基于Hertz理论的泥石流块石冲击力修正系数研究

基于Hertz弹性碰撞理论的修正公式是计算泥石流块石冲击力的有效方法之一,但公式中的修正系数目前尚无具体的量化方法。在Hertz接触理论和Thornton弹塑性假设的基础上,建立了泥石流块石冲击构筑物的计算模型,推导了修正系数的表达式。研究表明,修正系数是材料强度、泥石流块石尺寸和速度的函数而非一个常量,其随泥石流块石冲击速度的增加而减小,随泥石流块石半径、构筑物材料强度的增加而增加。板子沟泥石流沟防治工程计算结果显示,修正冲击力仅为Hertz弹性碰撞冲击力的15.58%。当泥石流块石冲击速度小于3 m/s,修正系数大于0.20;当泥石流块石冲击速度大于3 m/s,修正系数介于0.10~0.20,计算结果与实践估计较为一致。     

轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型

建立了3000DWT-50000DWT范围内的四艘代表轮船的碰撞有限元模型,采用LS-DYNA软件计算了船舶在1.0m/s-5.0m/s冲击速度范围内的与刚性墙面的碰撞力时间过程样本。根据对碰撞力时间过程样本曲线的观察和面向工程设计的需要,提出了三种轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型,即半波正玄荷载模型、修正的半波正玄荷载模型和分段荷载模型。碰撞时间过程的样本计算表明,碰撞力过程总的持续时间以及碰撞过程的冲量与冲击速度具有很好的简单关系,离散性很小。根据冲量相等的基本原则,提出了冲击荷载模型参数的确定方法,通过对四艘代表船舶计算结果的回归分析,得到了模型参数的统计回归关系。以轮船艏部正撞刚性墙面的基本冲击荷载模型可建立桥梁船撞动力设计方法,以替代目前的桥梁船撞等效静力设计方法。     

煤粒冲击粉碎临界速度的数值实验分析

基于弹性碰撞动力学模型(Hamilton变分原理),应用显式算法有限元程序LS-DYNA对煤粒冲击刚性靶板粉碎进行了数值模拟研究,得到了煤粒冲击粉碎的临界速度在10m/s左右,证明了煤粒在低速冲击粉碎过程中存在压力释放效应,继而拓宽了显式动力有限元程序LS-DYNA分析弹塑性材料冲击粉碎问题的应用领域。数值模拟结果对于认识煤粒及其他物料冲击粉碎机理、研制高效粉碎设备具有较好的指导意义和参考价值。     

薄壁圆环与刚性壁的碰撞和回弹

利用有限元方法研究了铝合金薄壁圆环与刚性壁的碰撞和回弹行为。根据文献中的试验结果,建立了薄壁圆环与Hopkinson杆进行正向碰撞的有限元模型,对于Hopkinson杆上特定位置的应变历程,圆环的变形过程与残余应变,以及圆环的回弹速度和恢复系数等,有限元计算得到的结果与试验测量和记录到的值都十分接近,充分验证了用有限元方法研究该问题的准确性和适用性。在此基础上,系统分析了初始速度对回弹速度和恢复系数的影响,比较了显式算法和隐式算法在计算碰撞载荷峰值时的差别,并讨论了用一维弹性波理论来测量碰撞载荷的有效性。此外,还讨论了内部加筋对圆环回弹特性的影响;研究结果有助于加深对恢复系数的认识。     

颗粒弹塑性碰撞理论模型

以Hertz弹性接触力学为基础,假设材料为弹塑性强化材料,并考虑接触压力作用下颗粒球体接触面上材料进入塑性阶段后的应力调整与释放,提出了一种新的颗粒弹塑性接触理论。以此为基础,在准静态假设的基础上,研究了颗粒间的弹塑性碰撞问题,推导了相应的计算公式,并与其它弹塑性接触模型进行了比较。结果表明:按照该文模型预测的荷载变位曲线介于Hertz弹性解和Thornton解之间;强化系数越高,荷载变位曲线越接近Hertz弹性解,强化系数越低,越接近Thornton解,Thornton模型为该文模型的一个特例。在颗粒弹塑性碰撞过程中,本文理论预测的冲击力远远小于Hertz弹性解的预测结果,更与实际情况相符。     

典型民机机身段水上冲击数值模拟方法及其耐撞性研究

为了改善民机在紧急迫降情况下的安全性能,对典型机身段水上冲击数值模拟方法及其冲击特性进行了研究。通过合理的简化建立了机身段有限元模型,对有限元方法(FEM)、任意拉格朗日/欧拉方法(ALE)和光滑粒子方法(SPH)水体模型进行了研究,探讨了水体材料模型对机身段结构动态响应特性的影响。在7 m/s垂向冲击速度下,对比分析了水面和刚性地面情况下的机身段结构的耐撞性能。结果表明ALE方法具有最佳计算精度和计算效率。由于忽略了偏应力,采用空材料得到的机身结构响应与弹性流体和弹塑性水体材料有明显不同。在水上冲击过程中,由于水体耗散了大量冲击动能,因此机身加强框变形较小。机身底部蒙皮结构承受较大的均布载荷,因此蒙皮吸能结构吸收了较多的冲击动能,是最重要的吸能结构之一。相对于刚性地面,水面冲击情况下机身具有更小的加速度过载。在紧急迫降情况下,选择湖泊或者江河等水域作为迫降地点可以减小乘员承受加速度过载。     

多裂纹弹塑性干涉效应及其工程解

本文针对Ｒａｍｂｅｒｇ－Ｏｓｇｏｏｄ关系材料进行弹塑性有限元计算，研究分析了平面应力问题下的近似无限宽板中双共线裂纹弹塑性干涉效应的变化规律，利用双裂纹裂纹Ｊ积分值和等载荷比下单裂纹尖Ｊ积分值之比来确定双裂纹间的弹塑性干涉效应，研究发现，弹塑性干涉效应不同于线弹性干步效应。除了与裂纹几何尺寸有关外，且是载荷比和材料性能的函数，由此证明线弹性分析作为裂纹问题处理的依据有可能出现危险的结果，在此基础上     

带转动弹簧的杆单元平面钢结构二阶弹性分析

用两端带转动弹簧的杆单元代替一般的杆单元,提出了一种新的平面杆系钢结构二阶弹性分析计算模型。通过对杆单元的转角位移方程进行修正,推导了这种计算模型的结构弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,并编制了该种模型的一阶和二阶弹性分析计算程序,采用该程序对两个半刚性连接钢框架进行了计算分析,并将部分结果与有限元计算结果进行了比较。算例结果表明:该模型计算结果精度高,可用于结构初步设计与分析。     

恒定外力作用下的碰撞过程恢复系数模型研究

针对目前恢复系数模型由于忽略恒定外力作用影响,从而导致无法有效预测多体系统碰撞过程中能量耗散的问题,提出一种恒定外力作用下的恢复系数模型。在结合碰撞过程中赫兹在弹性阶段以及Jackson和Green在弹塑性阶段建立的接触力和侵入深度关系模型的基础上,加入恒定外力的作用,同时根据碰撞过程中能量守恒原理,获得碰撞后的分离速度,建立恒定外力作用下的恢复系数模型,同时为提高工程实际应用计算效率,简化该计算过程,获得经验公式。将提出的恒定外力作用下的恢复系数模型与已有的恢复系数模型进行对比分析,结果表明:低速重载时恒定外力对恢复系数影响较大,且随着恒定外力的增加,使得侵入深度增加,进而导致塑性变形增加,分离速度减小,传统恢复系数模型不再适用,因而考虑恒定外力作用下的恢复系数可为不同初始速度和恒定外力作用的多体系统碰撞过程提供更为准确的计算模型。     

弹体冲击混凝土半无限靶的侵彻阻力与深度计算

假设弹体是刚性的,将弹体侵彻冲击作用下的混凝土靶体划分为粉碎区、径向裂缝弹性区与原始弹性区,并认为侵彻粉碎区域内的混凝土材料处于类似于流体动力学状态,可采用水动力模型.根据伯努利方程推得了细长杆弹侵彻阻抗力的公式,进而求出锥形弹头侵彻阻抗力的等效平面解,得到了弹体的侵彻深度.利用实弹进行了以不同速度侵彻不同强度的混凝土靶体的验证计算,并与多个经验公式做了对比.结果表明,该模型是合理的,与经验公式相比计算结果趋于保守.     

考虑接触变形的梁受到球碰撞时弹塑性冲击荷载

使用有限元数值方法模拟了考虑接触变形时弹性、弹塑性梁分别受到弹性和弹塑性球横向撞击全过程,得到具有不同刚度球、不同刚度梁、不同质量比和不同撞击速度时梁受到的弹性和弹塑性冲击荷载。从中得到如下结论:对于弹性球撞击弹性梁:随着球-梁的相对刚度值的增大,冲击荷载峰值非线性增加,球和梁的接触时间减小。随着球速的增大,冲击荷载峰值随速度近似呈线性关系增长;接触时间降低,但不呈线性关系;冲击荷载最大值不一定出现在第一次接触的时段内。速度相同时,质量比越大,球和梁接触的时间越短;冲击荷载峰值越小。对于弹性和弹塑性球撞击弹塑性梁:梁的材料非线性性质对冲击荷载影响很大,弹塑性冲击荷载峰值比弹性荷载峰值低一个量级。冲击荷载的峰值和初速度成正比,但不是线性关系。质量比越大,冲击荷载峰值越小,且球和梁接触时间越短。     

A unified mathematical programming formulation of strain driven and interior point algorithms for shakedown and limit analysis

A mathematical programming formulation of strain‐driven path‐following strategies to perform shakedown and limit analysis for perfectly elastoplastic materials in an FEM context is presented. From the optimization point of view, standard arc‐length strain‐driven elastoplastic analyses, recently extended to shakedown, are identified as particular decomposition strategies used to solve a proximal point algorithm applied to the static shakedown theorem that is then solved by means of a convergent sequence of safe states. The mathematical programming approach allows: a direct comparison with other non‐linear programming methods, simpler convergence proofs and duality to be exploited. Owing to the unified approach in terms of total stresses, the strain‐driven algorithms become more effective and less non‐linear with respect to a self‐equilibrated stress formulation and easier to implement in the existing codes performing elastoplastic analysis. The elastic domain is represented avoiding any linearization of the yield function so improving both the accuracy and the performance. Better results are obtained using two different finite elements, one with a good behavior in the elastic range and the other suitable for performing elastoplastic analysis. The proposed formulation is compared with a specialized implementation of the primal–dual interior point method suitable to solve the problems at hand. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Theoretical aspects of the smoothed finite element method (SFEM)

This paper examines the theoretical bases for the smoothed finite element method (SFEM), which was formulated by incorporating cell‐wise strain smoothing operation into standard compatible finite element method (FEM). The weak form of SFEM can be derived from the Hu–Washizu three‐field variational principle. For elastic problems, it is proved that 1D linear element and 2D linear triangle element in SFEM are identical to their counterparts in FEM, while 2D bilinear quadrilateral elements in SFEM are different from that of FEM: when the number of smoothing cells (SCs) of the elements equals 1, the SFEM solution is proved to be ‘variationally consistent’ and has the same properties with those of FEM using reduced integration; when SC approaches infinity, the SFEM solution will approach the solution of the standard displacement compatible FEM model; when SC is a finite number larger than 1, the SFEM solutions are not ‘variationally consistent’ but ‘energy consistent’, and will change monotonously from the solution of SFEM (SC = 1) to that of SFEM (SC → ∞). It is suggested that there exists an optimal number of SC such that the SFEM solution is closest to the exact solution. The properties of SFEM are confirmed by numerical examples. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

计算复合材料有效弹性模量的重心有限元方法

采用几何法构造出任意边数多边形单元的重心插值形函数, 应用Galerkin法提出了求解弹性力学问题的重心有限元方法。用重心有限元方法对SiC/Ti和B/Al 2种纤维复合材料横向截面的有效弹性模量进行了预报。计算模型取纤维呈六边形排列且为各向同性的代表性单胞, 对其杨氏模量、 剪切模量和体积模量在较大的体积分数范围内进行了数值模拟。通过与解析公式和传统有限元的计算结果对比, 重心有限元方法的计算结果符合解析公式解的趋势, 与传统有限元的计算结果吻合较好。与传统有限元方法相比, 重心有限元方法的单元划分不受三角形或四边形的形状限制, 能够再现材料的真实结构。由于单元较大且数目较少, 本文方法具有很高的计算效率。      

Application of interface finite elements to three-dimensional progressive failure analysis of adhesive joints

ABSTRACT The paper presents a new model for three‐dimensional progressive failure analysis of adhesive joints. The method uses interface elements and includes a damage model to simulate progressive debonding. The interface finite elements are placed between the adherents and the adhesive. The damage model is based on the indirect use of fracture mechanics and allows the simulation of the initiation and growth of damage at the interfaces without considering the presence of initial flaws. The application of the model to single lap joints is presented. Experimental tests were performed in aluminium/epoxy adhesive joints. Linear elastic and elastoplastic analyses were performed and the predicted failure load for the elastoplastic case agrees with experimental results.     

涡轮增压器压气叶轮爆裂转速数值分析与试验研究

随着内燃机不断向高效率、大功率、智能化方向发展,其核心部件涡轮增压器逐渐向高压比、高转速、大流量方向迈进。由于涡轮增压器压气叶轮的转速非常高,压气叶轮爆裂尤其是产生非包容性碎片时会对内燃机运行安全造成严重危害,甚至造成人员伤亡,因此研究涡轮增压器的包容性尤为重要。基于有限元法,针对涡轮增压器包容性(压气叶轮的爆裂转速和弱化方式),分别运用线弹性材料模型及双线性等向强化弹塑性材料模型模拟了涡轮增压器压气叶轮在离心载荷作用下的爆裂转速,并对完整压气叶轮及2种弱化处理的压气叶轮进行了包容性试验。结果表明:运用双线性等向强化弹塑性材料模型计算得到的压气叶轮爆裂转速与试验值约相差2%,而运用常规线弹性材料模型计算得到的压气叶轮爆裂转速与试验值约相差16%,偏保守。同时,2种弱化处理的压气叶轮均在预定转速下爆裂,验证了弱化方式的合理性与准确性;通过控制开槽的尺寸即可实现压气叶轮在预定转速下爆裂。研究结果为后续涡轮增压器压气叶轮包容性分析奠定了基础。     

假设位移拟协调平面单元应变离散算法研究

应变-位移方程的弱化和离散是拟协调有限元列式中的一个基本问题,也是假设应变有限元方法的一个重要问题。该文通过研究拟协调有限元中的平面单元列式,考察了不同应变离散算法下单元的性能。通过理论分析和数值实验,证明了对同一个应变项的计算可以选择不同的应变-位移式进行计算,应变-位移式的选择并不影响所构造单元的收敛性。该文结果解决了拟协调有限元的一个基础问题,可以指导拟协调有限元的列式,也为一般的弹性力学数值分析中应变-位移方程的处理提供依据。     

高速旋转柔性矩形薄板的动力学建模和近似算法

研究了做高速旋转柔性矩形薄板的耦合动力学建模理论和模态截断法的应用.从连续介质力学中关于柔性薄板的变形理论出发,找出了由于在结构动力学中对无大范围运动柔性薄板的动力学性质影响很小而被忽略的变形量.基于Jourdain速度变分原理,先推导出做高速旋转薄板的动力学连续变分方程,再用有限元法对柔性薄板进行离散.因为用有限元离散时,柔性薄板的广义坐标规模较大,故仿真计算需要时间较长,所以模态截断法被用来缩减广义坐标数量,提高计算效率.此外通过对有限元法和模态截断法的计算结果进行比较,揭示了当矩形薄板作高速旋转时,模态截断法截取低阶模态时会引起误差,选取更高的模态可以用来提高计算精度,通过数值对比得到了模态截断的规律.     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。