弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为可考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。

ZL114A铝合金本构关系与失效准则参数的确定

针对航空发动机机匣材料ZL114A铝合金,构建描述该材料在较大温度范围下大变形及失效行为的材料模型。通过万能试验机及分离式霍普金森压杆试验装置测试ZL114A铝合金在常温准静态、高温和高应变率下的力学性能,分析温度和应变率对材料流动应力的影响。采用有限元程序和优化算法反求25~375℃内材料的硬化参数,结合高应变率(1310~5964 s^(-1))下材料的动态行为关系,构建包含塑性应变、温度及应变率的经验型本构模型。开展缺口拉伸、缺口压缩等试验并建立相对应的有限元模型,获取材料在不同应力三轴度下的失效应变,标定分段形式的Johnson-Cook(J-C)失效准则参数。通过不同温度下的平板侵彻试验和数值模拟验证失效准则及其参数的有效性。结果表明,ZL114A铝合金具有明显的应变硬化、温度软化及高应变率强化特性;具有应力饱和特征的Hockett-Sherby(HS)硬化模型较为准确地描述材料大变形下的力学行为;构建的材料本构关系可以描述ZL114A铝合金在大应变、宽温度、高应变率下的力学行为;分段形式的失效准则具有预测不同温度下材料失效行为的能力。

第23届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题及解答

第23届亚洲物理奥林匹克竞赛实验部分包括2道试题:赫兹接触应力和源于表面热形变的干涉,试题1通过大角度摆控制碰撞速度,利用示波器测量碰撞时间,实验方法巧妙,同时考查了量纲分析;试题2观察并测量了激光热致形变的干涉图样,根据数据计算形变高度,数据处理部分多次采用了化曲为直的方法.此竞赛题目可作为学生模拟参赛训练的素材,对近年奥赛题目难度有所增大的趋势下备赛、参赛具有一定启发.

不同应变率下高强钢的拉伸行为及力学性能分析

高强钢因强度高、塑性好、耐腐蚀性优异而得到广泛应用。然而,高强钢具有显著的应变率敏感性。为此,针对2种高强钢(Ultrafort 401和Ferrium S53钢),开展了不同应变率下(10^(-4)~10^(3) s^(-1))的拉伸试验,获得了屈服强度、抗拉强度、硬化指数等性能参量,并深入分析了其随应变率变化的规律。不同应变率下,Ferrium S53钢的拉伸性能始终优于Ultrafort 401钢,但两者却表现出不同的变化趋势。随着应变率的增加,Ultrafort 401钢的屈服强度和抗拉强度均增大,而Ferrium S53钢的屈服强度增大,抗拉强度先减小后增大。结合微观结构表征发现,Ferrium S53钢所具有的较高的屈服强度与其初始晶粒尺寸更小有关,2种高强钢的抗拉强度随应变率增加所表现出的不同变化趋势则与应变硬化响应差异有关。随着应变率的升高,Ultrafort 401钢的韧窝尺寸增大,而Ferrium S53钢的韧窝尺寸先减小后增大,说明2种高强钢的应变硬化水平随着应变率升高而呈现不同的变化趋势。研究结果为高强钢在不同加载条件下的力学性能评估提供了科学依据,对高强钢的工程应用具有一定的指导意义。

压力容器及容器-管道系统的安定载荷计算方法对比

针对压力容器及容器-管道系统的安定载荷计算,介绍了循环弹塑性分析法、下限安定定理法和双极限载荷法3种求解安定载荷方法的原理和流程。基于这3种方法,具体计算了机械载荷下厚壁圆筒和标准椭圆封头中心接管的安定载荷,以及热载荷下标准椭圆封头中心管系整体模型的安定载荷,并对比分析了3种方法的优缺点。结果表明,循环弹塑性分析法能较准确地反映结构的实际承载能力,但求解复杂、工作量最大;双极限载荷法和下限安定定理法相对于循环弹塑性分析法的最大误差均小于5%,且偏保守,双极限载荷法的计算量最小。综合考虑计算精度和工作量,在工程设计中可采用双极限载荷法;对于计算精度要求较高、周围弹性材料对最大应力点的约束能力较弱的情况,建议采用循环弹塑性分析法。

基于纳米压痕反向分析的Fe-32Ni超因瓦合金介观尺度弹塑性本构关系

采用纳米压痕技术和电子背散射衍射分析技术对Fe-32Ni超因瓦合金不同取向的晶粒进行了测试,得到了材料在(001)、(101)和(111)取向下的弹性模量和硬度。同时基于量纲分析提出了一种改进的反向算法,并结合有限元仿真对Fe-32Ni超因瓦合金的纳米压痕过程进行了反向分析和计算,通过纳米压痕实验曲线与仿真曲线的对比,最终获得材料在(001)、(101)和(111)取向下的应力应变关系,结果表明:(001)取向下晶粒的屈服强度最高,(101)取向下晶粒的屈服强度最低。此外,(101)和(111)取向的晶粒屈服后的应力-应变曲线变化趋势较为一致,而(001)取向下的应力-应变曲线变化较为平缓,材料在不同取向下的力学响应具有明显的各向异性。

GB/T 4732—2024《压力容器分析设计》中棘轮评定方法的解读及应用

针对防止承受复杂循环载荷的承压设备和部件发生棘轮失效的重要性,各国标准给出了相应的评定准则。我国新修订的压力容器分析设计标准GB/T 4732—2024《压力容器分析设计》中对棘轮这一重要失效模式给出了弹性分析、简化的弹塑性分析和弹塑性分析等3种评定方法,对该标准中3种棘轮评定方法的分析要求及修订的理论背景进行了详细的解读和探讨,通过算例着重介绍了新标准中简化的弹塑性方法和弹塑性方法的应用,并验证了棘轮评定中的这两种方法的一致性,旨在为工程设计人员更好地理解新标准提供参考。

冰雹形状及重复加载对叶表皮细胞壁仿生结构撞击损伤影响分析

为了提高纤维轻量化构件的冰雹载荷防护性能,基于高垂直刚度特性的叶表皮细胞壁仿生结构(a biomimetic isosceles trapezoid corrugated lattice cellular, bio-ITCLC),构建基体为涤纶纤维层合材料的仿生夹层结构数值模型,分析了冰雹形状、速度及重复撞击对叶表皮细胞壁仿生夹层结构力学行为及动态损伤的影响。结果表明:撞击接触力随冰雹形状的变化而改变,在相同撞击速度条件下,接触力峰值、初始上升率均随冰雹接触面的增大而提高,但加载时间减小;柱形及锥形冰雹的接触力峰值随撞击速度的增大而线性增长,半球形冰雹的接触力峰值与撞击速度呈抛物线关系。bio-ITCLC仿生夹层结构在柱形、半球形和锥形冰雹下的损伤模式分别为撞击区域屈曲压溃而引起纤维断裂、压痕导致的纤维断裂及基体开裂、仿生芯层与上层面板的分层失效。重复撞击并不改变仿生结构的失效模式,但bio-ITCLC仿生夹层结构的基体分层及累积损伤范围随冰雹重复撞击次数的增加而显著增大。

受扭椭圆截面直杆的弹塑性理论分析

在理想弹塑性力学模型下,从计算受扭椭圆截面直杆的屈服扭矩开始,分析截面弹性区与塑性区分界线的变化情况,根据平面点到直线距离的计算公式,用解析法推导计算椭圆截面扭矩的二重积分表达式,并运用广义极坐标变换将椭圆区域的积分转化为对单位圆区域的积分,得到两类弹塑性状态和塑性极限状态下扭矩的计算式。根据第一类完全椭圆积分在不同离心率下的数值分析受扭椭圆截面直杆极限扭矩与屈服扭矩的比值关系,计算直杆在两类弹塑性状态和塑性极限状态下卸载后横截面的残余应力,并编程给出相应残余应力在广义极坐标下的函数图像,最后计算出受扭椭圆截面直杆在弹塑性状态下卸载后的残余扭转角。

基于优化算法及压痕形貌的金属塑性力学参数表征

相比于需要特定形状尺寸试样的传统力学测试手段,压入法具有试样加工方便及可实现原位测试等优点,针对现有压入表征法对所采集压入载荷-深度曲线的依赖性,通过作为压入后材料塑性力学性能直观响应的残余压痕形貌有效获取金属塑性力学参数可提供一种新的压入表征方法;本研究通过Instron万能材料试验机开展了紫铜/镁合金的球形压入测试,基于轮廓形态系统对压入测试后的残余压痕形貌进行扫描并将所得形貌特征作为后续研究的数据基础;将压入数值模拟与实验测试所得残余压痕形貌的对比结果作为拟合优度,对传统Nelder-Mead算法在参数筛除、预处理、重复性判断及收敛条件方面进行改进,以保证进入数值计算的材料参数的合理性并提高计算效率,基于Abaqus二次开发结合改进的Nelder-Mead算法进行参数寻优以得到紫铜/镁合金的相关塑性参数;将由Instron万能材料试验机拉伸测试表征所得紫铜/镁合金的相关塑性参数值作为对照标准,给出了算法寻优结果的相对误差,并验证了所提出基于优化算法及残余压痕形貌获取金属塑性参数方法的有效性,相关研究提供了一种新的有效表征金属力学性能参数的方法.

三种加载方向下云杉静动态力学性能研究

利用INSTRON和Hopkinson压杆对含水率为12.72%,密度为413 kg/m^3云杉木材试件沿顺纹、横纹径向和横纹弦向进行准静态和动态压缩实验,获得了云杉木材3个方向的抗压模量、准静态压缩应力应变曲线和3种应变率下的动态应力应变曲线.结果表明云杉木材沿顺纹方向加载破坏形式表现为木材纤维轴向屈曲、褶皱;横纹径向和弦向加载失效行为表现为木材纤维间的滑移破坏.云杉顺纹方向抗压弹性模量最大,分别约为横纹径向抗压弹性模量的21倍和横纹弦向抗压弹性模量的32倍;横纹径向和弦向准静态压缩屈服应力基本相等,试件沿顺纹方向准静态压缩屈服应力约为横纹径向和弦向屈服应力的9倍;动态压缩屈服强度具有率敏感性,在应变率为500～1 000 s^(-1)动态压缩实验中顺纹、横纹径向和弦向动压屈服强度均随着应变率的增加而显著提高.同时对不同方向压缩下木材胞壁失效行为进行了理论分析,表明产生完全压缩失效的平均极限载荷与胞壁屈服强度、胞元结构和产生的褶皱长度相关.

船用加筋板架爆炸载荷下动态响应数值分析

针对船用加筋板架复杂结构在爆炸冲击波作用下的动态响应 ,采用商用高动态非线性有限元程序MSC/Dytran ,讨论了大尺寸加强结构板架迎爆承载问题 ,提出了复杂板架结构爆炸冲击波作用下动态响应的有限元计算方法 ,并进行了模型试验。试验结果与计算结果吻合较好 ,验证了应用程序及计算模型参数的稳定性和可靠性。对加筋板架两种承载形式 (大尺寸加强构件迎爆或背爆设置 )在爆炸冲击波作用下的动态响应 (板架中心挠度和塑性分布 )差异的分析研究表明 ,大尺寸骨架 (纵骨和肋骨 )背向爆炸冲击波设置将分散爆炸冲击波的冲击作用、减小板架变形、增强其抵抗爆炸冲击波冲击的能力 。

弹塑性纤维梁柱单元及其单元参数分析

基于柔度法且沿单元长度积分的弹塑性纤维梁柱单元是可以模拟复杂的截面双向滞回曲线和截面刚度沿杆长方向连续变化的单元模型。由于其计算工作量太大,这种复杂的单元自提出以来,一直没有得到推广应用。对弹塑性纤维梁柱单元模型进行了研究,在此基础上对其单元参数进行了分析,通过研究单元积分段以及截面上纤维的合理划分,使计算工作量适当减少而又不影响计算结果准确性,为纤维单元在大型结构中应用打下基础。

各向异性本构关系在板料成形数值模拟中的应用

对几种能表达面内各向异性的屈服准则Hill、Barlat-Lian、Barlat进行了比较。在弹性变形服从各向同性广义虎克定律的情况下,给出了基于张量算法推导的弹塑性本构关系的一般表达式,并由此导出了相应屈服准则的弹塑性本构关系的显式表达。借助ABAQUS软件本构模块用户子程序接口,分别实现了这些屈服准则在ABAQUS的嵌入。以模拟方形盒的拉延过程为例,分析了不同的屈服准则在板料成形过程数值模拟中的应用。模拟结果表明,基于弹塑性本构关系一般表达所列出的相应屈服准则的显式表达式是正确的;在采用壳元来模拟板料成形时,采用Barlat准则的模拟结果和采用Barlat-Lian准则的结果差别不大。

土体动非线性黏弹性模型及其ABAQUS软件的实现

基于土的动应力-应变关系——Davidenkov骨架曲线,采用破坏剪应变幅上限值作为分界点,对Davidenkov骨架曲线进行了修正,即当剪应力值大于破坏剪应力值时,土体产生破坏,土体的动剪切模量采用破坏后的动剪切模量;参考Mashing法则,构造了修正后的Davidenkov骨架曲线土体加卸载对应的应力-应变滞回圈曲线。基于ABAQUS软件的操作平台,开发了土体动弹塑性本构模型的子程序。选择南京某个典型软弱场地为研究对象,首先输入余弦加速度时程曲线,然后选取一条强震加速度记录作为基岩输入地震动,对不同峰值加速度水平下该场地的地震反应进行了二维有限元非线性分析,计算结果验证了所建模型的准确性和可用性。

无网格法在弹塑性问题中的应用

在弹塑性问题中引入无网格法 ,得到了弹塑性无网格法的控制方程 ;计算了中心裂纹板的塑性区分布以及极限荷载 ;

基于OpenMP的三维显式物质点法并行化研究

基于OpenMP技术开发了三维显式物质点并行程序MPM3DMP。为了避免节点更新阶段的数据竞争,采用区域分解法将背景网格分解为均匀的子域,每个线程负责一个子域的节点变量更新,然后将更新后的节点变量装配到整体。在质点更新阶段采用了循环分解方法进行并行。针对Taylor杆碰撞的三种计算模型,在双Intel Woodcrest 4核CPU服务器下进行了测试:粗模型在4核下加速比为3.82,在8核下为6.23,中模型在4核下加速比为3.79,在8核下加速比为6.23;细模型在4核下加速比为3.75,8核下加速比为6.26。因此,本文的并行程序具有较好的并行效率和可扩展性。

弹塑性极限平衡法分析复杂岩质边坡的稳定性

笔者采用弹塑性极限平衡法来研究分析复杂岩质边坡的稳定性 ,即以塑性极限理论为基础 ,应用逐渐降低材料强度来逼近系统的极限平衡 ,并以屈服区的贯通来表征系统的极限平衡状态。此时 ,系统达到临界平衡状态时所对应的材料强度降低倍数即为整体最小安全系数 ,临界平衡状态定义为边坡内的塑性屈服区能够形成潜在的滑移通道时的状态。以城门山露天矿南帮边坡为研究对象 ,通过自行改编的NCAP -FS程序进行了数值分析 ,结果表明 ,南帮边坡现阶段是安全稳定的 ,与现场观测结果一致。

混凝土材料的粘塑性损伤统一本构模型

发展了只适用于金属类材料的粘塑性统一本构理论,借助经典塑性理论的基本法则,建立了无屈服面和无破坏面的混凝土材料的粘塑性损伤统一本构模型。放弃了传统统一本构模型的静水压不影响非弹性变形和无非弹性体积膨胀的基本假设;发展了间断的经典塑性乘子,使其为连续函数,并提出了相应的构造方法,拓展定义了其物理意义。数值模拟显示,此本构模型能够模拟混凝土材料的率相关性质、在压缩载荷作用下的体积膨胀现象和由损伤引起的应力软化和刚度退化现象。

基体界面屈服强度和残余应力失配对界面裂纹扩展的影响

对基体界面屈服强度和残余应力失配情况下的界面裂纹扩展机制进行了力学理论分析,并通过位错与裂纹的关系理论计算了界面裂纹尖端塑性区尺寸。结果表明:当界面裂纹由低强度区向高强度区扩展时,高强度区的残余压应力和屈服强度减少了裂纹尖端的塑性区长度和裂纹尖端张开位移,从而起到了抑制界面裂纹扩展的作用。