A global-local finite element analysis of hybrid composite-to-metal bolted connections used in aerospace engineering

Efficient bolted joint design is an essential part of designing the minimum weight aerospace structures, since structural failures usually occur at connections and interface. A comprehensive numerical study of three-dimensional(3D) stress variations is prohibitively expensive for a large-scale structure where hundreds of bolts can be present. In this work, the hybrid composite-to-metal bolted connections used in the upper stage of European Ariane 5ME rocket are analyzed using the global-local finite element(FE) approach which involves an approximate analysis of the whole structure followed by a detailed analysis of a significantly smaller region of interest. We calculate the Tsai-Wu failure index and the margin of safety using the stresses obtained from ABAQUS. We find that the composite part of a hybrid bolted connection is prone to failure compared to the metal part. We determine the bolt preload based on the clamp-up load calculated using a maximum preload to make the composite part safe. We conclude that the unsuitable bolt preload may cause the failure of the composite part due to the high stress concentration in the vicinity of the bolt. The global-local analysis provides an efficient computational tool for enhancing 3D stress analysis in the highly loaded region.

Global-Local Finite Element Analysis for Predicting Separation in Cord-Rubber Composites of Radial Truck Tires

A global-local finite element modeling technique is employed in this paper to predict the separation in steel cord-rubber composite materials of radial truck tires. The local model uses a finite element analysis in conjunction with a glob-al-local technique in ABAQUS. A 3-dimensional finite element local model calculates the maximum cyclic shear strain of an interface between steel cord and rubber materials at the carcass ply shoulder region. It is found that the maximum cyclic shear strain is reliable as a result of the analysis of carcass ply separation in radial truck tires. Using the analysis of the local model, a study of the cyclic shear strain is performed in the shoulder region and used to deter-mine the carcass ply separation. The effect of the change of carcass ply design on the separation in steel cord-rubber composite materials of radial truck tires is discussed.

Local and parallel finite element algorithms based on two-grid discretization for steady Navier-Stokes equations

Local and parallel finite element algorithms based on two-grid discretization for Navier-Stokes equations in two dimension are presented. Its basis is a coarse finite element space on the global domain and a fine finite element space on the subdomain. The local algorithm consists of finding a solution for a given nonlinear problem in the coarse finite element space and a solution for a linear problem in the fine finite element space, then droping the coarse solution of the region near the boundary. By overlapping domain decomposition, the parallel algorithms are obtained. This paper analyzes the error of these algorithms and gets some error estimates which are better than those of the standard finite element method. The numerical experiments are given too. By analyzing and comparing these results, it is shown that these algorithms are correct and high efficient.

Numerical simulation of strain localization and damage evolution in large plastic deformation using mixed finite element method

An investigation of computer simulation is presented to analyze the effectsof strain localization and damage evolution in large plastic deformation. The simulation is carriedout by using an elastic-plastic-damage coupling finite element program that is developed based onthe concept of mixed interpolation of displacement/pressure. This program has been incorporated intoa damage mechanics model as well as the corresponding damage criterion. To illustrate theperformance of the proposed approach, a typical strain localization problem has been simulated. Theresults show that the proposed approach is of good capability to capture strain localization andpredict the damage evolution.

Local and parallel finite element algorithms for time-dependent convection-diffusion equations

Local and parallel finite element algorithms based on two-grid discretization for the time-dependent convection-diffusion equations are presented. These algorithms are motivated by the observation that, for a solution to the convection-diffusion problem, low frequency components can be approximated well by a relatively coarse grid and high frequency components can be computed on a fine grid by some local and parallel proce- dures. Hence, these local and parallel algorithms only involve one small original problem on the coarse mesh and some correction problems on the local fine grid. One technical tool for the analysis is the local a priori estimates that are also obtained. Some numerical examples are given to support our theoretical analvsis.

一种基准关联的空间尺寸远心视觉测量方法

针对具有横截面外伸尖端特征的长轴工件,本文研究了一种基准关联的空间尺寸远心视觉测量方法。该方法首先利用远心成像实现较长尺度工件的局部待测要素的图像特征提取和位置测量,而后建立局部待测要素与相机成像视场以外的轴线基准要素的测量传递链,将局部要素经计算转化成全局径向尺寸,从而实现超过成像视场尺度的快速精密测量。构建了测量实验环境,对方法的有效性进行了验证,对误差进行了溯源和分析并给出了进一步提升精度的建议。本方法能够在远心平行投影条件下实现对立体工件的空间几何量测量,特别适用于对速度和精度均要求较高的在位测量应用场合。

改进蚁群算法的送餐机器人路径规划

蚁群算法拥有良好的全局性、自组织性、鲁棒性,但传统蚁群算法存在许多不足之处。为此,针对算法在路径规划问题中的缺陷,在传统蚁群算法的状态转移公式中,引入目标点距离因素和引导素,加快算法收敛性和改善局部最优缺陷。在带时间窗的车辆路径问题(vehicle routing problem with time windows,VRPTW)上,融合蚁群算法和遗传算法,并将顾客时间窗宽度以及机器人等待时间加入蚁群算法状态转移公式中,以及将蚁群算法的解作为遗传算法的初始种群,提高遗传算法的初始解质量,然后进行编码,设置违反时间窗约束和载重量的惩罚函数和适应度函数,在传统遗传算法的交叉、变异操作后加入了破坏-修复基因的操作来优化每一代新解的质量,在Solomon Benchmark算例上进行仿真,对比算法改进前后的最优解,验证算法可行性。最后在餐厅送餐问题中把带有障碍物的仿真环境路径规划问题和VRPTW问题结合,使用改进后的算法解决餐厅环境下送餐机器人对顾客服务配送问题。

Maximal elements and generalized games involving condensing mappings in locally FC-uniform spaces and applications(Ⅰ)

First, the notions of the measure of noncompactness and condensing setvalued mappings are introduced in locally FC-uniform spaces without convexity structure. A new existence theorem of maximal elements of a family of set-valued mappings involving condensing mappings is proved in locally FC-uniform spaces. As applications, some new equilibrium existence theorems of generalized game involving condensing mappings are established in locally FC-uniform spaces. These results improve and generalize some known results in literature to locally FC-uniform spaces. Some further applications of our results to the systems of generalized vector quasi-equilibrium problems will be given in a follow-up paper.

单点系泊液滑环驱动臂设计与验证

驱动臂是驱动液滑环与浮式生产储油轮(floating production storage and offloading,FPSO)之间发生相对转动的重要连接组件,避免连接传递偏心荷载引发密封失效是该装置的设计关键。依托南海奋进号FPSO液滑环的国产化项目,本文设计了一种多点铰接形式的柔性连接驱动臂,通过有限元分析校核了驱动臂设计结构的静态强度和疲劳强度。通过开展驱动臂的动态摇摆与旋转试验,验证了往复摆动工况下驱动臂的驱动功能与载荷传递性能,为FPSO单点系泊液滑环的国产化提供了重要参考。

825合金在含单质硫高温高酸性环境中的局部腐蚀行为

在132℃、H2S分压4.8MPa、CO_(2)分压1.6MPa、氯离子质量浓度42750mg·L^(-1)的气田模拟地层水中,通过腐蚀挂片试验研究了825合金在含单质硫(每升地层水中包裹合金的单质硫质量为10g)与不含单质硫条件下的局部腐蚀行为。结果表明:在不含单质硫条件下825合金几乎不发生腐蚀,腐蚀6d时的腐蚀速率仅为0.0077mm·a^(-1);添加单质硫腐蚀3d时腐蚀速率达到0.0552mm·a^(-1),合金发生了严重的局部腐蚀,随腐蚀时间的延长,合金表面局部腐蚀坑面积、腐蚀坑最大深度和腐蚀速率增大。在不含单质硫条件下合金表面腐蚀产物极少,主要为FeCO_(3),在含单质硫条件下,随着腐蚀时间的延长,表面腐蚀产物增多,主要为FeCO_(3)与FeS;单质硫在高温下发生歧化反应产生H^(+)和S^(2-),使825合金表面腐蚀产物膜破裂,从而加剧了局部腐蚀。

高温下焊接Q960钢H形截面柱局部稳定设计方法

为考察焊接Q960钢H形截面轴心受压柱局部稳定性能,采用ABAQUS软件建立有限元模型,经试验数据验证后,分析翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件温度、构件长细比、初始几何缺陷和残余应力等参数对焊接Q960钢H形截面轴心受压柱局部屈曲强度的影响。研究表明,轴心受压柱的局部屈曲承载力主要与截面尺寸及构件温度有关。采用多国规范对试验试件的局部屈曲承载力进行计算,发现现有规范的设计方法不适用于高温下焊接Q960钢H形截面轴心受压柱局部屈曲承载力的计算。根据有限元分析结果提出焊接Q960钢H形截面轴心受压柱局部屈曲设计方法,与试验数据和有限元分析结果的对比表明所提方法能较准确地计算焊接Q960钢H形截面轴心受压柱不同温度下的局部屈曲承载力。

基于离散元的颗粒材料中应变局部化形成与演化研究

岩土颗粒材料的应变局部化失效问题广泛存在于工程设计应用中,主要表现为介观尺度上的应变局部化现象和宏观尺度上的剪切带产生,目前在微观尺度上的形成机理尚不明确。为了系统研究颗粒集合体的应变局部化的形成与演化过程,通过使用离散单元法(Discrete Element Method,DEM)模拟了指定平面应变加载路径的真三轴试验,获取了宏观和微观尺度上的颗粒材料几何、运动以及力学信息。为了找出表征应变局部化特性的最佳特征量,比较了颗粒温度、波动位移和局部剪胀角等微观指标,发现波动位移在表征应变局部化方面与其他参数相比相关性更好,并选定其作为应变局部化表征变量。为了量化颗粒集合体从应变局部化开始产生到发育完成的具体应变区间,采用莫兰指数对波动位移的空间分布特征进行统计和分析,确定了颗粒集合体在弹塑性转换阶段的发育区间。进一步对颗粒集合体应变局部化发育区间内的波动位移空间分布进行探究,并统计不同空间区域内波动位移的概率密度函数,发现研究区域外部的局部塑性在过渡阶段停止演化,而内部塑性以逾渗模式发展。最终,通过波动位移的空间分布进行聚类分析,获得了描述介观尺度上应变局部化的团簇体模型。该模型可以将颗粒集合体宏观剪切带的形成与发育和单个颗粒的微观塑性发展相联系,刻画颗粒集合体从介观尺度上的应变局部化出现到宏观尺度上剪切带完全形成的演化过程。

塌陷区上覆加筋路基力学行为演化与变形机理细观研究

为深入揭示塌陷区上覆加筋路基力学行为演化与变形机理,本文基于室内试验建立塌陷区上覆加筋路基离散元数值分析模型,从细观层面分析不同筋材长度、塌陷区宽度、路基高度条件下颗粒间接触力链分布、颗粒间相对位移、筋材弯曲变形与拉力、土拱比等变化规律,进而探究筋材长度、塌陷区宽度、路基高度对加筋路基力学行为与变形机理的影响规律。研究结果表明:合理的加筋长度能够使筋材有效承担上部路基荷载并限制路基填料颗粒间的相对位移;本研究中当筋材长度L=500 mm时,限制路基填料颗粒间相对位移的效果最佳,此时,筋材拉力达到最大值,筋材的弯曲变形达到最小值,颗粒间接触力链形状表现为完整拱形;在锚固比相同的条件下,塌陷区宽度越大,土拱效应的发挥程度就越低,土拱比就越小,颗粒间接触力链形状由完整拱形演变为2条未闭合的斜边,随着塌陷区宽度的增加,路基变形范围和筋材变形逐渐增加,加筋效果逐渐减弱;随着路基高度的增加,能够有效限制土拱效应的退化并使土拱效应得到充分发挥,颗粒间接触力链形状由2条和路基底部具有一定夹角的斜边演变为完整拱形,筋材拉力逐渐增大,筋材水平与竖向位移均逐渐减小,路基变形范围形状由矩形变为环状椭圆形且宽度基本不变。

我国地方数据政策体系的构建进展与展望

[目的/意义]研究我国地方数据政策体系的构建情况,旨在明确各地数据政策制定的进展与提点,进而推动政策体系的优化建设。[方法/过程]对31个省级政府的数据政策进行统计,并采用文本分析法梳理政策的总体内容框架,基于此,对比与解析政策内容的地区差异。[结果/结论]我国地方数据政策的发布可划分为国家信息化发展时期、大数据发展时期以及数据要素市场化时期三个阶段;政策总体内容框架包含数据基本内涵、数据资源建设、数据共享、数据开放、数据资产化、数据安全6大要点;不同地区涵盖上述政策要点的程度不同,也显示了我国数据政策在地方层面的特点。由此,我国地方数据政策需进一步面向多元数据对象、多层数据行动、多元责任主体,实现内容的体系化建设,并为国家数据政策体系的优化发展提供参考。

学人日记视域下中国近代史学转型的“历史影像”

中国近代史学转型需要置于中国近代社会转型的大背景下加以考察,要特别关注史学转型的本土因素和史学发展的连续性,从本土、域外两个因素深入探讨中国近代史学转型的真相,既重视史学转型过程中的“他者”,也不能忽视传统史学中的“近代因子”。中国史学转型,外力只是推动作用,内部所酝酿的近代因素和自身对近代性的追求才是根本动力。中国历史学家构建的“新史学”模式和资源,主要来自欧美和日本。中国近代史学的转型,绝不是简单地移植和仿效西方史学理论与方法,而是在融合中西学术成果的基础上,根据中国内在的需要有选择地建构的。如果只关注西方学术输入的作用,忽视中国传统学术中的“近代因素”,则将不可避免地落入西方文化中心主义的解释模式。

三维原子探针的电场结构模拟研究

本文针对目前世界上被广泛使用的局部电极原子探针的样品及局部电极几何结构,通过有限元方法,结合多物理场仿真技术,研究了局部电极与针状样品的距离z、样品尖端曲率半径ρ、局部电极的入口直径φ、厚度w、开口角度α和入口长度h等参数对样品尖端附近的局部电场的影响。模拟结果表明:当z与φ的取值满足z/φ≥1时,既能在样品尖端得到较高的蒸发电场强度,又能降低局部电极对离子轨迹的影响;局部电极的厚度w和开口角度α的取值对样品尖端的电场影响较小;增大局部电极入口长度h的值有利于提高样品尖端电场强度;随着原子的蒸发(样品尖端曲率半径ρ增大),为维持原子蒸发所需的电场强度,施加在样品上的电压V与样品尖端的曲率半径ρ成正比,且所需维持的电场强度越高,施加的电压V越大。

砌体轴心和局部受压离散元仿真在教学中的应用

砌体是块体和砂浆的黏结组合材料,为了让学生更好地理解砖块体和砂浆对外力的分担作用,运用离散元方法建立了砖块体团簇模型、砂浆团簇模型,进而“砌筑”了普通砖砌体数值试件,对砖砌体分别开展轴心受压和局部受压仿真。仿真复现了砌体受压时的应力-应变关系和破坏模式,应力峰值处伴随大量砖颗粒-砖颗粒胶结接触破坏。砌体应力主要由胶结接触承担,其中砖-砖胶结接触>砖-砂浆胶结接触>砂浆-砂浆胶结接触,砂浆主要起到连接块体的作用;法向接触力承力大于切向接触力。通过仿真教学,有助于学生建立砌体宏观力学表现受控于微观结构和微观力学的认知,加深了学生对砌体受力机理和强度的理解。

局域共振弹性超材料梁禁带宽度的拓宽方法

针对传统局域共振弹性超材料存在禁带宽度窄的问题,引入非均匀分布振子设计方法,在不改变振子总质量的前提下实现了禁带拓宽。首先,采用谱元法(SEM)建立通用弹性超材料梁模型,对单、双层均匀振子超材料梁结构的振动传递特性进行分析;然后,保持振子总质量相等,提出单、双层非均匀振子超材料梁的设计策略;最后,搭建实验装置对所提结构的振动抑制性能进行测试。研究结果表明:振子间的特征频率差异越大,最终形成的禁带宽度越宽,但禁带范围内的频响曲线会大幅波动,此时可通过加入适当阻尼进行抑制,使禁带曲线变得平稳;对于双振子超材料梁,振子的质量比和阻尼均会对结构的禁带特性产生影响,在振子与梁质量相同的条件下,单层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为440、68 Hz的禁带,双层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为395、40 Hz的禁带。研究表明所提超材料结构能够有效实现振动抑制,可为周期结构的振动问题提供一种新的调控方法。

集体记忆视角下的工业设施元素价值利用与设计

目的构建集体记忆视角下工业设施元素利用与设计方法,探索基于集体记忆的工业设施保护再利用设计路径,阐释文化遗产价值,完成文化遗产的记忆元素识别提取,将记忆元素植入到工业设施的再利用中,营造工业文化遗产过去生活场景,最终重塑工业集体文化记忆。方法通过调查分析相关基础资料,形成对文化遗产的记忆认知,进行记忆元素的提取转化,将记忆元素与工业设施的情景联系结合,从物质性与非物质性记忆元素两个角度对工业设施保护再利用进行设计研究。结果通过集体记忆视角构建了工业设施元素利用与设计方法,建立了地方归属感和文化认同感,完成了工业文化遗产的价值凸显、凝聚传承,实现了集体记忆的重塑和延续。结论工业设施保护再利用研究是以集体记忆重塑为目的,用集体记忆引导工业设施再利用设计,完成记忆元素对工业设施的设计植入,达成文化遗产的形态重构、功能植入,优化厂区布局,焕发厂区活力,最终构建地方认同、完成记忆重塑,为工业设施保护再利用研究提供研究视角。

强剪切对单层晶极薄带轧制变形行为的影响

为确定最优的极薄带轧制工艺,本研究深入分析了强剪切对轧制单层晶极薄带微观变形行为和晶体转动演化的影响。采用基于位错滑移机制的晶体塑性有限元模型进行模拟,最大异速比达到1.5。建立了晶粒取向随机分布的单层晶极薄带轧制模型,以探究少晶组织的晶界作用特性。结果表明:强剪切导致单层晶极薄带轧制微观变形和晶体转动表现出显著的局部化。强剪切促进了晶粒的剪切变形,使得晶界的协调变形能力增强。在轧制区施加强剪切变形,可使已启动滑移得到扩展,主滑移带缩窄分散形成新的次滑移带,滑移更加集中和各向异性。变形后晶粒取向主要绕箔材宽度方向发生转动和分散,强剪切使转动角度增大和分散点更加集中稳定。模拟表明强剪切严重影响单层晶极薄带轧制变形的各向异性,进而导致择优取向、滑移局部化以及非均匀应力-应变分布。