摘要：先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注,这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能.在早期的材料设计中,有的基于设计者的丰富经验,从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型;有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型.然而,仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案,通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际.为此,拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中,但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战.基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系,能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律,成为力学领域崭新的研究热点.本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程,对比阐述各种主流设计方法,结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状,并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.

摘要：基于塑性极限分析理论,采用最小势能原理,提出了火灾下高温钢板剪力墙屈曲后的拉力带模型TSM(Temperature String Modal),依据此假定推导了考虑变温场极限状态下钢板剪力墙屈曲后的水平承载力计算完全解,对火灾温度场下钢板剪力墙屈曲后强度进行了研究。利用上述方法对石化炉体装备的钢箱体结构进行了抗火极限分析和结构防火保护的优化设计。实例与数值模拟结果的对比表明该方法简单有效,可以为钢箱体结构抗火设计提供理论依据和实用的计算方法。

摘要：本文针对目前全国规模最大的钢筋混凝土工业沉井，提出了力学分析和结构优化设计的方法，对于沉井下沉，封底板和全用的不同阶段，合理地确定了土壤摩阻力值和地下压力值，采用解析计算与ＡＢＡＱＵＳ有限元数拟相结合进行了力学分析，结果表明，底板弯矩和位移是优化前的１／７，井壁比原设计节约了１／５的材料用量，仅混凝土一项就节省了１５００多吨。

摘要：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。

摘要：复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。

摘要：将波在具有温度梯度的波导杆中运动的控制方程离散,利用差分格式编写程序,根据杆上任意一点的应变信号,计算出当波传到杆上其它任意点处的应变信号。设计实验,验证了该方法的正确性。此方法可应用于高温Hopkinson实验中,即:在波导杆上处于室温的某处粘贴应变片,由该应变片采集的应变信号,计算出试件与波导杆接触处的高温区的应变信号,利用此应变信号即可获得高温Hopkinson实验中试件的应力-应变关系。

摘要：天然气管道是连接气田和市场的纽带和桥梁，因此确保管线安全运行是至关重要的。我国油气资源丰富的西部地区，泥石流、沼泽化、冻融及河流侵蚀坍岸等地质灾害时有发生。为确保输气管线在设计、施工及使用期间的安全可靠，需要对管线系统进行可靠性分析，从而为工程设计、施工和管理提供理论依据。采用数值模拟方法，利用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ模拟了地震、沼泽、泥石流、山体崩塌等地质灾害下有覆盖土层的钢制天然气输气管线，旨在提出确保管道安全的悬空跨度和埋置深度。模型考虑了管道与周围岩土的共同工作，分为悬空管道上有覆盖土层和完全裸露两种情况。计算给出了管道危险截面上的应力和位移分布，以及它们随管道参数埋深和悬空跨度变化曲线。并指出适当加大埋深有利于悬空段上部土壤形成压力拱桥，减少对管道的压力，从而避免管道发生失效破坏。对裸露管线，危险点多出现在悬空段起始处。

摘要：V&V(Verification and Validation),即模型验证与确认,是一种量化复杂数值模拟结果置信度的系统方法.大规模的数值模拟往往不能确保高置信度,数值模拟结果的置信度需要一种严格量化的方法.对于有限元模拟问题,获得近似解后,如果直接对这个解进行误差分析,可以得到一个整体的误差估计.而对于以有限元模拟为辅助手段的设计改进而言,通常都有特别关心的专门设计量,所有的模拟实验过程都是为检验这个量而服务的.面向目标的误差估计方法就是专门针对如何准确和经济地估算特定值误差的一种方法.本文通过线性化简后,把这种估计方法针对有限元模拟成功实现,为在实际工程应用中数值实现这种最接近于解决实际问题的方法作了准备.

摘要：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。

摘要：刚柔组合体的大变形行为和复杂连接接触给飞艇大尺度结构的力学分析、设计和制造带来了挑战。该文选择德国先进的Zeppelin NT飞艇作为研究对象,飞艇结构由内部骨架与外部蒙皮连接而成,是典型的刚柔组合体结构。飞艇骨架的主要结构单元为桁架梁,若采用精细化模型,建模工作量大,因此通过对代表性桁架梁进行精细化分析,得出梁的截面力学参数,建立了等效简化梁模型,使得计算成本大为降低。为了验证有限元方法对柔性结构模态分析的适用性,推导了无限长圆柱形膜结构的二维振动模态频率理论解,并与有限元模拟得到的数值结果进行比较,两者误差较小。将蒙皮振动引起周围空气运动的附加质量引入有限元分析模型,得到蒙皮与骨架结构合理的模态振动频率。该文建立了大尺度刚柔组合飞艇结构的力学分析方法,并验证了方法的可行性。