中微子探测器缩比液袋设计与模拟分析

采用球面等面积展开法设计缩比液袋裁片,给出了裁片边界理论计算式;利用液袋的对称性选取半幅宽裁片进行分析,考虑裁切效应,用ABAQUS建立半幅宽裁片模型;模拟液袋在内压和重力作用下的变形和受力情况,分析了裁片中心线与理想球面裁片中心线之间的变形和受力差异.内压和重力作用下的分析结果表明:理想球面裁片最大应变及应力随着内压的增大而增大,而考虑裁切效应的液袋裁片最大应变及应力随着内压的增大出现先增大后减小趋势.分析结果对实际试验具有参考价值.     

飞艇柔性变形对气动特性的影响研究

软式飞艇在低充气内压和来流共同作用下,其整体结构刚度较小,应视为柔性体.飞艇所产生的柔性变形和流场之间的耦合已经成为大家越来越关注的问题.利用数值方法模拟了平流层飞艇外流场和柔性变形的非动态相互耦合作用,并通过风洞实验验证了所建薄膜体变形和流场数值模拟及气动载荷耦合计算模型的适用性.利用该模型进一步确定外流场作用下艇体柔性变形对总体性能的影响,对平流层柔性飞艇的工程应用具有一定的参考价值.     

囊式浮桥囊体充气及动力响应的数值模拟

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法求解了流体-结构耦合问题,其中囊体部分采用拉格朗日方法进行描述,流体区域采用ALE方法进行描述,并通过罚函数方法实现了两者间的耦合.首先采用该方法模拟了囊体的充气过程,研究了不同充气状态对囊体初始应力的影响;然后建立了囊式浮桥的整体有限元模型,充分考虑了囊体内外部流体的影响,计算了不同内压下的囊式浮桥动力响应问题.研究结果表明,不同的充气压力不仅会在充气阶段对囊体产生影响,而且会在载荷通过时对囊体压缩变形、应力分布及垂向位移等方面产生较为明显的影响.该研究结果可为囊式浮桥囊体设计及整体设计提供参考.     

一种飞艇囊体结构分析方法

飞艇是典型的充气薄膜结构,对结构内应力、变形等的准确预测是这里结构设计的关键问题。基于有限元分析软件NASTRAN,提出了一种飞艇囊体结构仿真分析的方法。给出了飞艇模型的建立、网格的划分、约束施加和载荷处理等过程。通过对某飞艇模型在俯仰和转弯两种工况下的分析计算,得到飞艇囊体应力和应变分布,结果与实际情况符合较好。为飞艇囊体的设计提供了参考依据。     

基于平面裁切的三角形乙烯-四氟乙烯气枕成形试验及数值模拟

基于平面裁切的设计方法,制作了边长为2.5m的正三角形乙烯-四氟乙烯(ETFE)气枕模型,结合自动压力控制、三维摄影测量、激光测量等技术对ETFE气枕进行充气成形试验和测量分析.ETFE气枕经历了0~2kPa的充气加压,压力为2kPa、时间为24h的黏弹性徐变,放气至0kPa、时间为24h的徐变恢复等一体化流程.得到了各状态下的气枕内压值、上膜面整体形态和下膜面矢高值,并基于膜面形态计算出应力分布.通过与充气加压过程的几何非线性有限元分析结果进行比较分析,揭示了ETFE薄膜经历弹性变形、黏弹性徐变、徐变恢复等过程时的深刻力学性能与行为.试验结果验证了基于平面裁切的成形设计方法的可行性,对ETFE气枕结构的推广和应用具有较高价值.     

柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段力学性能分析

为了揭示柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段的力学性能,首先基于迭代薄膜性能法(IMP)编制可分析薄膜褶皱的子程序,通过对比不同单元类型充气管变形结果,找出一种合理的单元类型进行不稳定构型主气囊模拟.在此基础上,以9m柔性飞艇主气囊简化模型为对象,对简化模型在不同约束状态下不稳定构型阶段外形及应力进行分析.研究表明:气压梯度和模型约束是柔性飞艇主气囊在不稳定构型阶段力学性能的重要影响因素,模型从稳定构型到不稳定构型阶段开始的一段时间,形状变化不大,中间阶段模型发生较大的形状改变.不稳定构型阶段在约束部位较稳定构型时更容易发生强度破坏.研究结果对柔性平流层飞艇主气囊结构设计具有参考价值.     

低层近空间飞艇热环境数值模拟

为建立低层近空间飞艇平台各种传热模型,利用FLUENT中的太阳加载模型,综合考虑太阳辐射、环境温度、风速等因素的影响,开发了平流层中飞艇环境温度和风速的UDF程序,建立了平流层太阳能飞艇传热模型.研究结果表明:飞艇表面及艇内平均温度会随风速的增加呈现下降趋势,但随着风速的进一步增加,温度下降趋势减缓.该结论说明采用数值模拟飞艇热环境是一种经济而且可行的方法,此规律可为真实飞艇的囊体材料热防护和飞行控制实验提供一定的理论参考依据,必将很大程度的降低平流层飞艇的研发费用和周期.     

柔性飞艇主气囊干湿模态分析与影响因素

为了掌握柔性飞艇无约束状态下的模态特性,以25m平流层验证飞艇为基本分析对象,对其自振特性进行研究.根据充气膜结构的力学特点,基于柔性飞艇主气囊初始形状,通过充气压力静力非线性分析得到充气平衡形态位形和应力,利用兰索斯法进行模态数值分析.分析表明,影响柔性飞艇模态特性的主要因素为:壳单元与膜单元模型、拼接缝、不均匀质量分布、内外压差、尺寸、飞艇周围空气附加质量,且最后三者为重要影响因素;壳单元和膜单元模型频率相近且振型一致.对柔性平流层飞艇结构设计具有参考价值.     

基于长径比修正的飞艇对流换热准则关系式研究

飞艇热控制是平流层飞艇应用中涉及的关键技术之一,而外部对流换热是平流层飞艇热控制的重要影响因素.为了准确预测飞艇换热,基于数值模拟,建立基于飞艇长径比的对流换热准则关系式,并与实验结果比较,发现其预测误差为±7%.与0°攻角换热相比,15°攻角时迎风面换热比背风面增大了10%左右,而总体换热增大7%.     

基于修正塑性功函数的砂土硬软化本构模型

基于与应力路径无关的修正塑性功函数,提出了一个新的可以考虑砂土变形强度应力路径效应的弹塑性硬化-软化本构模型.模型所采用的与应力路径不相关的修正塑性硬化函数是基于砂土多应力路径平面应变压缩试验结果、经过数学拟合而得到的.文中建议的本构模型属于等向硬化-软化、考虑非关联流动的弹塑性模型.有限元计算结果与室内试验结果比较表明,该模型不仅可以较好地模拟砂土变形强度的应力路径效应,同时也可以模拟砂土变形强度的应力水平依存性、强度的固有结构性各向异性、初始空隙比依存性,以及砂土伴随剪切破坏的软化效应.     

冻融损伤钢筋混凝土剪力墙恢复力模型研究

为研究冻融损伤钢筋混凝土(RC)剪力墙的滞回特性,通过试验回归与理论分析相结合的方法,对8榀冻融损伤RC剪力墙拟静力试验结果进行分析.综合考虑冻融损伤参数与轴压比对极限功比指数和不同受力状态下RC剪力墙承载力及变形的影响,建立了冻融损伤RC剪力墙构件极限功比指数与骨架曲线特征点参数计算模型.考虑强度衰减、刚度退化以及捏缩效应,采用两折线模型表示滞回环卸载段刚度变化,建立了冻融损伤RC剪力墙构件恢复力模型,并与试验墙进行了模拟对比,从滞回曲线与累积滞回耗能两个方面验证了模型的准确性.     

FRP加固结构的高阶剪切-面内变形耦合模型

基于连续损伤理论。考虑胶层的剪切效应，建立FRP加固钢筋混凝土梁的高阶剪切弯曲及面内变形耦合模型，编制了有限元分析的软件．进行非线性有限元分析：通过与已有的试验结果进行对比，证明该模型的简单。有效性：利用该软件对未加固混凝土梁，初始进行加固的混凝土梁以及最大拉应变达到极限值时进行加固的混凝土梁等几种情况进行数值模拟。     

充气锚杆在砂土中变形与承载特性试验研究

为研究充气锚杆的变形特性及其对承载力的影响,通过建立室内模型,基于模型压力与体积的关系,测定橡胶膜在加压作用下变形的形状与大小;在此基础上,根据抗拔试验,获得典型荷载-位移曲线,探讨充气锚杆的锚固机理与承载特性.研究结果表明:充气锚杆橡胶膜膨胀体呈圆柱状,可以应用圆孔扩张理论计算充气压力与膨胀体积的关系,预测极限充气压力:充气锚杆在压力作用下形成较大的膨胀体,可获得较大的端阻力;随着充气压力的增加,橡胶膜侧向土体应力转化为第一主应力并达到极限压力,同时对周边的砂土产生压缩挤密作用,提高了砂土的强度,侧阻力提高幅度较大,与一般锚杆相比充气锚杆具有较大的承载能力.     

热塑性聚烯烃大变形行为建模及数值模拟

为了研究热塑性聚烯烃(TPO)大变形过程中力学行为,将基于高分子材料微观特征建立的本构模型加入有限元软件中,实现了TPO变形和微观特征演变的耦合.该模型考虑了TPO材料与应变速率有关的初始均匀变形、屈服、应变软化和应变硬化的变形过程.采用数值模拟的方法,研究了TPO在拉伸状态下的力学行为.结果表明,本构模型的预测结果与试验结果比较接近,模拟结果清晰地描述了三维变形过程中应力场的分布以及颈缩演变,为TPO材料零件的虚拟设计提供了依据.     

膜材厚度偏差对充气天线反射面精度的影响

以非线性有限元逆迭代法为基础,研究膜材厚度偏差对充气天线反射面成形精度的影响。分析均匀分布及线性非均匀分布两种典型的膜材厚度偏差分布形式对充气天线反射面的影响规律和敏感度,并考虑不同充气天线反射面焦径比F/D的影响。结果表明:形面误差的分布规律与膜材厚度偏差分布形式相关;偏差均匀分布比线性非均匀分布对精度影响更大;F/D越大,厚度偏差引起的反射面形面误差越大。     

长期循环荷载下粉细砂的累积变形特性

在分析循环荷载下粉细砂轴向塑性累积变形受初始孔隙比、有效固结压力及动应力比等因素影响规律基础上,考虑动偏应力水平及初始固结压力影响,建立了一种参数具有明确物理意义的计算粉细砂在循环荷载作用下轴向塑性累积变形的显式模型.通过对上海地区粉细砂非等向固结排水循环三轴试验结果进行模拟,得到了相关参数,验证了模型的有效性和合理性.     

考虑剪切变形的RC薄壁空心墩滞回分析模型

建立了考虑弹塑性剪切变形的钢筋混凝土薄壁空心墩抗震滞回分析模型，模型中以修正的压力场理论(modified compression field theory, MCFT)计算空心墩的剪切变形，并通过Ozcebe建议的滞回规则描述剪切滞回关系，以纤维单元模型模拟空心墩的弯曲变形，两者通过串联模型共同模拟试件在地震条件下的弯剪作用.利用建立的数值模型对1个矩形和3个圆形薄壁空心墩试件的滞回曲线进行了模拟分析.结果表明，不考虑剪切变形的纤维单元模型模拟的滞回曲线与试验结果有较大的误差，难以准确模拟滞回曲线的捏拢效应和耗能能力，并可能高估薄壁墩的刚度和残余位移，而建议的模型很好地模拟了薄壁墩的滞回性能。     

粉煤灰的力学特性及其弹塑性模拟

粉煤灰是一种不同于粘土的散粒状材料, 其应力比应变关系与平均应力和初始孔隙比有关. 对不同初始孔隙比的粉煤灰试样在不同围压下实施三轴固结排水剪切试验, 测得其应力应变关系, 并对考虑平均应力和初始孔隙比影响的临界状态模型进行部分修正, 模拟不同初始孔隙比粉煤灰试样的三轴固结排水剪切试验结果. 结果表明, 修正模型对粉煤灰临界状态线进行了简单的修正, 并且模型中状态参数和硬化/软化参数的应用较好地描述了粉煤灰的剪胀/剪缩和应变硬化/软化等特性.     

柔性充气操控臂转动行为数值模拟与试验

为减小充气臂转动驱动力矩,设计了类似宇航服关节的带有褶皱构造的充气膜关节及绳驱动转动装置.进行了充气臂柔性PVC织物膜材的双轴拉伸和剪切试验,基于正交异性假设计算得到了适宜充气臂双向张力和褶皱状态下膜材的弹性常数.建立了充气臂结构的有限元模型并进行了转动数值模拟和参数分析,将模拟结果与无褶皱构造的圆柱形关节理论分析结果进行了对比,表明褶皱构造关节的弯曲驱动力矩降低很多,实现了低驱动力矩的设计目标.设计和制作了充气臂样机并开展了试验研究,验证了充气臂转动数值模拟的准确性.     

膜结构在暴雨积水时材料模型研究

在遭遇暴雨时，坡度比较小的膜面容易积水，准确模拟出此时膜面的变形有助于保障结构安全，现有研究采用的膜材线性本构模型不适用于模拟膜结构在暴雨下的变形.通过在膜结构上进行均布荷载加载试验，模拟膜面遭遇暴雨作用下的力学行为，获得结构积水时的变形形态.采用膜材线性与双折线本构模型，分别建立膜结构有限元模型并进行荷载分析，通过对比有限元模型和实际结构的变形，选取适合模拟膜结构在暴雨下变形的膜材本构模型.数值模拟结果显示：与采用线性本构模型模拟的结构变形相比，采用膜材双折线本构模型模拟出的结构变形更接近试验测得的变形.研究成果可为膜结构在暴雨积水作用下的膜材本构模型选用和分析计算提供参考.