Geometric Nonlinear Formulation for a Rectangular Plate with Large Deformation

Absolute nodal coordinate formulation for a rectangular plate with large deformation was improved. Based on nonlinear elastic theory, a precise strain expression is used to derive the equations of motion. Both shear strain and transverse normal strain are taken into account. Different from the previous absolute nodal coordinate formulation, the absolute nodal coordinates, which describe the displacement and slope of the element nodes, are separated into three parts: the absolute nodal coordinates in X, Y and Z directions, respectively, so that the dimension of the mass, stiffness and force matrices is reduced. Furthermore, by using constant matrices, which can be calculated and saved before simulation, the nonlinear stiffness matrices can be calculated by matrix multiplication for each time step, so that the computational efficiency can be improved. Finally, simulation example of a rectangular plate with large deformation was used to verify the accuracy and efficiency of the present formulation.

LARGE DEFLECTION DYNAMIC PLASTIC RESPONSE OF CLAMPED SQUARE PLATES WITH STIEEENERS

The large deflection dynamic plastic response of fully clamped square plates with stiffeners under blast load is analyzed in detail in this paper. Various relevant motion patterns and criterions are presented. The formulas of maximum permanent deformation of the plates with stiffeners are derived. The results of calculation are compared with those of experiment in [3], with good agreement shown in most cases.

爆炸载荷下矩形板弹塑性动态响应研究

舰船结构在受到高强度爆炸载荷作用时的破坏形式主要是板架的塑性大变形和撕裂。对四边约束矩形板在爆炸冲击波载荷下的塑性大变形响应进行了理论分析和试验研究。基于板的大挠度变形理论和能量守恒原理,建立了矩形板在爆炸载荷作用下发生塑性大变形的弹塑性分析方法。将理论计算与试验及数值计算进行对比,表明弹塑性分析方法有较好的计算精度和适用性。可用于计算舰船局部结构对舱内爆炸冲击波的响应,为舰船的抗爆设计提供理论依据。

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究

采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性。并利用LS-DYNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好。

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。

固支加筋方板的大挠度塑性动力响应

本文详细分析了爆炸载有作用下固支加筋方板的大挠度塑性动力响应，给出了各种可能的运动模式以及相应的判别条件，导出了最大残余变形的计算式，与文献［３］的试验结果比较表明，在多数情况下符合良好．

具有大挠度的四边固定矩形板的弹塑性动力响应

本文首先给出了四边固定矩形板在冲击载荷作用下的弹性动力响应,先求解自由振动,得到相应的本征值和本征函数,然后求得强迫振动,所得到的弹性解是解析解。弹性解一经求得,就可利用巳知弹性解求得板的弹塑性动力响应。在这个基础上可以进一步去求得在大挠度情况下的弹塑性动力响应,本文是作者过去工作〔1,2〕的进一步发展,所得的结果具有良好的规律性而且是比较合理的,说明本文不仅在弹性解而且在弹塑性动力响应方面所做的工作都是可行的。

加筋板的大挠度塑性动力响应研究

对加筋板的大挠度塑性动力响应进行了理论研究,应用单轴对称截面的线性化轴力-弯矩交互作用曲线和相关联的塑性流动法则推出了梁达到塑性弦状态所应满足的挠度条件。此外,详细地分析了梁在不同载荷情况下可能的运动模式。最后应用本文理论和有限元软件ANSYS、ABAQUS/Explicit对四边固支单向加筋板结构进行了求解。

矩形地基厚板的有限变形动力学方程

以有限变形连续体的最小加速度原理为基础 ,导出了在任意横向动力载荷作用下各类典型工程边界条件下放置于地基上的矩形厚板的有限变形运动方程 ,该方程反映了横向剪切效应、膜力效应和转动惯性效应 ;其退化形式符合公认的结果。所采用方法具有推导过程直接、简便、结果正确的特点。所得到的运动方程与几何方程、本构方程等构成地基厚板的有限变形动力控制方程 ,从而对于分析板的大变形冲击动力学问题具有意义。

大变形复合材料薄板多体系统动力学建模

对大变形复合材料薄板的多体系统动力学建模方法进行研究。基于Kirchhoff假设,法线与中面保持垂直,从格林应变的表达式出发,建立了面内应变和曲率与绝对位置坐标和斜率的关系,在此基础上推导了广义弹性力阵和弹性力阵对广义坐标的导数阵,用绝对节点坐标方法建立了大变形复合材料薄板多体系统的动力学方程,用广义α法和和牛顿迭代法求解微分-代数混合方程。对外载荷作用下的复合材料薄板进行数值仿真,通过与ANSYS的仿真结果进行对比,验证了该建模方法的准确性和快速收敛性。最后,将建模方法应用于复合材料太阳帆板展开机构的数值仿真,分析了不同铺层情况下驱动力和约束力的振动特性。

类矩形盾构施工中的SPH流体动力学应用探索

切削改良排土和盾尾同步注浆是盾构隧道掘进中与地层直接交互且不可见的2个施工环节,其相对其他内部可见工序具有更大的不确定性和风险性,且这类施工步骤中控制参数的选取决定着盾构对周围环境的影响程度。当前,较多基于网格的方法已经广泛地应用在盾构施工的各种静态、准静态或动态模拟中,但其固有缺陷阻碍了数值分析的进一步精细化研究。文章结合国内首个类矩形盾构隧道工程实例,引入一种无网格方法——光滑粒子流体动力学(SPH)来分析盾构施工中改良土体和浆液材料对象的极大变形特征及其施工动态效应,通过数值方法对比、运动机理分析以及部分算法的针对性改进,对这两种工艺中流(塑)体的大变形实时仿真和细观分析进行了创新性的应用探索,得到了部分具有指导性的结论和建议。

轴向流中平行简支弹性薄板的大挠度流固耦合的数值模拟

分析研究了轴向流中简支弹性薄板大挠度流固耦合系统的振动响应和流场特性.板结构动力学方程采用基于位移的有限元法离散;流场采用二维不可压缩粘性流体N-S方程,并用有限体积法离散;在此基础上结合动网格控制技术,建立模拟双向流固耦合作用下轴向流中简支弹性薄板的二维数值模型.利用该数值模型得到了单块简支板随流速变化流致振动特性,研究了结构大挠度的振动稳定性,分别得到了Pitchfork分岔曲线和非线性系统结构的Hopf分叉曲线.通过轴向流恒定流速下不同间距的平行两块简支弹性薄板流固耦合的数值模拟得到了的流致振动特性.

轴向流中两平行弹性薄板大挠度流固耦合系统的数值模拟

研究了轴向流中两平行弹性薄板大挠度流固耦合系统的振动响应和流场特性.板的结构动力学方程采用基于位移的有限元法离散,流场采用完全的二维不可压缩粘性流体N-S方程,用有限体积法离散,结合动网格控制技术,建立了模拟轴向流中两平行悬臂弹性薄板双向流固耦合作用的二维数值模型,实现了弹性薄板—流体—弹性薄板之间的交互作用.利用该数值模型得到了单块板的流致振动特性;发现了随着两板间距大小的不同,两板表现出三种不同的的极限环振动:同相位、异相位以及不确定相位,并得到了同相位与异相位两种振动状态下的板边界层脱落及尾流变化规律;另外,分析还发现在同相位和异相位过渡阶段,两板均表现出拍现象.

基于应变-弯矩的半柔壁喷管大挠度变形重构研究

为提高超声速风洞半柔壁喷管健康监测能力,发展了基于应变-弯矩关系的柔性壁板大挠度变形重构方法。以超声速风洞多支点半柔壁喷管为研究对象,建立了型面组件力学模型,推导了柔性壁板型面曲线的微分方程,给出了柔性壁板大挠度变形的椭圆积分表达式及解析解。基于薄板变形理论对重构算法进行了修正,采用有限元仿真分析了修正效果,修正后的最大偏差仅为修正前的10.78%。利用0.3 m半柔壁喷管实验平台开展实验验证,结果表明:在6种马赫数工况下,所提方法的变形重构结果与实验结果均能良好吻合,在喷管喉道位置坐标偏差约为结构变形的6.12%,验证了所提变形重构算法的有效性和准确性。

矩形薄板的混沌运动研究

研究了气流和面外激励共同作用下四边完全简支的矩形薄板的混沌运动行为。考虑几何大变形理论,利用Hamilton变分原理,建立了气流作用下矩形薄板的非线性振动偏微分方程;并将偏微分方程离散为常微分方程。运用线性势理论,得到了气流的气动力。用梅尔尼科夫方法得到了混沌运动存在的必要条件;数值模拟给出了振动系统的分叉图、相图和庞加莱截面,验证了必要条件的正确性。研究结果表明,随着来流速度的增加,矩形薄板会发生不稳定振动,出现混沌运动。

气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学研究

基于非线性应变和位移关系,忽略横向剪切变形,用绝对节点坐标法建立了大变形复合材料层合板几何非线性动力学模型。在此基础上,综合考虑层合板风阻和气浮台风阻的影响,建立了气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学模型。为了真实反映物体之间的约束关系,将气浮台和层合板之间的约束表示为面与面的固定约束。在单轴气浮台动力学仿真实验平台上进行了带有角位移驱动的复合材料层合板大变形刚-柔耦合动力学实验,验证了理论模型的正确性。比较了传统的点固定约束与面固定约束的计算结果差异,阐明了面固定约束的合理性。此外,分析了层合板风阻和气浮台风阻对仿真结果的影响,说明了考虑层合板风阻的必要性。

大变形硅胶板动力学建模与仿真分析

硅胶材料是一种具有非线性本构关系的不可压缩超弹性材料,与传统的线弹性金属材料相比,硅胶材料不仅要考虑几何非线性,而且要考虑材料非线性。对大变形弯曲的硅胶板进行动力学建模和仿真分析。为了解决体积锁定问题,使用缩减积分法对传统的绝对节点坐标法(ANCF)低阶板单元进行改进。通过引入罚函数,推导了Yeoh模型的弹性力阵及其导数阵,用绝对节点坐标法建立了大变形硅胶板的动力学方程,结合Newmark数值积分方法和Newton-Raphson迭代方法求解二阶微分方程。分别采用传统的ANCF低阶板单元和改进的ANCF低阶板单元,对受重力作用下的悬臂硅胶板和受到球铰约束的硅胶板进行动力学仿真,通过与商业有限元软件ANSYS的仿真结果进行比较,验证了本文建模方法的有效性。最后,对硅胶板中面上的位移云图进行了分析,从另一个角度反映了其位移和构型的变化。