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Finite Deformation, Finite Strain Nonlinear Dynamics and Dynamic Bifurcation in TVE Solids with Rheology
1
作者 Karan S. Surana Sri Sai Charan Mathi 《Applied Mathematics》 2024年第1期108-168,共61页
This paper presents a mathematical model consisting of conservation and balance laws (CBL) of classical continuum mechanics (CCM) and ordered rate constitutive theories in Lagrangian description derived using entropy ... This paper presents a mathematical model consisting of conservation and balance laws (CBL) of classical continuum mechanics (CCM) and ordered rate constitutive theories in Lagrangian description derived using entropy inequality and the representation theorem for thermoviscoelastic solids (TVES) with rheology. The CBL and the constitutive theories take into account finite deformation and finite strain deformation physics and are based on contravariant deviatoric second Piola-Kirchhoff stress tensor and its work conjugate covariant Green’s strain tensor and their material derivatives of up to order m and n respectively. All published works on nonlinear dynamics of TVES with rheology are mostly based on phenomenological mathematical models. In rare instances, some aspects of CBL are used but are incorrectly altered to obtain mass, stiffness and damping matrices using space-time decoupled approaches. In the work presented in this paper, we show that this is not possible using CBL of CCM for TVES with rheology. Thus, the mathematical models used currently in the published works are not the correct description of the physics of nonlinear dynamics of TVES with rheology. The mathematical model used in the present work is strictly based on the CBL of CCM and is thermodynamically and mathematically consistent and the space-time coupled finite element methodology used in this work is unconditionally stable and provides solutions with desired accuracy and is ideally suited for nonlinear dynamics of TVES with memory. The work in this paper is the first presentation of a mathematical model strictly based on CBL of CCM and the solution of the mathematical model is obtained using unconditionally stable space-time coupled computational methodology that provides control over the errors in the evolution. Both space-time coupled and space-time decoupled finite element formulations are considered for obtaining solutions of the IVPs described by the mathematical model and are presented in the paper. Factors or the physics influencing dynamic response and dynamic bifurcation for TVES with rheology are identified and are also demonstrated through model problem studies. A simple model problem consisting of a rod (1D) of TVES material with memory fixed at one end and subjected to harmonic excitation at the other end is considered to study nonlinear dynamics of TVES with rheology, frequency response as well as dynamic bifurcation phenomenon. 展开更多
关键词 thermoviscoelasticity RHEOLOGY Memory Finite Strain Finite Deformation Nonlinear Dynamics Dynamic Bifurcation Ordered Rate Theories
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ASYMPTOTIC BEHAVIOR OF SOLUTIONS TO THE SYSTEM OF ONE-DIMENSIONAL NONLINEAR THERMOVISCOELASTICITY 被引量:3
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作者 HSIAO LING * JIAN HUAIYU ** 《Chinese Annals of Mathematics,Series B》 SCIE CSCD 1998年第2期143-152,共10页
§1.IntroductionThispaperisdevotedtothestudyofthelargetimebehaviourofsmoothsolutionsforinitialboundaryva... §1.IntroductionThispaperisdevotedtothestudyofthelargetimebehaviourofsmoothsolutionsforinitialboundaryvalueproblemsinonedi... 展开更多
关键词 渐进性 非线性热黏弹性 初边值问题 偏微分方程
全文增补中
Finite Deformation, Finite Strain Nonlinear Dynamics and Dynamic Bifurcation in TVE Solids
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作者 Karan S. Surana Sri Sai Charan Mathi 《Applied Mathematics》 2023年第12期773-838,共66页
This paper presents the mathematical model consisting of conservation and balance laws (CBL) of classical continuum mechanics (CCM) and the constitutive theories derived using entropy inequality and representation the... This paper presents the mathematical model consisting of conservation and balance laws (CBL) of classical continuum mechanics (CCM) and the constitutive theories derived using entropy inequality and representation theorem for thermoviscoelastic solids (TVES) matter without memory. The CBL and the constitutive theories take into account finite deformation and finite strain deformation physics. This mathematical model is thermodynamically and mathematically consistent and is ideally suited to study nonlinear dynamics of TVES and dynamic bifurcation and is used in the work presented in this paper. The finite element formulations are constructed for obtaining the solution of the initial value problems (IVPs) described by the mathematical models. Both space-time coupled as well as space-time decoupled finite element methods are considered for obtaining solutions of the IVPs. Space-time coupled finite element formulations based on space-time residual functional (STRF) that yield space-time variationally consistent space-time integral forms are considered. This approach ensures unconditional stability of the computations during the entire evolution. In the space-time decoupled finite element method based on Galerkin method with weak form for spatial discretization, the solutions of nonlinear ODEs in time resulting from the decoupling of space and time are obtained using Newmark linear acceleration method. Newton’s linear method is used to obtain converged solution for the nonlinear system of algebraic equations at each time step in the Newmark method. The different aspects of the deformation physics leading to the factors that influence nonlinear dynamic response and dynamic bifurcation are established using the proposed mathematical model, the solution method and their validity is demonstrated through model problem studies presented in this paper. Energy methods and superposition techniques in any form including those used in obtaining solutions are neither advocated nor used in the present work as these are not supported by calculus of variations and mathematical classification of differential operators appearing in nonlinear dynamics. The primary focus of the paper is to address various aspects of the deformation physics in nonlinear dynamics and their influence on dynamic bifurcation phenomenon using mathematical models strictly based on CBL of CCM using reliable unconditionally stable space-time coupled solution methods, which ensure solution accuracy or errors in the calculated solution are always identified. Many model problem studies are presented to further substantiate the concepts presented and discussed in the paper. Investigations presented in this paper are also compared with published works when appropriate. 展开更多
关键词 Thermodynamic Consistency Dynamic Bifurcation Static Bifurcation Nonlinear Formulation Finite Strain Finite Deformation Thermoviscoelastic Classical Continuum Mechanics Conservation and Balance Laws Nonlinear Damping
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Quasi-static and dynamical analyses of a thermoviscoelastic Timoshenko beam using the differential quadrature method 被引量:2
4
作者 Qiang LYU Jingjing LI Nenghui ZHANG 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI CSCD 2019年第4期549-562,共14页
The quasi-static and dynamic responses of a thermoviscoelastic Timoshenko beam subject to thermal loads are analyzed. First, based on the small geometric deformation assumption and Boltzmann constitutive relation, the... The quasi-static and dynamic responses of a thermoviscoelastic Timoshenko beam subject to thermal loads are analyzed. First, based on the small geometric deformation assumption and Boltzmann constitutive relation, the governing equations for the beam are presented. Second, an extended differential quadrature method(DQM)in the spatial domain and a differential method in the temporal domain are combined to transform the integro-partial-differential governing equations into the ordinary differential equations. Third, the accuracy of the present discrete method is verified by elastic/viscoelastic examples, and the effects of thermal load parameters, material and geometrical parameters on the quasi-static and dynamic responses of the beam are discussed. Numerical results show that the thermal function parameter has a great effect on quasi-static and dynamic responses of the beam. Compared with the thermal relaxation time, the initial vibrational responses of the beam are more sensitive to the mechanical relaxation time of the thermoviscoelastic material. 展开更多
关键词 TIMOSHENKO beam thermoviscoelasticity thermal load dynamic response differential QUADRATURE method(DQM)
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注塑件残余热应力的数值计算 被引量:9
5
作者 李海梅 顾元宪 申长雨 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2000年第3期308-312,共5页
注塑件残余应力主要有流动残余应力和残余热应力 ,文中主要考虑注塑件的残余热应力 .利用文中建立的二维积分型热黏弹本构方程的递推公式 ,推导了单元的有限元求解公式 .数值算例考察了冷却效率、熔体注射温度对注塑件残余应力的影响 ,... 注塑件残余应力主要有流动残余应力和残余热应力 ,文中主要考虑注塑件的残余热应力 .利用文中建立的二维积分型热黏弹本构方程的递推公式 ,推导了单元的有限元求解公式 .数值算例考察了冷却效率、熔体注射温度对注塑件残余应力的影响 ,得到的结论与文献中结论一致 . 展开更多
关键词 残余应力 有限元法 热粘弹性 注塑成型 塑料
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一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析 被引量:24
6
作者 于洋 王宁飞 张平 《固体火箭技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第1期34-38,共5页
为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流... 为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。 展开更多
关键词 固体推进剂火箭发动机 药柱 结构完整性 热粘弹性 热应力 热应变
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不均匀冷却对注塑件残余应力的影响 被引量:10
7
作者 李海梅 申长雨 顾元宪 《中国塑料》 CAS CSCD 北大核心 1999年第6期106-111,共6页
采用数值方法研究了不同冷却速率、不均匀模壁温度对塑件残余应力的影响。残余应力的计算采用二维积分型热粘弹本构方程。
关键词 残余应力 塑料 注塑件 不均匀冷却 冷却
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变温粘弹性的一般理论 被引量:16
8
作者 张义同 严宗达 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 1993年第6期685-696,共12页
本文提出了变温松弛曲线的概念,建立了由材料的一组恒温松弛曲线确定材料沿任一温度历史的变温松弛曲线的方法;提出了终态温度等效松弛曲线的概念,推导出了变温下粘弹性材料本构方程的一般形式。文中证明了现有的热流变简单材料理论是... 本文提出了变温松弛曲线的概念,建立了由材料的一组恒温松弛曲线确定材料沿任一温度历史的变温松弛曲线的方法;提出了终态温度等效松弛曲线的概念,推导出了变温下粘弹性材料本构方程的一般形式。文中证明了现有的热流变简单材料理论是本文理论的特例,并揭示了热流变简单材料理论的物理内涵。 展开更多
关键词 热粘弹性 松弛 本构理论
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温度载荷下带筋套管形装药结构完整性分析 被引量:12
9
作者 于洋 王宁飞 张平 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第6期492-496,共5页
为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因,基于Updated Lagrangian方法,推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上,进一步给出了热应力应变分布,指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种... 为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因,基于Updated Lagrangian方法,推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上,进一步给出了热应力应变分布,指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种肉厚系数,对推进剂药柱进行了结构完整性计算,得出热膨胀系数与最大等效应力应变成线性关系,而肉厚系数与最大等效应力应变之间成指数函数关系的结论。结果说明:肉厚系数的选择对固体火箭发动机装药保持结构完整性有重要影响。 展开更多
关键词 固体推进剂火箭发动机 结构完整性 热粘弹性 热膨胀系数 肉厚系数
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含人工脱粘层固体装药结构应力应变场分析 被引量:5
10
作者 张晓宏 郑晓亚 +1 位作者 李宏岩 王中 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第4期426-430,487,共5页
针对某翼柱型固体装药结构,选取1/16子结构进行了有限元分析。通过将其分割成若干具有单一拓扑型式的组合体,获得了精度较高的结构化网格。在三维线性粘弹性理论和边界非线性理论基础上,基于接触算法模拟了人工脱粘层的边界条件;研究了... 针对某翼柱型固体装药结构,选取1/16子结构进行了有限元分析。通过将其分割成若干具有单一拓扑型式的组合体,获得了精度较高的结构化网格。在三维线性粘弹性理论和边界非线性理论基础上,基于接触算法模拟了人工脱粘层的边界条件;研究了固化降温过程含人工脱粘层固体装药结构的变形特征和应变场,并与无人工脱粘层的计算结果进行了对比,结果表明:人工脱粘层可以显著地改善固体装药结构端部的应变水平,最大的等效VonMises应变从无人工脱粘的30.1%下降为23.0%。此外,探讨了人工脱粘层前缘的应力水平以及工程上界面脱粘的快速近似计算方法。 展开更多
关键词 固体装药 人工脱粘 热粘弹性 粘弹性接触
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环氧树脂在高应变率下的热粘弹性本构方程和时温等效性 被引量:42
11
作者 朱兆祥 徐大本 王礼立 《宁波大学学报(教育科学版)》 CAS 1988年第1期58-68,共11页
在—20℃~100℃的温度范围内用SHPB实验技术研究了环氧树脂在高应变率(10~2~10~3s^(-1))和直到7.5%大应变下的粘弹性力学行为。提出了一个简单实用的非线性热粘弹性本构方程,并发现存在一种时温等效性。在加卸载全过程中,理论计算值... 在—20℃~100℃的温度范围内用SHPB实验技术研究了环氧树脂在高应变率(10~2~10~3s^(-1))和直到7.5%大应变下的粘弹性力学行为。提出了一个简单实用的非线性热粘弹性本构方程,并发现存在一种时温等效性。在加卸载全过程中,理论计算值与实验结果相当符合。 展开更多
关键词 环氧树脂 本构方程 SHPB实验技术 高应变率 热粘弹性力学行为时温等效性
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变温粘弹性蠕变型本构方程 被引量:10
12
作者 张义同 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 1995年第2期152-156,共5页
文中给出了变温蠕变曲线的概念,给出了由一组恒温蠕变曲线确定沿某一温度历史的变温蠕变曲线的方法,给出了终态温度等效蠕变曲线的概念,最后给出了粘弹性材料在变温下的蠕变型本构方程的一般形式.文中证明了热流变简单材料理论是本... 文中给出了变温蠕变曲线的概念,给出了由一组恒温蠕变曲线确定沿某一温度历史的变温蠕变曲线的方法,给出了终态温度等效蠕变曲线的概念,最后给出了粘弹性材料在变温下的蠕变型本构方程的一般形式.文中证明了热流变简单材料理论是本文理论的特例,揭示了热流变简单材料理论数学方法的物理意义. 展开更多
关键词 粘弹性 蠕变 热流变 本构方程
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热致非晶态形状记忆聚合物的热粘弹性参数及回复行为 被引量:2
13
作者 顾建平 孙慧玉 +1 位作者 方建士 方常青 《高分子材料科学与工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期107-112,共6页
分别采用非线性拟合应力松弛主曲线及单个常频率条件下变温动态力学分析(DMA)实验中储能模量与损耗角正切曲线的方式,获取热致非晶态形状记忆聚合物(SMP)多重松弛模型中的热粘弹性参数。结合广义有限变形粘弹性理论和KAHR33参数热变形... 分别采用非线性拟合应力松弛主曲线及单个常频率条件下变温动态力学分析(DMA)实验中储能模量与损耗角正切曲线的方式,获取热致非晶态形状记忆聚合物(SMP)多重松弛模型中的热粘弹性参数。结合广义有限变形粘弹性理论和KAHR33参数热变形模型在有限元软件平台研究了该SMP的自由回复与约束回复行为。仿真结果与实验数据相符较好,说明该建模方法的合理性及获取的热粘弹性参数的准确性。相比构建应力松弛和储能模量主曲线而言,单个DMA实验数据更易得到,因此对其拟合能大幅减少实验成本。 展开更多
关键词 形状记忆聚合物 有限变形 非线性拟合 热粘弹性参数 回复行为
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PP/PA共混高聚物在高应变率下的热粘弹性本构关系和时温等效性 被引量:4
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作者 施绍裘 喻炳 王礼立 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第3期210-216,共7页
采用Instron1342电液伺服试验机和改进的SHPB技术对以113材料为例的PP/PA共混高聚物进行了应变率在10-4~103s-1宽广范围,温度为25、40、60、80℃下的一维应力力学性能试验。结果表明,这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感... 采用Instron1342电液伺服试验机和改进的SHPB技术对以113材料为例的PP/PA共混高聚物进行了应变率在10-4~103s-1宽广范围,温度为25、40、60、80℃下的一维应力力学性能试验。结果表明,这类共混高聚物的力学响应对温度和应变率都是敏感的。以朱-王-唐非线性粘弹性本构方程来描述这类PP/PA共混高聚物的力学响应,并拟合得到了其热粘弹性本构参数,理论预言与试验结果在应变小于7%时吻合良好。对113材料20~80℃温度范围内不同应变率下的试验结果进行分析,证明PP/PA共混高聚物存在率温等效关系,提高温度和增加作用时间(减小应变率)的效果相当,反之,降低温度与减少作用时间(提高应变率)的效果相当。通过引入量纲一参量Z,使应变率.ε、温度T这2个参量归结为统一的Z参量,从而得到了体现时温等效性的统一曲线。 展开更多
关键词 固体力学 热粘弹性本构响应 SHPB技术 共混高聚物 应变率 率温等效
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变截面星孔药柱在温度冲击载荷作用下的力学特性 被引量:2
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作者 许进升 鞠玉涛 +1 位作者 周长省 孟红磊 《固体火箭技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期184-188,共5页
基于热传导方程,对装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击载荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力-应变... 基于热传导方程,对装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击载荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力-应变特性,分析了星尖处的应力随时间的变化及在药柱长度方向上的变化规律,得到药柱肉厚及温度冲击都会对应力产生影响;进一步讨论了随着扩张角增大,初始通气参量会下降很多,但药柱内最大应力值会有所增大,因此选取合适的扩张角,可权衡初始通气参量与最大应力之间的问题,对药柱设计有一定参考价值。 展开更多
关键词 变截面药柱 有限元法 热粘弹性 热流变简单材料 温度载荷
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粘弹基SMA复合材料层合板的有限元分析 被引量:1
16
作者 孙双双 孙国钧 +1 位作者 韩丰 吴建生 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2002年第3期387-390,共4页
用有限元法对粘弹基形状记忆合金 (SMA)复合材料层合板在横向均布载荷作用下的挠度进行了研究 ,结果发现 ,基体的热粘弹性对 SMA的作动性能有较大影响 ,且其程度随板边界的固结方式、SMA丝的数目、SMA的预应变。
关键词 粘弹基 SMA 复合材料 层合板 有限元分析 形状记忆合金
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热载荷下粘弹性功能梯度材料薄板的准静态响应 被引量:2
17
作者 王明禄 张能辉 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2004年第4期479-482,共4页
由热粘弹性功能梯度材料的本构方程出发,利用Laplace变换,通过引进薄板的“结构函数”和“热函数”,建立了各向同性薄板的数学模型.采用卷积双线性形式,给出了薄板准静态问题的简化Gurtin型泛函.在空域上和时域上分别采用... 由热粘弹性功能梯度材料的本构方程出发,利用Laplace变换,通过引进薄板的“结构函数”和“热函数”,建立了各向同性薄板的数学模型.采用卷积双线性形式,给出了薄板准静态问题的简化Gurtin型泛函.在空域上和时域上分别采用Ritz法和Legendre插值法考察了温度变化和功能梯度对于薄板响应的影响. 展开更多
关键词 双线性形式 泛函 结构函数 准静态 功能梯度 卷积 LAPLACE变换 性功能 梯度材料 影响
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温度载荷下装药内外径比和长径比对结构完整性影响的规律研究 被引量:8
18
作者 于洋 王宁飞 张平 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第9期1565-1568,共4页
在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响,采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系,通过选取9种m数以及8种药... 在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响,采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系,通过选取9种m数以及8种药柱长径比,共72个计算模型,对装药结构完整性进行了计算,结果表明温度载荷下药柱最大Von Mises等效应力、应变值受药柱m数以及长径比共同影响.并得出当长径比大于3时,药柱最大等效应力、应变值主要取决于m数的结论. 展开更多
关键词 航空、航天推进系统 固体火箭发动机 结构完整性 内外径比 长径比 热粘弹性 大变形 增量本构关系
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某发动机药柱极端温度发射结构完整性分析 被引量:3
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作者 杨军辉 雷勇军 蒙上阳 《弹箭与制导学报》 CSCD 北大核心 2014年第6期95-98,共4页
为了对某型大长径比固体火箭发动机在极端温度发射时的结构完整性进行分析,采用三维热粘弹性有限元方法,计算得到了推进剂药柱在内压、轴向过载和极端温度载荷(-40℃和+50℃)联合作用下的位移、应变和应力分布规律。研究结果表明,推进... 为了对某型大长径比固体火箭发动机在极端温度发射时的结构完整性进行分析,采用三维热粘弹性有限元方法,计算得到了推进剂药柱在内压、轴向过载和极端温度载荷(-40℃和+50℃)联合作用下的位移、应变和应力分布规律。研究结果表明,推进剂药柱在高温和低温发射时位移最大值分别为9.3 mm和16.4 mm,Von Mises应变最大值分别为14.6%和23.5%,依据Von Mises应变准则,安全系数分别为2.74和2.46,满足结构完整性要求。 展开更多
关键词 固体推进剂药柱 热粘弹性 有限元方法 结构完整性
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热粘弹有限元 被引量:1
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作者 张义同 严宗达 《天津大学学报》 EI CAS CSCD 1992年第4期28-34,共7页
给出了热粘弹有限元方法的一般列式,它基于作者在文[17]中建立的变温下一般热粘弹性材料的本构方程。对记忆积分进行了简化,这种简化不涉及材料的膨胀松弛时间和剪切松弛时间。它适用于各种热粘弹性材料在变温下的有限元计算。
关键词 热粘性材料 记忆积分 有限元法
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