微纳挠曲电结构力电耦合响应的数值模拟方法

微纳米尺度下挠曲电效应相对于传统压电效应具有较高的机电耦合转换效率,其在传感、致动和俘能领域极具应用前景。然而目前多数商用有限元软件未包含挠曲电本构模型,无法对挠曲电结构进行有效的数值模拟。本研究基于Abaqus用户自定义单元(UEL)子程序进行二次开发,将挠曲电效应内化到计算模型。首先,结合配点混合有限元法(CMFEM),推导了挠曲电结构的力电耦合方程,并在Abaqus中开发了挠曲电单元,提供了挠曲电结构响应分析的数值模拟技术。与传统的混合有限元法(MFEM)相比,该方法的优点是易于建模,降低了计算自由度,提高了计算效率,节省了运算成本,并且挠度与电场强度指标都比其他方法更接近解析解。然后,通过上述数值模拟方法,建立了挠曲电结构响应分析数值模型,开展了矩形梁及弧形梁在不同边界条件下的力电耦合响应计算与分析。分析结果展示了梁的几何参数影响结构应变梯度|η113|的作用机制,表明在使用同一材料设计挠曲电梁时,可通过控制变形梯度来控制输出电压的大小。研究表明,改变梁的弯曲程度,可有效提高梁输出的开路电压,减小梁的挠度。相同程度弯曲下,弧形悬臂梁向下弯曲的开路电压大于弧形悬臂梁向上弯曲的开路电压。当向上弯曲弧形梁的圆心角为38°,左边缘为滑动支座,右边缘为铰链支座时,开路电压最大,可达214.07 mV,比悬臂矩形梁增加5倍。此外,相同模型若仅考虑压电效应,开路电压将下降89.3%。

远距离爆炸荷载作用下钢框架几何相似律研究

根据Π定理推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型结构与缩比模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,采用AUTODYN建立了钢框架子结构数值模型,验证了流固耦合方法在结构爆炸响应分析中的可靠性。在此基础上,对比了流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明,解析爆炸边界方法可以合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律。

温度梯度下功能梯度材料圆柱壳的热屈曲

采用能量法研究了不同温度梯度下功能梯度材料圆柱壳的热屈曲行为.屈曲临界条件由里兹法得到;由于材料属性和温度的耦合效应,临界温升通过迭代算法求得.讨论了两种温度梯度形式以及物性温度相关性对临界温升的影响.数值结果表明:功能梯度材料的组分参数只在一定小范围内对临界温升有显著影响,而结构尺寸参数对其影响较大;在功能梯度材料圆柱壳热屈曲分析中必须考虑物性温度相关性,否则将高估临界温升;若采用抛物型温度场来代替实际的热传导温度场,临界温升在陶瓷含量较多且壳厚较小的情况下,将可能被低估,而在金属含量较多且壳厚较大的情况下,却可能被高估.

轴压-弯曲联合荷载下功能梯度材料圆柱壳的屈曲

将理论分析和数值模拟相结合,研究了轴压-弯曲联合荷载作用下功能梯度材料圆柱壳的屈曲行为.以经典Donnell壳体理论为基础,得到功能梯度材料圆柱壳的屈曲控制方程,并通过本征值分析方法得到结构屈曲的临界条件.理论计算结果表明,弯曲屈曲临界荷载随轴压荷载的增长线性递减,材料组分中陶瓷含量的增加有利于结构屈曲临界荷载的提高.理论结果与有限元软件ABAQUS的数值结果相吻合,验证了理论的可靠性.

轴压功能梯度材料圆柱壳的弹、塑性屈曲分析

功能梯度材料板壳弹性屈曲领域研究已取得许多卓有成效的成果,而弹塑性、塑性屈曲问题的研究却鲜有报道。针对功能梯度材料圆柱壳的弹、塑性屈曲问题,采用有限元软件ABAQUS开展了数值模拟与分析。分析中采用叠层模型,定义材料沿厚度方向的梯度特性,计入材料的物理非线性和前屈曲几何非线性的影响。计算得到弹、塑性功能梯度材料圆柱壳的屈曲临界荷载和变形模式,给出了壳体从弹塑性屈曲到塑性屈曲的转化过程,并对屈曲类型对应的区域进行划分,研究了壳体厚度、组分参数对屈曲临界状态的影响。

阶跃荷载下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力稳定性

针对阶跃轴压和阶跃侧压下功能梯度材料圆柱壳的非线性动力屈曲问题,由能量原理推导非线性动力平衡方程,采用变步长四阶Rugge-Kutta法进行求解,得到结构的响应曲线,结合B-R动力屈曲准则给出屈曲临界状态.数值结果表明:阶跃荷载下结构变形存在一占优模态,该模态相应的结构响应发生最早,且幅值最大;阶跃轴压和侧压荷载下结构的非线性动力屈曲荷载与其相应的线性静力屈曲荷载十分接近;在阶跃轴压荷载情况下,动力荷载将激发比静力荷载更高阶的屈曲模态;增加陶瓷组分含量将提高结构的动力屈曲荷载;线性温度分布与实际热传导温度场得到的临界荷载较为接近。

侧压下含缺陷功能梯度材料圆柱壳的屈曲

采用圆柱壳Donnell方程和前屈曲一致理论,在计及前屈曲效应的基础上,研究了侧压载荷作用下含缺陷功能梯度材料圆柱壳的屈曲问题,结合伽辽金原理,得到了功能梯度材料圆柱壳的临界屈曲条件.文中还研究了均匀温升的热环境对结构屈曲的影响,分析中考虑了材料的物性温度相关性.数值结果表明:侧压载荷作用下,功能梯度材料圆柱壳的临界载荷受结构尺寸参数的影响很大,随着壳体长径比的减小或厚径比的增大,临界载荷增加较大;同时,临界载荷随陶瓷组分混合比率的增大而增大,随缺陷幅值或环境温升的增大而有所减小.热分析结果表明,在一定温度范围内,陶瓷含量较多的壳体的临界承载力受温升的影响较小.

功能梯度椭圆柱壳的热力耦合屈曲分析

假设功能梯度材料中陶瓷组分体积分率服从幂率分布,材料属性沿厚度方向连续变化且与温度相关,采用经典的Donnell壳体理论和伽辽金原理研究了功能梯度材料椭圆柱壳的热力耦合屈曲问题.推导了功能梯度椭圆柱壳的屈曲控制方程及屈曲临界温度的解析表达式,分析了均匀分布、线性分布及非线性分布(考虑热传导效应)的温升环境对材料物性的温度相关性的影响,以及屈曲临界温度随截面离心率、材料组分参数的变化规律.结果表明:材料物性温度相关性对屈曲临界温度的影响较大,若将其忽略,可能导致屈曲临界温度被高估15%;在考虑物性温度相关性的情况下,均匀温升作为温度公式的简化,可能导致对真实结构屈曲临界温度的低估;屈曲临界温度随着椭圆截面离心率、径厚比及组分参数的增大而减小.

基于多尺度法的预载压电梁俘能特性

低频、宽带和可调频一直是衡量压电能量采集器性能的重要指标,施加轴向预载是改善这些重要指标的有效措施。为了更好地揭示预载对俘能特性的影响,基于欧拉-伯努利梁理论和高斯定理,推导了预载压电梁的力电耦合方程,使用伽辽金离散和多尺度法,得到了位移、电压和平均输出功率的渐进解析解;同时通过理论分析,给出了短路开路谐振频率、开路电压幅值、最优输出功率和最优电阻的具体表达式。然后,针对悬臂梁模型,结合数值模拟验证了文中理论的有效性,之后进一步分析探究了预载对开路电压和最优输出功率的影响。结果表明:施加轴向预载可以提高压电悬臂梁的俘能效率,相较于无预载情况,预载20 N时,谐振频率降低31.6%,开路电压幅值增加120.8%,最优输出功率增加40.0%。

静水压荷载下功能梯度圆环的弹性屈曲

管道屈曲问题中,结构通常被考虑为平面应力圆环,但若存在轴向位移约束,其状态更接近平面应变圆环的状态.文中从理论上研究静水压作用下平面应力和平面应变功能梯度材料圆环的弹性屈曲问题.假定材料沿厚度方向弹性物性按照幂律分布连续变化,结合一阶剪切变形理论和Kárman几何关系,应用虚位移原理,导出结构的基本平衡方程;采用本征值方法得到了屈曲控制方程和结构屈曲临界荷载的解析解.通过算例比较了平面应力和平面应变状态下结构理论屈曲性能,同时考察了结构径厚比和材料组分参数的影响.结果表明:平面应变功能梯度材料圆环屈曲临界荷载略高于平面应力的结果;当材料组分参数介于0.1至10区间内时,两种圆环的屈曲临界荷载均下降得较为明显.

含残余热应力X型点阵夹层的非线性屈曲

冲压-钎焊法是一种制备X型点阵夹层结构的有效方法,但会产生钎焊残余热应力.目前的研究未涉及残余热应力对该结构稳定性能的影响.文中采用有限元模拟了X型点阵夹层结构在压缩状态下的屈曲行为,分析中考虑了残余热应力,并计入了钎焊降温幅度及板件厚度的影响.结果表明:增加板件厚度将提高结构的屈曲临界荷载,扩大屈曲时的塑性流动区;一般而言,该结构前屈曲状态分为线性变形和非线性变形2个阶段,残余热应力的存在将强化结构的线性变形,而弱化非线性变形,但对屈曲临界荷载影响不明显;增加钎焊的降温幅度、减小板件的厚度均可增强屈曲的残余热应力效应.

弹性浅拱的非线性动力屈曲

采用非线性动力学方法探索了跌落冲击弹性浅拱的动力跳跃屈曲问题.由哈密顿原理得到结构的非线性动力平衡方程,同时采用单模态和双模态两种模态形式进行分析,并通过伽辽金方法得到结构响应的控制方程.文中讨论了系统平衡点的特性,研究了系统的吸引子及其吸引域等稳定性问题.数值结果表明:双模态分析法较单模态分析法精确;在某些情况下,单模态分析无法给出正确的屈曲临界条件和系统动力响应.另外,拱的初始位形变化对跳跃屈曲的临界条件影响显著,高拱具有更高的屈曲承载力.

淀粉接枝丙烯酸/高岭土复合吸水材料改性水泥基材料的研究

本研究自制了淀粉接枝丙烯酸 /高岭土复合吸水材料 ,并将其用于对普通硅酸盐水泥材料的保湿、增强改性。通过掺加一定量SAP ,水泥胶砂试体可实现自养护(即免养护) ,且力学强度有显著提高。掺0 .22 %SAP的试样 ,7d抗折、抗压强度最大可比空白样提高25 %左右。采用SEM、XRD分析 ,探索了SAP增强水泥基材料的机理。

单轴面内压缩功能梯度材料矩形板的弹塑性屈曲和后屈曲

采用有限元程序ABAQUS研究了功能梯度材料矩形板的弹塑性屈曲和后屈曲问题.为计入材料物理非线性效应和结构变形几何非线性效应的影响,分析中调用Riks算法进行计算,给出了板弹性屈曲、弹塑性屈曲、塑性屈曲的大致厚度范围.结果表明,组分参数对FGM板屈曲及后屈曲性能的影响较大,同时,对于功能梯度材料矩形板的后屈曲平衡路径,按弹性与弹塑性两种不同分析方法得出的结果之间存在巨大差异.

矩形封的密封性能分析及在大型液压机主油缸密封中的应用

介绍了采用矩形封、导向带和耐磨带组合成的液压机主油缸密封结构,建立了密封元件动态泄漏的计算模型并给出了估算公式,对矩形封的结构组成和密封原理以及它在活塞密封中的分布形式对密封性能的影响进行了分析,其结果对液压机主油缸密封的设计具有参考和借鉴意义。

多孔功能梯度梁的热-力耦合屈曲行为

采用经典欧拉梁理论和高阶三角剪切变形理论,研究了多孔功能梯度梁的热-力耦合屈曲行为。分析中考虑了材料物性与温度的相关性,采用含孔隙率的Voight混合模型描述了多孔功能梯度的材料属性。利用迭代算法求解结构在均匀、线性和非线性温升(考虑热传导效应)下的热-力耦合屈曲临界温度,讨论了材料非均匀参数、孔隙率和长细比等参数对屈曲临界温度的影响。ABAQUS数值模拟结果和文献对比结果验证了理论的可靠性,同时表明高阶剪切变形理论较经典欧拉梁理论精确。结果表明,功能梯度材料梁的热屈曲分析必须考虑物性与温度的相关性,否则可能高估热屈曲临界温度10%~30%;随着孔隙率增大,材料的等效弹性模量减少,即结构刚度有所弱化,但屈曲临界温度反而大大增高。