负向变形理论假说

金属板材或管材在轧制过程中产生宏微观织构导致其各方向力学性能不同,表现出明显的各向异性。目前常用厚向异性系数r值定量表征各向异性。在假设存在-r值的前提下,基于Hill48屈服准则,给出了二维应力状态屈服轨迹,讨论了可能的反常变形行为。若能制备出r<-0.5的材料,将出现拉伸变粗或变宽,而压缩变细或变窄的反常现象,称之为“负向变形材料”。如其客观存在,则现有关联型塑性本构理论不适应这类材料,由此提出“负向变形理论假说”。希望更多学者通过深入研究证明:该假说是正确的理论或谬误的想法,活跃学术思维,以其寻求塑性理论突破,推动原始技术创新。

基于势能驻值原理的隧道底鼓变形计算理论

针对铁路隧道底鼓的病害难题,首先建立隧道仰拱隆起变形的围岩-支护体系统一力学模型,采用势能驻值原理和瑞利里兹法进行解析计算;深入分析仰拱边界条件、矢跨比、衬砌厚度、围岩厚度与级别、地应力以及温度力等参量的影响规律;最后阐释隧道仰拱隆起变形研究对高原铁路隧道工程建设具有的启示意义。研究结果表明:(1)隧道仰拱隆起病害是构造应力、膨胀力或外水压力在抗力不足的软岩中作用的结果;(2)当二衬厚度取30 cm,仰拱隆起1 cm时隧底垂向应力为17.37 kPa,而二衬厚度取60 cm时为30.48 kPa,两者相差43%,因此如果不考虑围岩作用,二衬对仰拱隆起影响显著,在高应力区域突显了铁路隧道设置仰拱作为安全储备的必要性;(3)参与支护作用的围岩厚度取600 cm,仰拱隆起1 cm时垂向应力为569.47 kPa,而不考虑围岩作用时仅为33.94 kPa,因此隧道仰拱支护中围岩起主要承载作用;(4)Ⅲ级围岩仰拱隆起1 cm时垂向应力为1336.22 kPa,Ⅴ级围岩为187.40 kPa,表明围岩类型对隧道仰拱稳定的影响显著;(5)地应力80 MPa仰拱隆起1 cm时垂向应力为436.32 kPa,如果不考虑地应力为566.11 kPa,因此在隧道仰拱稳定性设计中,地应力作用不可忽略;(6)高原非均匀高应力场、强地震活动性、大埋深、复杂地质环境是铁路沿线隧道面临的主要问题,其中穿越活动断裂带和软弱岩层地段成为影响工程建设的关键带,因此沿线地球动力学、地震活动性、地应力场和岩体流变学的研究对于隧道结构安全性至关重要。

基于n阶剪切变形理论的表面梯度脱碳汽车前轴弯曲分析

汽车前轴在热锻和热处理过程中,材料的表面会发生一定深度的脱碳,脱碳层的力学性能随脱碳深度呈梯度变化,影响了前轴在载荷下的弯曲性能。利用分段函数构建两侧表面功能梯度变化、内部性能均匀的简支夹芯梁,根据n阶剪切变形理论研究梁在两点载荷作用下的弯曲行为。利用虚功原理推导出位移场控制方程,采用Navier解析方法得到简支边界条件下梁的弯曲行为,并与相关文献中的实例进行比较。结果表明:n阶剪切变形理论具有良好的精度与可靠性;梁的挠度与转角随脱碳指数k的增大而增大,并于k≈10处达到准稳态;脱碳深度大于5 mm时,脱碳层厚度对梁弯曲时产生应力的影响比梁的高度变化带来的影响更大;两侧脱碳深度不对称时,物理中性面发生迁移;梁的弯曲挠度与转角随梁的厚度、宽度的增大而减小,但梁的厚度变化的影响更大。

基于大变形疲劳理论的橡胶材料及制品疲劳寿命预测方法

基于橡胶大变形疲劳理论提出了一套橡胶材料及其制品的疲劳寿命预测方法。该方法主要包括橡胶超弹性本构模型拟合以及有限元分析和疲劳仿真联合模拟2个步骤。由橡胶材料单轴拉伸疲劳实验数据使用最小二乘法拟合得到Mooney-Rivilin本构模型材料参数。文中开发了具有自主知识产权的CIAC-SAFE疲劳仿真软件,并根据材料参数联合开源有限元模拟软件模拟的方法预测了哑铃型橡胶薄片单轴拉伸工况下的疲劳寿命,通过与实验结果比较验证了联合模拟方法的准确性。通过静态模拟数据来等效计算稳态滚动工况载荷历程,应用大变形疲劳理论方法预测V型带式模型以及橡胶轮胎模型稳态滚动工况下的疲劳寿命,根据预测结果对橡胶带式无极变速器(CVT)及橡胶轮胎的结构设计提出了优化建议,这表明该方法可以用于橡胶产品的设计前期,为产品开发节约时间和成本,也为深入理解橡胶材料疲劳及失效提供理论参考。

基于改进Reddy型三阶剪切变形理论的弹性地基上FG-CNTRC板屈曲无网格分析

针对含碳纳米管转向的Pasternak地基上功能梯度碳纳米管增强复合材料FG-CNTRC(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite)板的屈曲问题,提出了一种基于改进Reddy型三阶剪切变形理论TSDT(third-order shear deformation theory)和移动最小二乘近似MLS(moving-least square)的无网格分析模型。该模型避免了无网格法第二类边界条件的施加困难问题,且能够满足中厚/厚板的自由表面条件,无需额外引入剪切修正因子。基于最小势能原理推导了弹性地基上FG-CNTRC板的无网格屈曲控制方程,采用完全转换法处理本质边界条件。通过基准算例验证了本文方法的收敛性及有效性,讨论了碳纳米管的转向角、体积分数、分布形式、地基系数、宽厚比和边界条件等对FG-CNTRC板临界屈曲荷载的影响。

高阶剪切变形理论下Pasternak地基上FG-CNTRC梁自由振动及屈曲分析

功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite,FG-CNTRC)作为新一代先进复合材料,因其优越的力学性能而被研究者们广泛关注。该研究以Pasternak地基上FG-CNTRC梁为研究对象,基于不同高阶剪切变形理论,将一种具有插值特性的无网格法——稳定移动克里金插值(stabilized moving Kriging interpolation,SMKI)应用于求解Pasternak地基上FG-CNTRC梁的自由振动及屈曲问题。基于稳定移动克里金插值和不同高阶剪切变形理论给出FG-CNTRC梁的位移场,利用Hamilton原理和最小势能原理分别推导了Pasternak地基上FG-CNTRC梁的自由振动和屈曲控制方程。采用MATLAB软件编制了相关程序,将该研究解与解析解或文献解对比,证明了该方法在计算Pasternak地基上FG-CNTRC梁自由振动与屈曲的有效性及准确性。最后,还讨论了不同高阶剪切变形理论、地基系数、碳纳米管体积分数等对其自振频率和屈曲临界荷载的影响。

改进Reddy型三阶剪切变形理论下FG-GRC板弯曲和模态分析的无网格法

基于含7个自由度变量的改进Reddy型三阶剪切变形理论(third-order deformation theory,TSDT)假设,采用稳定移动最小二乘近似(stabilized moving least-square approximation,SMLS)的无网格法研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene-reinforced composite,FG-GRC)板结构的静态线性弯曲和自振模态。通过Halpin-Tsai模型来估算材料的有效弹性模量,有效质量密度和泊松比由混合定律确定。利用最小势能原理和Hamition原理分别推导了FG-GRC板的线性弯曲和自振频率无网格控制方程。由于基于SMLS构造的形函数不满足克罗内克条件,故采用完全转换法处理本质边界条件。该研究首先介绍了基于TSDT下FG-GRC板的SMLS离散模型;随后通过与已有成果进行比较,检验了本文方法的收敛性及准确性;最后数值分析了石墨烯片(graphene platelets,GPLs)分布模式,质量分数、几何参数、总层数及边界条件等对FG-GRC板结构弯曲和模态的影响。

油气储层多孔介质的变形理论及实验研究

油气储层岩石是一种典型的多孔介质。在油气藏开发过程中 ,由于流体的流出而孔隙压力下降 ,储层所受到的有效压力增大 ,储层发生变形并使储层多孔介质的孔隙结构发生改变、孔隙体积缩小、孔隙度和渗透率降低。在多学科研究相结合的基础上 ,阐述了储层多孔介质变形的类型 ,并从多孔介质的微观物理特性 (如物质组成 ,颗粒类型及它们之间的接触关系、排列方式、胶结方式以及孔隙内流体的类型和特征等 )分析对其产生变形的影响。利用先进的仪器和改进的实验装置 ,分析了储层多孔介质因变形而使其孔隙结构、孔隙体积、孔隙度和渗透率所发生的变化。文章对储层多孔介质变形的理论和实验研究 。

基于三阶剪切变形理论的压电功能梯度板静力学等几何分析

针对压电功能梯度板的静力学问题,建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中,定义功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布,并假设压电功能梯度板中的机械位移场与电势场相互独立。利用压电材料的第二类本构方程以及哈密顿变分原理,推导出压电功能梯度板的相关等几何有限元方程。在压电功能梯度板的自由振动分析中,研究了各类机械边界条件的等几何数值方法的收敛性及精度问题。并分析了开短、路状电学边界条件、功能梯度指数n、功能梯度层的宽厚比、压电层与功能梯度层的厚度比对其固有频率的影响。分析了机械载荷、电载荷以及机电耦合情况下,压电功能梯度板的静态弯曲行为,并利用位移反馈控制规律实现了压电功能梯度板的闭环变形控制。通过算例及相关文献对比,表明了本文求解方法的精确性和可靠性。

变形加固理论的力学基础与工程意义

变形加固理论是弹塑性结构稳定性理论,建立基于塑性余能的结构稳定性判据并确定阻止结构失稳的有效加固力。变形加固理论的核心是最小塑性余能原理:结构总是趋于塑性余能最小的变形状态,即自承载力最大、加固力最小的变形状态。完善最小塑性余能原理的证明,并提出弹塑性结构稳定状态的最小余能原理。阐明变形加固理论对有限元法的发展:揭示了不平衡力与修正Newton-Raphson算法的物理内涵。将变形加固理论与刚体极限平衡法对比,阐明其工程意义是对设计中采用的作用-抗力体系的发展,加固完整描述了作用与抗力之差。

广义吸力和非饱和土的统一变形理论

本文首先推广了吸力的概念，把一切增加颗粒间抗滑阻力的因素都称为广义吸力，在此基础上把饱和土的有效应力原理推广为广义有效应力原理。接着把饱和扰动土的孔隙状态定义为稳定状态，并提出了广义吸力的丧失将促使欠压缩土和超压缩土均向稳定状态发展的理论。然后建议了一个能同时描述湿陷和湿胀特性的本构模型，并通过模拟试样在不同的加荷方式和浸水共同作用下的表现，说明建议的理论可以描述黄土和膨胀土的基本变形特性。

基于有限变形理论的二维热弹塑性有限元模拟技术的研究

采用有限变形理论，基于ＡＮＳＹＳ软件二次开发了二维有限变形热弹塑性有限元模拟系统，该系统可对轴对称和平面应变条件下的金属热成形过程坯料与模具的温度场（考虎热传导、辐射、对流和塑性功转化为热）、应力场、应变场（包括弹性与塑性应变、热应变）、金属的成形过程以及模具的受力及失效原因等进行详细的热力耦合模拟分析与优化设计。通过与圆柱体镦粗和温反挤的试验结果比较，验证了该系统的可靠性，为保证成形件质量、选择成形设备、制定合理的成形工艺、改善模具受力和提高模具寿命提供可靠依据。

基于一阶剪切变形理论的新型复合材料层合板单元

基于一阶剪切变形理论(FSDT),本文构造一种新型的20自由度(每结点5个自由度),四边形复合材料层合板单元,适合于任意铺设情形的层合板的计算。它是按如下方式构造的:(1) 单元每边的转角和剪应变由Timoshenko层合厚梁理论来确定;(2) 对单元域内的转角场和剪应变场进行合理的插值;(3) 引入平面内双线性位移场来体现层合板面内与弯曲的耦合作用。本文单元,记为TMQ20,不存在剪切闭锁现象,在计算单层的各向同性板时可以退化为文[1]中优质的中厚板单元TMQ。在文[2]中将给出本文单元对于层合板问题的详细数值算例。

基于局部变形理论的非均质地层中预应力锚固受力分析

将非均质地层中的预应力锚索沿锚固段离散为一系列子锚固段,导出基于局部变形理论的各子锚固段理论解,并由子锚固段之间的相互作用关系分别建立非均质地层中拉力集中型和压力集中型预应力锚索锚固分析方法,编写了相应的分析程序。对位于非均质地层中的拉力型和压力型预应力锚索在多级测试荷载作用下的响应进行分析。结果表明,所提出的分析方法和程序是可行的,特别地,对于拉力集中型预应力锚索,考虑第一界面作用效应的分析结果更符合实际。

对经典小变形固结理论固结系数的辨析

针对经典固结理论中固结系数的两种不同定义,探讨了其根源和潜在影响。对体元体积变化率的计算方法不同是导致产生两种小变形固结系数的主要原因。根据有限变形理论分析,Terzaghi(1943)和Terzaghi&Frhlich(1936)提出的小变形固结系数分别具有拉格朗日坐标和欧拉坐标的背景,均不同于Terzaghi(1923)最早得到的形式。在Gibson大变形理论研究中涉及的小变形固结系数是按Terzaghi&Frhlich定义的,在此前提下所得的大、小变形法结果差异的定量结果可能具有一定局限性。从应用角度看,两种固结系数之间的差别与荷载大小和土体的结构性等因素有关。

基于有限变形理论的非连续变形分析方法改进

非连续变形分析(DDA)方法将研究对象离散为块体单元,属于离散介质计算方法的一种。原有的DDA计算理论建立在小变形、小转动假设的基础上,通过时步的累加来模拟大变形、大转动,计算时会因此而产生误差,尤其是当块体发生大转动时往往会产生较大误差。采用有限变形理论对现有的DDA程序进行改进,计算时根据有限变形几何场对每一时步的计算结果进行更新,并通过2个算例对改进后的程序进行验证。结果表明,改进后程序可以很好地处理大转动问题,消除转动所带来的误差,并且在处理小位移、小转动问题时仍然有效,拓宽了DDA的使用范围,可作为工程计算的有效工具。

膨胀土胀缩变形的有关理论及其评析

总结归纳了膨胀土胀缩变形的有关理论，在论述各理论解释膨胀土胀缩变形机理的基础上对它们进行了简要评析，指出了有关理论的异同和内在联系。

两种有限变形力学理论的分析

为研究经典有限变形理论与和分解有限变形理论在非线性大变形力学分析中的区别与联系,在应力、应变定义的基础上,以大变形典型算例之一的有限转动与伸长为例,分别推导出该算例在这两种力学理论计算下的应力应变结果。计算结果表明:经典变形理论得出的形变张量不是唯一的;经典有限变形力学理论计算下的应力应变值要远大于和分解有限变形力学理论计算下的应力应变值。

Gibson大变形固结理论的一种连续介质力学表述

为了克服Gibson大变形固结理论的一维局限性,提出了一个新的连续介质力学模型,其中,采用第2类Piola-Kirchhoff应力和Green应变分别替代Lagrange应力和孔隙比。该模型可以考虑土体压缩性和渗透性的非线性变化以及几何非线性,并具有易于推广到多维模型的优势。结合试验资料,探讨了新模型的固结系数和对流系数的变化规律,结果表明,对流系数随着应变增加而减小,反映了大变形固结过程中土体自重效应在不断减弱。

变形稳定理论在盐岩储气库优化设计中的应用

为解决盐岩储气库洞室形状以及库群布置的优化设计问题,将变形加固理论发展和完善为变形稳定理论,把塑性余能与强度折减系数的K-ΔE关系曲线作为储气库群的整体稳定性判据。在变形稳定理论的基础上,对不同形状和布置方式的洞室的整体稳定性进行定量评价,优化分析了洞室形状以及库群的布置方式,进而获得最具安全稳定性的洞室形状和布置方式。研究结果表明,变形稳定理论为盐岩储气库洞室形状和洞群布置方式的优化设计提供了一套实用有效的分析理论和方法。