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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

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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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

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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

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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

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残余应力对柔性薄壁连接结构固有频率的影响

实验力学 2024年第2期39卷 149-157页

作者：高梁昝祥李艳邓华夏王宇龚兴龙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安徽合肥230027 合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009

对于光束线系统中的精密部件而言,线切割加工过程往往会造成部件表面产生残余应力,从而使得精密部件的振动特性与设计预期产生偏差,影响电子束流的稳定性。本文通过对柔性薄壁连接试件固有频率的测量,结合数字图像相关方法和有损切割法... 详细信息

对于光束线系统中的精密部件而言,线切割加工过程往往会造成部件表面产生残余应力,从而使得精密部件的振动特性与设计预期产生偏差,影响电子束流的稳定性。本文通过对柔性薄壁连接试件固有频率的测量,结合数字图像相关方法和有损切割法对薄壁连接处残余应力进行分析,并结合有限元法分析了残余应力对柔性薄壁连接试件的固有频率影响,从而对光束线系统中柔性铰链部件的固有频率与设计值的偏差进行了探究,研究结果可为柔性薄壁连接部件振动特性设计提供依据。

关键词：残余应力柔性铰链固有频率

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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细观非连续介质的应力波传播研究

爆炸与冲击 2024年

作者：袁良柱陈美多谢雨珊陆建华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中国地震局地震预测研究所高压物理与地震科技联合实验室

固体介质，如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性，揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律，对于材料设计、安全防护等具有重要意义。本文从广义Taylor公式出发，推导了分数阶定义下的非连续介... 详细信息

固体介质，如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性，揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律，对于材料设计、安全防护等具有重要意义。本文从广义Taylor公式出发，推导了分数阶定义下的非连续介质的一维波动方程，引入等效分数阶简化了控制方程。利用有限差分法得到了控制方程的数值解，结果表明：当控制方程中的等效分数阶阶数越小，计算得到的波形衰减的程度越大。为了验证方程的可靠性，并进一步研究非连续介质的波传播规律，在考虑多孔材料、岩石等介质的结构特征的基础上，基于Abaqus软件建立了随机多孔介质模型。分析发现：多孔介质的波传播受到介质细观非连续程度、材料属性和输入波脉宽的影响，但对应的等效分数阶阶数只与介质细观非连续程度相关，因此其可以作为评价非连续介质动态响应的一个依据。等效分数阶阶数随着孔隙率的增加而减小，孔洞相对数量分布大致相同的情况下，其统计关系近似呈线性关系。研究结果可为研究多孔材料、贝壳等细观非连续介质的波动传播提供新思路。

关键词：分数阶导数细观非连续波传播有限差分等效分数阶阶数

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考虑丙二醇热解的相变发汗冷却数值研究

推进技术 2024年

作者：刘逸飞麻玉龙贺菲俞继军罗晓光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中国航天空气动力技术研究院

为了揭示裂解反应对相变发汗冷却的影响，本文结合局部热非平衡下的两相混合模型（LTNE-TPMM），过渡态理论（TST）和化学反应动力学，利用丙二醇（PG）作为冷却剂，对多孔平板相变发汗冷却进行了数值研究，首次揭示了不同冷却剂质量流... 详细信息

为了揭示裂解反应对相变发汗冷却的影响，本文结合局部热非平衡下的两相混合模型（LTNE-TPMM），过渡态理论（TST）和化学反应动力学，利用丙二醇（PG）作为冷却剂，对多孔平板相变发汗冷却进行了数值研究，首次揭示了不同冷却剂质量流量和热流密度分布下裂解反应对多孔介质内流动换热过程的影响机理和影响规律。结果表明，丙二醇裂解率与注入流量呈负相关，与热流密度大小呈正相关，质量流量从0.2kg/(m2·s)提高至0.4kg/(m2·s)时，丙二醇的裂解率由0.48降低至0.27；热流密度q0从0.8提高到1.2MW/m2时，裂解率由0.21提高到了0.63。裂解反应从多孔骨架吸收大量热量，增加了额外的化学热沉。此外，裂解反应能够有效强化多孔出口高温区的流动换热，提高热扩散速率。

关键词：发汗冷却热防护相变多孔介质丙二醇裂解反应热扩散