传感器弹性元件本构模型参数拟合研究

针对多维位移测量系统结构复杂、成本高等缺点，课题组提出一种单一固体集成传感器，为了准确描述传感器弹性元件力学特性，在不同应变率下对传感器弹性元件进行准静态单轴压缩试验。将超弹性本构模型运用泰勒展开式进行整理简化，得到应力 应变关系，利用Origin对应力 应变曲线进行数据拟合；选用Mooney Rivilin，Yeoh，Biderman和Ogden这4种超弹性本构模型对试验曲线进行描述。研究结果表明：Biderman模型对曲线的拟合效果最好，Mooney Rivilin模型拟合效果最差，其他模型都存在小应变拟合差和中等以上不同程度的偏离的情况。本研究得到的应力应变关系为传感器的进一步研究提供重要参考。     

绝对节点坐标四面体单元建模与动力学分析

四面体单元可用于具有不规则柔性构件的多体系统动力学仿真，因此课题组基于拉格朗日方程研究了绝对节点坐标（ANCF）四面体单元体积坐标下的动力学模型。基于四面体单元中笛卡尔坐标与体积坐标的关系，构建了用体积坐标表示的动能和应变能，将其代入拉格朗日方程建立了运动微分方程。通过静动态实例分析了所建ANCF四面体单元动力学模型的收敛性和精度。与ABAQUS软件四面体单元进行比较，结果显示：ANCF四面体单元的精度高于ABAQUS四面体一次单元，随着单元数增加，精度可与二次四面体单元一致。     

振动输送机橡胶弹簧优化设计

为了探究橡胶弹簧的结构参数、材料参数和预压量等因素对扭转刚度灵敏性影响，笔者提出一种橡胶弹簧扭转刚度灵敏性研究方法。笔者基于橡胶超弹性及黏弹性理论，构建了橡胶弹簧超弹性 黏弹性本构模型，并在ABAQUS中建立了橡胶弹簧动态分析有限元模型，通过橡胶弹簧动态扭转试验验证了其有限元模型的正确性；基于橡胶弹簧动态分析有限元模型，讨论了橡胶的高度、直径、预压量、硬度、激励频率和扭转角度对橡胶弹簧扭转刚度的灵敏性，获得了各因素对扭转刚度的影响规律；基于灵敏性分析结果，建立了振动输送机能耗优化数学模型，应用遗传算法对振动输送机能耗进行优化。结果显示优化之后振动输送机能耗降低了10.25%。橡胶弹簧扭转刚度灵敏性分析方法对振动输送机橡胶弹簧的开发设计提供了一种设计周期短、计算效率高的方法。     

轮胎等效模型与快速计算研究

复杂的轮胎结构和橡胶等超弹材料是影响轮胎有限元模型精度和计算速度的重要因素。为实现模型的快速计算,通过探索线性材料构建轮胎有限元模型,对模型进行等效处理。构建了轮胎有限元精细模型,并通过台架试验对精细模型的有效性进行验证。对轮胎精细模型提出3种简化方式,分别为实体单元建模、实体单元和壳单元混合建模、实体单元和梁单元混合建模,并采用线性材料计算3种等效模型的充气侧向变形量、充气径向变形量以及径向加载下沉量,最终得到其最优等效模型。通过对等效模型接地印记和接地压力以及各阶模态与精细模型对比,验证了等效模型的准确性和计算效率,为整车有限元仿真提供一种轮胎建模方法。     

基于Shapley值法的移动增值服务价值链利润分配模型

研究对象为任意节点连接和任意支撑的平面框架。一般梁单元由等截面直杆及其杆端的轴向弹簧、切向弹簧和转动弹簧组成，推导得到此类单元的刚度矩阵、单元在8种基本荷载作用下的等效节点荷载。采用Matlab语言编写了适用于一般节点非线性连接框架的静力分析程序，非线性形式为指数函数或多项式函数，可以得到结构不同连接刚度下的节点位移、杆端位移和杆端力。算例显示出节点柔度对结构受力和变形的影响。     

按高阶理论考虑剪切变形影响的梁单元刚度矩阵

采用Ｂｉｃｋｆｏｒｄ高阶剪切变形理论，建立了厚梁变形的控制微分方程，将求解了的位移函数作为形函数，推导了厚梁单元的刚度矩阵公式。算例表明，本方法较一阶剪切主形理论更准确。     

基于聚氨酯弹性体位移传感器的有限元分析及实验

为揭示聚氨酯弹性体位移传感器固定端应变与运动端位移、扭转之间的关系,课题组基于橡胶类材料单轴拉伸实验得到的应力应变关系,通过数据拟合后确定最适合聚氨酯弹性体材料的Ogden本构模型及参数。用ABAQUS软件建立了聚氨酯弹性体位移传感器的非线性有限元模型,分析运动端位移和扭转情况下传感器的应力、应变和位移变化规律。研究表明：随着运动端位移和扭转的加载,固定端的应变随之增加,当位移达到30 mm时,最大应变出现在距离固定端4 mm处;当扭转达到15°时,最大切应变区域为整个弹性体发生扭转变形部分;此分布规律指导了传感器设计中应变片布置方案。将传感器仿真与测量实验数据对比,误差在10%以内,符合传感器要求。     

粘弹性聚合物材料力学模型的研究

聚合物熔体既不同于弹性固体，又不同于粘性流体，它是一种典型的粘弹性材料。根据聚合物熔体的特征流变现象，选用不同的粘弹性本构模型加以描述，分析不同本构模型方程在揭示材料粘弹性方面的优缺点，并指出通过流变实验确定材料的粘弹性变化规律，从而确定本构方程的模型参数。     

以塑性应变和损伤为参变量的广义非局部损伤本构方程

将塑性应变和非局部损伤取为内变量，引入耗散势，利用连续介质损伤力学和热力学第二定律，建立了一个能全面描述材料本构行为的非局部非弹性损伤本构方程，用该模型计算了单位、单压状态下混凝土材料及20#钢的应力-应变关系曲线，取得了较好的结果．     

非线性粘弹性材料的一个瞬时弹性本构关系

运用非线性粘弹性本构理论中的弹性回复对应原理,得到了一个简单的适用于非线性粘弹性材料的瞬时弹性本构关系,并结合实例分析,验证了由该瞬时弹性本构所表征的非线性粘弹性本构关系能对非线性粘弹性材料的力学行为进行合理描述的结论．     

特殊型式梁的子结构建模方法

针对带孔横梁刚架,提出了利用子结构法建立其有限元模型的方法。介绍了子结构分割、离散、边界自由度定义及缩减模型的形成,并根据和标准梁单元连接的位移协调要求,将子结构缩减模型转换为和标准梁单元自由度数量和性质相同的特殊梁单元,以实现不同梁单元的混合建模。子结构方法可使刚架的有限元模型建立和计算大大简化。     

复合材料层合梁的几何非线性分析

用高阶剪切变形理论研究纤维增强复合材料层合梁的几休非一弯曲问题，采用的方法为有限单元法，其非线性控制方程用直接迭代法求解。本文给出了各种边界条件下对称与反对称铺层梁在均布横向载荷下的数值结果，与一阶剪切变形理论相比，给出更精确的挠度，且不需要对剪切刚度项进行约化积分，也不需引入剪切修正因子。     

叶根阻尼对叶片振动的影响

本文用有限单元法,对两种模型叶片,计算了叶根阻尼对叶片共振振幅的影响,以及叶根弹性和接触情况对叶片固有频率的影响。本文把叶根和轮缘之间的振动滑移看成是动力接触问题,将静力问题中的接触条件推广到动力问题,并提出了解法。本文用平面应变单元和平板单元对整个叶片进行离散,并导出了用于连接平面单元和梁(平板)单元的过渡单元的位移模式和座标变换式。本文还根据模态综合法的基本思想,提出了一种缩减自由度的方法,得到了比较满意的结果。最后进行了实验验征。     

基于ABAQUS的CCF300碳纤维层合板低速冲击破坏数值模拟

为了更有效预测国产碳纤维增强材料在冲击载荷下的损伤情况,以国产碳纤维（CCF300）/环氧树脂（5228）复合材料层合板为对象,利用专业有限元仿真软件ABAQUS进行冲击破坏性能数值模拟研究。采用复合材料渐进损伤法,建立CCF300碳纤维层合板在低速冲击载荷下的损伤和变形三维有限元模型。通过三维实体单元模拟层合板,利用内聚力接触模拟单层板间的接触,从而模拟层合板层内和层间的不同失效模式。使用FORTRAN语言编写ABAQUS材料用户子程序VUMAT实现模拟,程序中包含本构方程的求解、损伤准则对单元失效的判定和损伤单元参数退化3部分,材料的单元失效是通过引入状态损伤变量来判断。仿真模型可通过调用子程序来模拟复合材料的纤维拉伸、压缩失效、基体开裂、挤压失效4种层内损伤,同时ABAQUS本身可以模拟材料分层损伤。通过仿真得到了材料的最大冲击破坏载荷和损伤模式的效果图。     

考虑几何非线性的空间薄壁梁单元

用增量问题的物质描述方式，建立了一种考虑大变形小应变空间薄壁梁单元的数学模型；导引了薄壁梁单元ｕ．Ｌ．列式虚功增量平衡方程；按照“对号放座”法则导出了空间几何非线性薄壁梁单元特性矩阵。     

等参单元在货车转向架强度计算中的应用

推导了八节点六面体等参单元的应变矩阵、刚度矩阵,对该单元的位移解收敛性和畸变敏感性进行了分析。针对转向架强度分析的特点,在MATLAB平台上开发了一套求解位移的有限元程序。该程序通过读取ANSYS软件输出的数据文件中的模型信息,采用八节点六面体等参单元,求出单元刚度矩阵及单元体积力矩阵,组集单元,引入位移边界条件,得到一组以节点位移为未知量的多元线性方程组,求解得到单元节点位移。最后对160 km/h货车转向架侧架的主要载荷进行了位移计算,结果与ANSYS软件计算结果基本吻合。     

套靴刚度和阻尼对高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动的影响

采用轨段单元模拟弹性支承块式无砟轨道结构。钢轨模拟为弹性点支承Euler梁；钢轨下面的支承块视为刚体；道床板视为弹性薄板，并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值；钢轨扣件和支承块下胶垫和套靴模拟为线性弹簧和阻尼器；道床板与混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的“对号入座”法则，建立了高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统竖向振动矩阵方程，得到了系统振动响应，进一步分析了套靴刚度和阻尼对此系统竖向振动响应的影响规律。     

压电智能板热效应分析模型的建立与仿真

通过有限元分析方法研究了压电智能板结构的热效应问题。采用了包含4个位移节点、2个电势节点和8个温度节点的有限元模型,其位移场按壳单元模型描述,电势场和温度场则按线性插值方法描述。基于虚功原理导出了热机电有限元方程,分析了温度场的改变对压电智能板结构动力特性、动力响应和输出电压的影响。通过一悬臂智能板结构的数值仿真,反映出温度变化造成的物理参数值改变对位移响应和输出电压具有一定的影响;温度变化产生的热载荷对动力响应和输出电压具有非常大的影响,表明了在智能板结构响应分析中考虑热因素的重要性。     

预应力混凝土连续梁的非线性分析

采用分层法对预应力混凝土梁进行了非线性有限元分析，利用计算机数值计算方法，模拟预应力混凝土多跨连续梁的加载试验全过程，分析预应力混凝土梁的非线性特性，通过各层单元引入对应材料的非线性模型，并采用离散裂缝模型，能较正确地模拟预应力混凝土梁从弹性状态到极限状态的受力特性，算例表明该方法既能使混凝土非线性分析的结构模型得到简化，又能较好地预测预应力混凝土梁的开裂荷载、极限荷载、正截面裂缝开展、荷载挠度曲线关系和钢筋及混凝土的应力变化过程，计算结果与试验结果吻合较好。     

预裂爆破开挖对地下厂房岩锚梁的变形控制研究

当前地下洞室工程中开挖卸荷诱发的围岩失稳问题频发，岩锚梁岩台开挖后围岩变形对岩锚梁的结构安全起决定性作用。使用FLAC3D有限差分软件分析了预裂爆破施工对硬梁包水电站地下厂房岩锚梁的围岩变形控制效果。建立了预裂效应的准三维数值模拟计算模型，基于岩体劣化模型研究了各层开挖后岩锚梁岩台附近围岩位移的变化趋势，分析了第4层预裂孔爆破施工工序对岩锚梁岩台变形影响。结果显示，提前预裂可减小厂房第4层开挖对岩锚梁变形的影响约40%,论证了第4层预裂后再浇筑岩锚梁更有利于控制其变形。