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固体力学跨尺度计算若干问题研究

计算力学学报 2024年第1期41卷 40-46页

作者：庄茁严子铭姚凯丽崔一南柳占立清华大学航天航空学院北京100084

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应... 详细信息

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

关键词：计算固体力学跨尺度微纳米晶体塑性流动应力粗粒化分子动力学数据驱动骨缺损重建

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页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

力学学报 2022年第2期54卷 517-525页

作者：王涛柳占立庄茁北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 清华大学航天航空学院北京100084

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素.本文基于断裂力学理论,以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象,依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系,首先提出了可压裂度的概念,给出了无量纲的定性曲线图,涵盖了岩... 详细信息

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素.本文基于断裂力学理论,以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象,依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系,首先提出了可压裂度的概念,给出了无量纲的定性曲线图,涵盖了岩石脆性矿物质含量,黏性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素.接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数,在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下,依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距,可作为工程参考指标.本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程,具有力学理论意义和工程应用前景.

关键词：页岩气水力压裂脆性矿物质含量剪切强度抗拉强度断裂韧性

硬/软复合材料结构防爆性能的实验及数值评估

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Acta Mechanica Sinica 2022年第1期38卷 27-36页

作者：杨丰源栗志杰庄茁柳占立 Applied Mechanics Laboratory Department of Engineering MechanicsSchool of AerospaceTsinghua UniversityBeijing 100084China

现实防护工程中,硬1软复合结构在人员装甲(如头盔的外壳/衬里系统)中的应用可以有效减轻爆炸伤害.由于缺乏有效可靠的实验方法评估防护结构的防爆性能,直接接触型防护结构的发展受到限制,本文针对硬/软复合材料结构的防爆性能测试提出... 详细信息

现实防护工程中,硬1软复合结构在人员装甲(如头盔的外壳/衬里系统)中的应用可以有效减轻爆炸伤害.由于缺乏有效可靠的实验方法评估防护结构的防爆性能,直接接触型防护结构的发展受到限制,本文针对硬/软复合材料结构的防爆性能测试提出一种新的实验及数值评估方法,并对其防爆机理进行了分析.受测的硬/软结构由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料和膨胀聚乙烯(EPE)泡沫组成.现场爆炸试验通过7.0 kg TNT球形炸药在3.8 m处产生的爆炸波来完成.设计了一种压力测试装置用于支撑被测结构并测量穿透防护结构的爆炸压力脉冲.实验结果表明,通过使脉冲波形更平坦、减小压力幅度和延迟脉冲到达时间,硬/软结构可以将爆炸压力脉冲减弱为三角形压力脉冲.7mmUHMWPE复合材料和20mmEPE泡沫的组合防护结构可将爆炸压力振幅降低40%.通过有限元模拟分析爆炸缓解机制.数值结果表明,爆炸压力脉冲的衰减主要发生在硬/软界面上,通过界面反射压力波和软材料层变形吸收动能来完成.在此基础上提出的理论模型可以很好地解释实验和数值结果,对评价和设计高性能的防爆结构具有重要意义.

关键词：防爆结构防爆性能接触型压力脉冲复合材料结构脉冲到达时间爆炸试验复合结构

页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂的关键力学问题

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力学学报 2022年第8期54卷 2248-2268页

作者：高岳王涛严子铭柳占立庄茁清华大学航天航空学院北京100084 北京理工大学机电学院北京100081

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题.提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型,指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用,给出了横观各向同性多... 详细信息

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题.提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型,指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用,给出了横观各向同性多孔弹性岩石材料常数的简化测量方案,讨论了基于修正的能量最大释放率下裂纹扩展的弱面模型,提出了裂纹扩展禁止区现象.阐述了钻井完井过程中的多孔弹性介质井壁稳定性和剪切破坏的时间效应,提供了多种破坏模式下井壁许可压力范围的显式表达式,并与传统广义胡克定律得到结果对比.给出了水平井水力压裂缝网改造技术,包含水力压裂的大物模实验技术、水力压裂过程中基于扩展有限元与有限体积法的耦合流体/固体/裂缝扩展的数值模拟方法,并与黏性主导的水力压裂解析解结果对比,针对性分析了川渝地区的水力压裂施工现场实践应用问题.建立了基于数据驱动的页岩气采收率预测方法,指出了机器学习中极限梯度爬升法在小数据集情况下的有效性.

关键词：页岩气开采多孔弹性介质各向异性本构井壁稳定性水力压裂采收率

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壳体断裂力学统一计算理论与飞行器结构设计

工程力学 2023年第2期40卷 1-7页

作者：庄茁王恒宁宇王翔柳占立张志楠清华大学航天航空学院北京100084 北京航空工程技术研究中心北京100076 航空工业第一飞机设计研究院陕西西安710089 北京空间飞行器总体设计部北京100094

断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等... 详细信息

断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等;驱动裂纹扩展是实现飞行器结构快速分离的关键技术,如运载火箭级间和星箭分离、飞行员和航天员逃逸救生等。板壳是飞行器结构的主要形式,开展板壳断裂力学研究具有重要的科学意义和工程价值。该文提出了基于连续体的壳体断裂力学统一计算理论,发展了壳体扩展有限元方法。基于该理论和方法,阐述了大变形曲面壳体裂纹扩展与止裂的计算分析过程,展示了在国产大飞机机翼整体结构件设计、天和号核心舱结构研制和高级教练机穿盖弹射救生系统设计等飞行器工程中的成功应用。

关键词：壳体断裂力学计算理论飞行器结构扩展有限元

基于微观力学测试系统动力学分析的探索微晶的本构行为探究

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Acta Mechanica Sinica 2022年第3期38卷 26-37,I0001页

作者：王鹏柳占立谢德刚曲绍兴庄茁张丹利 Applied Mechanics Laboratory School of Aerospace Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Center for Advancing Materials Performance from the Nanoscale (CAMP-Nano) State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China State Key Laboratory of Fluid Power & Mechatronic System Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province Department of Engineering Mechanics Zhejiang University Hangzhou 310027 China

由于塑性失稳导致的应力-应变测量曲线中塑性变形信息的缺失,使得微晶本构行为仍然很神秘.此外,应力-应变测量曲线在不同控制模式下的测量结果变化很大,而本构行为不应受测量方法的影响.此外,由于微观力学测试系统的非线性动力学行为尚... 详细信息

由于塑性失稳导致的应力-应变测量曲线中塑性变形信息的缺失,使得微晶本构行为仍然很神秘.此外,应力-应变测量曲线在不同控制模式下的测量结果变化很大,而本构行为不应受测量方法的影响.此外,由于微观力学测试系统的非线性动力学行为尚不清楚,微晶真实本构行为的探究一直是一个挑战.本文在位移控制和负载控制下对单晶铝微柱进行了详细的实验和分析.为了解释实验结果,文章基于微观力学测试原理开发了一个聚合参数物理模型,该模型可直接将微观力学测试系统的非线性动力学与微晶的本构行为联系起来.这表明应力-应变测量曲线的某些阶段由控制算法产生,与本构行为无关.通过求解微观力学测试系统的非线性动力学,从平衡态开始的强塑性不稳定性(大应变爆发)归因于微晶的应变软化阶段.文章还进行参数研究以减少塑性失稳对测量响应的影响.本研究为开发各种本构模型和设计可靠的微观力学试验提供了重要的见解.

关键词：测量曲线微观力学塑性失稳非线性动力学负载控制系统动力学分析平衡态物理模型

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大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法研究

航空学报 2022年

作者：张志楠宁宇庄茁王恒秦剑波严红航空工业第一飞机设计研究院北京航空航天大学航空科学与工程学院清华大学航天航空学院空军研究院航空兵研究所

通过对大型飞机整体壁板结构的损伤断裂特性分析，在壳体断裂力学统一计算理论框架下，将扩展有限元应用于大型飞机整体加筋壁板结构损伤断裂计算；实现了大尺寸加筋板壳结构断裂参数的精确求解；通过采用基于应力强度因子和能量释放率...

通过对大型飞机整体壁板结构的损伤断裂特性分析，在壳体断裂力学统一计算理论框架下，将扩展有限元应用于大型飞机整体加筋壁板结构损伤断裂计算；实现了大尺寸加筋板壳结构断裂参数的精确求解；通过采用基于应力强度因子和能量释放率的三维壳体断裂准则，建立了以结构重量、裂纹扩展长度和壳体剩余寿命等多参数设计目标的大型飞机整体壁板损伤断裂分析方法，以及综合考虑壁板厚度、加筋截面面积和间距的参数优化方法，并给出了工程试验件的设计与验证结果。

关键词：

颅脑爆炸伤数值模拟研究进展:建模、力学机制及防护

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爆炸与冲击 2023年第6期43卷 1-36页

作者：康越马天黄献聪庄茁柳占立曾繁黄超军事科学院系统工程研究院北京100010 清华大学航天航空学院北京100084 中物院高性能数值模拟软件中心北京100088 北京应用物理与计算数学研究所北京100088

爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤... 详细信息

爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤的重要手段之一。合理的物理建模结合可靠的模型和参数,能够定量给出爆炸冲击波作用下人体头部和大脑的生物力学响应,揭示大脑损伤的力学机制,这些对于认识颅脑爆炸伤的生物力学特性以及单兵防护装备的设计和优化都具有重要的意义。本文旨在为研究人员提供有关原发性颅脑爆炸伤数值模拟方面研究现状的背景信息,以及在计算建模、力学机制和防护3个方面的进展。重点针对大脑的多尺度性质及颅脑爆炸伤的生物力学建模,介绍了脑组织的线弹性、超弹性和黏超弹性本构模型,人头有限元模型在大脑结构、网格尺寸等方面的发展和演化,以及颅脑爆炸伤的宏观、介观和多尺度建模和数值模拟方法。针对颅脑爆炸伤的波传播直接作用、脑血管系统的影响,以及全身响应的连续过程,分析和讨论了数值模拟得到的力学机制证据。介绍了颅脑爆炸伤防护策略的数值模拟研究进展,如提高头部封闭性的重要性、新结构和新材料的应用。最后,对当前颅脑爆炸伤的数值模拟研究和应用进行了总结,并确定了未来需要发展和改进的地方。

关键词：创伤性脑损伤冲击波建模致伤机制防护

发展基于CB壳单元的扩展有限元模拟三维任意扩展裂纹

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工程力学 2012年第6期29卷 12-21页

作者：庄茁成斌斌清华大学航天航空学院北京100084

该文提出了一种新的基于连续体壳单元的扩展有限元格式,以用于对曲面上任意形状裂纹的扩展问题进行模拟。扩充形函数的构造和应力强度因子的计算都是基于三维实体单元进行,因此可以模拟复杂的三维断裂情况,壳体厚度的变化也可以得到考... 详细信息

该文提出了一种新的基于连续体壳单元的扩展有限元格式,以用于对曲面上任意形状裂纹的扩展问题进行模拟。扩充形函数的构造和应力强度因子的计算都是基于三维实体单元进行,因此可以模拟复杂的三维断裂情况,壳体厚度的变化也可以得到考虑。三维应力强度因子的计算公式被引入到这种方法中。为模拟裂纹扩展,三维最大能量释放率准则被用作裂纹扩展准则。计算结果显示了曲面上的裂纹扩展路径可以与网格无关,并且由于在裂纹尖端的单元设置了具有奇异性的形函数,裂尖应力场被精确捕捉,从而证明了这种方法的优越性。

关键词：扩展有限元 CB壳单元三维任意裂纹扩展能量释放率断裂力学