玻璃钢定向器热弹性能数值仿真与分析

玻璃钢定向器在火箭弹和高温燃气流作用下,呈现出热弹耦合的复杂力学特性。采用有限元法对某型号玻璃钢定向器进行燃气流场和热弹耦合数值仿真与分析,掌握了燃气流场的分布及对定向器的影响情况,得到了玻璃钢定向器热-结构耦合的各数值结果和热弹特性,了解了物理特性参数变化对定向器热弹性能参数的影响规律。结果表明燃气流对定向器热作用非常强,定向器经热传导从内到外温度呈梯度分布,经5分钟后,管体温度逐渐和周围空气介质温度趋于一致,物理特性参数变化对定向器热弹性能参数值产生一定的影响。本仿真研究为玻璃钢定向器的热性能设计和结构设计提供了理论依据和重要参考。

基于径向积分边界元法的周期性复合材料面内等效热弹性参数分析方法

具有人工设计结构的多材料夹杂的复合材料不仅具有可编辑的弹性模量和泊松比,还可以实现热膨胀系数的调控.这些复合材料的等效热弹性参数与其微观结构和材料分布密切相关.文章提出了一种基于径向积分边界元法的周期性复合材料的均匀化热弹性参数的计算方法.该方法基于代表性体积元均匀化方法建立材料的微观结构应力、应变与宏观等效热弹性参数之间的关联.同时,采用径向积分边界元法计算周期变形条件下代表性体积元的应力和应变场.该方法无需内部网格和域积分,仅依赖于边界的位移和面力等信息即可获得材料的等效热弹性参数,具有容易实现参数化建模、容易考虑细小结构特征等优势.另外,在角点处采用非连续元处理,大大简化了周期性边界条件的施加.针对复合材料梁的弯曲问题,通过与直接有限元模拟的结果进行对比,验证了该方法的有效性.然后,还采用该方法对网状复合超材料的热膨胀系数进行了分析.结果表明,通过调整结构的尺寸,可实现结构在热载荷下从正膨胀到负膨胀的转变.

基于理性扩展热力学的L-S热声弹性理论框架

本文基于连续介质力学和理性扩展热力学分析流程,将L-S(Lord and Shulman)热弹性理论与声弹性理论相结合,建立L-S热声弹性理论的基本框架,包括运动学、力学与热力学、本构方程与演化方程、基本场方程四部分。在运动学部分,区分了Lagrange描述和Euler描述,以及3种不同的状态和构形,同时针对热声弹性情况定义了两类从自然状态到初始状态的转变过程;在力学与热力学部分,给出了质量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定律以及熵产不等式,从而引出经典不可逆热力学的局限性;在本构方程与演化方程部分,介绍了扩展不可逆热力学原理,并基于理性扩展热力学流程,推导了从自然状态到初始状态、从初始状态到最终状态的热声弹性本构方程与演化方程,将热流作为本构自变量并考虑了热流与应变和温度的相关性;在最后一部分给出了基本场方程的运动方程形式和适用于数值模拟的一阶速度-应力-热流-温度微分方程。

热轴力对双层微梁谐振器热弹性阻尼的影响分析

近年来,已有不少关于复合材料层合梁/板谐振器热弹性阻尼的研究论文发表.然而,在这些研究中热轴力(热薄膜力)对热弹性阻尼的贡献都被忽略了.众所周知,若梁/板的材料性质分布关于几何中面不对称则其物理中面将偏离几何中面.于是,热-弹耦合振动引起的变温场不但会形成热弯矩,还会产生热轴力(热薄膜力),二者将共同产生热弹性阻尼.文章基于Euler-Bernoulli梁理论和经典热传导理论,建立了双层矩形截面微梁热-弹耦合振动数学模型,精确考虑了热轴力对微结构内能耗的贡献.然后,采用解析方法求得了用变形几何量表示的热轴力和热弯矩,进而求得了系统自由振动的复频率以及用逆品质因数表示的热弹性阻尼解析解.作为数值算例,选取由均匀的银(Ag)和氮化硅(Si_(3)N_(4))分层组成的双层微梁,通过大量的数值实验定量分析了分层体积分数变化对热弹性阻尼的影响规律,考察了热轴力对热弹性阻尼的影响程度.结果表明,忽略热轴力将会低估层合梁谐振器的热弹性阻尼.在金属银的体积分数为70%(氮化硅体积分数为30%)时,忽略热轴力后对热弹性阻尼的低估最大可达16.3%.

非均匀变温环境中简支层合拱热弹性力学解

具有轻质高强、可设计强、耐高温等优良特性的复合材料层合结构在我国被广泛应用于航空航天、建筑结构、公路桥梁等工程领域。该文基于热传导方程和热弹性理论,建立变温环境中层合拱结构理论计算模型,研究了变温环境中二维层合拱的热力学行为,得到结构温度、热应力和位移解析解。利用线性叠加原理,将层合拱非齐次温度边界转化为齐次温度边界,基于结构内层间温度和径向热流密度的连续性,建立内、外侧温度和热流密度关系,联合内、外侧温度边界条件,得到层合圆柱拱内温度场解析解。以位移和应力作为状态变量,建立状态空间方程。基于层间位移和径向应力的连续性,借助传递矩阵法,推导出两端简支层合圆柱拱内外侧位移和应力关系,并同时对层合拱内外侧应力边界条件进行傅里叶级数展开,最终得到位移和热应力解析解。收敛性分析和数值结果比对表明了该方法的有效性和准确性。利用该文方法,探讨了外部温度环境、结构尺寸、结构层数及材料组分,对结构内温度、热应力及位移分布的影响,为变温环境下层合拱的设计提供了理论依据。

双U型单环谐振陀螺热弹性阻尼分析

对于MEMS环形谐振陀螺而言,品质因数是一个关键的技术指标,在真空条件下热弹性阻尼是影响品质因数的主要因素。因此,针对带有拓扑梳齿的双U型环形陀螺,首先分析了其结构形式和工作原理。其次研究了热弹性阻尼机理,对双U型环形陀螺热弹性阻尼进行了理论研究。同时借助有限元方法对热弹性阻尼进行了仿真分析,探索了结构参数对环形陀螺品质因数的影响。对不同结构参数的陀螺进行实验测试。仿真分析与实验测试结果表明,增加单环内径,减小单环环宽,减小中央圆盘的半径和减小支撑梁梁宽方式都可以降低陀螺热弹性阻尼,从而提高陀螺的品质因数。合理调整陀螺结构参数可以使陀螺品质因数在一定参数条件下达到十万量级。所提分析方法对降低热弹性阻尼,提高陀螺品质因数具有指导意义。

基于Mori-Tanaka方法的功能梯度厚壁圆筒近似热弹性理论解

【目的】功能梯度厚壁圆筒的热弹性问题存在不考虑组分材料微观结构影响,已有文献只给出了基于Mori-Tanaka方法功能梯度厚壁圆筒受力学和热学荷载的数值解,并且只考虑了球形夹杂这一单一夹杂形状的情形。【方法】基于Mori-Tanaka方法对功能梯度厚壁圆筒的热弹性问题进行分析,给出了一种近似热弹性理论解,该理论解不仅与数值解契合度高,而且可以考虑夹杂形状对物理量的影响,最后分析了不同边界条件下夹杂形状对径向位移和各向应力的影响。【结果】结果显示,在两种边界下,夹杂形状对径向位移都有较大的影响;但在温度边界下,夹杂形状对径向应力有较大影响,对轴向应力和周向应力影响较小;在应力边界下,夹杂形状对轴向应力影响较大,对周向应力和径向应力影响较小。

热效应作用下S波入射弹性地基自由场地地震响应研究

基于热弹性介质中波的传播理论,建立了平面S波入射下弹性地基自由场地模型,采用亥姆霍兹矢量分解原理,对热效应作用下弹性地基自由场地中的波场进行分析,获得了热效应作用下平面S波入射弹性地基自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了热传导系数、介质温度、热膨胀系数等热物性参数对弹性地基自由场地地震地面运动所产生的影响规律。研究结果表明:考虑热效应和不考虑热效应的两种理论模型下所得到的水平和竖向位移放大系数有着明显差异;地表水平和竖向位移放大系数以及相应的加速度随着热膨胀系数和介质温度的增大而增大;热传导系数和热通量相位延迟对地表位移放大系数和加速度的影响较小;随着入射波频率的增大,地表位移放大系数和加速度均逐渐增大。

汽车木陶瓷制动衬片热弹性耦合分析

提出了一种以木陶瓷为原料的汽车制动衬片,建立了木陶瓷制动衬片的盘式制动器三维模型,模拟多种工况制动时木陶瓷制动衬片作用下盘式制动器的热弹性耦合特性,并基于Archard磨损模型及ABAQUS软件中的UMESHMOTION子程序实现木陶瓷制动衬片磨损深度的数值模拟。结果表明:以木陶瓷材料作为汽车制动摩擦材料,制动过程中制动盘温度峰值为254.25℃,相较于传统金属型制动衬片制动盘温度峰值低9.91℃,应力分布均匀,有利于减少制动盘热裂纹的产生,同时降低制动盘“热衰退”效应对车辆制动效能稳定性的影响。木陶瓷制动衬片制动过程中温度最高可达281.41℃,远低于木陶瓷材料热分解温度,具备良好的可靠性。以木陶瓷作为制动衬片摩擦材料,单次高速紧急制动磨损深度最大不超过2.11μm,具备良好的耐磨性。

非完全覆盖双层微梁谐振器热弹性阻尼建模

热弹性阻尼是决定微机械谐振器品质因子上限的关键参数之一。以往热弹性阻尼解析解只适用于完全覆盖多层微梁结构。由于制造工艺和实际功能需求,非完全覆盖双层梁为代表的复杂结构形式更普遍。基于傅里叶传热定律,推导出非完全覆盖双层微梁谐振器热弹性阻尼的解析解。同时利用数值方法和实验验证了该解析解的有效性。并分析了镀层厚度、长度和位置对热弹性阻尼的影响。

循环加载下复合推进剂的非线性热粘弹性本构模型

复合推进剂在动态加载下伴随着自热效应,即存在明显的温度升高现象。为了定量描述这种热力耦合特性,基于不可逆热力学理论建立了非线性热粘弹性本构模型和相应的数值算法,编写了基于Abaqus的用户子程序,并通过实验验证了数值算法的正确性。研究结果发现,非线性本构模型成功地描述了复合推进剂在不同加载模式下的非线性力学行为和自热效应,自热效应对复合推进剂的力学行为有着直接影响,与不考虑自热效应相比,循环加载下应力-应变滞回圈的斜率降低显著,表明力学性能已受到自身温度升高的影响。结果表明,考虑自热效应的热力耦合本构模型能更准确地描述复合推进剂的循环力学行为,滞回圈的形状与实验结果更为吻合,斜率误差在10%以内。

一种非完全覆盖多镀层微圆板谐振器热弹性阻尼通用计算框架

热弹性阻尼(thermoelastic damping, TED)是决定微机械谐振器品质因子上限的关键参数之一。该研究首次提出了一种计算具有多个非完全覆盖镀层微圆板谐振器TED的通用理论框架。该解析模型可退化到完全覆盖双层微圆板TED模型,数值方法同样验证了当前模型的有效性。同时提出可用工程设计领域快速计算的简单模型,并分析了该简单模型的适用范围。最后研究了具有2个非完全镀层微圆板TED频率谱特性,发现了频率谱的三Debye峰现象。

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料,其有千变万化的微结构和高孔隙率,通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力,提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上,实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测,利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解,利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系,并进行了预测误差验证,证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上,建立了以等效材料填充的结构优化模型,考虑了热力载荷作用,以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型,提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果,结构热刚度在一定体积约束下显著提高,证明了所提方法的有效性。

基于L-S广义热弹性理论YSZ在超短脉冲下的热力响应

基于L-S广义热弹性理论,考虑材料比热容随温度变化,建立了含有内热源的热弹耦合系统控制方程.利用有限元方法研究了氧化钇四方氧化锆(YSZ)在超短脉冲激光作用下的热力响应,获得了材料比热容随温度变化、激光的脉冲宽度等对热力响应的影响,以及机械波在材料中的反射.研究发现,多次脉冲作用下,材料的应力、位移曲线均出现波动,力学响应对加热更加敏感,比热容随温度变化会导致热力响应降低,该研究对提高超短脉冲激光加工质量具有重要的指导作用.

Levinson微梁谐振器热弹性阻尼的广义热弹耦合分析

本文基于Levinson梁理论和单向耦合的非傅里叶热传导理论,在不同边界条件下研究了均匀微梁的热弹性阻尼(thermoelastic damping,TED)。忽略温度的轴向梯度引起的热流,给出了Levinson微梁横向自由振动的热弹性耦合微分方程,与微梁不考虑热弹性阻尼时的自由振动方程进行比较,从方程形式的相似性上得到了复频率的解析解,进而求得了代表微梁结构热弹性阻尼的逆品质因子。在此基础上,采用有限元方法计算了微梁结构考虑非傅里叶热传导时的逆品质因子,并将有限元结果和理论分析结果进行了对比验证。通过数值计算结果定量分析了微梁的几何尺寸、边界条件以及频率阶数对微梁热弹性阻尼的影响规律。计算结果表明:在不同频率阶数时,微梁的热弹性阻尼最大值不变,临界厚度均随着频率阶数的增大而减小;不同边界条件下微梁热弹性阻尼最大值对应的临界厚度随着支座约束刚度的增大而减小;忽略轴向的温度梯度引起的热流,在梁尺寸较小时会带来一定误差。

基于Lord-Shulman理论的热弹性波在偶应力三明治固体中的反射和透射

在温度急剧变化、短时间极速加热等极端情况下,基于Fourier定律的热流矢量与温度梯度成正比关系的经典热传导理论不能准确描述其物理过程.经典热弹性理论的热传导方程是抛物型的,而广义热弹性理论包含双曲型方程,热将以具有有限传播速度的波动形式传播.本文基于Lord-Shulman广义热弹性理论和修正偶应力弹性理论,得到在偶应力热弹性固体中四种色散波,研究热弹性波的传播和在偶应力固体三明治结构中的反射透射问题,重点研究横波入射时偶应力参数和热弛豫时间对各种热弹性耦合波反射透射系数的影响.

功能梯度材料热弹性分析的高阶格点型有限体积法

为提高功能梯度材料(FGMs)热弹性分析的准确性,本文发展了一种二维高阶格点型有限体积法(CV-FVM)。该方法采用八节点四边形单元(Q8)和六节点三角形单元(T6)离散控制方程,并利用交错网格技术,将材料属性定义于单元中心,将待求解的未知变量定义于单元节点。应用该方法求解FGMs的热传导、应力和热应力问题,结果与文献中的解析值吻合良好,验证了其正确性。在计算存在大温度梯度的FGMs热传导问题时,高阶CV-FVM能够有效避免数值振荡;在进行复杂FGMs热弹性分析时,高阶CV-FVM能够有效避免数值不连续问题;同时,在相同的网格数下,采用Q8单元的高阶CV-FVM比低阶CV-FVM和采用T6单元的高阶CV-FVM计算精度要高。

与温度相关的非均质圆筒的非线性耦合广义热弹性分析

基于能量守恒方程和L-S广义热弹性理论,借助状态空间技术和Newmark法求解了材料性质沿径向任意梯度分布同时又与温度相关的非均质圆筒非线性耦合广义热弹性问题。通过对材料性质与温度无关和相关功能梯度圆筒的算例分析,给出了在线性和非线性耦合下圆筒内温度和应力沿径向和随时间的变化关系,验证了本文解的正确性和有效性。数值结果表明,考虑材料性质是否与温度相关,能量守恒方程中耦合项是线性还是非线性,得到的温度与应力均存在不同程度的差异。本文解可方便地应用于不同边界条件和初始条件下圆筒的广义热弹性分析。

不同流动状态下舵面气动热弹性分析

颤振分析是高超声速飞行器设计中的关键技术之一。本文通过Fluent和ANSYS分别求解流场和结构场,研究了舵面模型在不同流动状态下的颤振问题。结果表明,对于本文模型,气动热使结构模态频率下降和产生热应变;在湍流下,舵面的颤振速度区间相比常温下降26.9%,在层流下,也有13.4%的下降;在相同马赫数不同动压下,动压较低时的舵面颤振位移响应趋于收敛。以上结果可为双楔形翼在高超声速飞行器中的应用提供参考。

基于分数阶理论的两端固定杆热弹动力响应

基于Ezzat型分数阶广义热弹性理论和Green-Lindsay广义热弹性理论,借助拉普拉斯积分变换及其数值反变换法研究了移动热源作用下两端固定的温度相关性杆一维热弹动力响应问题,得到了无量纲位移、应力和温度沿x方向的分布情况。分别研究了分数阶参数α、2个不同的热松弛时间因子τ0和τ1、温度相关性参数以及移动热源传播速度υ对无量纲位移、应力和温度的影响,结果表明:分数阶参数α对所考虑的无量纲物理量均有明显影响;热松弛时间因子τ0对无量纲温度外的其他2个物理量影响显著,热松弛时间因子τ1仅对无量纲温度的影响最为显著;随着温度相关性参数和移动热源传播速度υ增大,各物理量呈逐渐减小的状态。