高考生物学卷创造性思维能力试题评析

依据PISA 2021创造性思维能力模型,对2023年8套高考生物学卷进行分析,发现8套高考生物学卷考查创造性思维水平主要关注生成多样化的想法与生成创造性的想法,对评估和改进想法的考查较少;试题以科学探究为考查重点、以学科前沿为情境载体、以学科素养为发展导向。

未硫化橡胶黏弹塑性本构模型及有限元实现

为了探究未硫化橡胶的拉伸力学性能,开展了未硫化橡胶不同应变率下的单向拉伸及循环加卸载实验.结果表明,未硫化橡胶具有较为复杂的非线性黏弹塑性力学行为,随着应变率增加,应力水平明显上升,迟滞效应增加,残余应变降低,应力软化增强.为了表征其力学响应,提出了一个三网络(TN)黏弹塑性本构模型,该模型由一个基于八链模型的超弹性网络和两个基于Bergstrom-Boyce流动模型的非线性黏塑性网络构成,同时考虑了材料的Mullins损伤软化等变形特征,能够较好地表征未硫化橡胶的非线性力学行为.最后,依托于Abaqus有限元软件,完成了本构模型材料子程序的开发,对未硫化橡胶多段松弛加卸载和轮胎胎面胶压入模具过程开展了数值仿真,验证了TN模型的数值有效性以及在复杂变形模式下的数值稳定性.

应变速率对TA7钛合金包辛格效应的影响

基于动态加卸载实验技术,采用自主研制的旋转盘式霍普金森拉杆和压杆实验装置对TA7钛合金进行了应变速率为300 s~(-1)的拉伸-卸载-压缩和压缩-卸载-拉伸实验,研究了包辛格效应的应变速率相关性。根据TA7钛合金屈服行为的拉伸-压缩不对称特征,提出了包辛格效应应力参数,对TA7钛合金在不同预应变量、加载方式和循环周次下的包辛格效应进行表征。实验结果表明,高应变速率加载下TA7钛合金的包辛格效应比准静态加载下小;预拉伸加载下的包辛格效应弱于预压缩加载下的包辛格效应,但两种加载方式下的包辛格效应都随着预应变量的增加而减小;循环周次对TA7钛合金的高应变速率和准静态加载下的包辛格效应具有不同影响。

弹性力学问题中的间断Galerkin有限元法

将局部间断 Galerkin( LDG)方法推广应用于弹性力学平面问题 ,给出该方法对应的能量公式 .在此基础上 ,构造了局部二次完备的 L6单元 ,并对其进行数值考察 .

基于局部间断Galerkin方法的p型有限元

将基于三变量能量原理的局部间断Galerkin方法 (localdiscontinuousGalerkin ,LDG)应用于 p型单元的构造 .该方法采用间断的单元试解 ,不需要满足普通有限元所必须的协调条件 ,就能使构造高阶的插值函数变得更加灵活和容易 .在此基础上 ,对应力和应变场采用Legendre正交多项式进行插值 ,避免了柔度矩阵的求逆过程 .数值算例表明这种方法构造出的 p型单元不仅升阶过程简单 ,而且具有较高的精度 .

无网格法与有限元法的耦合及其对功能梯度材料断裂计算的应用

提出了采用无网格Galerkin法与有限元耦合的方法来计算功能梯度材料中的J积分 .这种耦合的方法不仅解决了无网格Galerkin法力学边界条件施加的难点 ,而且还克服了无网格Galerkin法耗时较多的缺点 .此外 ,文中还给出了一个修正的适合功能梯度材料的J积分 ,它在功能梯度材料中是独立于积分路径的 .在计算过程中 ,取积分网格中高斯点的材料常数来模拟材料特性的变化 .

温度和应变率对多晶纯钛孪晶变形的影响

在自行研制的杆杆型高温冲击拉伸实验装置上对多晶纯钛在不同温度（298～973K）、高应变率（300和1400／s）下的拉伸力学行为进行研究，并通过与准静态下（0．001和0．01／s）的实验结果相比较，揭示纯钛中孪晶变形在拉伸载荷下与温度和应变率的相关性。结果表明，孪晶变形与温度和应变率有着明显的相关性，其密度随着应变率的增加而增大，随着温度的升高而锐减。基于上述实验结果，考虑位错运动和孪晶变形对纯钛塑性变形的影响，建立纯钛温度和应变率相关的宏观本构模型。数据拟合结果表明，该本构模型能够很好地描述纯钛的温度和应变率相关的拉伸力学行为。

轮胎振动噪声的数值模拟

给出了一个可分析轮胎滚动时振动噪声的频域计算方法。该方法先利用有限元得到轮胎在地面滚动时表面节点的振动速度,并将其转化为声学计算的频域边界条件,再利用声学边界元计算轮胎的低频振动噪声。同时对该方法的有效性进行了考评,结果表明可以在400Hz以下的低频范围内分析轮胎的振动噪声特性。利用该方法,对215/ 55R16型轮胎的振动噪声进行了分析,初步揭示了该轮胎的振动噪声主要来自于轮胎的1阶侧向振动,2阶径向振动,3阶径向、侧向复合振动以及胎侧、胎面局部振动。其中2阶径向振动噪声和胎面局部振动噪声幅度较大且容易传入车内,影响乘坐舒适性,应该作为降低轮胎低频振动噪声的重点。还揭示了轮胎噪声声压幅值随着速度升高而迅速增大;随着充气压力和载荷的增减,轮胎刚度发生变化,从而导致振动噪声的改变,但变化幅值很小,且无明显规律。

无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展

本文提出了用无网格Galerkin法模拟构件在复合变形作用下疲劳裂纹扩展路径并预估其疲劳寿命的方法。该法能够自然模拟疲劳裂纹的扩展,不需要网格重构,避免了裂纹扩展过程中的精度受损。应用无网格数值结果计算了J积分和应力强度因子IK和IIK;按照最大周向应力理论获得了裂纹扩展偏斜角。基于最小应变能密度因子理论,确定了裂纹扩展量aD,并能获得疲劳载荷的循环周数ND。文末对数值模拟结果和实验拟合结果进行了对照。

非均质材料无网格Galerkin法

提出了采用无网格Galerkin方法来分析非均质材料。无网格伽辽金法 (EFGM)是近些年发展起来的一种数值算法 ,它采用移动的最小二乘法构造形函数 ,从能量泛函的弱变分形式中得到控制方程 ,该法只需节点信息 ,不需将节点连成单元。在积分网格中 ,取高斯点的材料参数来模拟材料特性的变化。算例的结果显示用该法来分析非均质材料得到的结果精度高 ,表明该方法在非均质材料领域有着广阔的应用前景。

不同载荷和初始气压下滚动轮胎稳态温度场的测试与有限元分析

进行了转鼓试验下滚动轮胎稳态温度场的测试;采用试验与计算相结合的方法验证了轮胎在转鼓试验中的实际滚动状态为自由滚动状态;根据解耦的分析思想,进行了转鼓试验下滚动轮胎稳态温度场的有限元分析。用实测的轮胎内部点的稳态温度对有限元的分析结果进行了验证,二者的一致性表明了该分析方法的可靠性。着重讨论了轮胎载荷、初始气压等因素对轮胎稳态温度场的影响。结果表明:随着载荷的增加,整个轮胎的温度场都呈上升的趋势;随着初始气压的增大,轮胎胎侧区域的温度场呈下降的趋势;初始气压对胎冠区域温度场的影响较小。

无网格与有限元的耦合在动态断裂研究中的应用

提出将无网格Galerkin法与有限元耦合的方法用于分析动态裂纹扩展问题,只在裂尖附近区域沿裂纹扩展方向布置无网格结点,而在其他区域采用一般的有限元,区域交界处的结点采用MLS方法插值,然后将求得的结点值再分配到有限单元的相关结点上,保证了无网格区域和有限元区域的交界处位移的连续。避免了网格的再生成,同时也克服了单纯使用无网格Galerkin法所带来的边界条件难处理及计算效率较低的缺点。数值算例显示这种方法是有效的。

滚动轮胎接触摩擦行为的实验研究与数值分析

利用LAT 100型室内磨耗和牵引实验机测试橡胶轮试件在不同接触压力和滑动速度下的摩擦系数,得到表征胎面橡胶摩擦行为的摩擦定律.为验证所得摩擦定律的有效性,使用ABAQUS软件模拟考虑橡胶摩擦行为的橡胶轮试件稳态侧偏滚动过程,并将胎面橡胶摩擦定律应用于轮胎在较大侧偏角范围内侧偏滚动的显式有限元模拟,考察了轮胎在不同侧偏角下的接地压力分布.结果表明,轮胎稳态侧偏响应的计算与实测结果吻合,且数值震荡控制在较小范围内.

较大变形范围内炭黑填充胶料超弹性力学性能温度相关性的实验研究

基于含温度箱的自动网格法试验系统,本文对不同温度下炭黑颗粒填充胶料的超弹性力学行为进行了实验研究。研究表明,填充胶料在较大范围内的超弹性力学行为存在着温度相关性,其特点是:胶料随着温度的升高而"先变软后变硬"。在温度升至临界温度以前,胶料中分子热运动增强所导致的软化趋势占主导作用,所以胶料随温度升高而变软;当温度超过临界温度后,胶料的熵弹性效应占据主导作用,即胶料将随温度升高而变硬。研究结果还表明,修正八链模型可以较准确表征不同温度下轮胎胶料的超弹性力学行为。

轴对称问题中的无网格Galerkin法

采用无网格Galerkin法分析轴对称问题 ,得到弹性力学中的对称问题的无网格离散方程 .将这一方法与有限元耦合 ,即在边界处布置有限单元 ,这样就可以用传统有限元方法方便地处理力学边界条件 .算例考察表明 :本文方法通过了分片检验 ,计算结果达到了较高的精度 ,最大误差不超过 5 % .

无网格Galerkin法与非协调元方法的耦合

无网格Galerkin法(EFGM)在处理不可压缩问题时不存在自锁现象,有限元方法(FEM)也常被用来与其耦合以方便地施加边界条件和提高计算效率。在有限元方法中使用等参元,EFGM与FEM的耦合方法在处理不可压缩问题时仍然存在自锁现象。本文在有限元方法中,采用非协调元,将无网格Galerkin法与非协调元耦合,保留了耦合方法的优点,且避免了求解不可压缩问题时的自锁现象。算例显示本文方法在分析平面应变不可压缩问题时能得到合理的结果。

扁平化对子午线轮胎稳态温度场影响的有限元分析

以195/60R14半钢子午线轮胎为参考轮胎,用简化的方法建立了不同扁平率的有限元模型.这一简化方法的特点是单一改变断面宽度并通过选择合适的同一下沉量来保持负荷系数基本不变.根据解耦的方法计算得到了保持固定下沉量时不同扁平率轮胎的能量损耗和稳态温度场.结果表明,不同扁平率轮胎的胎肩部均为截面上温度最高的区域;随着扁平率的降低,胎肩、胎冠部的温度有明显的下降,但胎侧、胎圈部的温度几乎没有变化.

扁平化对子午线轮胎力学性能影响的有限元分析

以185/60R14半钢子午线轮胎为参考轮胎,通过改变断面高和改变断面宽两种方式构建了不同扁平率的一系列轮胎模型,采用ABAQUS/Standard软件对不同高宽比的轮胎进行了系统的研究。结果表明,通过减小断面高和增大断面宽两种方式实现轮胎的扁平化,将会产生不同的效果:前者会导致轮胎胎圈部三角胶内的应变能密度明显增大:后者则会使带束层帘线拉力的最大值明显降低,带束层帘线中部的应力状态由受压变为受拉,轮胎胎冠部橡胶结构危险区域的Mises应力和应变能密度均明显减小,对胎侧部和胎圈部的力学行为影响则很小。由此,可以利用增大胎冠部宽度而保持轮胎其他部位结构不变的简单方法实现子午线轮胎的扁平化。

帘线角对子午线轮胎力学性能的影响——基于含复杂花纹的轮胎有限元静力分析研究

使用组合模型技术构建了计及复杂胎面花纹且具有不同带束层帘线角的一系列轮胎有限元模型,所有模型沿轮胎周向的网格均是非均匀划分的,在接地区划分得较精细以得到更精确的分析结果;使用多种试验结果与计算结果对比的方法对模型和算法进行了较充分的考评;在此基础上研究了带束层帘线角对静负荷状态下轮胎结构力学性能的影响。研究结果表明,轮胎径向刚度随帘线角的增加而减小,并在帘线角超过25.4°后急剧减小;胎肩部橡胶危险区域的应力应变水平随帘线角的增加先增加后减小,并均在19.4°附近达到最大值。此外,带束层帘线沿横向变角度铺设的轮胎具有较好的力学性能,在保证较高径向刚度的同时,改善了带束层帘线和胎肩部橡胶的受力状况。

结构响应敏度计算的非协调元法

提出非协调元求解结构响应敏度的一般算法。介绍了非协调函数的一般生成方法和满足分片检验条件的一非协调元 ,建立了使用非协调元进行响应敏度计算的一般公式。最后 ,文中算例使用非协调元和协调等参元计算了结构响应的敏度值 ,并对二者的计算结果进行比较。数值验证表明 ,使用非协调元求得的敏度值比使用等参元的结果更好 ,非协调元更适合敏度分析。