基于能量等效原理的金属材料硬度预测方法

硬度是一种广泛应用于材料科学与工程实际中的力学性能参数。基于能量等效原理,对于均匀连续、各向同性、应力-应变关系符合Hollomon律的金属材料,提出了一种获取布氏、洛氏硬度的半解析预测模型,已知材料的Hollomon律参数即可预测其布氏、洛氏硬度。使用少量有限元计算确定出预测模型的待定参数,再进行更广泛的有限元计算验证预测模型,结果表明,模型预测效果良好。选取6种延性金属材料完成了布氏、洛氏硬度试验,采用该文方法预测的硬度值与试验结果吻合良好。

基于能量等效原理的颤振机理及颤振导数识别

桥梁和风是相互作用的流固耦合系统,风对桥梁的作用效应可以分为阻尼效应和刚度效应。首先基于能量等效原理将Scanlan线性颤振自激力分为纯阻尼效应项H1^*、A2^*,纯刚度效应项A3^*、H4^*和既有刚度效应又有阻尼效应的双重效应项A1^*、H2^*、H3^*、A4^*。将颤振自激力进行积分运算分别求出其阻尼效应项的做功时程和刚度效应项的无功时程并从功能角度对经典耦合颤振驱动机理进行了研究,最后通过将耦合颤振微分方程转化为功能方程形式,提出了一种基于自激力瞬时做功的颤振导数识别方法并证明了该方法的可靠性。

基于能量等效原理的K因子、柔度统一模型

当前常用裂纹试样的K因子和柔度C表达形式各异且参数的数量较多,有的裂纹试样K因子和柔度式中参数达到或超过6个,不利于计算;对于非标准试样的K因子和柔度C表达式的获取主要根据有限元分析数据而采用回归和拟合的方式,比较繁冗。针对9种Ⅰ形裂纹试样,基于Chen-Cai能量等效原理提出仅有2或3个参数的K因子、柔度C的统一模型。结果表明,K因子和柔度C统一模型与文献式、有限元结果吻合良好。统一模型的建模方法简便有效,便于工程应用,对于获得各类异型小试样的K因子和柔度C的半解析表达式十分方便。

基于等效能量原理的延性材料J(δ)阻力曲线测试新方法研究

基于等效能量原理获取的I型裂纹试样弹塑性载荷-位移关系和J积分-载荷关系半解析统一表达式,借助半解析法实现了对多种裂纹试样J阻力曲线的有效测试;采用该方法,还可很容易实现C型外缺口压缩(C-shaped outside edge-notched compression,COEC)小试样的高温J阻力曲线测试。此外,借助半解析公式确定的锐裂纹试样的实时裂纹扩展长度,亦可实现延性材料的裂尖张开位移(Crack tip opening displacement,CTOD,δ)阻力曲线测试。

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。

基于能量等效的混凝土结构疲劳断裂仿真分析方法

为了实现混凝土结构损伤-断裂的全过程分析,推导疲劳裂纹扩展与疲劳损伤区演化之间的耗散能等效关系,将离散的裂纹转化为等效损伤区,采用连续介质力学的有限单元法,对于损伤与完好区域分别采用不同的弹性模量来模拟,并将TrishaSain等提出的2D分析方法推广到3D复杂应力状态下,采用通用的有限元分析软件,实现混凝土疲劳裂纹扩展及其刚度、强度衰减过程的仿真。通过对文献疲劳试验的模拟分析,结果表明本方法能准确模拟开裂混凝土构件疲劳失效过程。

碾压混凝土拱坝等效本构模型研究

由于施工方式的影响,碾压混凝土坝在碾压层间出现结合面夹层,夹层的存在对其力学性能有较大的影响,夹层强度、刚度较低,形成结构破坏控制面。为计算层状结构体的应力应变分布,根据能量等效原理,把层状结构体转换为横观各向同性体,建立了一个连续等效模型,根据等效模型的计算结果进一步计算本体和夹层之间的应力、应变,使得计算工作量大大减少。连续等效模型与单元尺寸、夹层的数量无关,便于根据实际情况对坝体进行灵活的有限元网格剖分,通用性强,而且该模型能够计算夹层开裂后的情况,可用于坝体非线性损伤开裂分析。

半无限大弹性地基等效刚度公式及其应用

根据Mindlin关于一集中力作用在半空间弹性体中的位移公式,采用能量等效原理推导出半无限大弹性地基考虑基础埋深时基坑底部的法向等效刚度和切向等效刚度公式、基坑坑壁的法向等效刚度和切向等效刚度公式。同理根据Boussinesq关于半空间体在边界上受法向集中力的位移公式和Cerruti关于半空间体在边界上受切向集中力的位移公式,推导出不考虑基础埋深时地基的法向等效刚度和切向等效刚度公式,以及运用这些公式计算出半无限大弹性地基取不同地基土时的等效刚度。最后举例说明了这些等效刚度公式在分析高层和超高层建筑的上部结构、基础、地基的共同工作时的应用。

大型空间柔性桁架结构等效建模与动力学分析

大型空间柔性桁架结构具有周期性、大柔度、构型复杂等特点,其等效建模是进行振动控制器设计的关键性技术之一。基于能量等效原理和经典Timoshenko梁理论,对刚性连接的大型空间柔性正三棱柱桁架结构进行了等效建模与动力学分析,采用Taylor展开方法推导了等效梁模型的刚度和质量表达式,对比分析桁架结构与等效梁模型的固有振动特性,二者吻合较好。数值结果表明了等效方法的有效性且等效梁模型具有较高的精度。

基于BUCK变换器非爆炸本安评价系统研究

应用在煤矿等危险环境下开关变换器必须满足防爆要求,本安型变换器必须在GB 3836标准的爆炸试验平台测试其是否满足输出本安的要求,这种方法耗时过长、不能直接指导本安电路的设计与制造。为了方便评价BUCK变换器的输出本安性能,以电容电路最小点燃电压曲线的数值拟合为依据,建立了输出本安性能评价系统。利用能量等效原理将BUCK电路等效变换为电容电路,并采用最小二乘法对电容电路的最小点燃曲线进行拟合,实现了最小点燃曲线的数值化;其次,利用仿真软件搭建了可以通过界面显示的本安判据结果的评价系统。最终采用2组实验结果对本安评价系统进行测试,验证了所搭建本安评价系统的可行性。

手风琴式蜂窝材料等效弯曲和扭转刚度分析

手风琴式蜂窝材料因其零泊松比和大应变特性,日益受到航空界的关注。将手风琴蜂窝材料等效为均质正交各向异性薄板,提出了基于能量等效原理的手风琴蜂窝材料等效弯曲刚度和等效扭转刚度的理论分析方法,得到了等效刚度系数的解析表达式,并分析了其对胞元结构参数的敏感性。建立了手风琴蜂窝板的参数化模型,并运用数值仿真反演技术,得到了手风琴蜂窝材料的等效刚度系数。通过对比等效刚度系数的理论解与反演解,表明了该理论分析方法的可行性和正确性。

基于能量法的钢骨超高强混凝土柱-混凝土梁节点地震损伤分析

为了研究钢骨超高强混凝土(SRUHSC)柱-混凝土(RC)梁框架节点的地震损伤,在12个框架节点低周反复加载试验基础上,分析损伤发展规律。根据能量等效原理,以框架节点在外力所作功为初始总能量,建立了框架节点地震损伤定量计算方法,并对地震损伤指数增长规律进行了分析。分析了配箍率、轴压比、钢骨形式3种试验参数对地震损伤指数的影响。进而提出了SRUHSC柱-RC梁框架节点的地震损伤评定模型。结果表明:基于能量法建立的地震损伤指数和评定模型,能较好地反映在低周反复荷载作用下SRUHSC柱-RC梁框架节点的损伤状态,该结果可为此类结构的抗震加固修复提供理论参考。

用于金属材料单轴本构关系估算的长条形试样小冲杆试验方法研究

常规的小冲杆试验技术获取宏观材料的力学性能主要是通过经验关联法。但是经验关联法受小冲杆试验装置和试样尺寸的限制,尚没有一个统一的、公认的经验关联公式。为实现小冲杆试验技术获得材料的半解析解公式,采用新型长条形小冲杆试样,基于能量等效原理并结合有限元计算,提出了关于该试样的Chen-Cai半解析方程的4个系数,进而提出了依据长条形小冲杆试样的载荷-位移曲线估算金属材料的单轴本构关系的新型试验方法。针对Q345R钢和904L不锈钢,新方法的单轴本构关系估算结果与单轴拉伸试验结果较为吻合。

基于损伤塑性模型的开孔板剪力键混凝土损伤因子取值方法探索

文章以现行混凝土规范的应力应变关系为基础,基于Sidoroff能量等效原理,推导出计算混凝土损伤因子的取值公式。对同一问题描述分别采用图解法、Mander法、Najar损伤理论法和张劲公式法进行计算,将其结果对比以验证该方法的正确性,并分析其他各方法的适用性及存在的问题。用某大跨悬索桥锚碇试验的部分试件模拟分析,验证该方法所得计算参数在局部受力复杂的混凝土结构分析的可靠性。结果表明:该损伤因子的取值方法是正确的,与其他取值方法对比而言具有明显的简便性,用该方法所确定的参数对受力复杂的混凝土部件的模拟分析也是可靠的。

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。

基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法,但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少,现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数,根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应,应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数,并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明:利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应;基于一致的系统线性机械参数,新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同,而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性;当新方法考虑非线性机械参数时,其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合,并且新方法更为简便。

预测铝合金单轴力学性能的复合型双锥压入法

锥形压入作为一种发展较早的压入测试手段,可在一定范围内实现材料单轴力学性能的唯一获取,但目前仍存在稳定性和简便性等方面的缺陷。为避免传统锥形压入需要两个或以上压头分别压入不同位置且压点之间存在匹配性等问题,创新地设计和使用了复合型双锥压头。基于能量等效原理建立了锥形压入的弹塑性加载模型,并通过较大范围的数值计算验证了该模型的准确性。通过关联复合型双锥压入与单锥压入的响应曲线,发展了一种复合型双锥压入方法(Composite dual-conical indentation method,CDIM)。针对3种铝合金,利用复合型压入试验获得了稳定的载荷-深度曲线,并结合CDIM预测了材料的单轴应力-应变曲线。结果表明,复合型压入预测结果与单轴拉伸结果较为一致。