水凝胶多场耦合计算力学

作为一种具有多场耦合特性的智能柔体材料,水凝胶的制备技术、性能表征与结构应用得到迅速发展。本文在分析水凝胶本构理论和结构设计的基础上,提出了水凝胶多场耦合计算力学的基本方法和范式,包括微观粗粒化分子动力学模拟和宏观耦合有限元方法等,计算了化学-力学耦合作用下水凝胶材料与结构的变形和应力,给出了多个数值算例与结果比较。研究指出多场耦合计算力学将成为水凝胶材料和结构分析的主要手段,并推动水凝胶等这类智柔材料的性能设计与工程应用。

智能软材料热-电-化-力学耦合问题的研究进展

评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研究方法.详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展.阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架.作为典型特例,针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程,证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.建立了化学-力学耦合系统的有限元列式,得到了一维化学-力学耦合问题的解析解,并通过数值算例分析了水凝胶和关节软骨的多场耦合作用.最后,展望了智能软材料多场耦合问题的未来研究重点和发展趋势.

智能软材料热""电-化-力学耦合问题的研究进展

智能软材料是指具有较低模量,在外场(如热、电、磁、化、光等)作用下能够产生较大力学响应的材料。本文评述了聚合物胶体、水凝胶以及关节软骨等典型智能软材料的多场耦合力学问题的国内外研究现状,重点讨论了这类智能软材料以化学扩散为特征的热-电-化-力学耦合的基本理论和研宄方法。详细介绍了具有代表性的国内外主要研究团体的研究进展。阐述了基于热力学理论和哈密顿原理所建立的一般性热-电-化-力学多场耦合理论框架。针对等温过程的化学-力学耦合的本构关系和控制方程。

钱令希教授发现的梁与拱结构响应函数族关系矩阵

阐发了钱令希教授《梁与拱结构函数分布图与感应图之间的连锁关系》一文的学术思想,指出从本质上看,结构响应函数族关系矩阵是材料力学的三函数关系的横向拓展和向梁与拱结构的提升。可见,钱令希教授的工作是力学领域独特的基础研究之一。此外,还介绍了(1)采用Green函数法求解了钱教授没有研究的在梁上分布载荷的情况。(2)作者及其团队首次把这一工作写进了《材料力学》教科书中。(3)给出了应用本文方法的两个例题。

三角形网格圆柱结构的轴向冲击力学性能

建立了交错排布和规则排布的三角形网格圆柱结构有限元模型,分析了这两种三角形网格圆柱结构在不同工况下的动态变形模式、承载能力及能量吸收特性。研究发现:网格结构的变形均随着冲击速度的增加而向冲击端集中,胞元壁厚对变形模式的影响较小;由于变形模式的不同,交错排布的网格结构的承载能力和刚度比规则排布的大;当冲击速度较低时,交错排布和规则排布的网格圆柱结构的吸能能力相差不大,随着冲击速度的提高或胞元壁厚的增加,两种网格结构的吸能能力和吸能效率明显增强,且交错排布的网格圆柱结构表现出更强的能量吸收能力;网格结构吸收的能量绝大部分转化为变形所需的内能,而动能所占比重较小。

智柔超材料及其力学性能的研究进展

力学超材料(或超结构)因其独特的微观结构设计而展现超常的物理和力学特性.将力学超材料设计思想与智能柔性(简称智柔)材料相结合,可以制备出具有自感知和自驱动功能的智柔力学超材料(简称智柔超材料).本文对近年来智柔超材料的研究现状和进展进行了评述,分析了此类材料的基本设计思想、变形机理及力学特性,重点关注了基于形状记忆聚合物和水凝胶智柔超材料的设计原理和性能分析方法;阐释了先进制造技术为智柔超材料发展带来的机遇,并讨论了此类材料在设计和开发方面面临的关键问题以及未来发展趋势.

噪声作用下加筋板的几何非线性随机响应

提出了一种降阶模型、等效线性化和有限元相结合的方法,对噪声荷载作用下加筋板的几何非线性随机振动进行分析。基于大挠度有限元公式,得到加筋板的非线性运动方程。为了减少计算量,建立了结构的降阶模型,然后通过DMAP语言编程将等效线性化技术集成到NASTRAN有限元软件中。针对加筋板建立了梁-板组合的有限元模型,梁单元与壳单元共用节点,并确定梁的偏置和截面属性。本方法可以分别获得梁、板单元的应力响应均方根值,并可得到加筋板有/无加筋面各自的应力分布。最后对比分析了分别由线性和等效线性化方法得出的统计动态响应结果。结果表明,该方法可用于分析加筋板的几何非线性随机响应。几何非线性因素在加筋板随机振动响应预测中起着重要的作用,尤其是在强噪声载荷下。

国家体育场大体积混凝土凝固温度的数值仿真

研究2008奥运工程——国家体育场工程中大体积混凝土的凝固温度问题,采用有限元法分析混凝土构件凝固中温度场的变化规律,并考虑实际工程中的多种边界条件、气候条件的影响.本研究对于混凝土凝固温度的控制和防护具有重要的指导意义.

鸟巢地基混凝土凝固温度应力分析与控制

研究2008奥运工程——鸟巢工程中大体积混凝土的凝固温度应力及其预防技术.采用有限(?)法分析混凝土构件凝固过程中的温度应力,并结合实际工程给出了混凝土收缩应变、徐变应变以及应力边界条件的处理方法.基于对大体积混凝土的温度应力进行数值模拟,对于预防混凝土开裂和超强区的养护措施提出了最佳解决方案,大幅度节省了时间、降低了实测成本、保证了工程质量.

板壳结构非线性动态随机响应的模态降阶分析

航空航天飞行器中的板壳结构在强噪声、高温和机械力载荷共同作用的环境中常会产生大振幅非线性随机振动响应,对非线性动态随机响应问题的模态降阶分析方法进行了综述。先介绍了模态降阶分析的基本原理,然后总结模态降阶技术的实现方法。分析每种方法的优缺点和适用范围,提出了目前研究存在的一些问题及今后的研究方向。

压电界面裂纹裂尖强度因子的显式计算公式

对常见横观各向同性压电材料(TIP)中界面裂纹的裂纹面与压电材料的极化方向成任意夹角的一般情况进行了研究,通过推导得到了计算裂尖强度因子的显式外推公式,同时给出了裂纹面与极化方向垂直的典型情况下的外推公式。这些显式计算公式为常见数值方法如有限元法及边界元法在压电材料断裂力学中的应用提供了便利。

多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用

本文针对自然界中不同种类的多孔介质,评述了包含化学效应的多场耦合力学问题的国外内研究现状.介绍了研究多场耦合问题的理论架构,并基于Biot唯象理论和热力学理论,建立了一般性的热-电-化-力学多场耦合理论,在此基础上,以化学-力学耦合理论为特例,利用相应的控制方程和本构关系,给出了线性耦合系统的变分原理,并证明了化学-力学耦合理论架构的封闭性.基于所提出的化-力耦合模型,通过数值算例解释了多孔介质中的化学-力学耦合现象.最后对多孔介质,特别是对活体生物软组织中的多场耦合研究中存在的问题进行了讨论,并展望了本领域的未来发展趋势.

基于应力约束全局化策略的板壳结构强度拓扑优化

应力约束下板壳结构的拓扑优化设计由于应力约束难以显式化和约束条件数量庞大等问题,存在建模和求解的困难。为了解决这些困难,首先,该文通过类比独立连续映射(Independent Continuous and Mapping,ICM)方法中的过滤函数,在实体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material Penalization,SIMP)方法中引进了单元重量惩罚函数和材料许用应力惩罚函数,实现了对SIMP方法惩罚函数概念的拓广。然后,该文移植了ICM方法中行之有效的应力约束全局化策略,基于拓广后的SIMP方法,构造了代替应力约束后的结构畸变能约束的近似显式化函数,建立了多工况下板壳结构拓扑优化模型。最后,采用对偶序列二次规划算法求解该优化模型,并基于Python语言在ABAQUS软件平台进行了程序实现。数值算例都取得了很好的结果,这表明该文提出的方法是可行而有效的。

纤维束分布对复合材料有效性能的影响

针对纤维束增强相在基体材料中的分布方式不同,建立了由固体基体和纤维束增强相两相介质组成的复合材料细观力学模型。假设该模型的细观结构呈周期性均匀分布,纤维束内的纤维接触是光滑的。采用二尺度展开法计算了复合材料的有效性能,得出了不同微结构分布的复合材料的刚度系数、横向弹性模量、泊松比和剪切模量随纤维束体分比的变化曲线,并将数值结果与实验数据进行了比较。研究表明,数值结果与实验数据有较好的吻合,增强相的分布直接影响到复合材料的力学性能。

巡视于此岸与彼岸之间的钱令希

1978—1998年,笔者在大连理工大学担任钱令希先生在结构优化方面进行科研、教学和指导博士生的科研助手,通过在钱老身边20年的工作,笔者领悟到：桥梁,是力学家钱令希院士的特殊情结,那是他青年、中年乃至老年,终生在心中连接＂此岸＂与＂彼岸＂的有形＂构筑物＂。