Elasticity Solution of Composite Material Wedge Loaded with a Concentrated Moment

The complex variable functions are used and analyzed for the solving the mechanic problem of composite plates. The stress boundary condition for composite material wedge is considered. By constructing new stress function, the mechanic analysis of the composite material wedge subjected to a concentrated moment is conducted. The stress boundary problem is studied and the basic governing equation is solved by using the complex function method. The formulae of the stress fields are derived for the wedge loaded with a concentrated moment.

三维修正高精度广义胞元法及其在复合材料宏细观弹塑性力学分析中的应用

高精度广义胞元法(HFGMC)是模拟分析多尺度复合材料的有效技术方法.修正高精度广义胞元法(MHFGMC)的提出,在高精度广义胞元法位移插值函数基础上引入了二次耦合项,改善了剪切场计算精度不足的问题.本文提出了三维修正高精度广义胞元法理论,通过引入由局部坐标的高阶勒让德多项式表示的非弹性应变场和高阶的应力场,建立了三维复合材料弹塑性宏观应力应变关系式.通过对三维复合材料的宏观力学性能和细观应力场的预测,与有限元方法结果进行了对比验证.三维修正高精度广义胞元法结合局部坐标下塑性应变场,在不引入其他变量的情况下,不仅能够预测复合材料弹塑性应力应变响应,还能有效预测复合材料的细观剪切应力分布.

应用综合震源机制解法推断鄂尔多斯块体周缘现今地壳应力场的初步结果

利用2007年8月1日至2013年7月21日发生在鄂尔多斯块体周缘的8499个地震的49844个P波初动符号资料,应用综合震源机制解法获得了鄂尔多斯块体周缘0.25°×0.25°的精细地壳应力场,所得应力场结果基本上覆盖了整个鄂尔多斯周缘地区.研究结果表明鄂尔多斯周缘地壳应力场具有以下特征:(1)在环绕鄂尔多斯周缘的银川—吉兰泰断陷带、河套断陷带、岱海断陷带、山西断陷带和渭河断陷带内,综合震源机制解结果以正断层型为主,且综合震源机制解节面走向大体与控制断陷带边界的主要断裂走向相一致,与鄂尔多斯周缘断陷带现今的拉张状态相一致.(2)在鄂尔多斯西南缘,综合震源机制解类型主要为逆冲、逆冲走滑和走滑型,反映了鄂尔多斯块体在西南缘受到青藏高原北东向挤压作用.鄂尔多斯西南缘的应力场的主压应力方向在远处为东向,源自于青藏高原向东北挤压作用,靠近鄂尔多斯块体表现为北东—南西向.(3)P轴方位在局部地区变化较大,但总体呈现规律性变化.P轴方位在鄂尔多斯块体西缘,从南向北,主压应力轴方位更加偏北;在其北缘,由西向东,主压应力轴方位更加偏东.在其南缘和东缘,主压应力轴方位变化不大,大体上平行于控制各断陷带主要断裂走向.P轴倾角在西南缘为近水平,在其周缘各盆地内P轴倾角近直立.(4)T轴方位总体表现为北西—南东向;在鄂尔多斯周缘各断陷带内,T轴走向大体与控制断陷带主要断裂走向以及断陷盆地走向相垂直.(5)鄂尔多斯块体在其西南角受到来自青藏高原的北东向挤压和其东北角深部物质上涌形成的北西—南东向拉张力联合作用,上述作用使得鄂尔多斯块体周缘地区除西南区为挤压区外,其余区域均为剪切拉张区,与先前研究认为鄂尔多斯周缘地区处于引张应力场作用相符合,较好地解释了环鄂尔多斯周缘的断陷盆地构造,亦符合鄂尔多斯块体东西两侧的右旋剪切拉张带以及南北两侧的左旋剪切拉张带的认识.

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题,在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型,通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟,得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律,确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致,进一步证实了实验的可靠性,这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。

复合材料/金属混合结构热应力分布规律

以飞机机身典型部位复合材料与Z型长桁螺栓连接为研究对象,采用Python脚本语言编程,在ABAQUS平台建立了6种紧固长度有限元模型,模拟飞机在高空低温的飞行环境,得到了混合结构的应力、应变分布规律。数值仿真结果表明:铝梁顶部应变结果呈现中间高、两边低的现象,紧固螺栓应变结果则呈现出相反的趋势;末端紧固件承受的剪切载荷最大,而中心的紧固件剪切载荷最小;该温度场结果与已有文献的试验测试结果误差在3℃以内,对复合材料与金属混合结构的设计具有一定意义。

钢-UHPC轻型组合桥面板实桥试验研究

钢-UHPC轻型组合桥面板是一种由正交异性桥面与密集配筋的UHPC薄层通过剪力钉连接而成的新型桥面结构.为研究UHPC层对钢-UHPC轻型组合桥面结构性能的影响,以枫溪大桥为工程背景,研究正交异性钢桥面常见疲劳细节在铺设UHPC层前、后的应力幅变化.首先通过整体有限元模型确定测点位置以及加载范围,然后根据加载方案分别在铺设UHPC层前后采用三轴加载车进行低速加载试验,同时采集并整理正交异性钢桥面常见疲劳细节应力响应试验数据,最后建立了节段有限元模型并与实测结果进行对比分析.试验结果表明:铺设UHPC层后,常见疲劳细节应力响应均有明显降低,其中面板上的细节(纵肋-面板焊缝、面板对接焊缝、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝面板位置)应力幅降幅比例最大,高达75%～90%;其次为纵肋上疲劳细节(纵肋底部对接焊缝、纵肋-横隔板焊缝焊缝端部位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝纵肋位置)应力降幅约为65%～80%;最后为横隔板上疲劳细节(横隔板弧形切口、横隔板弧形切口起点位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝横隔板位置)应力降幅约为20%～50%.同时,随疲劳细节与顶面距离的减小,UHPC层对细节应力降幅的贡献明显增大.有限元模型结果与实测结果吻合较好,也得出了相似的规律.本文实测结果为推广钢-UHPC轻型组合桥面的应用提供了最直接的数据参考.

沥青混凝土与连续配筋混凝土复合式路面承载力分析

为了防止公路的早期破坏,为长寿命路面结构研究提供理论依据与技术支持,应用有限元方法对沥青混凝土与连续配筋混凝土复合式路面进行了温度场与疲劳应力分析。分析结果表明:小于4cm的沥青混凝土面层主要用于改善路面使用性能;大于4cm的沥青混凝土面层可以有效改善路面的温度场,每增加2cm,可满足15%～20%的超载要求。可见该复合式路面能够承受重载和一定程度的超载而不发生疲劳破坏。

发动机机体复合材料的疲劳性能研究

通过对发动机机体复合材料的疲劳试验，研究了短纤维热压成型工艺研制的玻纤／酚醛环氧机体材料的疲劳损伤和疲劳寿命，为发动机机体的复合材料设计和结构设计提供有价值的实验基础。

复合材料发动机机体应力场的数值计算与试验研究

采用三维有限元对复合材料发动机机体的应力场进行了数值计算。通过机体的动态实时测试，获得了机体所受真实载荷下主要点的应变响应，并通过试验对计算结果进行了验证。研究验证了复合材料制造发动机机体的可行性，并为复合材料发动机机体的结构设计提供了依据。

积分方程求解复合材料开口板的应力分布

开口结构在各种结构中所占比例非常大,因此对其强度分析具有重要的意义。复合材料开口结构的应力集中系数要明显高于均质材料,应力状态取决于材料的非均质度、孔口几何形状及荷载大小。本文根据非均质各向异性弹性理论,对含椭圆孔的正交各向异性板的孔边进行应力分析,提出了积分方程法求解方案。这里,平面的应力场是借助于保角映射的方法通过复变应力函数得到的。按所建立的数学模型对含有椭圆孔型的复合材料板进行应力分析,针对不同荷载状况和它们对孔边应力集中系数的影响进行探讨。

复合材料储能飞轮应力位移场分析及与均质材料飞轮比较

根据非均质各向异性弹性理论建立了复合材料飞轮的计算模型,得到了复合材料飞轮在工作转速情况下应力和位移计算的解析公式,给出了任一点的径向、环向应力及径向位移。并按照所建立的计算模型对不同材料对应力、位移分布的影响进行了分析比较。

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势,然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分,使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件ADINA,分析陶瓷纤维梯度增强活塞(材料梯度方程的参数不同)的温度分布和应力分布,结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线,并加以验证。

非线性复合材料杂交应力有限元的有效迭代方法

推导了面内剪应力应变关系非线性的复合材料的杂交应力有限元列式,给出了位移迭代和应力迭代的策略和步骤.提出一种非线性应力场迭代格式的改进方案,不仅提高了收敛速度,而且克服了大载荷下简单迭代法循环迭代而无法收敛的关键问题,使得所提出的非线性杂交应力元方法几乎对任意大载荷都能够收敛.数值算例表明该方法是确实可行的.

高压输电线路复合绝缘子发热机理的研究

借助于红外热像仪在实验室对含有模拟缺陷的复合绝缘子和来自现场的含有真实缺陷的复合绝缘子拍摄热像图,并与电场强度分布测量结果及解剖结果进行比较分析,研究了复合绝缘子发热的机理,指出内部局部放电引起发热,渗入缺陷的水分带来的介质损耗引起发热,护套严重老化、绝缘电阻下降引起电阻损耗发热这三种发热机理是引起复合绝缘子发热的主要原因,输电线路中的复合绝缘子的发热机理以第三种为主,该研究结果将有利于判断复合绝缘子内部的绝缘缺陷长度及严重程度。

含裂纹复合材料板的应力计算

针对含裂纹的复合材料板,根据非均质各向异性弹性理论和复变函数理论,通过保角映射方法建立精确的边界条件,解决了裂纹的边界条件问题。建立了基于准确边界条件的边界积分方程,对裂纹周围应力在不同的外载荷及不同位置的情况下进行了仿真计算,得到了含裂纹复合材料板裂纹周围应力场的精确解析解。

连续配筋混凝土刚柔复合式路面Top-Down开裂分析

针对CRC+AC复合式路面Top-Down裂缝开裂问题,通过数值模拟,分析CRC+AC复合式路面Top-Down裂缝的开裂诱因,研究温度和荷载作用下沥青面层Top-Down裂缝扩展情况。研究结果表明:沥青面层纵向和横向拉应力最大值均出现在路表处,在路表2 cm以下深度,沥青面层内的拉应力逐渐转为压应力;在轮载前端和后端处,沥青面层剪应力较大且沿路表2~3 cm深度处剪应力最大,在不同深度,轮载后端比轮载前端对应的剪应力大;由于轮载前端剪应力和拉应力均较大,沥青面层在拉应力和剪应力综合作用下更易形成横向Top-Down裂缝;沥青层温度应力随深度增加而逐渐减小,且随着深度增加,最大温度应力出现时间滞后;冬季低温季节的每天6:00前后,在温度作用下,Top-Down裂缝的裂纹尖端应力强度因子达到最大值,此时裂缝最易扩展;在非均布荷载作用下,纵向裂缝的开裂主要为张开型(I型)和滑开型(II型)开裂,拉应力和剪应力是影响纵向裂缝发展的主要因素,横向裂缝的开裂主要为II型开裂,剪应力为主要影响因素。研究成果可为CRC+AC复合式路面沥青面层的开裂控制及沥青面层的合理设计提供参考依据。

一种功能梯度材料活塞的材料梯度方程选择

应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件AD INA分析具有不同参数的材料梯度方程的陶瓷纤维梯度增强活塞的温度分布和应力分布。结果表明:陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。并根据计算结果选出最优的材料梯度方程。

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.

构造应力作用下覆岩卸压演化规律试验研究

覆岩运移是一个伴随煤层开采的时空变化而不断演化的动态过程。通过对煤层开采与岩层卸压的动态演化进行关联分析发现，伴随着煤层的开采，上覆岩层的卸压范围处于不断变化中。为了掌握卸压范围变化的规律，采用相似材料模拟试验的方法，将覆岩按层位进行划分，在各层位布设应力监测点。通过对各应力监测点采集的数据进行分析发现，在开采过程中，其上位岩层卸压范围在宏观上呈现先增加后减小并最终恒定的过程，进而得出随开采其卸压范围变化的规律，以及最大卸压区间出现的位置。并且通过加载水平应力场发现，水平应力的作用加强了岩层自承能力，削弱了岩层自重引起的卸压，岩层初始卸压层位发生了变化，卸压呈现跳跃发展。关键层结构对于岩层卸压起到了一定的控制作用。对比支承压力峰值发现，支承压力在纵向分布以35～41m为分界，分界线上受支承压力影响较小，无明显变化规律。

正交异性复合材料Ⅰ型裂纹尖端应力场研究

对正交异性复合材料板的I型裂纹尖端应力场进行了有关的力学分析,通过求解一类线性偏微分方程的边值问题,引入新的应力函数,采用复变函数方法推出了正交异性复合材料板I型裂纹尖端附近的应力场的计算公式.