玻璃纤维增强短钢管构件轴压试验和破坏模式仿真研究

该文采用试验和数值仿真手段,对缠绕成型玻璃/环氧复合材料（GFRP）增强薄壁圆钢管短柱在轴压荷载作用下的承载能力及破坏特点进行研究,讨论是否缠绕GFRP、径厚比、试件长度以及GFRP缠绕角度（圆管试件轴向到纤维纵向的角度）等因素对试件承载能力的影响。提出较为准确的复合构件数值仿真方法,采用ABAQUS的Explicit求解器并考虑GFRP的Hashin失效准则和GFRP与钢管之间的界面脱粘等因素,获得的模拟结果与试验现象吻合良好。在此基础上,对短管构件在不同GFRP体积率（GFRP体积/构件总体积）下的性能进行分析,获得了GFRP体积率对构件承载力的影响。     

复杂荷载作用下短腐蚀管道的数值仿真研究

本文采用数值仿真的研究手段,建立了腐蚀管道在复杂荷载作用下的三维非线性有限元分析模型,对短腐蚀管道在复杂荷载作用下的灾变过程展开研究,评估了腐蚀管道剩余极限承载力。讨论了管道腐蚀深度、腐蚀宽度、径厚比等参数对处于不同内压水平下的短腐蚀管道破坏模式和控制标准的影响。结果表明,腐蚀管道剩余极限承载力大小不仅与管道所受内压、轴向力和弯矩荷载三者比例有关,同时还会受到腐蚀深度等参数不同程度的影响。     

含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴压承载特性分析

为探究穿透裂缝对复合材料缠绕圆柱壳承载能力及失效模式的影响,首先开展不同壁厚含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴向压缩试验。对于A系列厚壁圆柱壳,裂缝导致承载能力下降53.96%,失效模式由局部屈曲转化为裂缝扩展、脆性断裂;而B系列薄壁圆柱壳均发生局部屈曲,裂缝使承载能力下降12.59%。其次,采用有限元软件ABAQUS 6.14,基于非线性RIKS算法,建立轴压作用下含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载能力计算模型,通过引入Hashin失效准则及损伤演化判据,预测结构渐进破坏模式及极限荷载。数值结果与试验数据吻合良好,最大误差为7.01%,验证了数值算法的可靠性。在此基础上,探讨裂缝方向、缠绕角度对含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载的影响,可知:对于±55°螺旋铺层复合材料圆柱壳,随裂缝角度α增加,极限承载能力先升高再降低,当α=45°时,具备最大承载能力;对于含开缝角α=15°、45°、55°缠绕圆柱壳,随缠绕角θ增加,其承载能力呈先上升后下降趋势。且开缝角越小,缠绕角度对极限荷载的影响越大,当缠绕角θ=30°时,达到最大承载能力。     

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。     

复杂载荷下钢带缠绕增强复合管力学特性

为研究海洋油气输送用钢带缠绕增强复合管在复杂载荷下的力学响应特性,考虑非线性接触,建立钢带缠绕增强复合管数值计算模型,研究由内外压、弯曲及拉伸载荷组合作用下钢带缠绕增强复合管的变形及承载性能。结果表明,压差(外压大于内压,≤2 MPa)越大钢带缠绕增强复合管的柔性越高。与纯弯曲相比,拉伸载荷和压差的附加联合作用使钢带缠绕增强复合管柔性降低;与纯拉伸相比,弯曲载荷和压差的附加联合作用则使钢带缠绕增强复合管抗拉承载能力降低。与单一载荷相比,复杂载荷下内、外聚乙烯(PE)管的高应力区位置及内层钢带对称应力分布的路径发生改变。钢带螺旋角度及摩擦系数越大,钢带缠绕增强复合管柔性越低;增大摩擦系数,钢带缠绕增强复合管承载能力提高。组合弯曲载荷下随着钢带螺旋角增大,钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩呈非单调变化,存在极大值。研究结果可为钢带缠绕增强复合管的设计、制造及安全评价提供理论依据。      

基于柔性多体动力学理论的舰船机械设备隔振系统建模

将柔性多体动力学理论应用于非线性隔振系统建模过程中,建立了线性弹性元件及非线性弹性元件的力学模型,利用该力学模型和单柔性体的动力学微分方程推导出了对舰船机械设备隔振系统动力学研究具有普适性的一般理论模型。     

内衬聚偏氟乙烯热塑层的纤维缠绕复合材料管径向平压性能

纤维缠绕角度、纤维缠绕层厚度及碳/玻纤维混杂比是影响内衬聚偏氟乙烯(PVDF)热塑层的纤维增强热固性复合材料缠绕管径向平压性能的重要因素,其性能直接决定复合材料缠绕管产品掩埋深度和抗碾压能力。将PVDF颗粒经挤出机制成PVDF管,然后以表面喷砂处理后的PVDF管为内衬芯管,采用湿法缠绕技术制备不同结构参数的复合材料缠绕管。利用管平行板外载平压性能测试方法,测试了3种结构参数对复合材料管径向平压性能的影响,并分析其破坏模式与失效机理。结果表明,随缠绕层厚度的增加,径向压缩强度和径向压缩模量逐渐增大;随着缠绕角度的增大,径向压缩强度和径向压缩模量先增大后减小;另外,随着碳/玻纤维混杂比的提高,复合材料缠绕管的压缩强度和压缩模量相应增加。     

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。      

爆破荷载对边坡岩体共线含水裂隙扩展的扰动机制

边坡岩体含水裂隙在爆破开挖扰动下的扩展贯通是引发边坡滑坡的主要因素之一，也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度出发分析了爆破荷载对边坡岩体含水共线双裂隙的扩展扰动机制。结果表明：爆破荷载作用下边坡岩体含水共线双裂隙的扩展与爆破应力波的幅值、裂隙水压、静态地应力大小、裂隙间距、裂隙长度和裂隙角等因素有关，边坡岩体裂隙系统之间的扩展与贯通由这些因素共同决定；给出了广义临界扰动荷载Q和混合应力强度因子K^A_Ⅱ(D)的表达式。爆炸应力波的作用实际上是增大了裂隙中的裂隙水压力。爆破开挖作用导致岩体侧压力系数m变化，会引起裂隙水压的改变，对裂隙的扩展的影响较为复杂；裂隙内端的II型混合应力强度因子K^A_Ⅱ(D)和广义临界扰动荷载的Q随爆破载荷幅值的增加而增加。K^A_Ⅱ(D)随着裂纹倾角的增加先增加后减小，在45°裂隙最容易出现起裂扩展。K^A_Ⅱ(D)随着裂隙长度的增加而增加，K^A_Ⅱ(D)...     

电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。     

空调塑料材料的碰撞失效模拟研究

研究空调内机塑料材料ABS-121H在跌落工况下的力学行为。通过准静态、动态拉伸力学实验和失效实验,分别建立了不同应变率下材料弹塑性模型及LS-DYNA软件的GISSMO失效模型,并通过整机零部件实验及仿真对材料弹塑性模型和失效模型准确性进行验证。结果表明:考虑应变率效应的材料弹塑性模型可以准确反映结构的加速度和刚度,GISSMO失效模型可以准确预测材料复杂应力状态下的断裂失效行为。该研究为空调跌落仿真的材料模型建立提供参考。     

基于多腔软体驱动器的柔性手指设计

针对现有软体柔性手指运动自由度少的问题，设计了一款基于气动多腔软体驱动器的柔性手指。基于软体动物的运动特征，对多腔软体驱动器的结构进行了设计；根据虚功原理，建立了软体驱动器的力学模型和柔性手指的位姿方程；利用Abaqus CAE有限元仿真软件对柔性手指进行了力学仿真，得到了柔性手指偏转角度与输入气压的关系曲线；以单向转动软体驱动器为研究对象，通过输入特定气压值来分析其偏转角度与输入气压的关系，并对比了偏转角度—输入气压关系曲线的理论计算、仿真分析和试验结果的差异。试验结果显示，在偏转角度为0°~80°时，单向转动软体驱动器理论计算、仿真分析与实际测得的偏转角度—输入气压曲线的变化趋势基本一致。研究表明，所建立的单向转动软体驱动器力学模型能够较为准确地描述驱动器偏转角度的变化，所建立的手指位姿方程能够根据各关节的偏转角度求得手指各个节点的空间坐标,为手指的运动控制提供了基础。     

大型地下厂房开挖爆破损伤影响范围及评价研究

针对溪洛渡主厂房浅孔台阶开挖爆破工程,根据C-J爆轰理论和强度统计理论等分别得到炮孔壁上爆炸冲击荷载曲线和考虑压、拉损伤的岩石动力损伤本构关系。在FLAC3D数值软件中应用该爆炸荷载曲线和本构关系,并建立模拟单个垂直炮孔起爆的三维有限差分计算模型,分析岩石爆破动力响应,得到爆破损伤影响范围特性。同时在现场进行了爆破试验、钻孔声波测试和爆破振动速度测试。将现场试验、基于TCK体积拉伸损伤模型的数值计算与考虑压、拉损伤的数值计算的结果对比,验证压、拉损伤数值模型的合理性。研究成果表明,受地表自由面影响,岩石爆破损伤影响范围随深度增加而减小。炮孔顶部损伤影响水平半径最大,且该半径随单孔炸药量增大而显著增大;与最大损伤影响半径对应的水平径向质点峰值振动速度可作为爆破损伤安全判据;相对深度方向,水平径向为爆破损伤的主要扩展方向;数值计算结果较为合理,研究成果可为类似开挖爆破工程提供参考。     

柔性可穿戴电子应变传感器的研究进展

柔性可穿戴电子应变传感器因可承受力学形变、质轻及实时监测等优点，是柔性电子领域的研究热点之一，本文从材料选择、器件结构、传感原理、疲劳失效及数值模拟等方面进行了综述。应变传感器的力电转化效率与寿命从本质上取决于导电网络演变和功能层/基底界面，需综合衡量材料的导电性和浸润性等属性，提高其传感性能。功能层结构分为螺旋、褶皱、编织、多孔及仿生五类。传感原理包括压阻、电容及压电式，其中压阻式分为断开机制、裂纹扩展及量子隧道效应。疲劳特性研究表明，交变应力会导致功能层屈曲、开裂及脱落。利用官能团改性、构建三维自交联阵列、引入拓扑结构及形成有序纳米晶畴可改善器件服役行为。疲劳失效模型归纳为拉、弯及扭转形式，在此基础上讨论了模型建立原则、力学本构关系及寿命预测精度。结合数值模拟和应变传递理论构建等效导电路径模型可揭示传感过程中的形态变化、应变分布及界面作用，实现对外界刺激的精准测量。下一步应从基底热力学稳定性、极端条件下服役行为、力电转换机制及穿戴舒适性等方面深入探究，为构建综合性能良好的传感器奠定基础。     

双轴载荷下缝合层板的强度预测

基于缝合层板单层单胞细观力学模型,研究了单层板在拉、压、剪下的力学特性。根据经典层板理论建立了缝合层板在双轴载荷下的强度模型,并考虑了缝合造成表面层和内部层刚度和强度的差异。通过有限元软件ABAQUS分析了双轴载荷多种工况下缝合层板的损伤演化过程,揭示了缝合层板的失效机理,获得了缝合层板在双轴载荷下的失效包络线以及对应比率载荷下的应力应变曲线。所预测的失效模式和失效强度与实验取得了较好的吻合。通过分析表明缝合层板单层在剪切载荷下表现出一定的非线性特性。多轴多向层板在双轴载荷下表现出较强的耦合性。     

考虑纤维缠绕形态的复合材料结构拉伸承载行为

纤维缠绕复合材料的纤维束具有交叉起伏形态特征,该形态对复合材料结构的力学行为有显著的影响。本文采用数值仿真和实验手段研究了纤维缠绕复合材料平板结构的拉伸力学行为。实验方面,开展纤维缠绕复合材料平板的准静态拉伸实验,通过数字图像相关技术(DIC)监测其表面应变场的演化过程,研究交叉起伏特征对载荷-位移曲线和应变分布特征的影响;数值分析方面,构建包含纤维缠绕形态的介观有限元模型,基于3D Hashin失效准则开展渐进损伤过程模拟,并引入了复合材料的剪切非线性行为。选取层合板结构为参照组,同时开展实验和数值分析。实验结果表明:对于层合结构,缠绕结构的整体刚度更低,失效位移更大,失效载荷基本相同,且缠绕结构菱形特征单元中部纤维交叉起伏区域存在明显的应变集中现象。所构建的有限元模型和实验结果吻合较好,呈现出纤维起伏区域的应变集中、失效起始和扩展行为。      

纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构．该机构采用柔性铰链杠杆结构，这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级，同时非线性、迟滞误差小．首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型；然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性；最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量．理论与实验结果表明，理论模型可以较好地反映输入与输出的关系，可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据；有限元模型计算结果与实验结果接近；实验结果表明，该装置行程可达10μm，分辨率可达10nm．     

建(构)筑物墩柱爆破后裸露钢筋初弯曲失稳模型

建(构)筑物拆除爆破过程中,承载墩柱爆后裸露钢筋骨架极限荷载的估算是判断建(构)筑物能否整体失稳的重要依据。现场爆破试验表明,建(构)筑物爆后裸露钢筋将发生弯曲,且其弯曲幅度受两端约束条件的影响。在此基础上,提出了考虑钢筋骨架初始形态的裸露钢筋骨架初弯曲压杆失稳力学模型,以计算不同弯曲程度钢筋骨架的临界失稳荷载。与欧拉等直压杆模型相比,该模型更符合实际工况,计算精度更高,可更为准确的确定墩柱的最小爆破高度。     

内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。      

纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力及强度分析

纤维增强复合材料在许多领域得到广泛应用,固体火箭发动机壳体就是一例。因此,分析其不同内压下的应力及预报爆破压力是十分重要的。复合材料结构承载过程的应力分析,需进行单元失效判断,许引入失效单元的刚度衰退,这种方法是最合理的。本文采用该方法并结合大变形有限元分析理论,计算了某一纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力和爆破压力,数值计算结果与实测数据吻合,证明该方法可用于纤维缠绕复合材料结构的应力及强度分析,值得重视。