型有限元分析和相似变换、取得了对应原型各点的场变量分布．     

关于动载荷的模型理论

一、动载荷的相似条件 根据弹性理论的基本方程式,用分析方程式的方法,推导相应的相似条件。1.几何相似条件 在小变形的条件下(对于大变形或其他特殊问题将另作说明),变形所引起的尺寸改变对应力分布的影响可不予考虑。这时位移△(包括u,v和w)和几何尺寸l可采用不同的相似系数,即式中C代表相似系数,其下标为相应的物理量,例如C△表示位移的相似系数,等等。物理量的下标H代表原型;m代表模型,例如△H和△m表示原型和模型的位移,以下类似。 按弹性理伦的几何方程式,可以得到如下的相似指示CεCl/C△=1(2)式巾Cε=εH/εm是应变(线应变或角…     

冲击波载荷作用下结构响应的模型律分析

采用量纲理论对结构在冲击波载荷作用下的几何相似模型律进行分析,得到了结构满足几何相似模型律的条件. 应用LS-DYNA对一系列几何形状相似,尺寸不同的矩形板结构进行数值验证计算,证明了冲击波载荷作用下结构应力应变响应满足几何相似模型律的合理性和可靠性.     

金属材料不同缺口根半径拉伸试样中的应力应变分析

用有限元法计算了钢和铝合金不同缺口根半径拉伸试样的应力、应变分布及其随外加载荷的变化规律.研究结果表明,缺口前端的最大正应力σyy/σy、三向应力度σm/σ和等效塑性应变εp都随外加载荷P/Pgy的增加而增大,但在整体屈服之前(P/Pgy<1)和整体屈服之后(P/Pgy>1)的变化规律不同.当外加载荷P/Pgy一定时,随缺口根半径的减小,缺口前的σyy/σy、σm/σ和εp均增大,但在较大缺口根半径(R≥2mm)和较小缺口根半径(R<2mm)时的应力、应变分布及其随P/Pgy的变化规律有所不同.材料拉伸力学性能对缺口前端的应力、应变分布总体上影响不大.     

集中载荷作用下悬索跨越管道的应变响应

为了研究悬索跨越管道受集中载荷作用时的响应情况，通过相似实验和有限元仿真相互验证的方法，搭建了悬索跨越管道相似实验平台，建立了悬索跨越管道有限元仿真模型，进行了无集中载荷、集中载荷作用在管道不同位置处的应变数据实验测试和仿真模拟，分析了每种状态下管道上方的应变分布规律，结果表明：无集中载荷时，整个悬索跨越管道上方的应变呈“W”状分布，两端应变数值最大；集中载荷作用在管道两端时，对整个管道上方的应变分布规律影响不大；集中载荷作用在管道1/4、1/2和3/4位置处时，会导致整个管道的应变发生较大变化。     

不同缺口尺寸试样在不同加载速率下缺口前的应力应变分布

用动态有限元法计算了两种不同缺口尺寸的16MnR钢试样(3V,3I),在-110℃和v=1～500mm/min时的不同加载速率下三点弯曲(3PB)时的试样缺口根部应力、应变及应变率的分布.研究结果表明,3PB加载时加载速率对缺口前应力、应变和应变率影响的总体规律与四点弯曲(4PB)加载时相同;3PB加载下直缺口试样(3I)的整体屈服载荷及缺口前的应力、应变和应变率值比V缺口试样(3V)大;3I与3V缺口前的峰值正应力σyymax之差随加载速率v和外加载荷P/Pgy的增加而增大,表明尖锐缺口试样(3I)的应力提高对加载速率和外加载荷更敏感.     

复合型加载下缺口前应力应变分布的有限元分析

用有限元法计算了一种低合金高强钢缺口试样在非对称四点弯曲加载(Ⅰ Ⅱ型复合加载)下缺口前端的变形和应力应变分布.研究结果表明:纯Ⅰ型加载时,缺口前端变形和塑性区形状对称分布.Ⅰ Ⅱ型复合加载下缺口前端的变形为一侧钝化,另一侧锐化,塑性区顺时针旋转一个角度θ,且θ随Ⅱ型载荷比例的增加而增大.表征缺口前端变形程度的d/b0值,随外加载荷P/Pgy的增加和Ⅱ型载荷比例的增加而增大.另外,对缺口前端最小塑性区路径上的最大切向正应力σθθ、三相应力度σm/和等效塑性应变εp的分布,以及它们随外加载荷P/Pgy和Ⅱ型载荷比例的变化规律也进行了分析,发现缺口试样的开裂遵循最大切应力判据.     

自由变形结构弹塑性分析的新方法

考虑目前塑性力学实验与理论上存在的众多分歧,从材料弹塑性变形的本质入手,研究受力构件应力分布与变形间的关系.对于一个受力结构,其内应力引起应变,受力较小时应力仅引起弹性应变,εij=Gijklσkl.受力较大后,应力的作用不仅产生弹性应变,也产生塑性应变,εij=εije+εijp.在小变形、弹性变形与塑性变形不耦合情况下,结构中的应力与弹性应变仍呈线性关系而与不受塑性变形的影响.按照以上思想对梁、轴受力结构进行了弹塑性分析,得出在弹塑性下梁、轴内应力呈线性分布,卸载后结构内有残余的塑性变形,而无残余应力.新认识比原有认识更符合结构弹塑性变形实际情况,并具有普遍意义.     

硬涂层薄壁截锥壳固有特性相似关系的确定方法

基于Viogt-Reuss等效原理、方程分析法和敏感性分析,研究硬涂层薄壁截锥壳构件固有特性相似关系的确定方法。依据Love壳体理论建立硬涂层薄壁截锥壳的动力学平衡方程,引入方程分析法推导出硬涂层薄壁截锥壳的完全几何相似关系表达式,结合敏感性分析确定畸变相似关系表达式,采用有限元法验证硬涂层薄壁截锥壳相似关系式的准确性。研究结果表明,硬涂层薄壁截锥壳的相似关系与材料参数和几何参数有关,并且在不同阶数下畸变相似的表达式不同,模型的固有频率预测值和原型固有频率之间的最大误差为2.39%,为层合薄壁壳体构件固有特性的相似性设计与分析提供理论及技术支持。     

应变控制方式下ZG270-500材料特性试验研究

以工程领域常用材料ZG270-500为研究对象,通过多组应变控制下的循环加载试验,分析了不同加载工况下的应力应变滞回曲线特征及响应应力幅值随循环次数的变化规律。试验结果表明,ZG270-500钢在单级应变循环载荷作用下表现出循环硬化特性和包申格效应;随着循环周次的增加,循环硬化速率最终趋于稳定的常值,且此常值与外加应变载荷幅值呈线性关系,正向加卸载分支比反载分支的包申格系数明显偏大,且都随应变幅值增大逐渐减小,即包申格效应减弱;多级应变循环加载时,前期较大的应变历史会提升后续小应变时的响应应力幅值。     

强电场和机械荷载联合作用下轴对称压电层合圆板的非线性变形

本文研究可移简支及夹支边界条件下,轴对称压电层合圆板在强电场和机械荷载联合作用下的非线性变形,考虑电致伸缩的非线性压电效应及几何非线性,导出轴对称压电层合圆板的von Karman方程,利用幂级数法求解,得到强电场和均布载荷作用下的挠度、轴力及轴向位移的解析表达式,通过对双压电晶片执行器的数值计算及分析,得到线性与非线性模型之间的差别和适用范围。     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

基于广义塑性力学的Cam-clay模型的改进

针对Cam-clay模型计算中存在没有充分考虑剪切变形的缺点,首先采用理论分析的手段,指出产生此现象的原因,同时提出由剪应力和体应力引起的应变分量分别采用不同的分配比例系数的思想。在此基础上采用南京水利科学院的剪切试验对Cam-clay模型进行改进,给出了基于不同分配比例系数的、改进后的Cam-clay模型的应力与应变关系的计算式,最终得到改进了的Cam-clay模型含有4个独立的试验参数。通过算例对改进后的模型与Cam-clay模型进行比较,揭示了改进后的模型能够有效地考虑剪切变形。     

伴有股骨头坏死的松质骨生物力学特性

通过医学方法,得到股骨头坏死区域和非坏死区域松质骨的脱钙、未脱钙的干湿样品。运用力学实验机,测量这8种类型松质骨在压缩时的力学特性,并提出了各种类型松质骨应力应变的数学模型。通过比较这8种类型松质骨的力学特性,根据复合材料力学的理论,得出坏死区域无机盐减少、胶原纤维增加的推论,并用原子力显微镜(AFM)进行了验证。各种模型的应力应变曲线是不同的,但这些曲线可以归结为3种类型的实验曲线和本构关系式。     

伴有股骨头坏死的松质骨生物力学特性

通过医学方法,得到股骨头坏死区域和非坏死区域松质骨的脱钙、未脱钙的干湿样品。运用力学实验机,测量这8种类型松质骨在压缩时的力学特性,并提出了各种类型松质骨应力应变的数学模型。通过比较这8种类型松质骨的力学特性,根据复合材料力学的理论,得出坏死区域无机盐减少、胶原纤维增加的推论,并用原子力显微镜(AFM)进行了验证。各种模型的应力应变曲线是不同的,但这些曲线可以归结为3种类型的实验曲线和本构关系式。     

预应力锚固单孔应力场的计算方法

针对以往预应力锚固单孔应力场计算时忽略小孔的影响，并将均布力用集中力来代替所造成的忽略应力集中现象的缺陷，提出了具有有限深孔的半无限弹性体，在孔周水平边界上作用有环形均布荷载时应力场的计算方法，为高吨位预应力锚固外锚头基础设计提供了理论依据。     

圆板中摩尔-库仑准则的内力屈服条件

对具有拉压强度差效应材料构成的轴对称弯曲圆板在弹塑性阶段应力分布的研究,导出了塑性极限状态下圆板中塑性应力分量间的关系式。以不同受力状态下圆板单元体进入塑性极限状态时的内力分析为基础,建立了圆板在摩尔库仑准则基础上用弯矩表示的内力屈服条件。该内力屈服条件是一条闭合的外凸曲线,符合内力分量的对称性,在材料拉压强度相同时蜕化为屈雷斯卡内力屈服条件。所得内力屈服条件可以用于由拉压强度不同材料构成的圆板和环板的塑性极限分析。     

厚管板液压胀接残余应力的研究

针对一实际厚管板的开裂问题,应用有限元分析方法,模拟了管板的液压胀接过程,计算了管子与管板接触面上的残余接触压力以及管孔周围的残余环向应力。结果发现,液压胀接后,在管子与管板接触面上的残余接触压力的分布是不均匀的,存在两个有较大残余接触压力的"密封环"。沿管板厚度,管孔周围的胀接残余环向拉应力可达数10 MPa,该应力很可能会触发裂纹形核并促使裂纹沿管板厚度方向发生穿透性扩展。     

高速铁路架梁过程临时支座承载能力的校核

基于我国高速铁路架梁过程,将架梁施工分为提梁、运梁和落梁3个步骤。首先将架桥机等效为均布荷载,并且根据实际情况,将梁体分别等价为集中力或均布力,继而应用力法精细化分析临时支撑力学性能演化规律。同时,基于研究成果提出对架梁体系合理加固及预防措施,这将有效解决桥梁墩台或临时支撑的破坏,进而确保高速铁路箱形梁桥架梁施工的安全。     

Stress-strain partitioning analysis of constituent phases in dual phase steel based on the modified law of mixture

A more accurate estimation of stress-strain relationships for martensite and ferrite was developed, and the modified law of mixture was used to investigate the stress-strain partitioning of constituent phases in dual phase (DP) steels with two different martensite volume fractions. The results show that there exist great differences in the stress-strain contribution of martensite and ferrite to DP steel. The stress-strain partitioning coefficient is not constant in the whole strain range, but decreases with increasing the true strain of DP steel. The softening effect caused by the dilution of carbon concentration in martensite with the increase of martensite volume fraction has great influence on the strain contribution of martensite. The strain ratio of ferrite to martensite almost linearly increases with increasing the true strain of DP steel when the martensite volume fraction is 22%, because martensite always keeps elastic. But the strain ratio of ferrite to martensite varies indistinctively with the further increase in true strain of DP steel above 0.034 when the martensite volume fraction is 50%, because plastic deformation happens in martensite. The stress ratio ofmartensite to ferrite decreases monotonously with increasing the true strain of DP steel whether the martensite volume fraction is 22% or 50%.