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一种基于AK-MCS-K的失效概率函数估计方法

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中国机械工程 2024年第5期35卷 784-791页

作者：宋海征周长聪李磊林华刚岳珠峰西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西北工业大学清洁高效透平动力装置全国重点实验室西安710072

针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题,提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型,进而通过该局部代理模型结合Monte Carl... 详细信息

针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题,提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型,进而通过该局部代理模型结合Monte Carlo模拟法计算在指定分布参数样本下结构的失效概率,然后基于Kriging方法拟合分布参数样本点与对应结构失效概率之间的函数关系,最终建立用Kriging模型表达的失效概率函数的隐式函数。为了检验所提方法的精度和效率,给出了两个算例,对比了所提方法与已有的求解失效概率函数方法的计算结果。算例结果表明,所提方法适用于求解复杂的功能函数问题,并在满足精度要求的基础上显著降低了计算量。

关键词：结构可靠性失效概率函数自主学习Kriging方法代理模型

基于微观结构非均匀性理解非晶态聚苯乙烯的应力松弛行为

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物理学报 2024年第3期73卷 258-265页

作者：张婧祺郝奇吕国建熊必金乔吉超西北工业大学伦敦玛丽女王工程学院西安710072 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 华中科技大学化学与化工学院武汉430074

研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联,从基本Maxwell黏弹性模型出发,到三参量扩展指数方程,讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应.结果表明,非晶态聚苯乙烯应力松弛... 详细信息

研究了非晶态聚苯乙烯材料应力松弛行为与其固有微观结构非均匀性之间的关联,从基本Maxwell黏弹性模型出发,到三参量扩展指数方程,讨论了变形单元特征时间的分布本质及聚合物应力松弛过程中的链段效应.结果表明,非晶态聚苯乙烯应力松弛行为呈现典型非指数特征,单一特征时间的指数衰减形式与有限特征时间的有限谱方法均无法合理描述聚苯乙烯应力松弛行为,这是由于非晶态聚合物微观结构非均匀性所导致的特征时间谱连续分布.此外,本文进一步探究了物理老化导致的应力松弛行为变化,老化导致体系向更稳定能量状态迁移,变形单元难以激活,因而导致应力松弛过程慢化,特征时间延长.

关键词：聚苯乙烯应力松弛黏弹性微观结构非均匀性

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基于Hopkinson杆的恒幅冲击疲劳试验方法研究

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固体力学学报 2024年第1期45卷 1-15页

作者：袁康博杨建辉李泊立赵思晗吴名疆杨松淼郭伟国西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129 西北工业大学航空学院西安710072

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的... 详细信息

在航空、航天、武器和能源等领域的结构件经常会受到小载荷(小能量)的重复冲击,不同于大能量的单次冲断和常规准静态疲劳,这种载荷形式被称为冲击疲劳.冲击疲劳性能的评估需要依赖科学有效的冲击疲劳试验结果.多年来,受到基于能量法的冲击疲劳试验方法的限制,冲击疲劳试验结果在结构设计和性能评估方面的工业应用十分有限.因此,本文首先基于对冲击疲劳试验方法的发展历程的简要回顾,肯定了基于Hopkinson杆原理的应力波法的优越性,明确了冲击疲劳试验中普遍存在的非恒幅加载的问题.同时,提出了几种基于Hopkinson杆原理的冲击疲劳加载技术,并通过试验验证技术的可行性,重点关注是否存在二次加载引起的非恒幅加载问题.最后,采用经典的分离式Hopkinson压杆技术开发了一套可实现恒幅加载的动态剪切疲劳试验方法,实现了对TC4钛合金的冲击疲劳性能测试,从而验证了新方法的有效性和可行性.

关键词：冲击疲劳 Hopkinson杆应力波恒幅动态试验技术

多目标条件下西北寒冷地区乡村住宅优化设计模式构建研究

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热科学与技术 2024年第3期23卷 300-310页

作者：邵腾郑武幸张锟西北工业大学力学与土木建筑学院陕西西安710129

乡村住宅节能是城乡建设领域实现节能减排的重要途径之一,但在追求能耗降低的同时会出现舒适性降低、投资成本增加等衍生问题,因此需要考虑多目标条件下的建筑设计模式研究。基于MOBO优化软件、NSGA-Ⅱ优化算法、EnergyPlus模拟引擎和... 详细信息

乡村住宅节能是城乡建设领域实现节能减排的重要途径之一,但在追求能耗降低的同时会出现舒适性降低、投资成本增加等衍生问题,因此需要考虑多目标条件下的建筑设计模式研究。基于MOBO优化软件、NSGA-Ⅱ优化算法、EnergyPlus模拟引擎和多属性决策方法,建立多目标优化导向的建筑设计模式构建流程及方法。并以西北寒冷地区乡村住宅为例进行应用分析,选择建筑能耗、室内热舒适性和投资成本作为优化目标,建筑形态参数、围护结构参数和室内热环境参数作为优化变量,最终得出兼顾不同目标导向需求的优化设计模式及技术模板。结果表明:全局综合性能最优方案的建筑节能率为54.0%、平均预测不满意百分率(APPD)提升率为57.6%、初投资成本增额182.40元/m^(2),与单目标优化得出的解相比,多目标优化能够通过权衡不同目标性能之间的矛盾得出更具可行性的方案,可为西北寒冷地区乡村住宅优化设计提供参考。

关键词：多目标优化西北寒冷地区乡村住宅建筑节能设计模式

基于断裂相场的高分子黏结炸药裂纹演化及其力学性能退化分析

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计算力学学报 2024年第4期41卷 682-688页

作者：龙旭朱佳琦苏昱太姜夕博金朋刚西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安近代化学研究所西安710065

为了解高分子黏结炸药裂纹演化过程及其力学行为,综合考虑弹性、黏性以及热特性的影响及作用机制,提出了该材料热黏弹性断裂相场模型。基于断裂相场,建立了热黏弹性体的单一单元模型,对不同温度和应变率进行参数分析。然后,针对高分子... 详细信息

为了解高分子黏结炸药裂纹演化过程及其力学行为,综合考虑弹性、黏性以及热特性的影响及作用机制,提出了该材料热黏弹性断裂相场模型。基于断裂相场,建立了热黏弹性体的单一单元模型,对不同温度和应变率进行参数分析。然后,针对高分子黏结炸药开展该材料断裂相场的模拟及其模型参数校准。从而基于断裂相场在细观层面上阐明不同应变率、不同环境温度作用下高分子黏结炸药材料的裂纹演化及其力学性能退化的规律。结果表明,驱动断裂的能量和抗压强度随着应变率降低和温度的升高而呈现出减小的趋势,因此裂纹出现的时间越晚,扩展速度越慢。

关键词：高分子黏结炸药细观形貌热黏弹性体断裂相场模型裂纹演化

力学反作用下Nb3Sn高场超导线圈磁-热不稳定性研究现状和挑战

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中国科学:物理学力学天文学 2024年第11期54卷 59-88页

作者：薛存贾鹏汪庆渝任晗熹胡帅曹凯威雍华东西北工业大学力学与土木建筑学院西北工业大学航空学院兰州大学土木工程与力学学院

Nb3Sn线圈是高场磁体的关键核心部件,在高能物理、先进医疗、磁约束核聚变等方面有重要应用.然而国内外在Nb3Sn高场磁体制备后的测试过程中,遇到大量磁通跳跃,导致超导载流能力急速下降,严重影响失超保护,容易诱发过早失超.另外,超导线... 详细信息

Nb3Sn线圈是高场磁体的关键核心部件,在高能物理、先进医疗、磁约束核聚变等方面有重要应用.然而国内外在Nb3Sn高场磁体制备后的测试过程中,遇到大量磁通跳跃,导致超导载流能力急速下降,严重影响失超保护,容易诱发过早失超.另外,超导线圈在强磁场、大电流环境下发生明显力学变形,而且超导电磁性能对力学变形很敏感,所以力学应变下Nb3Sn线圈磁-热不稳定性成为研制高场超导磁体亟待解决的难题之一.在造价高昂和后期很难修补和改造的背景下,发展Nb3Sn超导线圈磁-热不稳定性数值模拟方法,揭示电磁力对磁通跳跃和失超的影响机制,对抑制超导线圈磁通跳跃的优化设计和加快高场Nb3Sn磁体研制进度有重要意义.本文回顾了Nb3Sn高场磁体应用中涉及的力-电-磁-热多场耦合问题的研究现状,梳理了Nb3Sn超导线圈在应用中涉及的复杂本构关系、超导线圈磁-热稳定性和力学反作用这三个亟待解决的关键科学问题,并探讨了其中的困难和挑战.

关键词：超导力学 Nb3Sn高场磁体临界电流磁-热不稳定力学反作用

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各向异性复合材料强度失效判据综述

力学学报 2024年第4期56卷 1006-1024页

作者：贾斐杨成鹏宋远翔西安电子科技大学机电工程学院西安710071 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

失效判据在复合材料的渐进损伤模拟和极限强度预测中具有极其重要的意义.针对各向异性复合材料的损伤-破坏问题,根据理论架构与发展脉络,对现有失效判据进行了分类汇总和全面综述,重点总结了破坏模式无关判据和破坏模式相关判据,分析了... 详细信息

失效判据在复合材料的渐进损伤模拟和极限强度预测中具有极其重要的意义.针对各向异性复合材料的损伤-破坏问题,根据理论架构与发展脉络,对现有失效判据进行了分类汇总和全面综述,重点总结了破坏模式无关判据和破坏模式相关判据,分析了基于破坏面假设的相关理论成果,阐述了基于应力不变量进行判据构建的基本理论、方法和模型,并论述了基于应变能和基于损伤参量的两类失效判据.研究表明,各向异性复合材料强度理论发展的基础和主线仍然是二次应力判据,高阶唯象失效判据的合理性和适用性尚需验证;能量判据和损伤判据对于非线性-准脆性复合材料显示出了合理性和适用性,但表达式较为复杂.在深入分析研究的基础上,对复合材料强度理论的发展趋势进行了展望,提出了“损伤-断裂协同理论”这一重点与难点方向,以期对复合材料及其结构的设计、评估与应用提供更有价值的参考.

关键词：复合材料强度理论损伤演化失效判据断裂模式

复合材料层压板疲劳损伤演化模型的综述与评估

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材料导报 2024年第9期38卷 226-236页

作者：冯炜森杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型... 详细信息

疲劳损伤演化模型是材料疲劳性能退化与寿命预测的重要基础。本文对复合材料层压板的疲劳损伤演化模型进行了全面综述,针对材料损伤演化三阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)特征将其磨损模型分为两类:Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段模型和Ⅰ-Ⅱ两阶段模型。提出了模型评估的五个基本标准,选取了八组不同加载条件下的疲劳损伤演化实验数据,对表征能力较强的疲劳磨损模型进行了分析评估。现有研究表明:绝大多数疲劳损伤演化模型属于宏观唯象模型,模型中引入的疲劳影响因素少,对实验的依赖程度高;对于Ⅰ-Ⅱ两阶段损伤,两阶段磨损模型具有很高的拟合精度;相比而言,Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ三阶段磨损模型可准确模拟疲劳损伤演化全过程,比Ⅰ-Ⅱ两阶段磨损模型更具普适性,其中Mao、吴富强和Shiri的模型应用较为广泛。为了克服唯象模型的不足,须考虑不同影响因素下材料的微细观损伤形式和机理,进而发展基于物理机制的疲劳损伤演化理论和模型。

关键词：复合材料层压板疲劳损伤损伤演化模型模型评估

2D-C/SiC复合材料热膨胀系数演化模型

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复合材料学报 2024年第4期41卷 2083-2098页

作者：郑茹悦杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合... 详细信息

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合材料模型给出了组分材料的三维热失配应力计算模型;其次,引入基体开裂和界面脱粘损伤,并考虑组分材料热膨胀性能差异、纤维的横观各向同性以及泊松效应的影响,推导了Mini复合材料轴向和径向热膨胀系数的解析表达式;再次,基于[0/90]正交层压板模型和宏观应变的一致性假设,建立了2D-C/SiC复合材料含损伤表观热膨胀系数的分析预测模型;最后,将本模型与经典Schapery模型及实验值进行对比,分析了热膨胀系数的主要影响因素。参数分析表明:基体裂纹间距、界面脱粘率、孔隙率、组分材料的弹性模量及热膨胀系数等均会影响复合材料的表观热膨胀系数,其中基体膨胀系数的影响尤为显著;验证结果表明:本模型具有合理性与正确性,其预测值与经典模型及实验曲线均吻合良好。

关键词：热膨胀系数 Mini复合材料模型 2D-C/SiC 热失配应力 Schapery模型