局部温差作用下压电薄膜的变形与电场分析

基于热压电理论考虑一阶和二阶变形之间的耦合对压电薄膜内部的力学和电学行为进行分析.论文推广了传统的弹性Mindlin板模型到多物理场上,建立了具有局部温度场的压电薄膜模型,作为应用,研究了局部温度变化对压电薄膜变形和电场的调控效果.利用Navier解理论求解压电薄膜在厚度伸缩变形时的位移场和电势场.接下来进行了数值研究,结果表明:局部升温(降温)会导致加载区域内的厚度拉伸(收缩)变形,同时伴随着面内拉伸(收缩)变形和二阶剪切变形,薄膜的面内变形在上表面和下表面的温度加载区域达到最大,两处区域分别产生电势阱(电势垒)和电势垒(电势阱),这表明利用局部温度场可以实现对压电薄膜变形和电场的非接触式调控.本研究是对具有热弹性效应和热释电效应的压电薄膜结构分析理论的一个扩展,为微纳米尺度器件的结构设计提供参考.

基于声学超材料的穿孔板缺陷态俘能特性研究

论文提出了一套适用于在低频段区间工作的声学超材料俘能装置.通过在含孔的声学超材料结构中制造一个局域共振缺陷态,进而将入射声波的弹性应变能集中在缺陷区域中,并利用压电晶片实现能量的转化.论文采用有限元的方法研究了元胞含孔的声学超材料在共振频率下俘获功率与电压的性能.进一步地,通过逐渐改变孔的尺寸,探究了孔径大小对俘能效果的影响.数值计算结果表明:相比于元胞不含孔的声学超材料俘能装置,通过在元胞上打孔可以明显地提高装置在低频段的俘能特性.论文提出的装置具有易加工,实用性强等优点,进一步提高了其在低频区间俘能的工作能力,具有潜在的应用前景.

基于近场动力学的梁结构振动特性分析方法研究

基于欧拉梁理论推导了两自由度梁的常规态型近场动力学(Peridynamics,PD)模型,并提出一种新的自由边界条件施加方法,对不同边界条件的PD梁进行了模态分析,与局部梁的有限元结果进行了对比,验证了模型的收敛性,分析了PD非局部参数对固有频率的影响.结果表明,当近场作用域内物质点密度较小时,PD梁模型非局部性较弱,与局部梁的有限元结果接近,随着物质点密度逐渐增大,非局部作用增强,PD梁的固有频率逐渐降低;当尺度参数趋于零时,PD梁的固有频率收敛到局部梁的有限元解,PD梁退化为局部梁.研究表明,论文提出的PD梁模型和自由边界施加方法适用于分析梁的振动特性,为采用PD方法分析梁结构的动力特性提供了参考.

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形.应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应.应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能.与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制.论文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后论文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向.

基于卷积神经网络的无网格形函数影响域优化研究

在无网格法中,离散节点之间的相互联系由节点形函数影响域的大小确定,因此形函数影响域的大小对无网格法的计算精度有着直接和重要的影响.但由于无网格形函数的形式较为复杂,目前形函数影响域大小的选择仍然缺乏系统的理论依据,通常在实际计算中仍凭借经验进行选取,难以保证计算精度.卷积神经网络是一类机器学习方法,其感受野与无网格形函数的影响域具有内在相似性,因此在形函数影响域选择方面有很好的适用性.基于该特性,论文通过引入卷积神经网络对无网格形函数的影响域进行了优化选择.首先,针对感受野和影响域的匹配关系,分析了卷积神经网络的结构设计和超参数选择,提出了一种无网格法内禀卷积神经网络结构的设计方法;然后依托该网络结构设计方法,建立了对无网格形函数影响域和数值解分别优化或同时优化的卷积神经网络.文中通过算例系统验证了所提无网格法内禀卷积神经网络对形函数影响域选择和计算结果的优化效应.

《固体力学学报》征稿简则

本刊是固体力学学科的学术性刊物。主要登载具有创造性的固体力学理论、实验和应用研究论文、各重要分支问题的评述和展望以及研究简报与学术讨论等,广泛交流学术界所取得的新研究成果,以促进固体力学学科的发展。读者对象是从事固体力学工作的科研与工程技术人员、高等院校教师和研究生。本刊有中、英文两个版本,向国内外公开发行。2.文稿必须是未在其它刊物上发表的论文。内容务求创新点明确,数据可靠,文字精炼,注意保守国家机密。一般情况下,论文不超过8000字,简报不超过4000字。

基于数字孪生的飞机蒙皮裂纹智能检查维修策略

飞机结构的检修工作需要根据裂纹扩展预测结果制定出检查时间,而裂纹扩展受到多种随机不确定因素的影响.为了综合利用基于物理知识的模型预测结果与基于检查的观测结果、有效地追踪和控制不确定性,论文提出了一种基于数字孪生的飞机蒙皮裂纹智能检查维修策略.该方法以含铆钉孔边裂纹的飞机蒙皮为研究对象,结合降阶的断裂力学仿真模型、疲劳裂纹扩展模型、裂纹长度检查数据,在动态贝叶斯网络框架下综合考虑了裂纹尺寸初始分布、裂纹扩展模型参数、飞行中的压差载荷、测量误差等不确定因素,根据损伤的概率性诊断和预测结果动态调整裂纹的检查时间.仿真结果表明该方法能够有效追踪不确定性的裂纹扩展过程,可以为飞机蒙皮裂纹的智能检查维修提供方法和依据.

基于LCF-Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

针对多失效模式下结构体系可靠度计算中的代理模型构建成本与计算精度如何权衡的问题,论文以减小体系失效概率预测方差为出发点,推导出最大贡献函数(LCF-Largest Contribution Function)来识别对体系失效概率方差影响较大的样本.LCF函数可减少对体系失效概率方差影响较小区域内样本数量,进而提高代理模型的计算效率;通过置信水平和允许相对误差建立LCF函数的学习停止条件,能够保证已有样本信息不浪费.论文选取能够对多个功能函数联合构建的多输出Kriging模型作为代理模型,基于LCF-Kriging模型并结合MCS对体系可靠度进行计算,功能函数的相关性可通过各失效模式的逻辑关系予以考虑.数值算例表明,在适当的学习停止条件下,对于串联、并联和串并混联的结构体系可靠度评估,论文方法均能在计算精度和计算效率之间达到满意平衡.

《辐照材料力学性能》专辑序言

随着我国经济的快速发展,各行各业对能源的需求与日俱增.核能作为一种清洁和高效的能源,有助于实现节能减排目标,可以有效缓解常规能源的供应压力,是最有潜力的能源体系之一.然而,2011年福岛核电站事故使核反应堆的安全性再次倍受质疑,严重迟滞了核能工业的发展.在核反应堆中,材料的服役环境异常恶劣,材料长期处于高能中子辐射的极端条件下,材料的微观结构发生显著的改变,力学性能明显退化,极其严重地缩短了材料的服役寿命.因此,提高核服役环境下结构材料的抗辐照力学性能对提高核反应堆的安全可靠性至关重要.特别地,在未来核聚变堆中,面向等离子体部件需承受中子的能量高达14 MeV,是核裂变堆的10000倍,至今尚无任何材料能满足这一工程要求.可见,深入研究材料的抗辐照力学行为,揭示辐照效应的内在机理,有利于辐照环境服役材料的开发、性能优化、安全设计及寿命评估,在核能源领域具有迫切的需求.

超低频振动能量收集器中夹片弹簧结构的建模与验证

针对一类基于夹片弹簧的压电振动能量收集器,利用材料力学莫尔积分理论建立了振荡俘能结构中夹片弹簧的等效刚度模型,通过万能拉伸试验机验证了模型精度.在此基础上,讨论了夹片弹簧刚度线性简化的两种途径:拉伸曲线线性拟合和固有频率修正.研究结果表明,从夹片弹簧拉伸曲线上看,将其等效成线性弹簧具有一定的合理性;而在实际振动能量收集器结构中,若振动加速度相对较小,通过固有频率修正法对夹片弹簧刚度进行线性简化,其幅频响应特性与非线性模型的特性相近.该研究成果为压电振动能量收集器的动力学和机电耦合模型简化提供了理论支撑.

附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器的理论建模及分析

论文建立了一种附磁阶梯变厚度压电悬臂梁的动力学模型并分析了系统的俘能特性.基于Euler-Bernoulli梁理论分段建立系统能量函数并引入非线性磁势能,利用Lagrange方程建立了系统机电耦合动力学方程;利用数值方法分析了磁间距对系统振动特性的影响,此外还研究了系统单稳态和双稳态响应,探讨了厚度比、长度比、磁间距和外激励幅值对系统动力学响应和俘能特性的影响.结果表明,磁间距是影响系统势能的主要因素,调节磁间距可使系统产生单稳态和双稳态响应,从而有效提高俘能器俘能特性;与传统等截面悬臂梁压电俘能器相比,通过优化结构参数,附磁阶梯变厚度悬臂梁压电俘能器能够发生明显的非线性振动现象,实现宽频带振动能量采集.

纳米孪晶和梯度纳米结构金属强韧特性研究进展

金属材料在航空、航天工业以及民用工业等领域具有广泛的应用,如何获取同时具备高强度和良好塑性的金属材料一直是材料、物理、力学等不同学科长期以来亟待解决的难题.传统的强化方法包括应变强化、固溶强化、相变强化、晶粒细化强化和第二相弥散强化等,均会使材料的韧性或塑性降低.近年来,实验研究发现通过界面设计和微结构调控来可以制备出高强高韧的金属材料,认为位错与各类界面的相互作用、以及微结构优化对应力集中的削弱是材料强化和韧化的主要原因.根据已有实验观察,人们通过原子尺度方法定量分析高强高韧金属材料的变形机理,揭示其强化和韧化机制;同时,发展出基于变形机理的理论模型和有限元方法定量描述高强高韧金属的力学行为.论文将重点介绍纳米孪晶金属和梯度纳米结构金属的强韧特性研究进展,并对新型纳米结构金属材料的强韧特性优化进行展望.

位移加载条件下微小尺寸单晶金属的应变突变模型及其间歇性塑性变形行为研究

微压缩实验发现,微小尺度单晶金属柱体在塑性变形过程中会发生显著的应变突变,呈现出特殊的间歇性塑性流动特征.论文以数百纳米直径的单晶Au柱体为研究对象,探讨其在位移加载条件下的间歇性流动行为.首先根据位移加载条件下的塑性变形特征,提出了分析其应变突变的三阶段模型.进一步结合经典晶体塑性理论框架的有限元方法,建立了以二阶功参量为基础的连续塑性力学模型.通过与实验结果相对比发现,新模型能够较好地描述位移加载条件下微小尺度面心立方单晶金属材料的应变突变现象,能够合理预测单晶柱体的特殊变形行为.此外,二阶功准则作为位移加载条件下应变突变现象的判据是有效的.进而使用该理论模型,探讨了微小金属柱体应变突变随机性、尺寸相关性以及率敏感性等问题.

考虑纤维断裂特征的Nb3Sn股线统计拉伸强度和失效概率

Nb3Sn超导复合股线在强磁场工程中有着重要的应用,其拉伸强度为保证和评估其长期服役安全的一个关键参数.论文从＂剪滞＂理论出发,利用基于Weibull/Possion统计理论的复合材料纤维断裂的Curtin-Zhou模型,较好地描述复合股线中Nb3Sn超导纤维碎片化过程,建立了分析超导复合股线统计拉伸强度和失效概率的模型.计算结果表明,青铜法Nb3Sn超导复合股线的拉伸强度随着初始损伤参数的增大而迅速减小;在4.2K服役温度下,当Weibull模量为8时,随着初始损伤参数的增加,股线的拉伸强度约从900MPa衰减至480MPa,与已有实验结果吻合良好;初始损伤参数约为1时,正规化方差最大.初始损伤和Weibull模量对Nb3Sn复合股线统计拉伸强度和失效概率函数的分布有着显著影响.

弹性地基圆板受集中力的快速无单元解法

论文基于无单元伽辽金法（EFGM）分析了集中载荷作用下弹性地基圆板的弯曲问题.针对问题特征提出了新的节点分布方案和点积分形式,并在此基础上对权函数参数的选取和集中载荷的处理方式作了相关研究.通过算例对比分析,论文方法正确,求解精度满足要求,且与传统无单元法相比计算速度更快.

橡胶粘结颗粒材料粘弹性性能的试验研究与离散元模拟

制备了颗粒规则四方排列和六方排列的橡胶粘接颗粒材料试样,实验测试了所制备试样在单向拉伸载荷下的应力松弛曲线和不同应变率时的应力应变曲线.基于所测试的应力松弛曲线,采用曲线拟合方法得到了所测试材料的宏观Burger’s粘弹性本构模型参数.采用离散元模型中单元间连结模型代表颗粒间橡胶粘接剂的作用,并基于试样的宏观Burger’s模型参数与离散元模型中细观Burger’s连结模型参数间的关系,建立了橡胶粘接颗粒材料的无厚度胶结离散元分析模型.最后采用所建立的离散元模型计算了所测试试样的松弛和拉伸力学性能.离散元预测结果与实验结果的对比表明,采用无厚度胶结离散元模型能较好的计算颗粒规则排列的橡胶粘接颗粒材料松弛和拉伸力学性能,但基于应力松弛实验拟合而来参数不能准确反应橡胶粘接剂在高应变率条件下其力学性能的应变率相关性.

基于主动学习Kriging模型的可靠性分析

论文采用Kriging模型代替结构真实功能函数,引入主动学习函数,序列选择最佳样本点,在每次迭代中加入最佳样本点更新Kriging模型.与直接的蒙特卡洛方法相比,主动学习Kriging模型仅需要少量的结构分析就能够得到精度较高的可靠度结果,适用于实际工程具有隐式功能函数的结构可靠性分析.论文通过三个数学算例,从最佳样本点的分布情况、功能函数的拟合程度及可靠度计算结果出发对四种学习函数进行对比研究,最后对具有隐式功能函数的悬臂板进行可靠度分析.结果表明,主动学习函数的引入,合理选择了Kriging模型所需的样本,提高了计算效率,同时,学习函数的选择对结构可靠性分析结果也存在影响.

立方晶粒正交板材瑞利波速与织构系数的关系

正交板材是由大量微小晶粒组成的正交多晶体材料,而多晶体中晶粒的取向分布(可通过取向分布函数中的织构系数来描述)影响着多晶体材料的力学性能,也必然影响着瑞利波的传播速度.将多晶体材料的织构系数引入到弹性张量中,通过特征值办法,采用线性化处理,推导出立方晶粒正交板材的瑞利波速与织构系数的关系式,并通过对正交板材瑞利波速的测量获得织构系数,其结果与超声横波纵波测量结果相吻合.

乌东德拱坝地基变形模量对上部坝体结构作用效应敏感性分析研究

水利工程中岩体作为建筑物的基础,其变形对建筑物的影响是不言而喻的.水库蓄水后,在坝体巨大推力和库水压力的作用下,基础将产生变位.当基础产生大量位移时,上部坝体结构的应力和变形将有可能出现较大改变.地基的综合变形参数与组成地基的岩体结构及其岩性有关,决定于各单层岩体的变形参数、各岩性岩体的厚度比例、岩层产状及地质构造等,用其中任何一种岩性岩体的变形参数来代替或者对所有岩体变形参数进行简单的平均都是不合理的.因此论文针对乌东德拱坝坝基地质条件较为复杂这个事实,通过基础变形模量改变所引起的坝体应力、变形的变化,研究基础变形模量变化对坝体应力、变形影响的规律,从而为乌东德拱坝坝体强度的安全评价提供依据.

材料强度对层板抗弹性能和损伤特性的影响

根据纤维增强复合材料宏细观结构特征,基于ABAQUS软件平台,建立了层合板高速冲击损伤三维有限元分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,采用三维粘弹性本构,结合Hashin失效准则模拟单层板面内损伤.利用该模型,深入研究了复合材料层板的抗弹性能和损伤特性,数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.通过数值分析,详细探讨了材料强度参数对层板抗弹性能和损伤特性的影响规律,获得了一些有价值的结论.