面向缩聚模型的结构损伤识别研究

为了减少结构健康监测系统中传感器的数量,创新性地结合缩聚原理和自适应二次乘方和误差法提出了一种面向缩聚模型的结构损伤识别方法.根据模型缩聚原理对结构有限元模型进行了缩聚,依据缩聚后有限元模型、利用自适应二次乘方和误差法对结构参数进行了识别和追踪,从而实现了结构损伤的识别.对某一大型平面桁架结构进行了仿真,期间考虑了白噪声和地震波的影响;对某一悬臂梁结构进行了实验,以研究白噪声、正弦、拟El-Centro 3种激励下的6种情况.结果表明:所提方法只需使用少量的传感器便可精确地识别出结构中损伤的发生时刻和损伤的程度及位置,仿真结果的最大误差小于3%,实验结果的最大误差小于5%.

基于不完全测量的结构损伤识别研究

自适应序贯非线性最小二乘法是一种新型的损伤识别方法.为了减少结构中传感器的数量,将有限元模型缩聚理论与自适应序贯非线性最小二乘法相结合,用于结构的损伤识别——基于缩聚模型的自适应序贯非线性最小二乘法.为了验证该方法的有效性,对一悬臂梁结构进行了试验研究,研究中考虑了白噪声、正弦、和EL-Centro地震波三种激励下的六种工况.研究结果表明,基于缩聚模型的自适应序贯非线性最小二乘法是一种有效的结构损伤识别方法,根据该方法,只需要使用少量的传感器即可准确地识别出结构中损伤的发生时刻、损伤的程度和位置.

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型。将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模型。模拟了典型编织角材料的细观损伤起始、扩展和最终失效过程,分析了材料的细观损伤失效机理,并基于所得应力应变曲线预测了材料的拉伸强度。数值结果与试验结果基本吻合,说明了损伤预测模型的合理有效性。

复合材料对称元件的缓冲吸能性能研究

复合材料对称元件的缓冲吸能特性受到越来越多的关注,并已在工程中得到应用。试验研究表明在相同重量下,设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量。在笔者的研究基础上,综述了复合材料对称元件缓冲吸能性能试验研究的主要成果,包括元件的宏观压溃模式、载荷-位移曲线、微观破坏形式和影响因素,然后论述了复合材料对称元件缓冲吸能特性分析研究的代表性成果,比较了这些分析模型之间的优缺点,并提出了应进一步研究的内容。

平面六节点等参应力奇异单元的精度研究

研究一种平面六节点应力奇异单元的计算精度问题。首先证明该单元具有1/槡r阶奇异性,然后用此单元计算同质材料中的裂纹和双材料界面裂纹的应力强度因子与裂尖应力分布,讨论裂纹尖端奇异单元的尺寸以及在奇异单元与常规单元之间布置一层过渡单元对精度的影响。研究发现,当布置在裂尖的奇异单元边长与裂纹长度的比值在0.1～0.2时,能得到足够精确的解答;而在此范围之外,随奇异单元尺寸进一步增大或减小,精度都会有所下降。对于同质材料中的裂纹以及模量比在10倍之内的双材料界面裂纹,布置过渡单元可以提高精度;而对于模量比大于20倍的界面裂纹,不设置过渡单元的计算结果却与理论解更接近。

非各向同性材料小范围屈服下裂尖塑性区研究

基于各向异性弹性力学的Stroh理论和Tsai-Hill非各向同性强度理论,预测非各向同性材料单一型和混合型裂纹裂尖塑性区的形状与大小,研究横向剪切强度以及材料主方向与裂纹坐标方向夹角θ等参数对裂尖塑性区的影响。研究发现,当材料反平面剪切强度相对面内强度较小时,反平面剪切应力对裂尖塑性区形状、尺寸的影响显著;反之则较小。偏角θ也会明显影响裂尖塑性区的尺寸和形状。

缝合复合材料中缝线阻滞层间裂纹扩展研究

缝合复合材料层合板的层间剪切强度是影响其设计和应用的重要因素。采用三点弯的试验原理在万能材料试验机上对目前常用的一种缝合复合材料,进行层间裂纹扩展的实验观察研究。实验参考相关的试验标准,研究结果表明:由于缝线的存在,有效地阻止了材料的分层破坏,进一步说明缝合可以有效地抵抗复合材料层合板的分层问题;同时分层的位置并不一定总是在试验件的中间层上,并且各分层出现跨层延伸,说明层合板面内的纤维也出现了破坏,破坏机理是多重的。

双轴载荷下缝合层板的强度预测

基于缝合层板单层单胞细观力学模型,研究了单层板在拉、压、剪下的力学特性。根据经典层板理论建立了缝合层板在双轴载荷下的强度模型,并考虑了缝合造成表面层和内部层刚度和强度的差异。通过有限元软件ABAQUS分析了双轴载荷多种工况下缝合层板的损伤演化过程,揭示了缝合层板的失效机理,获得了缝合层板在双轴载荷下的失效包络线以及对应比率载荷下的应力应变曲线。所预测的失效模式和失效强度与实验取得了较好的吻合。通过分析表明缝合层板单层在剪切载荷下表现出一定的非线性特性。多轴多向层板在双轴载荷下表现出较强的耦合性。

纳米金刚石中(Ⅰ/Ⅱ)复合裂纹的分子动力学研究

利用基于第二代Brenner作用势的分子动力学方法,模拟单晶纳米金刚石在边界层圆盘模型近似(Ⅰ/Ⅱ)复合载荷作用下裂纹尖端微观结构演化,计算等效应力强度因子Keff。发现含(010)[100]裂纹和含(110)[110]裂纹的金刚石起裂时,裂纹端部具有不同的断裂模式,临界等效应力强度因子Kceff变化也不同;(010)[100]裂纹在加载复合角θ变化过程中Kceff很接近;而(110)[110]裂纹在θ>60°后,Kceff大幅增加,表明金刚石起裂的异向性质。

基于小波方法的时变动力系统参数识别

针对离散时变动力学系统,运用Daubechies小波对其激励和系统响应信号作小波变换,将变换后的响应和激励代入微分方程,利用Daubechies小波尺度函数的正交性,将微分方程转换成简单的代数方程组,求解方程组,从而识别出时变系统的物理参数。推导了单自由度和多自由度线性时变系统的参数识别方程,介绍了小波系数的计算方法,阐述了系统时变参数的识别思路。通过对系统参数连续、周期和突变3种时变情况进行仿真研究,证明了方法的正确性和有效性。

状态空间下基于小波变换的时变系统参数识别

基于状态空间和小波理论提出了时变系统的参数识别方法。该方法将线性时变系统的二阶振动微分方程转化为状态空间里的一阶微分方程组,再对系统的自由响应数据进行小波变换,利用小波尺度函数的正交性,又将一阶微分方程组的求解转化为线性代数方程组的求解问题。识别出等效的系统转移矩阵,再利用特征值分解,可以得到系统的模态参数,然后将等效的系统转移矩阵与实际物理模型中的质量、刚度和阻尼矩阵对照,识别出系统的刚度和阻尼矩阵。以4层楼房剪切模型为例,对突变、线性变化和周期变化3种情形下的时变参数进行了识别,仿真算例验证了该方法的正确性和有效性。

利用序贯非线性最小二乘技术识别隔震支座模型的参数

为了研究隔震橡胶支座的力学特性,采用简化的Wen模型分析隔震支座的非线性动力行为,并用实验方法测试得到了该模型的力学相关参数。鉴于该模型具有高度的非线性,传统的参数识别方法不再适用,根据非线性系统状态参数估计理论,利用序贯非线性最小二乘方法估计该迟滞模型的非线性参数。该方法具有输入量少、计算精度高、易于实现的优点。通过进行两种地震波激励下的振动台实验,分析结果表明,这种简化的Wen模型能够模拟隔震支座的动态力学行为,而且应用该方法得到的隔震支座的模型参数与实际值比较一致,从而证明了该方法在橡胶隔震支座检测和健康状态评估中的有效性。

水平井眼中钻柱的螺旋屈曲分析

水平井眼中钻柱的螺旋屈曲问题是一个非线性多解问题,现有的螺旋屈曲近似解和解析解之间差异较大。对各种解进行分析,发现有些近似解不满足事先做出的假设,现有的解析解也存在一些局限性。基于小参数摄动法,求解了在给定边界条件下的此问题的近似解,并应用符号运算软件Maple11对有实验数据的例子进行了求解。对比发现,本文中给出的临界载荷与实验数据吻合较好。

矩形厚板弹塑性屈曲的微分求积法分析

笔者首次采用微分求积法分析了矩形厚板的弹塑性屈曲问题。为了考虑横向剪切变形的影响,采用了Mindlin板理论和全量理论和增量理论,推导了相应的控制微分方程与内力的表达式。为了验证所推导的公式和求解算法,将本文结果与现有文献中的结果(包括精确解)进行了对比,然后给出了一些新的结果,并指出了两种理论结果之间差异大的原因是由于增量理论产生了大的等效应变从而违反了建立方程时的小变形假设,因此增量理论得到的结果是不可信的结果。

纤维复合材料粘弹性动态性能的细观力学分析

建立了纤维增强复合材料粘弹性动态性能的细观力学模型。首先建立了树脂基体相各向同性的粘弹性模型,模型参数由纯树脂基体材料的蠕变试验获取,在此基础上分别建立了针对单向和正交铺层复合材料的横观各相同性、正交各相异性的细观粘弹性模型。对单向、正交铺层复合材料进行了静态和动态试验,分别通过试验和上述理论模型得到了其阻尼比、动态储存模量、损耗模量和损耗因子,理论预测与试验结果吻合。

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型,引入周期性边界条件,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟,并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量,建立了含损伤材料的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明:基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好;Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据;不同编织角材料的失效机制不同。

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化,采用纤维束截面六边形假设,建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件,基于细观有限元方法,对编织材料的弹性性能进行预测,讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响,并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明:单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征,实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立;基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合;模型给出了单胞合理的应力场分布,为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验,研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明:基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式,缝合层板具有更好的抗冲击性能,更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好,冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层,减少45°、-45°方向铺层,可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。

一种新的柔性蜂窝结构及其在变体飞机中的应用

变体飞机要求机翼结构可以光滑连续地变形。机翼的蒙皮要有足够大的面内伸缩变形能力,同时还要有足够的面外承载能力。本文针对后缘变弯度机翼,设计出一种新的柔性蜂窝结构。研究了该柔性蜂窝的面内变形能力和形状参数的关系。仿真分析和试验验证表明,该柔性蜂窝结构具有足够的面内变形能力,变形后仍保持良好的面外承载能力,满足后缘变弯度机翼的使用要求。

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型.该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化.针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性.同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响.