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基于修正偶应力理论的Timoshenko微梁模型和尺寸效应研究 被引量:4
1
作者 周博 郑雪瑶 +1 位作者 康泽天 薛世峰 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2019年第12期1321-1334,共14页
基于修正偶应力理论,将Timoshenko微梁的应力、偶应力、应变、曲率等基本变量,描述为位移分量偏导数的表达式.根据最小势能原理,推导了决定Timoshenko微梁位移场的位移场控微分方程.利用级数法求解了任意载荷作用下Timoshenko简支微梁... 基于修正偶应力理论,将Timoshenko微梁的应力、偶应力、应变、曲率等基本变量,描述为位移分量偏导数的表达式.根据最小势能原理,推导了决定Timoshenko微梁位移场的位移场控微分方程.利用级数法求解了任意载荷作用下Timoshenko简支微梁的位移场控微分方程,得到了反映尺寸效应的挠度、转角及应力的偶应力理论解.通过对承受余弦分布载荷Timoshenko简支微梁的数值计算,研究了Timoshenko微梁的挠度、转角和应力的尺寸效应,分析了Poisson比对Timoshenko微梁力学行为及其尺寸效应的影响.结果表明:当截面高度与材料特征长度的比值小于5时,Timoshenko微梁的刚度和强度均随着截面高度的减小而显著提高,表现出明显的尺寸效应;当截面高度与材料特征长度的比值大于10时,Timoshenko微梁的刚度与强度均趋于稳定,尺寸效应可以忽略;材料Poisson比是影响Timoshenko微梁力学行为及尺寸效应的重要因素,Poisson比越大Timoshenko微梁刚度和强度的尺寸效应越显著.该文建立的Timoshenko微梁模型,能有效描述Timoshenko微梁的力学行为及尺寸效应,可为微电子机械系统(MEMS)中的微结构设计与分析提供理论基础和技术参考. 展开更多
关键词 Timoshenko微梁 尺寸效应 位移场控方程 级数法 微电子机械系统
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正交各向异性功能梯度微板的自由振动行为 被引量:1
2
作者 康泽天 张岩 +1 位作者 周博 薛世峰 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期1200-1210,共11页
基于新修正偶应力理论,利用哈密顿原理推导正交各向异性功能梯度Kirchhoff微板的控制微分方程和边界条件,建立微板动力学模型,并利用纳维解法对其进行求解。利用建立的模型,对正交各向异性功能梯度四边简支微板的自由振动和受双向正弦... 基于新修正偶应力理论,利用哈密顿原理推导正交各向异性功能梯度Kirchhoff微板的控制微分方程和边界条件,建立微板动力学模型,并利用纳维解法对其进行求解。利用建立的模型,对正交各向异性功能梯度四边简支微板的自由振动和受双向正弦分布横向载荷作用下的弯曲行为进行研究,分析材料各向异性,尺度参数与板厚比以及功能梯度参数对微板挠度、偶应力和前三阶固有频率尺度效应的影响。研究结果表明:应用本文模型求解的微板挠度比经典弹性板理论解的小,而其固有频率比经典弹性板理论解的大;板厚与材料尺度参数比越小,微板挠度、偶应力和固有频率的尺度效应越明显;功能梯度参数对微板挠度、偶应力和固有频率的尺度效应有一定影响;沿2个正交方向的材料尺度参数对微板挠度、偶应力和固有频率的尺度效应影响程度不同。 展开更多
关键词 正交各向异性 功能梯度 尺度效应 能量法 偶应力理论
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正交各向异性功能梯度微板弯曲行为尺度效应
3
作者 康泽天 张岩 +1 位作者 周博 薛世峰 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期902-911,共10页
为了研究材料参数沿微板厚度方向呈连续梯度变化的正交各向异性功能梯度微板弯曲行为的尺度效应,基于新修正偶应力理论和Kirchhoff弹性板理论,引入2个正交方向的材料特征尺度参数,将正交各向异性功能梯度微板的应力、偶应力、应变和曲... 为了研究材料参数沿微板厚度方向呈连续梯度变化的正交各向异性功能梯度微板弯曲行为的尺度效应,基于新修正偶应力理论和Kirchhoff弹性板理论,引入2个正交方向的材料特征尺度参数,将正交各向异性功能梯度微板的应力、偶应力、应变和曲率等基本变量描述为位移分量偏导数的表达式,并根据最小势能原理推导微板的平衡方程和边界条件。利用建立的模型,以材料弹性模量、剪切模量和材料特征尺度参数均沿微板厚度方向呈正弦梯度变化的四边简支微板为例,研究微板在双向正弦分布载荷作用下的弯曲行为,分析材料特征尺度参数与板厚比、材料各向异性和功能梯度参数对微板挠度、正应力和偶应力尺度效应的影响,定量标定考虑尺度效应时正交各向异性功能梯度微板结构的临界几何尺寸参数。研究结果表明:应用本文模型求解的微板挠度和正应力总是小于经典弹性Kirchhoff板模型解;板厚与材料尺度参数比值越小,微板挠度和正应力的尺度效应越明显;功能梯度参数对微板挠度、正应力和偶应力的尺度效应有一定影响;沿2个正交方向的特征尺度参数对微板挠度、正应力和偶应力的尺度效应影响程度不同。 展开更多
关键词 正交各向异性 功能梯度 尺度效应 平衡方程 微机电系统
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形状记忆合金椭圆孔口问题的有限单元法
4
作者 康泽天 周博 薛世峰 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第1期18-24,I0002,共8页
基于Lagoudas形状记忆合金(SMA)三维本构模型,假设材料为各向同性,推导了SMA平面应力状态的增量型本构方程,继而编写了ABAQUS用户自定义材料(UMAT)子程序,研究了在双向拉伸情况下,外载荷、温度、椭圆孔口长短轴之比对超弹性SMA椭圆孔口... 基于Lagoudas形状记忆合金(SMA)三维本构模型,假设材料为各向同性,推导了SMA平面应力状态的增量型本构方程,继而编写了ABAQUS用户自定义材料(UMAT)子程序,研究了在双向拉伸情况下,外载荷、温度、椭圆孔口长短轴之比对超弹性SMA椭圆孔口板中应力诱发马氏体相变区的影响。数值结果表明:应力诱发马氏体相变首先发生在椭圆孔口长轴端点部位,在外加载荷作用下逐渐扩展到板内,并由内向外形成马氏体相区、相变混合区和奥氏体相区;SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积与施加外载荷成正相关,与温度成负相关;随着椭圆孔口长短轴之比增大,SMA板内应力诱发马氏体完全相变区面积呈现出先减小后增大的趋势;拉应力差值相同时,相较于拉应力沿椭圆孔口长轴方向较大的情况,当拉应力沿椭圆孔口短轴方向较大时,SMA板内完全相变区面积较大,椭圆孔口周边应力集中现象更明显。 展开更多
关键词 形状记忆合金 椭圆孔口 超弹性 双向拉伸 有限单元法
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Study on size-dependent bending behavior of axially functionally graded microbeams via nonlocal strain gradient theory 被引量:1
5
作者 kang zetian Wang Zhiyong +1 位作者 Zhou Bo Xue Shifeng 《Journal of Southeast University(English Edition)》 EI CAS 2019年第4期453-463,共11页
Based on the nonlocal strain gradient theory(NSGT),the static bending behaviors of an axially functionally graded(AFG)Bernoulli-Euler microbeam subjected to concentrated and distributed loads are studied.The material ... Based on the nonlocal strain gradient theory(NSGT),the static bending behaviors of an axially functionally graded(AFG)Bernoulli-Euler microbeam subjected to concentrated and distributed loads are studied.The material property of the AFG microbeam changes continuously along the longitudinal direction.On the basis of the minimum potential energy principle,the equations of motion and associated classical and non-classical boundary conditions are derived.Then,Galerkin’s weighted residual method in conjunction with the normalization technique are utilized to solve the governing differential equations.The transverse deformations of the AFG microbeam suffering the sinusoidal distributed load within the framework of NSGT,nonlocal elasticity theory(NET),strain gradient theory(SGT)and classical elasticity theory(CET)are compared.It is observed that the bending flexibility of the microbeam decreases with the increase in the ratio of the material length scale parameter to the beam height.However,the bending flexibility increases with the increase in the material nonlocal parameter.The functionally graded parameter plays an important role in controlling the transverse deformation.This study provides a theoretical basis and a technical reference for the design and analysis of AFG micro-beams in the related regions. 展开更多
关键词 axially functionally graded microbeam nonlocal strain gradient theory bending Galerkin method normalization method
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Thermo-mechanical Behaviors of Functionally Graded Shape Memory Alloy Timoshenko Composite Beams 被引量:1
6
作者 ZHOU Bo kang zetian +2 位作者 MA Xiao XUE Shifeng YANG Jie 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2021年第1期29-43,共15页
This paper focuses on the thermo-mechanical behaviors of functionally graded(FG)shape memory alloy(SMA)composite beams based on Timoshenko beam theory.The volume fraction of SMA fiber is graded in the thickness of bea... This paper focuses on the thermo-mechanical behaviors of functionally graded(FG)shape memory alloy(SMA)composite beams based on Timoshenko beam theory.The volume fraction of SMA fiber is graded in the thickness of beam according to a power-law function and the equivalent parameters are formulated.The governing differential equations,which can be solved by direct integration,are established by employing the composite laminated plate theory.The influences of FG parameter,ambient temperature and SMA fiber laying angle on the thermo-mechanical behaviors are numerically simulated and discussed under different boundary conditions.Results indicate that the neutral plane does not coincide with the middle plane of the composite beam and the distribution of martensite is asymmetric along the thickness.Both the increments of the functionally graded parameter and ambient temperature make the composite beam become stiffer.However,the influence of the SMA fiber laying angle can be negligent.This work can provide the theoretical basis for the design and application of FG SMA structures. 展开更多
关键词 shape memory alloy(SMA) shear deformation thermal effect laminated plate theory functionally graded(FG)beam
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Size-dependent behaviors of viscoelastic axially functionally graded Timoshenko micro-beam considering Poisson effects 被引量:1
7
作者 Zhou Bo Zheng Xueyao +1 位作者 kang zetian Xue Shifeng 《Journal of Southeast University(English Edition)》 EI CAS 2020年第2期170-180,共11页
A size-dependent continuum-based model is developed for the functionally graded(FG)Timoshenko micro-beams with viscoelastic properties,in which material parameters vary according to the power law along its axial direc... A size-dependent continuum-based model is developed for the functionally graded(FG)Timoshenko micro-beams with viscoelastic properties,in which material parameters vary according to the power law along its axial direction.The size effect is incorporated by employing the modified couple stress theory and Kelvin-Voigt viscoelastic model,so that viscous components are included in the stress and the deviatoric segments of the symmetric couple stress tensors.The components of strain,curvature,stress and couple stress are formulated by combining them with the Timoshenko beam theory.Based on the Hamilton principle,the governing differential equations and boundary conditions for the micro-beam are expressed with arbitrary beam section shape and arbitrary type of loads.The size effect,FG effect,Poisson effect,and the influence of the beam section shape on the mechanical behaviors of viscoelastic FG micro-beams are investigated by taking the simply supported micro-beam subjected to point load as an example.Results show that the size effect on deflection,normal stress and couple stress are obvious when the size of the micro-beam is small enough,and the FG effects are obvious when the size of the micro-beam is large enough.Moreover,the Poisson ratio influences the size effect significantly and the beam section shape is also an important factor influencing the mechanical behavior of the micro-beam. 展开更多
关键词 viscoelastic functionally graded micro-beam size-dependent behaviors size effect functionally graded effect Poisson effect space
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基于有限元法的双层底板立式储罐可靠性分析 被引量:1
8
作者 康泽天 张杰东 +3 位作者 于安峰 党文义 王雅真 慕云涛 《安全、健康和环境》 2021年第11期11-16,共6页
针对双层底板结构储罐上层底板变形过大产生强度失效问题的隐患,通过对装满辛烷的储罐结构力学行为进行有限元分析,研究了不同底板支撑结构形式及不同格栅间距情况下,上层底板的挠度变形及储罐的应力分布情况。研究结果表明在双层底板... 针对双层底板结构储罐上层底板变形过大产生强度失效问题的隐患,通过对装满辛烷的储罐结构力学行为进行有限元分析,研究了不同底板支撑结构形式及不同格栅间距情况下,上层底板的挠度变形及储罐的应力分布情况。研究结果表明在双层底板立式储罐的设计过程中应注重罐壁底部位置加强措施。 展开更多
关键词 双层底板储罐 环形格栅 底座支撑 可靠性 有限元分析
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功能梯度形状记忆合金复合梁的力学行为 被引量:14
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作者 康泽天 周博 薛世峰 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期1901-1910,共10页
功能梯度形状记忆合金(Functionally graded shape memory alloy,FGSMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金材料的双重特性,广泛应用于微机电、航空航天等工程领域。为研究FGSMA复合梁的弯曲行为,本文对形状记忆合金(SMA)力学本构方程进行... 功能梯度形状记忆合金(Functionally graded shape memory alloy,FGSMA)兼具功能梯度材料和形状记忆合金材料的双重特性,广泛应用于微机电、航空航天等工程领域。为研究FGSMA复合梁的弯曲行为,本文对形状记忆合金(SMA)力学本构方程进行简化处理,并根据复合材料层合板理论建立了FGSMA复合梁的力学模型,据此研究了SMA体积分数沿厚度方向呈线性变化的FGSMA悬臂梁内SMA纤维铺设角度对悬臂梁横截面应变、中面轴向位移、中性面高度和相变层高度的影响以及悬臂梁中面应变、曲率、SMA马氏体相变临界层高度和中性面高度随弯矩载荷的变化规律。研究结果表明:在弯矩载荷作用下,悬臂梁中性面位置与中面位置不重合,且悬臂梁上下层SMA马氏体相变临界层位置不对称;截面轴向应变绝对值随铺设角度增大而增大,截面纵向应变绝对值随铺设角度增大先增大后减小,中面轴向位移随铺设角度增大先增大后减小;随着铺设角度增大,悬臂梁中性面高度逐渐增大,拉伸状态下相变结束临界层高度先减小后增大,压缩状态的趋势相反;随着弯矩载荷绝对值逐渐增大,中性面位置高度表现出先稳定后减小然后逐渐增大的趋势,相变临界层逐渐向中性面位置靠拢;中面正应变和挠曲率随着弯矩载荷绝对值逐渐增大而发生变化,且变化率先增大后减缓。 展开更多
关键词 功能梯度材料 形状记忆合金 悬臂梁 复合材料力学 力学模型
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形状记忆合金超弹性缆索力学行为的有限单元法 被引量:7
10
作者 康泽天 王志勇 +1 位作者 周博 薛世峰 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第14期65-72,共8页
由于涉及材料和接触双重非线性问题,很难建立描述形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)超弹性缆索力学行为的理论模型,为了克服试验成本高和易受环境因素影响的缺点,基于形状记忆因子概念和SMA本构模型,推导了适于有限单元法的增量型SM... 由于涉及材料和接触双重非线性问题,很难建立描述形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)超弹性缆索力学行为的理论模型,为了克服试验成本高和易受环境因素影响的缺点,基于形状记忆因子概念和SMA本构模型,推导了适于有限单元法的增量型SMA本构模型。利用ABAQUS二次开发功能,考虑相变过程中SMA弹性模量的变化,编写了SMA用户材料子程序,实现了SMA超弹性缆索力学行为的有限元单元法。利用建立的有限单元法对SMA超弹性缆索的相变和力学行为进行数值模拟,并将数值结果与文献中试验结果进行了对比验证,在此基础上,分析了SMA超弹性缆索外线股螺距对缆索整体力学行为的影响。计算结果及其与试验结果的对比表明,提出的有限单元法能有效描述和预测SMA超弹性缆索在拉伸过程中的相变和力学行为,SMA超弹性缆索外线股轴线螺距对缆索整体相变和力学行为有明显影响,研究工作可为SMA超弹性缆索设计及工程应用提供计算方法与技术指导。 展开更多
关键词 形状记忆合金 超弹性缆索 有限单元法 ABAQUS 用户材料子程序
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环形格栅双层底板立式储罐疲劳强度有限元分析 被引量:2
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作者 康泽天 姚冰 +5 位作者 党文义 于安峰 慕云涛 王鹏 张杰东 洪祥 《油气储运》 CAS 北大核心 2022年第8期939-945,共7页
双层底板支撑方式储罐能够克服传统单层底板储罐底板受腐蚀严重、泄漏隐蔽性强的缺点,但存在循环加载情况下上层底板发生疲劳失效的隐患。针对环形格栅结构的双层底板立式储罐结构,根据其结构和载荷的对称性,建立双层底板立式储罐的轴... 双层底板支撑方式储罐能够克服传统单层底板储罐底板受腐蚀严重、泄漏隐蔽性强的缺点,但存在循环加载情况下上层底板发生疲劳失效的隐患。针对环形格栅结构的双层底板立式储罐结构,根据其结构和载荷的对称性,建立双层底板立式储罐的轴对称模型。对储罐结构长周期服役过程中的疲劳寿命进行有限元分析,得到不同底板支撑方式、不同格栅铺设间距及不同格栅厚宽比下,储罐结构服役结束后的安全因子和疲劳寿命分布情况。结果表明:罐壁底部位置最易发生破坏,在相同格栅排列方式和加载情况下,角钢连接底板支撑方式具有更高的疲劳可靠性;格栅铺设间距及格栅厚宽比对储罐整体疲劳可靠性有显著影响,随着格栅铺设间距和格栅厚宽比的减小,储罐整体安全因子及疲劳寿命增大,储罐结构的疲劳可靠性增强。研究成果可为双层底板立式储罐的结构设计和优化提供理论基础和技术参考。 展开更多
关键词 双层底板储罐 环形格栅 安全因子 疲劳寿命 有限元分析
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Nonlinear Finite Element Method Considering Martensite Plasticity for Shape Memory Alloy Structure
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作者 ZHOU Bo kang zetian +1 位作者 WANG Zhiyong XUE Shifeng 《Journal of Shanghai Jiaotong university(Science)》 EI 2021年第6期774-785,共12页
This work presents a nonlinear finite element method to simulate the macroscopic mechanical responses and the effects of martensite plasticity in a shape memory alloy(SMA)structure.A linear relationship formulation is... This work presents a nonlinear finite element method to simulate the macroscopic mechanical responses and the effects of martensite plasticity in a shape memory alloy(SMA)structure.A linear relationship formulation is adopted to express the influence of martensite plasticity on the inverse martensitic phase transition of SMA material.Incorporating with a trigonometric-type phase transition evolution law and an exponential-type plastic flow evolution law,an incremental mechanical model with two internal variables is supposed based on the macroscopic experimental phenomena.A nonlinear finite element equation is formulated and solved by the principle of virtual displacement and Newton-Raphson method respectively.By employing the proposed nonlinear finite element method,the uniform tensile bar and three-point bending beam are simulated and analyzed.Results illustrate that the presented nonlinear finite element method is suitable to act as an effective computational tool for the wide applications based on the SMA material considering the effects of martensite plasticity because all material constants related to the method can be obtained from macroscopic experiments. 展开更多
关键词 shape memory alloy(SMA)structure martensite plasticity incremental mechanical model nonlinear finite element method
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