激光加热金属薄膜的热弹性研究

基于电子-声子相互作用的双曲两步热传导模型的超快热弹性理论,计及晶格的热传导效应,利用有限元方法研究了无限大金属薄膜在短暂激光冲击下诱导的位移、应力、应变和温度等物理量的演化特点,与已有文献比较,说明该方法的合理性与正确性.比较了计及电子热爆发力与不计电子热爆发力对位移、应力等物理量的影响,说明计及电子热爆发力的必要性...     

金属薄膜短脉冲激光冲击热机耦合问题

从电子-声子相互作用的双曲型两步热传导模型出发,考虑到金属体内晶格对热传导的影响,采用有限元法,直接在时间域中求解了金属薄膜内受短脉冲激光加热的二维热机耦合问题,避免了以往因电子-声子能量方程之间的耦合关系给二维热响应问题解析求解带来的困难,提高了用数值反变换工作时计算的精度,减少了工作量,得到了金属薄膜内二维热机耦合问题的温度、位移和应力的变化规律.     

基于非傅立叶热传导半无限大体热冲击力学分析

在微观尺度下,陶瓷的热传导机理与宏观尺度下的热传导机理有较大的差异,由此产生的热应力与宏观尺度下的不同,本文针对热冲击条件下的半无限大体,基于非傅立叶热传导模型分析了温度场、应力场和单边裂纹的应力强度因子,并与基于傅立叶热传导模型分析的结果进行了比较.研究表明在半无限大体表面附近或裂纹较短时,基于非傅立叶热传导模型得到的应力最大值或应力强度因子最大值比基于傅立叶热传导模型得到的结果大,而在半无限大体内部或裂纹较长时,结果相反.     

无限长圆柱体中广义电磁热弹耦合问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了处于磁场中无限长理想圆柱导体在边界受热冲击作用时的电磁热弹耦合问题.建立了广义电磁热弹耦合的有限元方程,为避免积分变换方法求解带来的精度丟失.采用将有限元方程直接在时间域求解的方法,得到了圆柱体中的温度、位移、应力、感应磁场和感应电场的分布规律,反映了热的波动性及电磁热弹的耦合效应.结果表明,将有限元方程直接在时间域求解,可以获得各物理量的准确分布.得到温度在热波波前处的阶跃,准确地反应热波的波动效应.     

热/均布载荷下双材料悬臂梁的解析解

基于弹性介质的二维本构关系和热传导理论，采用逆解法，研究了双材料悬臂梁在热／机械载荷作用下的问题，通过假设双材料悬臂梁构件的应力函数，利用应力、位移边界条件和连续性条件，给出了其位移、应力分布的表达式。     

物性与温度相关材料广义热弹性模型及渐近分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Clausius不等式和L-S广义热弹性理论,通过对自由能公式的高阶展开,构建了具有变物性特征的广义耦合热弹性动力学模型。推导了各向同性材料表面受热冲击问题的线性化控制方程组,利用热冲击的瞬时特征,借助于Laplace正、逆变换技术及其极限性质,给出了变物性条件下一维热冲击问题的温度场、位移场和应力场的渐近表达式。通过算例,得到了热冲击作用下各物理场的分布规律以及材料物性与温度相关性对于热弹性响应的影响规律。结果表明：材料物性与温度相关性对于各物理场的阶跃位置、阶跃间隔以及阶跃峰值均产生影响,但值得注意的是,相比于位移场和应力场的显著影响,其对温度场的影响效果并不明显。     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

广义热弹模型的热力学基础与瞬态响应

微纳科技的快速发展与超短脉冲激光技术的广泛运用, 对描述微纳尺度超快热冲击的广义热传导及其热弹耦合理论提出迫切需求. 基于拓展热力学原理, 本文建立了考虑热传导双相滞后效应和高阶热流率的广义热弹耦合理论. 类比于力学领域黏弹性本构关系的串联、并联模型, 并受Green-Naghdi (GN)广义热传导模型启发, 本文提出了热学“弹性”单元和“黏性”单元模型, 并采用串联、并联方法实现了Cattaneo-Vernotte (CV)、GN、双相滞后(DPL)和Moore-Gibson-Thompson (MGT) 热传导模型的重构. 理论推导进一步表明, 本文新建模型对应于热学Burgers模型, 并得到了新模型中各相位滞后中松弛时间之间的比例关系. 运用拉普拉斯变换方法, 研究了一维结构受边界热冲击和移动热源作用下的瞬态响应, 计算结果表明: 新模型克服了热波速度无限大的悖论; 仅有边界热冲击载荷时, 新模型得到的响应结果均较大, 响应范围最小; 相比于无热源作用情形, 受移动热源作用时, 新模型会产生更大的峰值响应. 新模型与经典弹性理论耦合构建了广义热弹性理论, 运用该理论, 可以清晰观察到在热波和弹性波波前的应力突变. 理论方面, 本文推动了拓展热力学与连续介质力学的结合, 对于远离平衡态极端力学基础理论问题的研究具有启发意义; 应用方面, 本文研究结果可为激光等移动热源作用下材料的瞬态响应分析提供理论基础和数值方法.      

瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为

基于带有两个热松弛时间的G-L广义热弹性理论, 利用有限元方法研究了零阻抗理想界面层合板在瞬态热冲击诱导的位移、应力和温度等通过界面时的热弹性行为. 通过比较不同层中材料的比热容、热导系数、热松弛时间和密度等对界面处的位移、应力和温度的影响, 研究了不同材料参数对复合材料热力学行为影响, 发现不同材料参数将导致热穿过界面时界面处温度、位移和应力发生突变, 研究结果可以为由热引起的层合板挠曲变形提供理论依据.      

属性与温度相关材料的广义热弹性问题有限元分析

计及材料特性与温度的相关性,基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,建立了此类问题的有限元控制方程. 由于材料属性的温度相关性,温度控制方程具有非线性,积分变换求解方法难以采用,因而将有限元方程直接在时间域求解. 利用所建立方法研究了材料特性与温度相关、带有孔洞的无限大体在热冲击和机械冲击作用下的广义热弹性问题. 分析表明,在时间域直接求解材料属性与温度相关的广义热弹性问题是可行的,所得结果具有很高的精度,热的波动性得到充分的展现. 同时发现,热冲击载荷作用时,材料属性与温度的相关性对结构的机械响应影响显著,对温度响应影响很小;机械载荷作用时,材料参数与温度的相关性对所有响应影响都很小. 因此,研究热冲击载荷作用的机械响应时,必须考虑材料属性的温度相关性,而研究温度响应时,无论何种冲击载荷,都可以不考虑材料属性的温度相关性.      

用均匀化理论分析蜂窝结构的等效弹性参数

在线弹性范围内,根据均匀化理论,并结合有限元方法推导出适用于二维周期性结构的均匀化的有限元格式（Homo FEM）,计算出不同相对密度下的规则蜂窝结构的等效弹性模量Ee和泊松比νe.同时,利用蜂窝结构的代表胞元模型,用常规的有限元方法（FEM）模拟计算出相应的等效弹性参数.最后将两种数值计算结果与己有的理论公式进行了比较和分析讨论.结果表明:在考察的相对密度全场范围内（0～0.4）,HOmO FEM得到的蜂窝结构的 Ee和νe 与 FEM使用平面实体单元模拟计算得到的结果一致吻合,反映出 Homo FEM数值方法的客观准确性和可行性.而 Gibson公式和 W-K得到的等效弹性模量值 Ee只是在较小相对密度的情况下（小于0.15）与数值计算结果吻合.当结构的相对密度较大时,必须考虑胞棱附近区域由应力集中导致的复杂的应力和应变分布的影响.     

层合板问题几种求解方法的比较

为比较Lagrange 体系和Hamilton 体系的有限元法在求解层合板问题时的优劣,以寻求此类问题较合适的数值方法,本文在已有研究的基础上,将几种有限元法应用到层合板问题的计算中,编程并对相关算例进行计算和分析. 数值结果表明：Hamilton 体系常规有限元和改进有限元,Lagrange 体系理性有限元在计算此类问题时各有其优势,而Lagrange 体系常规有限元在求解此类问题时的精度较差.     

二维高亚音速Laval喷管流场的有限元计算

本文使用了八节点曲四边形等参元，通过变分有限元法，对二维高亚音速Ｌａｖａｌ喷管位势流场进行了计算，结果是满意的，并和一维结果进行了对比。文中还使用了有限元法特有的局部线化理论，取单元中心点密度去处理迭代过程中单元系数阵的计算，其结果与通常的有限元法计算相一致，但计算时间却大大减少了。     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)易于处理大变形以及有限元(Finite Element Method,FEM)计算精度和效率高的优势,论文基于无网格粒子接触算法,在有限元节点处设置背景粒子,通过接触力的方式计算SPH粒子和有限单元之间的接触问题...     

二维翼型亚临界定常流动的有限元计算

本文使用了曲四边形Ｈｅｒｍｉｔｅ等参元，通过变分有限元法，计算了二维翼型亚临界定常位势流动中的压力分布，数值计算结果与试验结果符合较好。文中还使用了有限元法中的局部线性化理论，插值出元素中心点密度去处理迭代过程中元素系数阵的计算，其结果与通常的有限元法计算相一致，但计算时间却大大减少了。     

累积线性法在细长柔性悬臂梁结构分析中的应用

为了研究几何大位移悬臂梁的结构响应,在充分利用线性有限元原理与流程的基础上,本文提出"累积线性法" 来对这一问题进行结构建模与求解策略的探讨,数值计算过程表明：该方法在常规有限元软件平台上十分容易实现,并与常规的"一次线性法" 和"非线性求解" 进行了数值对比. 针对本文问题,不仅从理论上指出"累积线性法" 的合理与可行和"一次线性法" 存在的结果不可信等问题;同时,数值仿真也表明前两种方法得到的结果也是不同的, 前者更接近非线性求解的结果. 最后,给出4 点结论.     

A cell‐based smoothed finite element method with semi‐implicit CBS procedures for incompressible laminar viscous flows

In this paper, the cell‐based smoothed finite element method (CS‐FEM) with the semi‐implicit characteristic‐based split (CBS) scheme (CBS/CS‐FEM) is proposed for computational fluid dynamics. The 3‐node triangular (T3) element and 4‐node quadrilateral (Q4) element are used for present CBS/CS‐FEM for two‐dimensional flows. The 8‐node hexahedral element (H8) is used for three‐dimensional flows. Two types of CS‐FEM are implemented in this paper. One is standard CS‐FEM with quadrilateral gradient smoothing cells for Q4 element and hexahedron cells for H8 element. Another is called as n‐sided CS‐FEM (nCS‐FEM) whose gradient smoothing cells are triangles for Q4 element and pyramids for H8 element. To verify the proposed methods, benchmarking problems are tested for two‐dimensional and three‐dimensional flows. The benchmarks show that CBS/CS‐FEM and CBS/nCS‐FEM are capable to solve incompressible laminar flow and can produce reliable results for both steady and unsteady flows. The proposed CBS/CS‐FEM method has merits on better robustness against distorted mesh with only slight more computation time and without losing accuracy, which is important for problems with heavy mesh distortion. The blood flow in carotid bifurcation is also simulated to show capabilities of proposed methods for realistic and complicated flow problems.     

三维厚度机翼上亚临界定常流的有限元计算

本文首次使用了曲六面体带节点导数等参元,通过变分法,计算了三维机翼亚临界定常位势流中的压力分布,计算结果与试验结果符合较好,文中还例用了有限元法中的局部线性化理论,插值出元素中心点密度去处理迭代过程中元素系数阵的计算,其结果与通常的有限元计算相吻合,但计算时间却明显减少了。文章最后以有限元法的局部线性化理论和局部线性化的有限元法做了阐述。