三向碳碳材料的非线性双模量力学模型和强度准则

为了在平面十字形试件上实现拉拉、拉压、压压和拉剪的两向应力状态试验,设计并制造了双向加力装置和大剪切变形的测量仪,在试验基础上建立了三向碳碳材料的应力应变关系和强度准则.用纤维所受应力的正负号来决定两个方向里正应力异号时的模量(E_拉≠E_压)应该用哪一个.假定应变势存在,以保证弹性系数矩阵的对称性.非线性来自剪切变形.强度准则用二次型函数拟合实验数据,理论预报与实验吻合.      

圆板状SiC/C功能梯度材料残余热应力特征有限元分析

功能梯度材料残余热应力的大小及分布对其性能有效发挥及长期稳定使用有着较大的负面影响,为了尽可能充分发挥材料性能,增加材料的使用寿命,需尽可能减小残余应力以及使其合理分布.本文采用ANSYS有限元分析软件对不同叠层工艺参数的等离子体第一壁候选材料--SiC/C功能梯度材料(FGM)的残余热应力进行了数值模拟,获得了使热应力有效缓和的较适宜的工艺参数,对实际研发制备目标材料也可提供一些理论参照.相关结果表明,适量增加梯度叠层数及中间梯度层厚度可逐步有效缓和残余热应力,同时,针对本文今后应用的仍以炭材料为主体的炭基陶瓷保护层复合SiC/C FGM而言,纯SiC层厚度应取较小值,而叠层成分分布指数应取0.8～1.0为宜.     

基于不同阻挡层材料的铜互连热应力有限元分析

本文利用ANSYS有限元软件分别对用TaN和ZrN作为扩散阻挡层的Cu/barrier/SiO2/Si结构中铜线的热应力分布进行仿真。研究热载荷350℃到20℃不同阻挡层材料单大马士革和双大马士革两种结构铜互连线的热应力。通过仿真结果得到:单大马士革结构中,在阻挡层材料为ZrN时铜线中等效应力(700MPa)比阻挡层材料为TaN时等效应力(800MPa)小;双大马士革结构中,用ZrN作为阻挡层铜线中各个方向的热应力σx、σy和σz分别比TaN作为阻挡层时小100MPa、300MPa和200MPa。本文还研究阻挡层材料分别为ZrN和TaN时,改变阻挡层的厚度对铜线热应力的影响。结果表明,热应力随着阻挡层厚度的增加而增加。各种厚度ZrN作为扩散阻挡层时的应力都比TaN作为扩散阻挡层的应力小,x、y和z方向的应力SX(ZrN)、SY(ZrN)和SZ(ZrN)分别减少了50MPa、200MPa和50MPa。     

环氧树脂/聚氨酯梯度材料的残余热应力分析

采用有限元方(Finite Element Method)对环氧树脂/聚氨酯(EP/PU)梯度材料在制备过程中产生的残余热应力进行了分析.详细讨论了梯度层数目对应力大小的影响.研究结果表明:当体系中EP和PU组成相同时,梯度材料缓和热应力的效果比双层材料显著.且梯度材料的热应力缓和效果随梯度层数增加而增加.     

填充粘弹性材料剪力墙结构非线性有限元分析

基于被动控制的设计概念,该文在开缝剪力墙的基础上,在缝槽中填入粘弹性材料,并将这种构件应用到一幢八层钢筋混凝土剪力墙结构中。基于通用有限元软件ABAQUS,建立了该结构的弹塑性有限元模型,并对其在地震下的性能进行了数值模拟,重点研究了墙体开缝对结构地震反应的影响,以及缝槽中填充粘弹性材料对结构的控制作用。研究结果表明,墙体开缝降低了结构的刚度,增大了结构的位移反应,但开缝对减小结构底部反应及改变结构损伤分布有利。而缝中填充粘弹性材料后,可有效的控制结构的地震反应,减小结构的损伤,具有良好的实际应用意义。     

平板式SOFC结构热应力的有限元分析

采用有限元数值计算方法, 对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构建立了三维有限元分析模型, 模拟计算了平板式SOFC单电池在均匀温度场中由于各层部件之间的热膨胀系数差异而产生的热应力, 并对模拟结果进行了分析和讨论, 为优化平板式SOFC的材料选择和结构设计提供了依据. 计算结果表明: 在阳极(或阴极)与电解质界面处出现热应力的最大值; 界面热应力的大小及分布与电极材料的热膨胀系数和温度载荷密切相关.     

三向增强碳/碳复合材料的高温热应变性能

一、前言 三向增强碳/碳复合材料(以下简称3D—C/C复合材料)具有重量轻、耐高渐、比强度高和高烧蚀热等优越的物理和力学性能。特别是在2500℃以上时,它的高温比强度是其他材料无法相比的。由于它所独具有优越性,已成为目前航天工业中最受重视的材料之一。随着人们对这种材料性能的认识以及材料成本的降低,3D—C/C复合材料在其他工业领域也将会逐渐受到重视和得到应用。本文介绍一种以聚丙烯腈碳纤维作为增强组元,在X—Y—Z三个互相垂直的方向分别以2:2:3的纤维比例正交排列,以煤沥青为基体材料,经过高温高压浸渍而成的三向碳/碳复合材料的几个重要的物理与力学性能。由于这种复合材料的制备工艺复杂,性能离散较大,所列数据仅供选材时参考。 二、试验结果与讨论 1.密度 3D—C/C复合材料的密度为2.0g·cm~(-3)左右。 2、线热膨胀性能 考虑到3D—C/C复合材料在高温条件下受热时间过长可能影响到它的内部组织结构,从而改变了原有的     

多相复合陶瓷刀具材料残余热应力的有限元模拟

以SiC和(W,Ti)C颗粒增强Al₂O₃多相复合陶瓷刀具材料为基础,运用有限元方法详细研究了材料内部残余热应力的大小与分布形态。计算结果发现,单元模型取法、弥散相颗粒大小、分布及其含量均对多相复合陶瓷刀具材料中的残余热应力有较大影响。基体内不仅存在拉应力区,而且存在不同程度和范围的压应力区,拉、压应力区的结构形式与弥散相颗粒的分布方式密切相关。研究表明,残余热应力的存在与材料的力学性能和微观结构有着密切的关系。      

基于耦合扩展多尺度有限元方法的功能梯度材料热应力分析

以高效模拟功能梯度材料(FGM)微观非均质性对整体热力学性能的影响为研究目的,通过随机形态描述函数(RMDF)法和体积分数的指数分布建立FGM二维微结构,在此基础上,发展了FGM热应力分析的耦合扩展多尺度有限元方法(CEMsFEM)。该方法基于扩展多尺度有限元方法(EMsFEM)的基本思想,对温度场和位移场构造数值基函数,以把微观非均质材料性质带到宏观响应中。同时为了考虑泊松效应导致的不同方向间的耦合作用,在位移场数值基函数中增加了耦合附加项。通过数值基函数建立宏微观单元信息的映射关系,在宏观尺度求解有效方程,节约计算量。为了更好地考虑微观载荷的影响,把结构的真实响应分解为宏观响应和微观扰动,进一步推导出修正的宏观载荷向量。通过不同体积分数分布的FGM在不同载荷工况下的热应力分析算例验证了本文中方法的正确性和有效性,最后讨论了微结构的尺寸效应对结构热力学响应的影响。     

耐火材料有限元热分析与热应力分析研究进展

在对基于有限元数值仿真技术进行介绍的基础上,总结了耐火材料有限元热分析与热应力分析的发展概况,介绍了国内外在耐火材料方面应用有限元技术所做的大量工作,同时,也指出了其存在的问题和应用前景.     

三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析

针对三维曲井内钻柱的接触非线性有限元分析,提出了一种符合接触性质的新的接触模型:在接触点处,钻柱的横向位移应限制在给定的环空间隙值内,同时,还必须让横截面绕变形曲线副法线轴的转角为零.利用新的接触模型,采用忽略横向剪切变形的三维空间曲梁单元对三维曲井内钻柱的接触非线性进行了有限元分析,给出了一套计算方法.算例结果表明:新的接触模型与计算方法,对于有解析解的平面问题其精度高,避免了随着单元划分的不同导致解时大时小而不稳定的现象.工程算例——三维曲井内钻柱的接触非线性分析结果偏于安全.     

考虑剪切效应三维纤维梁单元的几何非线性增量有限元分析

该文以三维连续介质力学和虚功原理为基础,推导了增量U.L.有限元列式,该列式保留了大位移刚度矩阵项,并对该刚度矩阵进行修正使其成为对称矩阵。根据增量U.L.列式,推导了三维纤维梁单元的刚度矩阵。该单元采用平截面假定,以轴向节点位移表示截面上任意一点的位移,并结合Timoshenko梁理论来考虑剪切效应。以上原理编制分析程序,通过几个算例分析,证明了该方法的精确性、通用性。     

钢框架梁柱端板连接的非线性有限元分析

运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,对8个不同形式、不同构造的钢框架梁柱端板连接进行了非线性有限元分析(FEA),并与相应的试验结果进行了全面对比分析。比较结果表明:该文的有限元模型不但能够准确地分析计算各种类型和不同构造的钢框架梁柱端板连接节点的整体受力特性,包括承载力、弯矩-转角(M-φ)曲线、极限变形状态等,还能有效地分析计算节点及其组件的细部受力特性,包括高强度螺栓的预拉力,端板和柱翼缘之间的接触状态,以及节点域、端板、螺栓、端板加劲肋、节点域加劲肋等组件的受力状态,为进一步运用该模型对各种形式和构造的端板连接进行全面的有限元参数分析计算提供了正确性依据。同时,有限元分析还给出了螺栓预拉力引起的接触面预压力分布、荷载作用下接触面的摩擦力分布以及节点的主应力流分布等对于全面和深入理解端板连接节点受力特性非常有意义但是又难于通过试验进行测量的结果。     

复合材料层板层间应力的非线性有限元分析

本文针对pipes-Pagano模型建立了基于修正的Hahn-T sai非线性本构关系的准三维非线性有限元模型。分析了由一种具有明显材料非线性的碳/环氧复合材料构成的[45/-45]_s角交层板和正交对称层板的层间应力分布。结果表明:和弹性模型结果相比,当承受相同载荷时,材料非线性的存在在一定程度上会引起层间剪应力的降低,但对层间正应力的影响并不明显。      

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。     

汽车轮胎的三维有限元结构分析

本文从轮胎内部材料微结构出发,建立三维分析模型,考虑轮胎大位移引起的几何非线性,轮胎各部位材料的物理非线性和拉压不同模量,考虑了轮胎与地面接触区域的可动性,通过一参数来提高预测接触区域的准确性,并用白光散斑干涉计量技术测定轮胎表面的大位移场,结果表明计算与实验结果是吻合的。     

折叠式网架结构的几何非线性分析

折叠式网架结构是近年发展起来的结构形式,其主要的应用范围是航空航天工业。因具有很多的优点,其应用范围也逐步扩大到民用建筑之中。在这种结构杆件之间采用了一种特殊的连接方式——枢轴连接,因此单元计算模型也随之发生变化。本文针对折叠式网架结构中出现的特殊单元推导出了几何非线性有限元分析的单元切线刚度矩阵,并对柱壳式折叠网架结构进行了算例分析。     

索梁结构非线性振动有限元分析

为了更全面、精确地进行包括斜拉索参数振动在内的索梁结构非线性振动分析,该文采用索单元和去除自重的非线性动力计算方法,实现了能考虑参数振动的拉索非线性振动有限元方法;采用扩大Rayleigh阻尼矩阵,可以同时考虑主梁的阻尼和相对较小的拉索阻尼;将这些计算方法植入自编程序NL_Beam3D中以考虑斜拉索与主梁之间的相互作用。以1993年Fujino进行的索梁结构试验为算例,分析表明该方法能较正确地模拟索梁结构中副不稳定区域和主不稳定区域的拉索参数振动。     

钢筋混凝土无铰拱非线性平面有限元分析

本文以有限元分析为基础,提出一个钢筋混凝土无铰拱的非线性计算方法。这个方法,采用平面分离式单元.考虑了材料的非线性性能和裂缝对结构受力的影响,提出了无铰拱破坏的判断条件。本文编写了相应的电算程序NFEHA86.通过电算,能够给出钢筋混凝土无铰拱受力全过程的位移、应力、应变、裂缝情况和破坏荷载。电算结果和实测结果吻合较好。