单壁碳纳米管的扭转力学特性研究

利用基于高阶Cauchy-Born准则所建立的单壁碳纳米管本构模型,针对不同手性的单壁碳纳米管的扭转力学特性进行了研究.研究发现结构呈现对称性的锯齿型和扶手型单壁碳纳米管具有完全对称的扭转特性,而结构不对称的手性型单壁碳纳米管具有正反相异的扭转特性.同时,针对一系列手性不同的单壁碳纳米管的扭转力学特性展开了详细的研究.研究的部分结果与采用其他方法得到的结果进行了对比,证实了所提出方法以及预测结果的有效性和可行性.     

应变局部化分析的嵌入强间断多尺度有限元法

固体材料的应变局部化行为是导致结构破坏失效的重要因素之一,开展相关数值模拟分析对于结构安全性评估具有重要意义.然而由于材料的非均质和多尺度特性,采用传统数值方法进行求解时通常需要从最小特征尺度离散求解的结构,这将大幅度增加计算规模和成本.针对这一问题,本文提出了一种基于嵌入强间断模型的多尺度有限元方法.该方法从粗细两个尺度离散求解模型,首先在细尺度单元上引入嵌入强间断模型来描述单元间断特性,所附加的跳跃位移自由度则通过凝聚技术进行消除,从而保持细尺度单元刚度阵维度不变.其次,提出了一种增强多节点粗单元技术,其可根据局部化带与粗单元边界相交情况自适应动态地增加粗节点,新构造的增强数值基函数可以捕捉细尺度间断特性,完成物理信息从细单元到粗单元的准确传递以及宏观响应的快速分析;再次,在细尺度解的计算中,将细尺度解分解为降尺度解与单胞局部摄动解,从而消除弹塑性分析时单胞内部的不平衡力.最后,通过两个典型算例分析,并与完全采用细单元的嵌入有限元结果进行对比,验证了所提出算法的正确性与有效性.     

基于四边形积分子域的一致性高阶无网格法

近来提出的一致性高阶无网格法通过发展导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过分片试验,从而显著改善无网格计算的效率、精度和收敛性。然而,由于导数修正方程数目须与积分点数目相匹配,该方法仅限于使用三角形积分子域。在保留原有导数修正方程的基础上,提出了修正导数的共面条件,并据此建立补充方程,使得方程总数可匹配于所需的积分点数目,从而将一致性高阶无网格法方便地拓展到使用四边形积分子域。数值结果表明,本文方法精确地通过了分片试验,并展现出极好的计算精度、效率和收敛性。     

不可压缩层合橡胶圆管径向膨胀的稳定性分析

研究由两类不可压缩的橡胶材料组成的层合圆柱形管道,在内表面受到突加的径向压力作用时的膨胀机理．建立了问题的数学模型;利用材料的不可压缩条件、边界条件以及圆管的径向位移和径向应力的连续性条件将相应的控制方程约化为一个二阶非线性常微分方程,并得到了该方程的首次积分．给出了管道拟静态膨胀和动态膨胀的定性分析,特别地,结合数值算例讨论了材料参数、结构参数以及径向压力对管道径向膨胀和非线性周期振动的影响．     

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

具有体积约束的连续体结构拓扑优化仿生方法

基于Wolff法则的连续体拓扑优化仿生方法是将待优化的结构被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼,把寻找结构最优拓扑的过程比拟为骨骼的生长过程.为了解决具有非应变约束的连续体拓扑优化问题,引入浮动参考应变区间.该文以具有体积约束的最小柔顺性连续体为例,分析了浮动参考应变区间法的可行性,即在生长过程中,设计域内各点处的材料更新由当前参考应变区间确定,而参考应变区间的更新由当前结构体积率与约束体积率确定.数值结果表明该方法可行.     

具有不同拉压性能材料的连续体结构拓扑优化

采用浮动的拉伸与压缩生长参考区间法讨论材料的拉伸与压缩性能差别对最优拓扑的影响.材料的拉伸与压缩性能差别包含两个方面,其一,基础材料的拉伸杨氏模量与压缩杨氏模量存在差异;其二,基础材料在拉伸变形与在压缩变形下生长的参考应变区间不同. 两者对结构最优拓扑的影响具有等效性. 数值算例证明了这一等效性. 数值算例进一步表明,对于一个给定的设计域,基础材料的拉伸与压缩性能差异对结构最优拓扑影响很大. 因此,考虑结构及材料具有不同拉压性能时的拓扑优化工作具有明显的工程意义.      

传热与接触两类问题耦合作用的有限元分析

考虑传热接触耦合作用的热力学分析问题大量存在于工程中,分析的难点是必须考虑热与可移动接触边界间的耦合作用。针对这类问题的求解,该文给出了接触边界上热交换与温度边界条件,并在此基础上建立了两类变分方程,一类是热力学变分泛函,其考虑了接触区域对结构热传导的影响;另一类是二维热弹性接触分析的参数变分原理,可以方便地对接触问题进行求解。文中给出有限元分析的离散公式,并进一步给出两类问题耦合分析的迭代算法,其中接触分析的惩罚因子是可以消除的,数值结果验证了该文的理论与算法。     

结构动力方程的增维精细积分法

对线性定常结构动力系统提出的精细积分方法,能够得到在数值上逼近于精确解的结果,但对于非齐次动力方程涉及到矩阵求逆的困难。提出采用增维的办法,将非齐次动力方程转化为齐次动力方程,在实施精细积分过程中不必进行矩阵求逆,这种方法对于程序实现和提高数值稳定性十分有利,而且在大型问题中计算效率较高,从而改进了精细积分方法的应用,数值例题显示了本文方法的有效性。     

饱和多孔介质分析解的唯一性与应变局部化分岔

基于不连续性分岔基本理论导出了静态非渗流状态下弹塑性饱和多孔介质应变局部化发生时的临界硬/软化模量,利用二阶功正定性原理研究了两相问题分析解的唯一性问题,并给出了基于主轴空间下解的显式表达式。研究工作表明,在静态非渗流状态下,弹塑性饱和多孔介质分析的唯一性与应变局部化发生的临界条件除了在量值上与单相介质有着明显的不同外两者之间还有许多一致的特性,这些一致的特性对问题的分析是十分重要的。