基于能量密度等效的超弹性压入模型与双压试验方法

针对超弹性材料压入问题,本文基于能量密度中值等效原理,提出了描述球、平面、锥3类压头独立压入下载荷、深度、压头几何尺寸和Mooney-Rivlin本构关系参数之间关系的半解析超弹性压入模型(semi-theoretical hyperelastic-material indentation model,SHIM),进而提出了球、平面、锥压入组合的双压试验方法(indentation method due to dual indenters,IMDI).正向验证表明,基于系列超弹性材料的本构关系参数,由SHIM分别预测的球、平面、锥3类压入下的载荷-位移曲线与有限元分析(finite element analysis,FEA)结果之间密切吻合;反向验证表明,基于系列超弹性材料的FEA条件本构关系下3类压入的载荷-位移曲线,由双压试验方法预测的Mooney-Rivlin本构关系与FEA条件本构关系密切吻合.针对3种超弹性橡胶,完成了球、平面、锥压入试验,应用双压试验方法获得的3组Mooney-Rivlin本构关系均与单轴拉伸试验结果吻合良好.

基于等效电流密度模型的多层有限长螺线管轴线磁场分析

为了解决短杆轴向霍尔磁场探头现场校准的难题,提出了采用便携式有限长螺线管作为标准磁场发生器的方法。建立圆柱坐标系下螺线管线圈模型,并提出等效电流密度(ECD)法,结合Biot-Savrt定理及磁场叠加原理,计算其轴线磁场强度,获得多层有限长螺线管轴线磁场的分布规律。同时,建立了多层有限长螺线管静磁场有限元模型,仿真计算获得给定激励电流条件下的空间磁场分布情况。根据理论分析结果,设计了中心磁场100 mT的螺线管试验样机,对ECD模型理论计算结果、仿真分析结果和样机测试数据进行对比。结果显示,在螺线管中心处,理论计算与仿真结果偏差在0.1%以内,试验测试结果与理论计算偏差在0.8%以内。分析结果验证了ECD法分析螺线管轴线磁场的有效性。该方法对于提高螺线管结构设计效率、优化设计参数等具有重要意义。

计及等效负荷密度的变电站设备故障缺陷识别仿真

针对变电站设备故障缺陷复杂,识别精度较低的问题,研究了计及等效负荷密度的变电站设备故障缺陷识别方法。依照有所差异的边界条件智能选取接线方式,并将结果反馈至基础参数设置部分,匹配基础参数,构建等效负荷密度模型,分析不同负荷条件下配电站设备运行的馈线功率损失与电压降落情况,将所得馈线功率损失与电压降落情况作为变电站设备故障特征信息输入深度学习网络,通过二次学习与训练完成变电站设备故障缺陷识别。仿真结果显示该方法能够准确计算负荷的有功线损与电压降落情况,有效识别并定位变电站设备故障缺陷。

基于等效密度流体模型的地声参数分析

目前的地声参数反演多采用液态海底模型,但是实际海底为多孔弹性海底。该文在等效密度流体模型基础上,通过计算液态海底和多孔弹性海底的反射系数及传播损失,给出了等效密度流体模型和液态海底模型的等效性分析。数值仿真结果表明在低频情况下,多孔弹性海底给出的快纵波声速与等效密度流体模型给出的声速以及等效密度流体的实部与真实的海底密度基本一致。将等效密度流体模型近似看作液态海底模型进行反射系数和传播损失计算,在小掠射角和远距离时,计算结果表明与多孔弹性海底计算结果具有较好一致性,从而以此为依据确定海底为液态,进行地声参数反演。

基于能量密度等效和三维尺寸的Ⅰ型裂纹试样弹塑性问题的半解析求解

Ⅰ型裂纹是工程中最常见也是最主要的裂纹类型,半个世纪以来,弹塑性断裂力学多是基于平面的Ⅰ型裂纹问题展开的。然而,对于含有限尺寸三维约束的断裂力学Ⅰ型裂纹问题,具有解析表征的三维Ⅰ型裂纹试样的J积分求解至今仍然是难题。基于能量密度等效方法,针对具有三维尺寸的Ⅰ型裂纹试样,分别提出了用于描述载荷-J积分关系和载荷-位移关系的半解析模型,模型的7个理论常数可以由有限元分析简单获得。针对6种Ⅰ型裂纹试样进行了三维有限元分析,结果表明,新模型对不同材料、不同构形、不同尺寸的受载试样预测的载荷-J积分曲线和载荷-位移曲线与有限元分析结果密切吻合,之间的比较优度均超过0.94。新模型可用于发展包括小试样试验的断裂性能非传统试验方法。

导弹等效密度有限元模型的模态分析

分析包含很多非结构质量的细长体导弹的结构动力特性,需要简化的分析模型。针对以往方法0维点单元和3维实体单元等效非结构质量中存在的问题,提出等效密度法,即根据密度和刚度等效的原则,将非结构质量等效均布到壳体单元,修改壳体材料密度以保证其质量不变。应用3种方法分别建立了导弹有限元模型,并进行了导弹模态试验,将3种方法得到的模态频率与试验值比较,等效密度法建立的模型更为合理,应用简便。

馈线的等效负荷密度模型

提出了6种基本负荷分布形式。通过求解馈线两端的电压方程和馈线沿线损耗方程,分别获得6种负荷分布的特征值和相似系数,并计算出6种负荷分布的加权系数,从而不需要量测馈线沿线的各个负荷,也能得出馈线电压降落和沿线线损,在此基础上建立了配电馈线的等效负荷密度模型,并进一步发展了离散负荷密度模型。文中给出了若干实例,并与不简化的计算法、负荷均匀分布法和集总参数等效负荷模型的计算结果进行了比较,结果表明了所提方法的可行性。

基于能量密度等效的Ⅰ-Ⅱ型裂纹K因子半解析模型

应力强度因子K是控制脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为的重要力学量,历史上各类裂纹试样的K因子计算方法与公式都较复杂,所得到的KⅠ和KⅡ表达式为不同形式的回归式,公式的适用范围有限。针对含Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的试样,基于能量密度等效原理提出求解Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的K因子半解析模型,模型参数少,形式简单,普适性强,适用范围广。半解析模型预测的应力强度因子与文献结果和有限元结果吻合,该模型为脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为相关研究提供了重要的理论基础。

用于多导体传输参数提取的等效电流密度法

针对电信号的有效传输受外界环境引起自身参数变化的问题,提出了一种基于有限元方法求取传输参数的等效电流密度法.通过对实验中电路参数法的研究,建立了传输电缆中的多根铜芯相互作用模型.分析了导体间涡流作用的形式,求取此作用产生的感应电压和电流密度重新分布参数,由此推导出电阻和电感传输参数求解公式,由有限元方法实现了参数提取.仿真结果表明:这种方法能够实现多导体模型电阻和电感参数的有效提取;当信号频率升高时,交流电阻及功耗有所增加;电阻和电感参数均有相应的频变特性,即在特定频段内呈线性变化.

以沃尔什函数为基的馈线等效负荷密度模型

提出了以沃尔什函数为基建立等效负荷密度模型 ,不需要量测各配电变压器的供出负荷 ,根据馈线两端的量测数据 ,确定负荷分布 ,对配电网进行简化分析计算。文中给出了若干实例 ,并与严格计算法、负荷均匀分布法的计算结果进行了比较 。

估算二氧化碳井筒压力的等效密度法

为使现场工程技术人员及时掌握CO2井筒内压力分布的大概情况,从快速显式有限差分法的推导原理入手,采用理论分析与软件模拟相结合的方法,建立了一套估算CO2井筒压力的等效密度法,并结合工程经验给出了等效密度计算模型的具体形式。通过对工程案例的分析,将基于该等效密度法的估算值与软件模拟结果进行对比,证实两者一致性较好,最大相对误差小于5%。同时将该估算法应用于神华集团CCS项目的试注工况,井口压力估算值与现场监测值的相对误差为4.38%。验证了该估算法的科学性与实用性。

筑坝堆石料力学特性试验等效密度确定方法研究

由于室内试验设备尺寸的限制,对筑坝堆石料开展室内试验研究时必须进行缩尺,而堆石料的力学特性具有明显的缩尺效应,因此如何通过缩尺后的试验结果反映原型级配堆石料的力学特性始终是工程界重点关注的问题之一。为研究此问题,开展了一系列堆石料室内大型旁压模型试验和大型三轴试验,提出了一种堆石料室内力学特性试验等效密度确定方法,即通过室内旁压模型试验得到堆石料旁压模量与密度的关系,然后与现场原型级配堆石料的旁压模量进行对比确定室内力学特性试验的等效密度。试验结果表明:堆石料的旁压模量随密度的增大而增大;当密度一定时,不同级配的堆石料对应不同的旁压模量;当旁压模量相等时,不同级配堆石料的力学性质是相近的,说明将旁压模量作为控制指标确定筑坝堆石料室内力学特性试验等效密度的方法是有效可行的。研究成果对解决堆石料的缩尺效应问题以及准确评估大坝安全问题提供了有力支撑。

可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1550 Hz,1400 Hz和1300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1143~1662 Hz,998~1492 Hz和845~1352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.

等效裂缝密度在锦州南变质岩潜山裂缝定量表征中的应用

裂缝发育密度是裂缝性储层裂缝特征研究与定量表征的重要参数之一。锦州南太古宇变质岩潜山裂缝异常发育,岩心分析裂缝密度很高,而成像测井计算的裂缝密度却非常低。研究发现,该潜山多数井裂缝异常发育段由于裂缝过于发育造成岩石破碎,从而使成像测井仅能识别出少数裂缝,造成成像测井计算的裂缝密度偏低。为了准确描述该变质岩潜山储层裂缝的发育情况,首次将成像测井直接解释的裂缝密度与储层总孔隙度和电阻率建立关系,提出等效裂缝密度的概念,并将该等效裂缝密度用于裂缝三维定量表征。油藏动态响应表明,基于等效裂缝密度的裂缝分布三维模型可较准确地描述裂缝的发育情况,从而有效地指导油田的开发与生产。

基于小冲杆试验评价钛合金的高温拉伸性能

基于能量密度等效理论,提出依据塑性弯曲阶段载荷-位移曲线,获取均匀连续、各向同性的钛合金圆片试样应力-应变曲线的小冲杆试验新方法;采用该方法预测得到不同名义屈服强度和硬化指数组合工况下假想材料的应力-应变数据,并与有限元预设曲线进行对比;基于小冲杆试验获得的TC4合金在室温、高温(400℃)下的载荷-位移曲线,采用上述方法获得该合金的真应力-真应变曲线,并与单轴拉伸真应力-应变曲线进行对比。结果表明:预测得到的假想材料应力-应变数据与有限元预设曲线之间的符合优度均高于0.96;预测获得的室温和400℃下TC4合金的真应力-真应变曲线与单轴拉伸曲线之间的符合优度均高于0.97,屈服强度和抗拉强度的最大相对误差分别为4.86%和4.63%,验证了该新方法的有效性。

薄膜超材料的等效特性分析及试验研究

基于一维超材料梁的理论思想,将薄膜超材料简化成具有周期性的谐振单元和一维梁的结构;根据薄板的Kirchhoff理论,建立了整体结构的运动方程,计算了周期性谐振单元作用力及薄膜两侧载荷的声压差。利用牛顿第二定律及虚功原理,得到了薄板不同阶的振动模态幅值A_n所满足的运动方程。通过引入等效密度概念,得到等效密度共振形式受薄膜的刚度k、厚度h、谐振单元周期常数L及附加质量M等因素影响,并针对每种影响因素进行了等效密度峰值的分析;得出在一定尺寸范围内,得到了薄膜厚度h越薄,谐振单元刚度与质量的比值越小,共振频率越低的结论;而且周期常数L越大,薄膜自身的共振形式与谐振单元的共振形式同时存在,且薄膜本身的振动形式越强烈。通过探讨谐振单元质量与透射峰值的试验验证,表明质量-弹簧谐振子的共振作用对薄膜超材料的透射吸收起到至关重要作用。

深海环境下油液密度特性变化规律研究

针对深海环境下油液密度随下潜深度变化的问题,建立深海环境压力和温度模型,考虑含气率的影响分别建立纯油液密度模型和气-液两相等效密度模型,以VG32和VG64液压油实验数据对模型进行误差分析,得到其最大误差分别为0.32%、0.11%,验证了模型的可行性。综合上述模型,建立以水深为变量的等效密度模型,研究深海环境下液压介质密度的变化规律。结果表明:随水深的增加,气-液两相油液模型的等效密度较纯液压油模型的变化相对滞后,但进入深海3000 m以下后,两者相差很小,可以用纯液压油密度近似替代两相介质的密度;深海环境下随水深增加,油液等效密度呈现迅速增加、缓慢过渡、平稳增长的变化规律。具体表现为:在浅海层(<460 m),海水温度对密度变化起主导作用,等效密度随水深增加急剧增长;在中海层(460~1300 m),温度主导作用减弱,等效密度增幅变缓;在深海层(>1300 m),海水压力取代温度成为影响密度的主要因素,密度增长趋于平稳。

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element,RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension,CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend,SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.

基于基线信噪比估计台站性能参数与射电源流量密度

对于天体测量与大地测量VLBI观测，所选取射电源的强弱以及参加观测的台站系统的性能表现对其观测结果具有重要的影响。以基线信噪比为观测量建立观测方程，采用带约束条件的最小二乘估计方法，统一估算射电源的流量密度和台站的系统等效流量密度，从而对所选取射电源以及台站在VLBI观测中的性能表现进行评估。使用国际VLBI网观测数据验证了射电源流量密度及台站性能参数估计方法的正确性，并利用中国VLBI网实测数据评估了国内VLBI台站的性能表现。

循环稳态或单调态下薄片小试样应力-应变关系试验方法

针对金属薄片沙漏试样,基于能量密度等效,提出了薄片小试样的弹塑性位移-载荷关系理论方程和等效应力、等效应变理论方程,进而提出了金属薄片沙漏试样循环稳态或单调态下的等效应力-等效应变关系试验方法。本文针对40种本构关系有限元分析预设材料和6种几何尺寸的沙漏试样完成了有限元分析,针对5种合金材料和2种几何尺寸的沙漏试样进行了单调拉伸和变幅对称应变循环试验,以及标准圆棒试样拉伸和变幅对称应变循环试验。结果表明,采用本文试验方法预测的材料单轴应力-应变关系与预设本构关系密切吻合,稳态对称循环下应力-应变关系与标准圆棒试样单轴拉伸及单轴循环试验结果吻合良好。