大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——从材料多尺度力学到结构多尺度力学

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题——结构多尺度力学问题开始,对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上,重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法,以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性,文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法,提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为:结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素,以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.

散体系统冲击破碎的动力学分析

针对球形粒子组成的散体系统,基于离散单元法,将球形粒子离散成弹簧-球单元系统,给出了离散单元的运动方程,建立了离散单元之间的弹性力和接触力的计算模型,并用Mohr-Coulomb型破坏准则判断粒子的破碎。运用上述方法,对圆筒内由脆性材料组成的散体系统在冲击载荷下的挤压破碎过程进行了数值模拟;计算过程中,跟踪散体系统中每个粒子在不同时刻的破碎情况;分析了散体系统冲击破碎过程数值模拟结果的主要影响因素。结果显示:数值模拟过程中需综合考虑计算精度和计算时间之间的平衡;相同的计算条件下,颗粒的初始堆积方式不同,计算得到的散体系统的破碎程度不同。

散粒体系统动力学仿真

针对多面体粒子组成的散粒体系统,基于离散单元法,建立了每个散粒体的邻居目录,在邻居目录内以射线交叉法判断散粒体间的接触,给出了散粒体系统动力学的仿真方法,有效地实现了对散粒体系统接触碰撞动力学的数值仿真。该方法具有重要的理论价值,可推广应用于众多工程领域的散粒体系统堆积、碰撞动力学仿真。

高超声速气动热环境工程算法

对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究。基于Prandtl边界层理论,将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域,并将两者的工程算法相结合,发展了一套高超声速气动热的计算方法。对于无粘流区,边界层外缘参数的计算采用完全气体模型和平衡气体模型,利用等熵条件来确定;在边界层内部,基于参考焓方法,采用经典热流密度公式,确定物体表面的气动加热。采用此方法对一些简单三维外形进行了气动热计算,证明所述方法具有较高的精度。

不确定性动力学系统上随机载荷识别改进算法

针对不确定性动力学系统,提出一种基于随机有限元模型的随机动载荷识别改进算法。假设载荷作用位置和系统随机参数已知,且随机系统参数和随机动载荷均服从高斯分布,利用K-L展开和混沌多项式展开分别表示系统随机参数和随机响应,建立随机系统的动力学方程;依据仅由随机动载荷引起的系统随机响应协方差和仅有系统随机参数引起的系统随机响应协方差之间的关系式,由随机动响应样本识别随机动载荷的统计特性。针对一悬臂梁结构开展数值仿真研究和试验验证。结果表明:所提出的基于混沌多项式展开的识别改进算法比现有的识别算法在方差识别精度上有了较大幅度的提高,该方法在不确定性系统随机水平较高时仍具有较好的识别精度。

基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。

变温环境下胶囊混凝土拉压性能及影响因素分析

胶囊混凝土是一种具备微裂缝自动修复能力的高耐久性工程材料,应用前景广阔.目前对胶囊混凝土力学和自愈性能研究较多,但缺乏对服役环境变温荷载影响的研究.本文研究了荷载与温度共同作用下胶囊混凝土的力学行为,首先采用双线性软化本构关系建立不同胶囊尺寸的胶囊模型和无胶囊混凝土模型,进行单轴拉伸和单轴压缩测试,考察了胶囊尺寸对胶囊混凝土力学行为的影响,随后模拟不同温度下的热源,研究了考虑热传导和温度变化的胶囊混凝土抗压和抗拉性能.数值模拟结果表明,添加胶囊所导致的非均质性使得混凝土拉压强度降低,胶囊尺寸越大,降低幅度越大;一般而言,抗拉强度比抗压强度下降更为明显;由于胶囊和混凝土的热膨胀系数不同,变温环境可使胶囊混凝土的强度降低20%左右,需在材料设计和参数优化中加以考虑.

基于区间分析的不确定性结构动力学模型修正方法

提出了一种基于区间分析的不确定性有限元模型修正方法。在区间参数结构特征值分析理论和确定性有限元模型修正方法基础上,假设不确定性与初始有限元模型误差均较小,采用灵敏度方法推导了待修正参数区间中点值和不确定区间的迭代格式。以三自由度弹簧-质量系统和复合材料板为例,采用拉丁超立方抽样构造仿真试验模态参数样本,开展仿真研究。结果表明,当仿真试验样本能准确反映结构模态参数的区间特性时,方法的收敛精度和效率均较高;修正后计算模态参数能准确反映试验数据的区间特性。所提出方法适用于解决试验样本较少,仅能得到试验模态参数区间的有限元模型修正问题。

基于各向同性本构关系薄层单元的螺栓连接参数识别

针对螺栓连接建模与参数识别问题开展研究。基于各向同性本构关系薄层单元理论,提出螺栓连接结构接触面力学性能识别方法。对单个螺栓搭接及多个螺栓搭接两种结构分别进行有限元建模,忽略螺栓质量、螺孔影响,搭接界面采用各向同性本构关系的薄层单元模拟。根据试验模态参数构造优化问题,识别搭接界面薄层单元材料参数。结果表明,两种螺栓连接结构前四阶弯曲模态频率计算精度较高,薄层单元能准确反映接触界面力学性能。该方法适用于单个螺栓及螺栓较密集工况动力学精确模拟。

利用数字散斑相关法测定聚酰亚胺/SiO_2合成薄膜的力学性能

聚酰亚胺 /SiO2 合成薄膜是一种具有优良力热光电性能的薄膜材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能测量的研究具有非常重要的意义。本文将数字散斑相关技术和微拉伸试验相结合,对厚度为 37μm的聚酰亚胺(polyimide) /二氧化硅(SiO2 )合成薄膜进行了力学性能测量,获得了比较满意的结果。文章给出了测得的弹性模量和泊松比。为了解决数字散斑相关法不能直接测量较大变形的缺陷,本文提出了多级相关算法,并利用亚像素搜索和双线性插值进行了数据处理。

厚基础,重实践,强能力——基础力学课程教学的创新与实践

为了培养学生的创新能力和工程实践能力,提高力学课程的教学质量,我们在长期的基础力学课程教学中逐步摸索出"厚基础,重实践,强能力"的教学理念和新型的教学方式,通过精心备课环节、精选例题和习题、教学技术方面、开展研究型教学和自主研究型创新实验教学的方面的实践,使我们的"厚基础,重实践,强能力"的基础力学教学理念得到贯彻实施,取得了很好的效果。

数字图像相关方法在土木测试领域中的实验研究

针对传统接触式测试方法(如电测法等)在土木工程领域中的局限性,开展了数字图像相关(Digitalimage correlation,DIC)方法在该测试领域的应用研究。采用橡胶带的拉伸实验来验证DIC方法的测量精度,具体的实验测试内容包括:基于空域和频域相结合的混合相关法,开展了建筑膜材的双轴拉伸实验,测量了膜材的力学参数;基于仿射变换的相关迭代法,开展了钢管混凝土框架梁柱连接模型的转角测量与分析实验,测量了加强环式连接的弯矩转角关系;基于时间序列DIC和高速摄影成像技术,开展了自由振动状态下拉索模型的动力学参数识别的实验研究。实验结果验证了这一新型检测手段用于测试建筑材料及结构的力学性能的可靠性与精度。

动态力学热分析法测定合成薄膜的力学性能

讨论了动态力学热分析测试方法 ,并利用强迫非共振拉伸模式测定了厚度为 37μm的聚酰亚胺 /二氧化硅合成薄膜的力学性能。文章给出了测得的动态杨氏模量随温度的变化曲线 。

热管喷射式空调系统中喷射器的研究

利用热管和喷射器复合所组成的空调系统是一种可利用太阳能和备类余热的无泵型新型空调系统。该系统利用喷射器代替压缩机,利用热管内的毛细芯实现工质循环。本文分析了喷射器的流动特性,采用一个简化的一维模型计算了喷射器的喷射系数。设计了一种专用的小型内置式喷射器,对一太阳能热管喷射式空调系统的制冷特性和性能系数进行了数值模拟。模拟计算表明,喷射器的结构和运行特性对热管喷射式制冷系统的性能有明显的影响。

基于高速图像采集与时间序列图像相关的微陀螺动力学特性测试

研究微结构与微机械电子系统(MEMS)的动力学特性测量与试验方法,对于优化MEMS的结构设计以及提高其可靠性与稳定性具有重要的意义。基于高速图像采集技术和数字图像相关方法,提出了一种用于MEMS动力学特性测试与研究的时间序列数字图像相关方法。由于数字图像相关方法是以图像子区作为单元通过相关搜索计算出相关动力学参量,如同在试件上安装没有任何附加质量和附加力的影响的“微传感器”,因此该方法对试件表面要求低,测试结构简单,测量的数据精度高,可靠。给出了用该方法对稳定谐振和自由阻尼振动情况下微陀螺的动力学特性的测试结果,为进一步研究分析微陀螺的稳定性提供了重要的参数。

发射药床挤压破碎动力学仿真

低温发射药床挤压破碎是导致膛炸的根本原因。将建立在离散单元法基础上的弹簧-球单元破碎模型应用到散粒体系统动力学仿真中,建立了伴随破碎的散粒体系统动力学仿真方法。将该方法应用到动态压缩装置中的发射药床挤压破碎的数值仿真中,并对破碎后的发射药床表面积增加量进行了统计。数值仿真结果与试验结果基本一致,说明数值仿真的正确性,为进一步研究发射装药发射安全性提供了理论基础。

微电子机械系统中转速测量的光学方法

利用显微测量技术和CCD图像传感器的线性积分成像特性,将数字图像处理技术与时间积分成像技术用于微电子机械系统(MEMS)中的转速测量。只需分别摄取被测物体上的标志点在静止状态下的时间积分图像和运动状态下的时间积分图像,即可测得物体在该段曝光时间内的转速。该方法对实验设备及实验条件要求较宽松。实验表明该方法对微系统中近似匀速转动时转速的测量是完全可行的,且具有较高的精度。

材料力学双语教学研究与实践

本文系统总结了东南大学近年来在开展材料力学课程双语教学研究和实践的心得和经验体会,在对国内外主流材料力学教材进行比对研究后,确定了双语和全英文教学的教材,确立了课程的模块化教学内容体系,确立了以学生为主体和教师为主导的基本教学理念以及把教学效益始终放在首位的教学目标,并就新的时代背景下材料力学的教学方法和手段进行了深入研究。

基于数字散斑相关法的金属材料力学性能的测试

数字散斑相关技术以其非接触,可以采用自然光,甚至利用材料表面天然纹理就可以进行位移、应变测试,在土木、机械和生物医学领域等得到了广泛应用,被学术界和工业界进一步研究和工程中所采用。为明确硬质材料受力后的位移分布和应变分布,为应用提供实验依据。在金属材料位移场和应变场的测试中采用了高精度的数字散斑相关技术,并利用自然光对金属材料进行了非接触式测量,得到了由外力引起的横向和纵向的变形及应变等力学参量,数字散斑所测结果与电阻应变计结果吻合较好。表明数字散斑相关测量技术应用于硬质材料力学参量有效,能够较好地解决了力学量测试工作。