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径向多项式插值的新型非对称8节点六面体单元

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计算力学学报 2024年

作者：豆芦镇黄颖青陈海波中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为与设计重点实验室

基于虚位移原理，本文开发了一种新型非对称8节点六面体单元UH8-RPIM。该单元分别采用等参插值函数和径向多项式插值用于虚位移和实位移的近似假设，使得给定位移边界条件的实施以及等效节点外力的计算与传统等参元相同，同时提高了数... 详细信息

基于虚位移原理，本文开发了一种新型非对称8节点六面体单元UH8-RPIM。该单元分别采用等参插值函数和径向多项式插值用于虚位移和实位移的近似假设，使得给定位移边界条件的实施以及等效节点外力的计算与传统等参元相同，同时提高了数值精度和单元间的应力平滑度。由于采用不同的位移插值函数，单元刚度矩阵呈现非对称性，但整体刚度矩阵仍是结构对称的稀疏矩阵形式。这样的设计确保了单元刚度矩阵的计算不再依赖Jacobian矩阵的行列式值，增强了单元对网格畸变的抵抗力。数值算例表明，该单元充分融合了有限元法与无网格法的优势，易于施加边界条件，具有良好的收敛性和高精度，以及出色的抗网格畸变能力。

关键词：径向多项式插值有限元法无网格法非对称有限元虚位移原理

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幂律梯度材料的热弛豫响应行为

爆炸与冲击 2024年

作者：谢雨珊徐松林袁良柱陈美多王鹏飞中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室

梯度材料热弛豫响应行为的理论研究对热分析具有重要意义。结合Cattaneo-Vernotte线性双曲型热传导方程，推导得到幂律梯度材料的一维双曲型非傅立叶热传导方程。通过积分变换法，解得频域内温度场的贝塞尔级数形式解，随后利用极点留... 详细信息

梯度材料热弛豫响应行为的理论研究对热分析具有重要意义。结合Cattaneo-Vernotte线性双曲型热传导方程，推导得到幂律梯度材料的一维双曲型非傅立叶热传导方程。通过积分变换法，解得频域内温度场的贝塞尔级数形式解，随后利用极点留数法，得到时间域内温度场的第一类解析解。在第一类解析解的基础上，由简化欧拉方程解得第二类解析解。结合拉普拉斯数值逆变换方法，验证了解析解的准确性。以高温阻热梯度材料Mo-ZrC的应用为例，讨论了一般温度边界条件以及温度脉冲载荷作用下幂律梯度材料的热弛豫响应行为。分析发现，研究范围内的温度场具备波动和传导衰减的双重特性。响应时间和温度幅值随着热弛豫时间系数的增大而增大，温度场分布和单元波形与梯度结构相关。

关键词：热弛豫响应 Mo-ZrC梯度材料贝塞尔级数积分变换

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基于Tersoff势的晶格中波动传播

爆炸与冲击 2024年

作者：周子清王鹏飞徐松林中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室

波动传播特性是研究材料动力学行为的基础，针对宏观尺度连续介质中的波动理论研究已十分完善。随着微纳尺度材料和结构的广泛应用，晶格尺度下波动传播特性的研究日益受到关注。本文中，在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系... 详细信息

波动传播特性是研究材料动力学行为的基础，针对宏观尺度连续介质中的波动理论研究已十分完善。随着微纳尺度材料和结构的广泛应用，晶格尺度下波动传播特性的研究日益受到关注。本文中，在晶格间的Tersoff势作用下分别研究了单晶体系和多晶体系中的波动传播特性。首先，在微振动的情况下，晶格间分别基于线性作用、Tersoff势作用以及含缺陷的Tersoff势作用3种势能函数研究了单晶体系中格波的传播，得到了晶格中的色散关系以及格波波速的表达式。其次，分别以碳晶格和硅晶格为例，应用有限差分方法，研究了3种势能作用下单晶体系中的波动传播过程，对比了压缩和拉伸冲击下晶格的运动差异，并讨论了入射速度对位移峰值和受力峰值的影响，揭示了单晶体系中波动传播与连续介质中波动传播的差异。最后，分别以金刚石和碳化硅为例，采用分子动力学模拟方法，研究了多晶体系中的波动传播特性，讨论了不同空间位置原子的运动差异。结果表明：多晶体系中晶格结构更复杂，其中的波动传播特性与单晶体系存在差异；缺陷的存在对波动传播规律影响显著，这种影响在多晶体系中更为突出。本研究对于微纳尺度材料动力学性能的研究具有较好的参考意义。

关键词：晶格动力学微振动 Tersoff势缺陷分子动力学

高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

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高压物理学报 2024年第1期38卷 74-84页

作者：杨东姜紫薇郑志军安徽大学机械工程系安徽合肥230601 中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室安徽合肥230026

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Jo... 详细信息

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

关键词：高温高应变率钛合金动态力学行为本构关系 Johnson-Cook模型

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仿生异质结构的非线性力学与优化设计

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 43-73页

作者：王泽文吴开金解丽丽何陵辉倪勇中国科学技术大学工程科学学院近代力学系中国科学院材料力学行为与设计重点实验室合肥230026 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190

轻质高强韧结构设计一直是力学和材料等学科交叉的前沿问题,也是工程应用的不懈追求.生物材料经历数百万年进化,兼具轻质、高强度和高韧性力学性能,成为高性能工程材料设计的模板.然而,生物材料往往具有跨尺度、多层级的复相结构和界面... 详细信息

轻质高强韧结构设计一直是力学和材料等学科交叉的前沿问题,也是工程应用的不懈追求.生物材料经历数百万年进化,兼具轻质、高强度和高韧性力学性能,成为高性能工程材料设计的模板.然而,生物材料往往具有跨尺度、多层级的复相结构和界面特征,会产生非线性、多过程的变形和断裂行为,进而决定强度和韧性等力学性能.如何发展定量的力学模型、阐明生物材料的结构-界面-强韧力学性能间的关系,并为高性能仿生材料制备提供优化设计方案成了近期的研究前沿.本文以极具代表性的生物“砖泥交错结构”和“扭转纤维结构”为例,从力学模型和力学机制方面,首先梳理仿生异质结构代表性单元体(RVE)的非线性力学响应与其结构间的关联;然后讨论含主裂纹仿生异质结构的断裂行为及其与RVE结构间的关联;进一步,基于力学模型和机制,给出优化强度、韧性、抗冲击性和断裂韧性等性能的力学设计方案;最后,提出仿生异质结构非线性力学与优化设计中存在的挑战和未来的发展方向.

关键词：仿生异质结构非线性力学代表性单元体断裂力学优化设计

铜/钢爆炸焊接复合界面的显微组织及晶粒结构演化机理

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第5期34卷 1588-1605页

作者：杨明张冰原马宏昊王金相熊家艺南京理工大学瞬态物理全国重点实验室南京210094 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230026 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表... 详细信息

采用光滑粒子仿真、先进表征和理论分析相结合的方法,对铜/钢复合材料爆炸焊接过程中的界面瞬态行为进行深入研究,并详细阐述其显微组织演化机制。根据仿真数据重构波形完整的演化过程,并揭示各种界面特征的形成机制。多尺度EBSD分析表明,界面附近区域呈多样性的晶粒结构,其演化机制主要受塑性流动、动态再结晶和凝固形核三个过程的控制。最后,通过纳米压痕实验建立晶粒结构与力学性能之间的关系。

关键词：爆炸焊接铜/钢复合材料成波机理晶粒结构纳米压痕

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双层多孔板结构相变发汗冷却的数值模拟研究

力学学报 2024年第1期56卷 121-129页

作者：刘韬略吕玉妹栾芸贺菲王建华中国科学技术大学热科学和能源工程系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230026 北京机电工程总体设计部北京100854

为了提高相变发汗冷却的冷却性能,提出不同孔隙率组合的双层多孔板结构设计代替传统的单层多孔板结构.以液态水作为冷却剂,使用修正后的局部热非平衡两相混合流模型,数值研究了不同孔隙率组合的多孔板内流-固耦合传热和冷却剂流动输运特... 详细信息

为了提高相变发汗冷却的冷却性能,提出不同孔隙率组合的双层多孔板结构设计代替传统的单层多孔板结构.以液态水作为冷却剂,使用修正后的局部热非平衡两相混合流模型,数值研究了不同孔隙率组合的多孔板内流-固耦合传热和冷却剂流动输运特性.数值模拟结果表明存在可以降低结构表面温度的双层多孔板设计,并且在冷却剂流量较大、液体水相变发生在上层多孔板内时,该新型结构相较于传统结构的表面温度降低更为明显.与此同时,冷却剂的注射压力被重点关注.由于水蒸气的运动黏度远高于液体水,研究中发现当冷却剂相变发生在多孔板内时,冷却剂的注射压力主要取决于水蒸气所集中的上层多孔板孔隙率.因此基于多孔介质内的渗流特性,采用孔隙率较大的上层多孔板有助于降低结构内的水蒸气压力,从而实现多孔板板底冷却剂注射压力的降低,在某一孔隙率组合中冷却剂注射压力的最大降幅可以达到65%.如果采用相反的孔隙率设计,即下层多孔板的孔隙率较大,虽然也可以在一定程度上降低表面温度,但是注射压力将会数倍增加,不利于相变发汗冷却的实际应用.

关键词：发汗冷却水相变多孔介质热防护

各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型

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中国科学技术大学学报 2024年第1期54卷 57-68,56,I0002页

作者：汪伯潮李颜逄浩明徐振邦龚兴龙中国科学院材料力学行为与设计重点实验室中国科学技术大学近代力学系安徽合肥230027 中国科学院空间光学系统在轨制造与集成重点实验室中国科学院光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的... 详细信息

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的频率、应变幅值和磁场相关性。尽管上述行为对于其潜在应用具有重要的影响,但目前关于各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的理论研究则关注不够。为准确评价各向同性磁流变弹性体的动态力磁耦合行为,并指导其相关产品的设计,本文建立了一个基于连续介质力学理论,反映各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型。随后,开发了和本构模型对应的数值实现算法,并对模型的预测能力进行了验证。该模型有助于深入理解各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的潜在力学机制。此外,该模型有助于指导基于各向同性磁流变弹性体产品的设计和应用。

关键词：各向同性磁流变弹性体频率相关应变幅值相关磁相关非线性粘弹本构模型

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多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

爆炸与冲击 2024年

作者：张元瑞朱玉东王克鸿周琦虞吉林郑志军 1.中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室 2.南京理工大学材料科学与工程学院 3.中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室南京理工大学材料科学与工程学院中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室

多胞子弹被广泛应用于抗爆防护结构的冲击测试中，然而其作用于夹芯结构上的真实载荷尚不明确。为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果，对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和实验测... 详细信息

多胞子弹被广泛应用于抗爆防护结构的冲击测试中，然而其作用于夹芯结构上的真实载荷尚不明确。为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果，对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和实验测试研究。通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析，基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型，构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型，给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程并结合龙格–库塔方法对方程进行了数值求解。基于三维Voronoi技术，开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟。在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究，结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明，耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强。在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下，同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应，这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载，多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略。相较于均匀多胞子弹，梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐，在其衰减过程中展现出更强的非线性。本研究明确了多胞子弹对泡沫夹芯梁的加载效果，为仿爆炸多胞子弹的优化设计提供了理论依据。

关键词：多胞子弹泡沫夹芯梁耦合分析模型有限元模拟冲击测试