弹性接触颗粒状周期性结构材料力学分析的均匀化方法(Ⅰ)——局部RVE分析

研究工作目的是建立弹性接触颗粒状组成周期性结构材料力学分析的均匀化模型。首先对具有周期性构造的弹性接触颗粒材料力学的微观 (小尺度 )与宏观两级均匀化方法的研究现状进行了简要回顾 ,进而发展了问题局部 RVE分析的有限元求解技术 ,该方法考虑了弹性接触体的粘着界面特性 ,并基于参变量变分原理提出了问题求解的参数二次规划算法 。

弹性接触颗粒状周期性结构材料力学分析的均匀化方法(Ⅱ)——宏观均匀化分析

基于文献 [1]的工作 ,给出弹性接触颗粒状组成周期性结构材料宏观力学均匀化分析新方法。该方法的特点是在对材料进行微观分析的基础上建立宏观材料的均匀化非线性数值本构模型 ,并在此基础上构造宏观分析的一致性方法。给出了数值算例 。

基于子结构的风力发电高塔系统的动力特性分析

采用子结构模态综合(Component Mode Synthesis,CMS)法和频响综合(Frequency response function-Based Substructure,FBS)法分析大型高耸装配结构风力发电高塔系统动力特性.通过子结构模态或频率响应函数(Frequency Response Function,FRF)信息综合成整体的模态或FRF信息,在保证整体分析精度的条件下提高计算效率,同时解决风电塔系统模态和FRF信息不易获得的问题.建立风电塔系统各个子结构的有限元模型和整体模型,分别使用MSC Nastran和LMS Virtual.Lab对各个子结构进行模态综合和频响综合分析,并将综合的结果与整体建模计算的结果进行对比,验证采用子结构CMS法和FBS法分析风力发电高塔系统的可行性和正确性.

2D周期蜂窝结构面内静动态压缩力学行为研究

基于"平板开缝-装配-焊接"工艺制备了以高聚物为基体的Kagome等蜂窝结构,并开展了Kagome,正三角形和菱形蜂窝结构的面内准静态压缩力学行为实验研究,实验过程中应用CCD图像采集系统和图像相关法对试件进行了全场位移监测.另外对比传统正六边形蜂窝,采用数值分析技术,模拟了低速冲击下不同蜂窝结构坍塌行为.实验结果和数值模拟均揭示了在材料用量和结构尺寸完全相同的情况下,Kagome蜂窝结构的面内能量吸收性能优于其它3种蜂窝结构,并发现了Kagome蜂窝压缩变形时所特有的局部蜂窝旋转变形.研究结果表明改变蜂窝形状和周期性排布会对蜂窝结构整体的变形模式以及能量吸收性能产生较大的影响.

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。

复合材料粘弹性本构关系与热应力松弛规律研究 Ⅰ:理论分析

基于均匀化理论研究了复合材料粘弹性分析的多尺度方法,以及复合材料等效热应力松弛规律。引入了等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系数的概念,建立了含温度变化的复合材料热粘弹性本构关系,并给出了基于均匀化理论的复合材料粘弹性松弛模量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的预测方法。对特殊复合材料的粘弹性性质进行了分析,结果表明:(1)复合材料的粘弹性本构关系具有与常规材料的本构关系类似的形式,但一般复合材料的热应力松弛规律与常规材料不同,其热膨胀不能瞬时完成,而具有明显的时变性质;(2)空心材料的热膨胀具有瞬时性质,其等效时变热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数相同,其热应力松弛规律与基体材料的松弛规律相同;(3)当各组分材料的松弛模量的各分量可分解成不同的系数与相同的时间函数的乘积时,复合材料的等效时变热膨胀系数与时间无关,其松弛规律与常规材料的松弛规律完全相同。

复合材料粘弹性本构关系与热应力松弛规律研究 Ⅱ:数值分析

给出了预测复合材料粘弹性松弛模量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的均匀化方法的有限元数值实现步骤,研究了单向纤维复合材料随温度变化的粘弹性本构关系,以及热应力松弛规律和热膨胀系数的时变特征。单向纤维复合材料的一维热变形分析数据显示了热应变对时间的强烈依赖关系;以数值形式给出的等效热应力松弛模量对时间的依赖关系表明,等效的热应力松弛模量对时间的依赖性较弱,其冲击模量和渐近模量只相差0 4%。

行波效应下结构非平稳随机地震峰值响应分析

地震运动在本质上是非平稳随机过程。对于一个典型的地震记录,如果地震平稳段持续时间较短,采用非平稳随机过程描述其地震动特性较为合理。目前被最广泛接受的地震非平稳随机振动模型是演变随机激励模型。本文将虚拟激励法和精细积分法相结合,高精度计算了结构在这种随机地震激励下的时变均方根响应,并等效转化为相应的平稳随机过程后进行结构峰值响应计算。不仅考虑了激励的非平稳性,同时高效精确地考虑了结构的动力特性和地震行波效应。能够方便地应用于大型复杂结构,特别是为大跨度桥梁抗震分析提供了高效的计算手段。实际结构算例表明平稳假设会得到偏于保守的结果。当阻尼比较小时,这种差别会更明显。采用非平稳激励模型,显然更为合理;采用本文提出的方法可以很方便地处理这类问题。

组合结构屈曲稳定性优化设计与灵敏度分析

本文研究了组合结构屈曲稳定性优化设计及灵敏度分析数值方法 ,讨论了屈曲临界荷载灵敏度对应力场和载荷的依赖关系、及其在尺寸和形状变量中的不同计算方法 ,将屈曲优化与静力和动力优化联合执行 ,在JIFEX软件中实现以解决复杂的结构优化问题。算例表明了优化方法在结构稳定性设计中的应用 。

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅰ)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(HilberHughes-Taylor)方法,Generalizedα方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。

鼻腔结构异常及其矫正术后气流场改变的数值分析

鼻腔结构的改变将伴随鼻腔空气动力学特性改变,进而促使下鼻甲等发生自适应性变化。选取鼻中隔偏曲患者并行鼻中隔偏曲矫正术,部分行下鼻甲骨折外移术,将术前和术后患者行鼻腔CT扫描,根据CT数据对鼻腔气道进行表面三维重建,运用计算流体动力学方法分析术前和术后鼻腔气道的空气动力学特征。通过研究发现,鼻腔结构矫正手术不是以双侧鼻腔气道容积对称为目的,而是应将整个鼻腔结构看作一个整体,尽可能地保护鼻腔的"绿化带",最终达到重塑鼻腔结构之目的,使鼻腔的生理功能恢复正常。

无网格模型的子结构分析

提出一种无网格模型的子结构分析方法。基于界带分析方法,处理无网格模型子结构之间的连接,能够保证各个子结构之间无缝连接,从而使无网格子结构模型与原无网格模型等价,同时还能够降低无网格刚度方程的计算规模。数值算例表明,本文方法是正确可靠的,可以保证各个子结构之间无缝连接。

非均匀刚度弹性边界结构优化设计及实验验证

为解决运载火箭地面试验过程中弹性边界刚度非均匀导致的实验误差问题,提出了基于刚度等效指标的非均匀刚度弹性边界优化设计框架。首先,针对不同载荷工况,对比真实弹性边界与均匀刚度弹性边界情况下主承力筒壳结构的边界响应,研究刚度等效指标的选取,用以表征结构刚度的非均匀性;然后,以刚度等效指标为设计目标开展非均匀刚度弹性边界结构设计,并给出不同工况下的最优结构设计;最后,基于轴压工况下的非均匀刚度弹性边界最优设计,加工制造非均匀弹性边界结构试件,开展非均匀弹性边界结构原理性实验。实验结果显示,真实弹性边界与结构优化设计的非均匀刚度弹性边界结构的力学响应吻合良好,证明了非均匀刚度弹性边界结构优化设计的可行性。

旋转三角形绳系卫星编队系统动态稳定性分析

本文研究了平动点附近的旋转三角形绳系卫星编队系统的动态稳定性问题。为了便于分析,假设系绳始终保持张紧状态,且不计系绳的质量。为了建立更加符合实际的数学模型,考虑了姿态运动和轨道运动的相互影响,即姿轨耦合,并在此基础上推导出了考虑姿轨耦合的非线性动力学方程。最后用数值方法模拟了在不同的旋转速度情况下系统的动态稳定性,模拟结果表明旋转速率越大系统稳定性越好.

不确定结构时域响应分析的多项式维数分解法

针对具有不确定参数结构,提出时域不确定性传播和量化的多项式维数分解法,确定了结构响应统计量的演变过程。首先,采用参数概率模型来描述结构参数的不确定性,建立结构动力学方程,将结构响应表达为不确定参数的函数;进一步,将所关心的结构响应采用成员函数进行维数分解,并利用正交多项式基底对成员函数进行Fourier展开;最后,应用降维积分方法进行展开系数的求解,给出了响应均值和标准差的计算表达式。在数值算例中,将本文方法与蒙特卡洛方法进行对比,结果表明所建立方法具有较高的求解效率和计算精度。

ChatGPT在计算结构力学领域的应用初探与浅析

OpenAI开发的人工智能聊天机器人ChatGPT自发布以来,受到了社会各界的广泛关注.凭借卓越的分析计算能力和良好的开放性,该模型已作为一种全新服务信息检索和问题解决的助手.平面桁架结构作为结构力学中的常见结构,在工程实践中通常采用刚度法编写计算程序;然而,初学者或缺乏力学背景的研究人员难以高质量地快速完成编程任务.本文首先简要介绍了ChatGPT的原理及应用,然后以使用ChatGPT快速生成平面桁架计算程序为例,探索并展示了ChatGPT辅助完成计算结构力学程序编制的卓越性能与具体使用方法,最后讨论了以ChatGPT为代表的生成式人工智能在计算结构力学程序开发中的应用和挑战.

红外热像技术在薄壁结构断裂力学试验中的应用

针对机身用6156铝合金焊接薄壁结构开展了断裂力学试验,并将红外热成像技术应用在传统的断裂力学试验中。通过红外热像仪采集由固有耗散和热机械耦合作用产生的变化热波。比较了用传统显微镜方法和红外热像法测量裂纹扩展速率的差异。研究表明,薄壁结构裂纹在扩展经过桁条时同时沿着母板和桁条两个方向继续扩展,且二者扩展速率基本相同。裂纹尖端塑性区的形状和大小通过红外热像法进行测量的结果同von Mises准则理论计算得到的结果接近。

海洋环境中LNG多工况转运用低温软管动力学响应研究

LNG低温软管是液化天然气深远海转运装卸的关键纽带,保证其安全可靠运行、高效持续作业对于LNG输送系统至关重要。LNG低温软管的主要应用工况有船-船并靠卸料、船-船串靠卸料及船岸加注。针对这些不同的应用工况,本文开展针对LNG低温软管的整体水动力分析和整体布置参数的敏感性分析。以直径为12英寸规格的LNG低温软管为研究对象,考虑风、浪、流等复杂海洋环境荷载的联合作用,采用Orcaflex软件对不同应用工况下的LNG低温软管进行建模、水动力分析和计算校核,研究结构的关键响应,并对低温软管整体线型设计参数及提升速度进行敏感性分析。结果表明:无论是串靠还是并靠工况,管长和两船间距增大都会导致曲率极值增大,张力极值减小;船岸加注时,提升速度会使张力极值减小,曲率极值增大。研究成果可为LNG低温软管的设计优化提供理论依据,并对FLNG卸料系统整体布置具有参考意义。

海洋柔性管道骨架层压溃的有限元分析

针对海洋柔性管道互锁型骨架层由于外部静水压力可能引起压溃失效问题,文中基于有限元分析方法,采用实体单元,建立骨架层结构三维有限元模型,研究静水外压作用下骨架层的压溃行为.分析结果显示,当不考虑几何缺陷及材料非线性时,计算得到的压溃特征值与解析方法得到结果吻合良好;当模型考虑初始椭圆度缺陷时,压力位移曲线经过一段线性变化过程后快速趋近于临界压溃值,且随着初始椭圆度的增大,临界压溃值逐渐减小;当模型进一步引入材料非线性时,骨架层的抗压溃能力显著下降,临界压溃值比理想状态下减小近一半.数值模型与结果为柔性管道抗压溃分析设计提供了有效的技术手段.

大规模动力系统改进的快速精细积分方法

提出一种针对大规模动力系统的改进的快速精细积分方法(FPIM)。以精细积分方法为基础,利用大规模动力系统矩阵的稀疏性和动力问题的物理特性,分析了矩阵指数的特殊结构,并基于此给出一种计算大规模动力系统矩阵指数及其动力响应的高效率方法。