Nb_(3)Sn超导线圈力学性能精确分析的双向均质化方法

Nb_(3)Sn超导磁体运行时产生很高磁场,Nb_(3)Sn超导线圈会受到很强电磁体力的作用,从而会产生很大的力学应变.由于Nb_(3)Sn超导材料的应变敏感性,会使得Nb_(3)Sn磁体线圈的临界性能退化,这对磁体的安全稳定运行造成极大影响,所以精确计算超导磁体在电磁体力下的力学行为具有重要的科学意义.Nb_(3)Sn超导磁体主要是由超导线绕制成线圈结构再经过环氧树脂固化而成,Nb_(3)Sn超导线是主要由多根微米级的超导芯丝、铜形成的复合结构,所以从超导芯丝到超导磁体其尺寸跨越了几个数量级,从而给精确分析超导线圈力学变形带来挑战.本文首先采用代表性单元均质化方法分析了整体线圈的等效力学参数,通过对比等效均质化模型与线圈真实结构的计算结果,发现等效均质化模型存在很大的误差.因此,提出一种高精度而且计算代价低的双向均质化分析方法,研究超导线圈内各组分材料(Nb_(3)Sn芯丝、铜和环氧树脂)应力-应变分布.该方法不需要进行大规模的数值建模,并且与真实复合线圈下的结果对比吻合很好,由此验证了该方法的有效性和准确性.最后基于提出的双向均质化分析方法,详细讨论了Nb_(3)Sn超导线圈各层材料在电磁力作用下应力-应变随匝数和层数的变化规律.

深埋花岗岩细观力学特性纳米压痕试验及参数均质化研究

采用纳米压痕试验研究双江口地下厂房花岗岩主要矿物石英、钾长石、斜长石以及云母的细观力学特性。为研究纳米压头压入峰值荷载与力学参数之间的关系,石英、钾长石和斜长石纳米压痕试验的峰值荷载取2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3),5×10^(-3),6×10^(-3),7×10^(-3)和8×10^(-3) N,云母的纳米压痕试验的峰值荷载取1×10^(-3),2×10^(-3),3×10^(-3),4×10^(-3)和5×10^(-3)N。基于细观力学参数结果,采用稀疏(Dilute)法、Mori-Tanaka法和自洽(Self-consistent)法3种均质化方法求解花岗岩的等效弹性模量和泊松比,并与三轴压缩试验测定的宏观弹性模量和泊松比进行对比。研究结果表明:石英力学性质良好,钾长石次之,斜长石较差,云母最差且其测试参数最为离散;石英、钾长石和斜长石的弹性模量和硬度随峰值荷载的增大呈减小趋势,当峰值荷载达到5×10^(-3) N时,弹性模量和硬度测试结果趋于稳定,其弹性模量均值分别为105.5,100.8和68.1 GPa,硬度均值分别为14.8,11.7和3.1 GPa;云母受其片状层理结构和内部孔洞的影响,弹性模量和硬度随峰值荷载的变化趋势不明显,其弹性模量和硬度分别为44.2~47.8 GPa和1.57~2.01 GPa。均质化方法获得的等效泊松比与三轴压缩试验测得的宏观泊松比基本相同;均质化方法获得的等效弹性模量均大于三轴压缩试验测得的结果,其中Self-consistent法所得等效弹性模量偏差最大,Mori-Tanaka法次之,Dilute法最小;均质化方法获得的等效弹性模量更接近于高围压下的宏观弹性模量。

考虑多尺度非均质性的混凝土传输性能预测模型

以混凝土中离子传输性能的预测为例,基于微观到宏观的代表体积单元,分析了多尺度非均质性对传输性能预测的影响,建立了混凝土多尺度传输性能预测模型.相较于传统多尺度模型,本模型在微观尺度上考虑了随水泥水化程度变化的物质组成与净浆层级离子扩散系数的关系,在细观和宏观尺度上分析了粗细骨料界面过渡区、不规则骨料形状和多离子耦合效应对混凝土层级传输性能的影响.选取氯离子扩散系数、侵蚀深度为验证指标,通过对比各尺度下的模型预测值和试验值,验证了多尺度模型的可靠性.基于此模型,各尺度下的物质传输规律可得到深入探讨和高效印证.本研究也为离子、水分、气体等物质在混凝土中的传输性能预测提供了一个新的多尺度研究框架.

基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响,通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能.均质化方法作为一种有效的设计方法,它从微观结构的角度出发,利用均匀化的概念,实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计.而当考虑非线性因素,均质化的实现就非常困难.本文利用双渐近展开方法,将位移按照宏观位移和微观位移展开,推导了非线性弹性均质化方程.通过直接迭代法,对非线性弹性均质化方程进行了求解,并给出了具体的迭代方法和实现步骤.本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB程序,对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算,对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比,对程序及迭代方法的准确性进行了验证.之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化,将其分为芯丝尺度和层间尺度.用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数,并将其作为层间尺度的材料参数.在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算,得到材料的宏观等效性能,并以实验结果为基准进行评价.

快速可编辑的形变体仿真方法研究

形变体是基于物理的仿真方法中非常重要的研究对象,形变体的仿真效果依赖于形变体材质,其效率决定于求解大型线性方程组的维度。分析目前形变体仿真存在的问题和挑战,从材质模型的编辑方法到形变效率提升方法进行了梳理,提供了一个构建不同分辨率模型的简单离散化方法,并总结了形变体仿真未来发展的思路。

多频情况下存在绝缘故障的叠片铁心的涡流及涡流损耗的分析

提出了一种分析叠片铁心发生绝缘故障时故障区域内的涡流及涡流损耗的方法。该方法以利用矢量电位和标量磁位,T,ψ-ψ方程的有限元方法为基础,使用最新发展的均质化方法模拟发生绝缘故障时的叠片铁心。为计算不同频率下的场量,推导出了各向异性铁心中不同方向的有效趋肤深度,且利用自适应网格完成趋肤深度的剖分。为证明方法的有效性,本文分别计算了不同频率下发生绝缘故障的大型异步电动机铁心中的涡流及涡流损耗。并将获得结果与采用直接方法获得的结果进行对比分析。结果表明,低频情况下利用各向异性电导率的连续体模型获得的结果可以很好地满足实际的精度需要。

考虑定子铁心片间短路时的涡流及涡流损耗的有限元分析

对于定子铁心中发生片间短路时的涡流及涡流损耗计算的问题,提出了一种基于低频下的均质化方法,且该均质化方法利用有限元方法进行分析。直接模拟方法需要对每个叠片进行非常细致的剖分,因此会导致巨大的计算上的未知。为了避免对每个叠片进行模拟,本文使用等效电导率的连续体模型代替大量的叠片。应用上面提出的方法对一台发生片间短路的大型异步电机的定子通过使用T,Ψ-Ψ方程的三维有限元软件进行计算验证,并将引入各向异性电导率的连续体模型下获得的结果与实际叠片下获得的精确解进行对比分析,可知在各向异性电导率的连续体模型下获得的故障点分析可以有效地满足实际的精度要求。

纳米碳管增强复合材料界面特性对力学性能影响的数值分析

假设纳米碳管与树脂基体之间存在一薄层界面,以纳米碳管、界面和基体组成的三层柱体复合材料特征体积单元为研究对象,采用纳-微观均质化理论方法分析界面的模量、体积比、排列方式等的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,所得结果与多相经典平均Mori-Tanaka法进行比较。结果清晰显示了界面模量、体积比的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,有效地区分了含界面纳米碳管在不同排列方式下的力学性能,为纳米碳管增强复合材料力学性能的设计和优化提供计算依据。

基于中空单元的夹层平板结构设计方法研究（英文）

目的:大型的桁架结构或空间刚架结构可以认为是用中空单元组合而成的宏观结构,在结构初步设计时,如何设计排布中空基本单元以满足结构的性能要求是设计的关键。本文旨在探讨夹层平板结构,在给定竖向变形控制指标后,如何使用简化的方法快速设计各层中空基本单元的尺寸和空隙程度。创新点:1.对于水立方这种复杂的空间多面体网格结构,本文将其理想化为连续的中空介质,利用微观力学中的均质化分析方法,将结构分解为多个基本单元(RVE)进行分析,从而推导出结构性能指标与单元参数之间的关系。2.对于大跨度平板结构,本文提出一种基于RVE重复叠加组合的设计方法,并利用有限元法对该方法进行检验。方法:1.对夹层平板结构的弯曲特性进行理论分析,根据Kirchhoff-Love理论,得到板弯曲刚度与各层的截面惯性矩之间的关系;2.通过理论推导出结构弯曲刚度(图3)、材料使用量(图4)随层厚度和层密度的变化关系;3.从基本单元出发,利用均质化分析方法分别对中空立方体(图5)和空间桁架结构(图6)进行分析,得到结构抗弯刚度随单元中空程度和距截面中性轴距离的函数关系(图7和8),进而推导出结构参数化设计的拟合公式;4.利用该设计公式,针对一个90 m×90 m×2.5 m的平板结构,以跨中挠度为跨度的1/500为设计指标,分别设计由两种基本单元组成的夹层平板结构,并将结构挠度的有限元计算结果与设计指标进行比较(图12)。结论:1.本文提出的利用中空单元组成的夹层平板结构的设计方法,通过优化设计中空单元的各项参数,可以在保证性能指标的同时最大化降低结构质量,得到最优刚度质量比。2.本设计方法和有限元法得到的结果之间差异非常小,说明该设计方法准确可靠。

纤维增强混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型

纤维增强混凝土材料属于多相非均质复合材料,其宏观耐久性能由微观和细观的组分占比和夹杂关系共同决定。为考虑纤维增强混凝土材料不同尺度下的非均质性对整体氯离子扩散系数的影响,本文基于从微观到宏观的多尺度方法选取了不同层级代表单元,建立了纤维增强混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。模型在充分考虑微观水泥水化过程和阈值效应的基础上,分析了细观尺度下纤维、骨料及其与水泥浆体的结合界面对混凝土宏观扩散性能的共同影响,并探究了纤维尺寸、纤维-浆体界面过渡区厚度等因素与扩散系数之间的影响关系,且通过第三方试验对模型的可靠性进行了验证。参数化分析的结果表明,当水灰比大于一定限值(约为0.45),水泥浆体的氯离子扩散系数与水灰比呈指数增长,而在细观层级上,纤维-浆体界面过渡区是影响混凝土整体扩散性能的主要因素:纤维掺量的增加和纤维直径的减小都会增大界面过渡区的体积,而较高的纤维过渡区体积占比和纤维界面扩散系数都会增大纤维增强混凝土的宏观氯离子扩散系数。结果还表明混凝土扩散系数与纤维掺量之间并无直接关系,而需要综合考虑纤维直径、界面过渡区厚度等各种因素的影响。本文所提模型能够有效预测纤维增强混凝土的扩散系数,进而更高效的评估纤维掺入对混凝土耐久性的影响,并基于预测结果为工程实践提供理论指导和技术参考。