波形碳纳米管增强复合材料的有效刚度和局部应力的宏微观均质化数值模拟

采用分子动力学方法简化的碳纳米管等效纤维模型,利用具有精确周期性边界条件的均质化理论和宏微观均质化法分析正弦波形非连续碳纳米管的有效刚度和局部应力分布规律.结果表明,纳米增强复合材料的有效刚度和局部应力对碳纳米管的波形非常敏感,碳纳米管稍有弯曲就会导致复合材料有效刚度降低和应力传递能力的下降,为揭示复合材料中碳纳米管的增强机制和改善增强效果提供理论依据.     

石墨短纤维增强镁基复合材料

石墨短纤维增强镁基复合材料在制造工艺上比长纤维增强铝基复合材料具有优势。本文采用制造费用最低的铸造法制备出体积分数为１５％的石墨短纤维增强镁基复合材料，并研究了复合材料的界面。     

复合材料层压板刚度退化反问题研究

基于自适应线性神经网络和经典层板理论,提出一种计算复合材料单层板刚度退化的反演方法。该方法在确定的层压板载荷和应变情况下,能快速得到单层板刚度退化后的模量值,依据试验数据的反演结果证明此方法是可行的。     

复合材料离心叶轮的强度分析

在把弧形叶片等效为特定的非均质、变刚度、非各向同性的盘形夹层~([1])的基础上,分别采用解析和有限元两种分析方法对轮盘、叶片和轮盖为不同的短纤维增强复合材料的封闭式离心叶轮进行了强度分析,得到了令人满意的结果。     

罗地亚为其MMI Confident Design^TM聚合物机械性能预测技术新增三项初始功能

为客户提供具有竞争优势的技术，是罗地亚开发MMI Confident Design^TM技术的原动力。与罗地亚合作开发聚酰胺短纤维复合材料的厂商，将受益于MMI Confident Design^TM技术的模拟功能。通过该技术，可精确地计算纤维增强聚合物的机械性能，尤其是PA6．6。罗地亚致力于寻求一个预测度能与钢材模拟相媲美的工程塑料模拟方法。     

电动车复合材料电池盒轻量化设计方法

为了减小电动汽车车体的质量，分析了电动汽车电池盒的承载特点，基于刚度等效的设计方法，采用复合材料替代金属材料。应用复合材料的叠层结构力学理论对电池盒体进行叠层结构构建，建立了力学方程和优化方程，确定了复合材料电池盒的结构参数。为了验证轻量化效果，运用理论解析和有限元数值分析相结合的方法，对比了金属材料和复合材料的刚度和形变，研究结果表明：采用复合材料利用刚度等效设计法是对电动汽车零部件进行轻量化设计的有效途径，也可为汽车板型零件承载结构的轻量化设计提供借鉴。     

颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报

用细观力学的方法对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行研究,把材料简化为三相模型,陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Mori-Tanaka法建立二相胞元的刚度预报模型.结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数.据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定复合材料的平均应变,进而得到复合材料的等效弹性模量和等效泊松比以及等效刚度模量的理论计算公式,并通过对所建模型的分析,确定各参量与陶瓷颗粒含量之间的关系.     

弹性约束边界条件下复合材料层合梁振动特性研究

在一阶剪切变形理论和哈密顿原理的基础上,利用Haar小波离散方法,提出了一种简单、有效的评估一般弹性边界条件下复合材料层合梁振动特性的分析模型。结构位移变量及其相关导数的基函数分别采用Haar小波及其积分表示。在此基础上,利用边界条件求出积分过程中的常数,进而将层合梁的运动方程和边界条件进一步转化为一组线性代数方程。通过求解该线性代数方程,可得到复合材料层合梁的自由振动特性。通过数值算例对比验证了本文模型的正确性。此外,给出了复合材料层合梁的一些新的计算结果,可作为基准解为后续数值方法或解析法提供对比数据。     

基于边界积分方程法的圆弧齿轮强度分析

提出用边界积分方程法(boundary integral equation method，BIEM)进行圆弧齿轮强度分析的设汁方法。在研究中依据弹性理论的柯西型积分，建立适合于各种载荷作用轮齿不同位置的齿轮强度分析数学模型。在理论方程式建模中采用间接式边界积分方程法，以应力函数作为解析对象，直接求解齿轮应力、轮齿刚度变形等。文中方法具有理论公式推导简捷、软件设计容易、使用方便的优点。本研究还进行了软件设计和实例应用解析，并通过与其他方法的结果比较证实本方法正确有效和实用价值。     

单向拼接复合材料层合板的抗拉强度研究

碳纤维增强树脂基复合材料层合板具有较高的抗拉强度,复合材料结构设计中会遇到含铺层拼接的层合板的问题,需要考虑拼接对层合板力学性能的影响。因此建立交错拼接单向层合板的力学模型,对其层间应力和承载能力进行分析,得到单向层合板拼接位置的层间应力分布和抗拉强度的解析解,并提出有效拼接长度的概念,可用于交错拼接层合板的设计。并建立不同拼接长度的交错拼接单向层合板模型,计算得到层间应力分布,并采用渐进损伤方法预测抗拉强度,解析解和有限元方法的强度预测结果均与试验结果具有较好的一致性。含交错拼接单向层合板拼接位置的层间切应力和抗拉强度决定于材料刚度、单层厚度、界面厚度和拼接长度。     

一维粘弹材料周期结构的振动带隙研究

采用迭代法改进了一维声子晶体带隙特性计算的平面波展开(PWE)算法,以使其适用于组成材料粘弹性所导致的弹性常数随频率非线性变化的特性。将该算法应用于丁腈橡胶(NBR)和钢组成的两种结构尺寸的一维周期结构声子晶体振动带隙的研究中,理论计算和振动测试结果吻合理想。进一步的理论分析表明,橡胶材料的储能弹性模量随频率的单调增加,使得在保持禁带开始频率不变的同时大大加宽了禁带范围,在3 mm钢/10 mm NBR以及7 mm钢/10 mm NBR两种周期结构一维声子晶体中禁带宽度分别增加了36.4％和34.0％。     

功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题

利用分层模型研究功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题,借助Fourier级数及传递矩阵技术,可将该边值问题化为求解Hilbert奇异积分方程,数值求解该方程即可得到应力强度因子.数值结果表明,当裂纹较密且裂纹相对较短时,裂纹之间的相互作用比较明显;材料剪切模量在厚度方向上的变化对应力强度因子具有较大的影响.     

微机电系统中基于模态展开和边界元法的静电-结构耦合高效分析方法

为了提高微机电系统中静电-结构耦合数值计算速度,提出了一种新的针对微结构小变形的静电-结构耦合高效率数值计算方法。该方法将用于结构分析的微梁线性方程与用于静电场分析的边界积分方程相结合,微梁方程部分用标准的模态分析法处理,静电边界元方程则采用边界元法处理,并且将边界元方程用Taylor级数在微梁未变形的位置展开,以使静电计算能在微梁未变形的位置进行。同以往的常规算法相比,当微结构变形微小时,使用该方法,微结构变形后的面电荷密度可以在微结构未变形中计算,从而大大提高了静电-结构耦合数值计算效率。将该方法的计算结果与已有的文献计算结果和ANSYS的计算结果做了对比,验证了本方法的正确性,并且计算效率有显著提高。     

周期性复合材料微结构的多目标拓扑优化设计

基于多尺度均匀化方法,以组分材料用量为约束,以等效弹性模量矩阵主对角线上分量的加权组合最大为目标,建立周期性复合材料微结构的多目标优化设计模型。利用优化准则法控制设计目标与材料分布,以敏度过滤技术抑制棋盘格效应,实现微结构的构型优化。研究比较微结构网格粗细、材料组分比对不同目标元素优化结果的影响。通过典型算例验证优化模型和优化算法的有效性。     

Comparison of prediction on effective elastic property and shape optimization of truss material with periodic microstructure

This paper compares the representative volume element (RVE) method based on Dirichlet and Neumann boundary conditions with the homogenization method for predicting the effective elastic property of truss material with periodic microstructure. Numerical experiments show that, with increase of the number of the unit cell, n, the results of RVE method under the Dirichlet and Neumann boundary conditions converge towards those obtained with homogenization method from the above and below sides, respectively. For some specific types of the unit cell, RVE method gives the same results as those obtained with homogenization method, even if only one unit cell is included. For RVE method, a simple criterion for judging the existence of scale effects is whether the equilibrium of the boundary nodal forces is guaranteed under the Dirichlet boundary conditions, or whether the deformation compatibility at the unit cell boundaries is satisfied under the Neumann boundary conditions. We also discover that for a specific type of truss material, whose unit cell has no characteristic displacement defined in homogenization method, the volume average of members’ properties in the unit cell gives the exact prediction of the effective elastic properties. Finally, shape optimization technique is applied to find the optimal geometric shape of the unit cell for truss material with the maximum and minimum shear stiffness, and the numerical singularity involved is discussed as well.     

平面刚性夹杂问题的边界积分方程方法

研究了含刚性夹杂的平面弹性力学问题。由Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ公式出发，将问题归结为一组混合型边界积分方程的求解。其中外侧边界仍为常规的边界积分方程，而夹杂线上则是典型的Ｃａｕｃｈｙ型奇异积分方程，结合使用边界元及奇异积分方程算法［１］．本文对若干具有工程意义的例子作了数值计算，得到了其应力强度因子；有关结果还与文［２］作了比较，从而证明本文方法是完全可靠的，它可进一步用于解决更一般的问题。     

Topology optimization of material microstructures using energy-based homogenization method under specified initial material layout

Due to multiple local optimums in the society of periodic material microstructure deign using topology optimization, it is widely recognized that the initial microstructure configuration can significantly influence the optimal design. This study investigates the effect of different initial material layouts of microstructure unit cell upon the optimal design, and proposes a microstructure initialization scheme to alleviate the dependency of the optimal design on its initial design. The effective elastic properties of microstructures are evaluated by the efficient energy-based homogenization method. Topology optimization models are formulated to seek the best microstructures with the extreme properties or desired properties under the prescribed volume constraints. Several typical numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed scheme. Numerical results show that the proposed scheme can reduce the sensitivity of the optimal design upon optimization parameters and be beneficial to achieve a stable and rapid convergence.

     

基于均匀化方法的双向铺层层板弹性性能计算及优化设计

基于均匀化方法对双向铺层复合材料层板等效弹性参数进行预估，通过均匀化方法有限元模型的分析，说明对双向铺层弹性参数单胞模型处理是合理的。在预估的等效弹性参数基础上，对其自振频率进行优化设计，结果表明文中方法是可行的。     

改进的无网格局部边界积分方程方法

将局部边界积分方程与改进的移动最小二乘法相结合,提出改进的无网格局部边界积分方程方法。改进的移动最小二乘法引入带权的正交基函数,可以克服现有的移动最小二乘法在构造近似函数时须要进行大量的矩阵求逆、计算量大、法方程组容易出现病态方程组的缺点。将改进的无网格局部边界积分方程方法应用于弹性力学问题,并推导出相应的离散方程。通过数值算例验证了该方法的有效性。与原有的局部边界积分方程方法相比,该方法具有计算量小、数值稳定性好并且不会出现病态方程组的优点。