固體力學(xué)研究方向

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固體力學(xué)研究方向范文第1篇

關(guān)鍵詞 工程力學(xué) 理論研究 發(fā)展趨勢

中圖分類號：U172 文獻標(biāo)識碼：A

由于相關(guān)行業(yè)的發(fā)展與國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展同步，使得力學(xué)在其中多項技術(shù)的發(fā)展中起著重要的甚至是關(guān)鍵的作用。力學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生既可以從事力學(xué)教育與研究工作，又可以從事與力學(xué)相關(guān)的機械、土木、航空航天、交通、能源、化工等工程專業(yè)的設(shè)計與研究工作，還可以從事數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地球或生命等基礎(chǔ)學(xué)科的教育與研究工作。從這個意義上講，力學(xué)專業(yè)培養(yǎng)人才的對口是非常寬的，社會對力學(xué)人才的需求也是很多的。

隨著力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在本世紀(jì)將產(chǎn)生一些新的學(xué)科結(jié)合點，如生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境與資源、數(shù)字化信息等。經(jīng)典力學(xué)與納米科技一起孕育了微納米力學(xué)將力學(xué)知識應(yīng)用于生物領(lǐng)域產(chǎn)生了生物力學(xué)和仿生力學(xué)；這些都是近年來力學(xué)學(xué)科發(fā)展的亮點。可以預(yù)料，隨著社會的發(fā)展，力學(xué)學(xué)科與環(huán)境和人居工程等專業(yè)的學(xué)科交叉也將會進一步加強。

1工程力學(xué)研究方向

主要學(xué)習(xí)力學(xué)、數(shù)學(xué)基本理論和知識，受到必要的工程技能訓(xùn)練，具有應(yīng)用計算機和現(xiàn)代實驗技術(shù)手段解決與力學(xué)有關(guān)的工程問題的基本能力。畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識與能力：

（1）具有較扎實的自然科學(xué)基礎(chǔ)，較好的人文、藝術(shù)和社會科學(xué)基礎(chǔ)及正確運用本國語言、文字的表達能力；

（2）較系統(tǒng)地掌握本專業(yè)領(lǐng)域?qū)拸V的技術(shù)理論基礎(chǔ)知識，主要包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、電工與電子技術(shù)、市場經(jīng)濟及企業(yè)管理等基礎(chǔ)知識；

（3）具有較強的解決與力學(xué)有關(guān)的工程技術(shù)問題的理論分析能力與實驗技能；

（4）具有較強的計算機和外語應(yīng)用能力；

（5）具有較強的自學(xué)能力、創(chuàng)新意識和較高的綜合素質(zhì)。

主干學(xué)科：力學(xué)。主要課程：理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電工與電子技術(shù)、計算機基礎(chǔ)知識及程序設(shè)計。

2工程力學(xué)發(fā)展趨勢與學(xué)科交叉

（1）固體力學(xué)方面：

經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的模型和體系可能被突破，它們可能將包括某些對宏觀力學(xué)行為起敏感作用的細觀和微觀因素，以及它們的演化，從而使復(fù)合材料的強化、韌化和功能化立足于科學(xué)的認識之上。固體力學(xué)的發(fā)展，必將推動科學(xué)和工程技術(shù)的巨大進步。

（2）流體力學(xué)方面：

為了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機理并定量化。它的研究還有助于了解各種新陳代謝的宏觀機制。

化工流程的設(shè)計，很大程度上歸結(jié)為流體運動的計算問題。由于流動的復(fù)雜性，針對若干典型化工設(shè)備進行深入的研究，將為化工設(shè)計和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等提供新方法和基礎(chǔ)。而復(fù)雜流場計算需要各種計算方法和理論，必須發(fā)展新的計算機軟硬件，這就必須在計算流體力學(xué)上投入更大的力量。

（3）一般力學(xué)方面：

隨著技術(shù)的發(fā)展，諸如機器人、人造衛(wèi)星和高速列車等等領(lǐng)域的發(fā)展，亟需解決多體系統(tǒng)的運動和控制、大尺度柔性部件和液體的運動穩(wěn)定性、車輛與軌道作一個高度復(fù)雜非線性系統(tǒng)等的建模，求解理論和方法等的研究分析。

一般力學(xué)近來已經(jīng)進入生物體運動的研究，例如研究人和動物行走、奔跑及跳躍中的力學(xué)問題。其研究結(jié)果可提供生物進化論方向的理性認識，也可為提高某些機構(gòu)、機械的性能提供指導(dǎo)。

（4）力學(xué)與其他學(xué)科的交叉：

所為學(xué)科的交叉可分三類：學(xué)科內(nèi)部不同分支交叉，例如流體彈性力學(xué)；兩種不同學(xué)科間的交叉，例如物理力學(xué)；兼有前兩者的特點，例如爆炸力學(xué)、物理化學(xué)滲流、生物力學(xué)等。

交叉學(xué)科并非兩個學(xué)科或分支學(xué)科的簡單加合，它基于源學(xué)科又有區(qū)別，它的發(fā)展有利于發(fā)展新學(xué)科并促進源學(xué)科的發(fā)展。

20世紀(jì)力學(xué)已經(jīng)與工程交叉產(chǎn)生了工程力學(xué)，與地學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了地球流體力學(xué)，與生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了生物力學(xué)等等。

3工程力學(xué)學(xué)習(xí)技巧與方法

工程力學(xué)主要課題是研究材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性問題。所涉及材料的強度、結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性、疲勞斷裂問題。通過力學(xué)分析，確定材料是否安全以及安全系數(shù)，為工程設(shè)計等做基礎(chǔ)。先學(xué)好理論力學(xué)，學(xué)會在二維、三維情況下對物系正確的受力、力矩分析。然后逐漸掌握最基本的四種形式：軸向拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲。掌握好處理四種形式的分析方法，最后學(xué)會強度、剛度校核。其中最關(guān)鍵的是要能準(zhǔn)確并正確的認知其受力狀況。

固體力學(xué)研究方向范文第2篇

關(guān)鍵詞：玉米莖稈；剪切；切割力；切割角度

玉米是一種種植面積極廣的經(jīng)濟作物，籽粒可加工為食物，秸稈則可加工為飼料。在奶牛等反芻牲畜飼養(yǎng)過程中，青貯玉米秸稈是主要的粗飼料資源。玉米秸稈的收割及加工設(shè)備

有玉米秸稈收割機[1-3]、破茬機[1]、切碎機[2，3]和聯(lián)合收割機等，切割器主要為圓盤式[2，3]。玉米莖稈收割切碎過程即為割刀對莖稈的剪切作用，分析莖稈的剪切力學(xué)特性，以及切割力[4-7]和能量損耗[8]和切割角的關(guān)系，可為相關(guān)機械的設(shè)計和改進提供合理參數(shù)和依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗樣本

試驗樣本選自甘肅省農(nóng)科院試驗田成熟期富農(nóng)1號玉米秸稈鮮樣，將秸稈去除根葉和泥土，取自根部向上10cm待用。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用SANS萬能材料試驗機[5]，主體部分包括試驗臺、傳感器以及安裝配套軟件的計算機，加載速率50mm/min。

1.3 試驗方法

因玉米收割機割茬一般在3-5cm，采用游標(biāo)卡尺測量莖稈距離根部5cm處的直徑。由于莖稈橫截面不是規(guī)則的圓形，取同一高度不同方向的其平均值。

刀片固定在試驗機上夾頭，玉米莖稈放在試驗臺上，試驗時通過改變玉米莖稈的擺放位置改變切割角。切割角指切割面與橫截面所夾角度，橫切指切割面、切割方向與莖稈軸線垂直，如圖1（a）所示；斜切是指切割面與莖桿軸線偏斜，但切割方向與莖稈軸線垂直，如圖1（b）所示。本文測試了橫切、15°、30°、45°斜切時的切割力和能量損耗。剪切試驗結(jié)束后將試驗用莖稈用烘干法測定其含水率為53%。

切割力、能量損耗隨秸稈直徑增大而增大，增長趨勢與切割角有關(guān)。因玉米莖稈的縱向抗拉強度遠大于橫向抗拉強度，橫切時需要克服莖稈縱向的抗拉強度，切割力較大，且隨直徑的增長趨勢較大，如圖2所示。 2.2 切割力、能量損耗與切割角的關(guān)系

因取樣的限制，玉米莖稈的尺寸各不相同，在分析切割角的影響時，可取相近的尺寸在不同切割角下的結(jié)果，本文選擇的是直徑16±1mm的試樣結(jié)果進行分析。

如圖3所示，隨著切割角角度的增大，切割力和能量逐漸減小。試驗中還發(fā)現(xiàn)，橫切和切割角小于30°的斜切時斷面整齊，切割效果好；而當(dāng)切割角較大時，斷面處莖稈表層撕裂，切割面積增大，切割時間增長，消耗的功率增大。故切割角為30-45°時，切割力、能量損耗較小，且切割效果較好，可作為設(shè)計的參考。

[1]湯志軍，貌建華，馬源.新型玉米莖稈粉碎破茬機的研究設(shè)計[J].韓光偉2006，（6）：86-88

[2]殷昌貴，王蘭美.穗莖兼收型玉米聯(lián)合收獲機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)機化研究， 2006（8）：87-89

[3]秦同娣.玉米莖稈切割器試驗裝置的研究與分析[D]. 江蘇大學(xué)，南京，2011

[4]高夢祥，郭康權(quán)，楊中平，等.玉米莖稈的力學(xué)特性測試研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，34（4）：47-49.

[5]趙春花，張鋒偉，曹致中.豆禾牧草莖稈的力學(xué)特性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（9）：122-126

[6]李耀明，秦同娣，陳進.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（1）：160-164

固體力學(xué)研究方向范文第3篇

關(guān)鍵詞：攪拌；厭氧反應(yīng)器；數(shù)值模擬

中圖分類號：X703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-0432（2010）-12-0212-2

0 引言

厭氧反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于包括農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場廢水在內(nèi)的各種廢水的處理過程中。由于一些廢水如養(yǎng)殖場廢水含有較高濃度的固體，為了強化混合，常常需要攪拌，雙層攪拌是厭氧反應(yīng)器常用的攪拌方式。在目前工業(yè)上在對雙層攪拌槳攪拌厭氧反應(yīng)器設(shè)計時，大都依賴經(jīng)驗進行，設(shè)計效果達不到最優(yōu)。

近年來，計算流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于各種不同流場的研究，如王定標(biāo)等[1]對雙層槳葉攪拌器進行了數(shù)值模擬。通過流場的數(shù)值模擬不僅可以得到實驗手段無法得到的局部信息，而且還能節(jié)省研究經(jīng)費。因此，國內(nèi)外學(xué)者也開始用計算流體力學(xué)的方法研究厭氧反應(yīng)器內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)。Robert N.等學(xué)者用Fluent軟件模擬了厭氧反應(yīng)器內(nèi)流動，模擬結(jié)果顯示，厭氧反應(yīng)器的重要操作參數(shù)如水力停留時間模擬值和計算值吻合較好[2，3]。在國內(nèi)，葉群峰[4]對UASB反應(yīng)器內(nèi)單相流動進行了初步數(shù)值模擬。王衛(wèi)京等[5]對UASB反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動進行了數(shù)值模擬，并得出了厭氧反應(yīng)器內(nèi)氣相和液相的流場。這些研究對厭氧反應(yīng)器流場進行了探索，但總體上來說，厭氧反應(yīng)器內(nèi)流動還未得到充分研究。本文對側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場進行了模擬，研究反應(yīng)器內(nèi)的流動規(guī)律。

1 流體力學(xué)模型

本文假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)流動為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動，厭氧反應(yīng)器內(nèi)的湍流用k-ε方程進行計算。連續(xù)性方程為：

反應(yīng)器內(nèi)流體的粘度取為0.85mPa?s[7]。

2 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

本文模擬了一個有雙層攪拌槳的厭氧反應(yīng)器。該厭氧反應(yīng)器直徑為6m，高8m，攪拌槳為雙層斜葉槳，有三個葉片，直徑為1.5m。第一個槳距底部高度為2m，第二個槳距底部為6m。有4個寬度為0.6m的擋板。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對整個厭氧反應(yīng)器區(qū)域計算，其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

3 模擬結(jié)果與討論

反應(yīng)器流動的數(shù)值模擬結(jié)果如圖所示。圖2是流動軌跡圖，圖3 是速度矢量圖。從圖中可以看出，流體在攪拌槳的推動作用下，由反應(yīng)器中心向下流動，到底部后沿壁面向上流動，這樣流體在整個反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動，使物料在整個反應(yīng)器內(nèi)進行混合。

圖4和圖5分別是耗散率兩個擋板中間截面及攪拌槳區(qū)域的等值線圖。這兩個圖顯示出，在雙層攪拌槳厭氧反應(yīng)器的流場中，除在攪拌槳小部分區(qū)域內(nèi)，湍流特性在整個反應(yīng)器區(qū)域分布是比較均勻的，這種情況的對厭氧菌的生長比較有利。而從圖5也可以看出，在攪拌槳區(qū)域內(nèi)，耗散率的只在攪拌槳葉片及附近區(qū)域內(nèi)分布不均勻，表明在這一區(qū)域內(nèi)流動剪切力較大，對厭氧菌的生長不利。因此，需要開發(fā)新型攪拌槳，降低攪拌過程的剪切作用，使反應(yīng)器的流場更有利于厭氧菌的生長。

圖5 耗散率ε等值線圖（上：攪拌槳橫截面，下：攪拌槳表面）

4 結(jié)論

本文對雙層攪拌槳厭氧反應(yīng)器流場進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，在攪拌槳的推動作用下，流體在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動。而湍流的特性值ε在反應(yīng)器內(nèi)分布比較均勻，存在著這對厭氧菌的生長較有利。

參考文獻

[1] 王定標(biāo)，楊麗云，于艷，等.雙層槳葉攪拌器流場的CFD模擬與PIV測量[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009,30(2):1-5.

[2] 葉群峰.升流式厭氧污泥床（UASB）數(shù)值模擬及流態(tài)分析[D].鄭州大學(xué)，2002.

[3] 王衛(wèi)京，左秀錦，朱波.UASB厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場數(shù)值模擬[J].大連大學(xué)學(xué)報，2007,28(3):8-10.

[4] 顏智勇，胡勇有，肖繼波，等.EGSB反應(yīng)器的流態(tài)模擬研究[J].工業(yè)用水與廢水，2007,35(2):5-9.

基金項目：遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目資助(2009A068)。

固體力學(xué)研究方向范文第4篇

關(guān)鍵詞： 雙層懸臂梁； 功能梯度材料； 界面； 非線性有限元； 理論計算； Marc

中圖分類號： TU323.3 文獻標(biāo)志碼： B

Finite element modeling and analysis on bi-layer

functionally graded cantilever beam

YANG Qing， ZHANG Kai， ZHENG Bailin， ZHU Jianxin

（School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： To study the effect of different modeling and interface treatment on the calculation results of a functionally graded bi-layer cantilever beam， the comparison of finite element calculation results and theoretical solutions indicate that， the eight-node second-order element is more precise than the four-node linear element because the former could eliminate the shear self-locking effectively； as to the perfect interface of dual-material， the constraint condition， forced displacement coupling is more in line with the actual situation than the constraint condition of eliminating coincident nodes， and the finite element solutions of stress field around beam end are more rational than the theory solutions.

Key words： bi-layer cantilever beam； functionally graded material； interface； nonlinear finite element； theoretical calculation； Marc

收稿日期： 2013-01-07 修回日期： 2013-07-11

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（41072207）

作者簡介： 楊青（1981—），男，浙江天臺人，博士研究生，研究方向為固體力學(xué)與復(fù)合材料力學(xué)，（E-mail）；

鄭百林（1966—），男，陜西岐山人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為固體力學(xué)與復(fù)合材料力學(xué)，（E-mail）

0 引 言

功能梯度材料的概念由日本科學(xué)家在20世紀(jì)80年代中期首先提出，旨在解決航天技術(shù)領(lǐng)域高溫環(huán)境下的材料熱應(yīng)力問題.[1]功能梯度材料具有漸變的特點，可以消除由于材料性質(zhì)不匹配以及結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷所帶來的失效問題，因此，隨著材料科技和設(shè)計水平的不斷提高，功能梯度材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣闊.[2-3]

目前，關(guān)于功能梯度材料結(jié)構(gòu)的理論計算和有限元計算已取得較為豐碩的成果.李永等[4]利用層合法，將功能梯度結(jié)構(gòu)沿梯度方向分成若干層，每層等效為各向同性均勻材料進行計算；SANKAR[5]利用初等梁理論給出功能梯度簡支梁受橫向載荷作用下的彈性解；校金友等[6]利用應(yīng)力函數(shù)法求得彈性模量沿梁厚度方向指數(shù)變化功能梯度簡支梁的二維彈性解；ZHONG等[7]利用應(yīng)力函數(shù)半逆解法求得模量以任意梯度函數(shù)變化時平面懸臂梁問題的解析解；YANG等[8]利用應(yīng)力函數(shù)法求得模量以任意梯度函數(shù)變化時雙層懸臂梁問題的解析解；張馳等[9]采用等參梯度元方法對功能梯度材料進行有限元分析；朱昊文等[10]求得功能梯度壓電材料板的有限元解；張曉等[11]對一種新型功能梯度復(fù)合錨桿的延展性和協(xié)調(diào)性進行有限元分析；GO等[12]用有限元法分析旋轉(zhuǎn)功能梯度圓盤的熱彈性力學(xué)性能.

本文使用Marc非線性分析軟件，對雙層功能梯度懸臂梁進行建模分析，同時與理論解進行對比，考察不同建模形式和界面處理方式對計算結(jié)果的影響.

1 基本方程與有限元模型

1.1 基本方程

功能梯度雙層懸臂梁模型見圖1.圖1中，長度為L，厚度為2h，上、下層均為功能梯度材料，每層厚度均為h，各自沿厚度方向以功能函數(shù)F1（y）和F2（y）變化.

圖 1 功能梯度雙層懸臂梁模型

Fig.1 Model of functionally graded bi-layer cantilever beam

采用彈性力學(xué)平面理論進行分析.假定該問題為平面應(yīng)力問題，功能梯度材料本構(gòu)方程中的柔度系數(shù)sjk不再是常數(shù)，而是關(guān)于坐標(biāo)y的函數(shù)，即sjk=s（i）jk（y）=s（1）jk（y）=s*（1）jk×F1（y）， y≤0

s（2）jk（y）=s*（2）jk×F2（y）， y≥0 （1）式中：s（1）jk（y）為上層材料的梯度變化函數(shù)；s（2）jk（y）為下層材料的梯度變化函數(shù)；s*（1）jk與s*（2）jk分別為上、下層模量y=y0處的基準(zhǔn)值，本文中基準(zhǔn)坐標(biāo)y0=0位于界面處.

在基準(zhǔn)坐標(biāo)y0處，F(xiàn)i（y0）=1.

功能梯度材料平面問題的控制方程為2y2s112φiy2+s122φix2+ys443φix2y+s124φiy2x2+s224φix4=0 （2）式中：i=1和2分別表示梁的上層和下層.

對于平面梁問題，可設(shè)應(yīng)力函數(shù)φ（x，y）=nj=0xjfj（y） （3）式中：n由邊界條件的具體形式而定.端部受集中彎矩與軸向力，n=0；端部受集中剪力，n=1；上面受均布載荷，n=2.

對于平面層合梁，先求得單層梁的通解，然后根據(jù)理想界面連續(xù)條件與邊界條件，將上、下層耦合，從而求出特解.理想界面連續(xù)條件為σ1y=σ2y，τ1yx=τ2yx

u1=u2，w1=w2 （4）1.2 有限元模型

由于功能梯度材料本構(gòu)關(guān)系中引入模量梯度變化函數(shù)可能產(chǎn)生物理非線性，故針對功能梯度材料宜使用非線性分析方法.Marc作為分析工具，具有良好的非線性分析功能，可非常方便地設(shè)定彈性模量的函數(shù)關(guān)系，而無須通過用戶端編子程序，分析效率高、適用范圍廣.

與理論方法一致，有限元建模的分析類型也選用平面應(yīng)力分析，建立二維平面分析模型.懸臂梁固定端選用位移固定邊界條件，載荷采用力加載形式.為保證求解進度，單元劃分應(yīng)該較密，單元尺寸選取為厚度坐標(biāo)的1/20，即h/20.

單元類型分別選取四節(jié)點線性單元和八節(jié)點二次單元進行計算，雙材料理想連接界面分別采取消除重合節(jié)點和強制位移約束，通過與理論解進行比較，考察上述建模方法的合理性.

2 算例和討論

本文理論解可參見文獻[8].考察某懸臂梁l=10 m，h=1 m，上層功能梯度變化函數(shù)為F1（y）=eαy，下層功能梯度函數(shù)為F2（y）=eβy；在界面y=0，上層材料彈性模量為2.1×1011 Pa，下層材料為1.1×1011 Pa，取α=1，β=-2，泊松比ν=0.3.當(dāng)懸臂梁端部受集中剪力P=1 000 N作用時，對應(yīng)的邊界條件為σ1x=σ2x=0， x=0 （5）

σ1y=0， y=-h

σ2y=0， y=h （6）

∫0-hτ1yxdy+∫h0τ2yxdy=P， x=0 （7）

τ1yx=0， y=-h

τ2yx=0， y=h （8） ui=0， wi=0， wix=0， x=l， y=0 （9）

將線性單元和二次單元的計算結(jié)果與理論結(jié)果進行比較.不同單元類型對正應(yīng)力σx的影響見圖2，可知，對于正應(yīng)力σx，線性單元和二次單元的計算結(jié)果與理論解結(jié)果差別很小.

圖 2 不同單元類型對正應(yīng)力σx的影響

Fig.2 Effect of different element types on normal stress σx

不同單元類型對剪應(yīng)力τxy的影響見圖3，可知，關(guān)于橫截面剪應(yīng)力τxy，選取二次單元的計算結(jié)果與理論結(jié)果一致；而在梁的上、下表面以及界面處，線性單元的計算結(jié)果誤差較大.根據(jù)上、下表面的邊界條件，剪應(yīng)力在邊界處應(yīng)該為0，而線性單元計算結(jié)果顯然不為0，在界面處的剪應(yīng)力也不連續(xù)，與理論解和實際情況不符.

圖 3 不同單元類型對剪應(yīng)力τxy的影響

Fig.3 Effect of different element types on shear stress τxy

不同單元類型對撓度的影響見圖4，可知，對于系統(tǒng)的撓度，二次單元的計算結(jié)果與理論解一致，而線性單元的撓度計算值較小.

由上述對比可知，線性單元在計算剪應(yīng)力和撓度時不夠準(zhǔn)確，主要是由于線性單元的邊不能發(fā)生彎曲變形，而剪應(yīng)變是單元水平邊與垂直邊之間的

圖 4 不同單元類型對撓度的影響

Fig.4 Effect of different element types on deflection

夾角，這樣，單元中就存在實際上不存在的、由于單元的數(shù)學(xué)描述而產(chǎn)生的剪應(yīng)變.這種剪應(yīng)變在梁的表面與界面處尤其顯著，因此在梁的上、下表面與中間界面處計算誤差較大；相應(yīng)地，對撓度也造成影響.以上現(xiàn)象稱為單元的剪力自鎖，在梁的計算中需特別注意，可通過增加單元密度和選用二次單元消除，且后者更經(jīng)濟、高效.

將界面強制位移約束和消除重合節(jié)點的有限元計算結(jié)果與理論解進行比較.不同界面約束方式對正應(yīng)力σx的影響見圖5，可知，這2種界面的處理方式對界面處正應(yīng)力σx的影響很大.界面的存在使原本連續(xù)的彈性場發(fā)生變化，而這種變化可由式（4）定義的界面條件表征，即位移連續(xù)，剪應(yīng)力連續(xù)，法向應(yīng)力σy連續(xù)，而軸向正應(yīng)力σx不連續(xù).顯然，由界面強制位移的約束條件所得到的結(jié)果與理論解一致，而消除共節(jié)點的界面處理方式，無法體現(xiàn)雙材料的界面特性，是不合理的.

圖 5 不同界面約束方式對正應(yīng)力σx的影響

Fig.5 Effect of different constraint ways on normal stress σx

不同界面約束方式對剪應(yīng)力τxy的影響見圖6，不同界面約束方式對撓度的影響見圖7，可知，2種界面的處理方式對于界面剪應(yīng)力和撓度的分布影響不顯著.通過對界面剪應(yīng)力的有限元結(jié)果與理論解結(jié)果進行比較，可知，在遠離端部的位置，理論解與有限元解非常吻合；而在端部附近，差別十分顯著.由于約束的作用，梁在端部的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，尤其對于雙層梁，在界面端的應(yīng)力具有奇異性，應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜；而理論計算中，通常在端部應(yīng)用圣維南原理，使用放松約束條件加以簡化計算.因此，如果關(guān)心靠近端部附近的應(yīng)力場，有限元的計算結(jié)果比理論計算更加合理，通過增加單元的密度可以得到較精確的結(jié)果.x軸界面處的剪應(yīng)力τxy的分布見圖8.

圖 6 不同界面約束方式對剪應(yīng)力τxy的影響

Fig.6 Effect of different constraint ways on normal stress τxy

圖 7 不同界面約束方式對撓度的影響

Fig.7 Effect of different constraint ways on deflection

圖 8 x軸界面處的剪應(yīng)力τxy的分布

Fig.8 Distribution of shear stress τxy on interface along x-axis

3 結(jié) 論

通過有限元法對功能梯度雙層復(fù)合懸臂梁的力學(xué)行為進行分析，并與理論解進行對比，得以下結(jié)論：

（1）對于功能梯度懸臂梁，選取二次單元能更好地消除剪力自鎖現(xiàn)象，求解更加精確.

（2）對于雙材料理想界面處理，采取強制位移約束條件比消除重合節(jié)點約束條件更符合真實情況.

（3）由于理論解在端部處采用放松的圣維南邊界條件，因此理論解并不能精確反映端部處的應(yīng)力分布特性，也不能反映界面端的應(yīng)力奇異情況.故在求解端部附近應(yīng)力場方面，有限元解比理論解更加合理，如選取適當(dāng)?shù)膯卧叽纾邢拊梢缘玫捷^精確的解.參考文獻：

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固體力學(xué)研究方向范文第5篇

現(xiàn)代土木工程特點

1.建筑材料方面

現(xiàn)代土木工程重視高質(zhì)量、高經(jīng)濟效益、快速施工等這幾個方面，要建造大型、緊密性現(xiàn)代化建筑物，需要首先考慮建筑材料的相關(guān)問題。現(xiàn)代土木工程重視選擇高強度、輕質(zhì)量建筑材料，例如：鎂合金、鋁合金等，以及玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料）等。不過現(xiàn)階段這些高新材料價格偏高，制約了其應(yīng)用與發(fā)展，所以需要做出不斷研究，改進技術(shù)，不斷提升材料強度與耐久性。

2.地質(zhì)地基方面

土木工程中地質(zhì)與地基的構(gòu)造重視天然狀態(tài)下其力學(xué)性能與應(yīng)力情況，它影響了建筑選址、結(jié)構(gòu)體系、建筑材料選擇等多個方面。現(xiàn)階段主要采用現(xiàn)場鉆探取樣，室內(nèi)分析試驗等，具有一定局限性。未來需要創(chuàng)新出新的勘察方法。

3.工程規(guī)劃方面

以前的經(jīng)驗工程規(guī)劃方案已經(jīng)呈現(xiàn)出它的弊端，隨著現(xiàn)階段土木工程的項目規(guī)模越來越大，現(xiàn)代工程規(guī)劃設(shè)計需要運用系統(tǒng)的工程理論與規(guī)劃方法來提升規(guī)劃水平。例如：在進行水壩的設(shè)計施工過程中，需要考慮它對周圍人們生產(chǎn)生活的改變，以及對自然環(huán)境的改變，它會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)平衡，所以在設(shè)計與規(guī)劃這類型的大型土木工程的過程中，要科學(xué)合理的分析出它的優(yōu)劣層面，給出綜合性的全面規(guī)劃方案。

4.工程設(shè)計方面

工業(yè)設(shè)計目標(biāo)是安全、實用、經(jīng)濟、美觀。采用概率統(tǒng)計來確定材料載荷值與強度值，研究地震、風(fēng)力、海浪在時間、空間上的分布統(tǒng)計規(guī)律，積極在結(jié)構(gòu)、材料方面的改進，結(jié)合計算機技術(shù)發(fā)展，不斷革新設(shè)計方法，逐漸研究出完善的結(jié)構(gòu)與可靠度高的設(shè)計方法，并優(yōu)化設(shè)計理論，促進設(shè)計的實用化、技術(shù)化。

5.工程施工方面

施工方面，由于大型土木工程施工需要，設(shè)備向著多品種、大型化、自動化的方向發(fā)展。組織管理開始向著系統(tǒng)工程的組織管理理論與方法發(fā)展，逐漸變得科學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化。施工建設(shè)逐漸實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，并且走向生產(chǎn)工業(yè)化道路。在降低造價、提高效率、縮短工期、強化安全等方面也在不斷進步。

土木工程未來發(fā)展趨勢

1.空間上延伸

由于土地面積的逐漸減少，未來的土木工程發(fā)展方向會向著空間上延伸與發(fā)展，這也是現(xiàn)階段發(fā)展的必然趨勢。分為空間延伸與地下發(fā)展兩個部分。例如：波蘭長波臺鋼塔高646m，日本計劃建造千年抗震豎向城市，上海計劃在人工島上建造仿生大廈等等。地下方面，日本在上世界50年代開始就規(guī)劃開采淺層地下空間。未來的土木工程會向著高空、地下兩個空間方向延伸。

2.地域上拓展

由于土木工程相關(guān)建筑產(chǎn)業(yè)的占地面積大，會占據(jù)人們的生活空間，所以，為了適應(yīng)未來人口變化需要，未來的土木工程會在地域上進行拓展，向著海洋、沙漠進軍。例如日本大阪2000年圍海建成的關(guān)西國際機場等，利比亞沙漠建成了大型輸水管道，使得沙漠蓄水池灌溉成為可能。對于近海城市可以建造人工島，對于沙漠化問題可以實施淡化海水方案，這都是未來土木工程實現(xiàn)地域拓展的技術(shù)目標(biāo)，也會造福于人們的發(fā)展。

3.技術(shù)上進步

現(xiàn)代社會是信息化時代，土木工程未來的發(fā)展也必然結(jié)合計算機發(fā)展技術(shù)，借助計算機技術(shù)與結(jié)構(gòu)計算的理論，不斷提升利用材料性能，在保障結(jié)構(gòu)安全的同時，也能優(yōu)化設(shè)計方案，實現(xiàn)經(jīng)濟效益提升、工期縮短。也會向著工業(yè)化的方向發(fā)展，最大程度的推動建筑行業(yè)機械化、自動化進程，正確運用建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化與多樣化的關(guān)系，實現(xiàn)高效標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。未來的發(fā)展過程中，要建立與社會化經(jīng)濟模式相適應(yīng)的符合實際需要的科學(xué)管理體制，有效結(jié)合聯(lián)合化、專業(yè)化、區(qū)域化的施工組織模式，實現(xiàn)對新材料、新技術(shù)、新工藝的高效使用。

4.資源節(jié)約與開發(fā)新能源

基于可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)，在未來的土木工程發(fā)展過程中，會向著資源節(jié)約與開發(fā)新能源兩個方面重點發(fā)展，走資源節(jié)約、環(huán)境友好、新能源開發(fā)的符合現(xiàn)代社會發(fā)展目標(biāo)的規(guī)范化道路。現(xiàn)階段土木工程面臨著資源的消耗與對環(huán)境的破壞等相關(guān)問題，嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量，為了充分而合理的利用資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，提升人們生活水平，就需要落實人性化的土木工程發(fā)展策略。從最初的規(guī)劃、設(shè)計到建造、使用、維護等一系列的過程中，都需要從環(huán)境友好、資源節(jié)約、控制污染等角度進行首先考慮。例如開發(fā)青藏鐵路就履行了全程封閉構(gòu)造的措施，杜絕固體廢棄物的污染。還可以開發(fā)新的無污染能源，合理利用自然資源，堅持主動節(jié)能節(jié)地而又能滿足人們對生活質(zhì)量的需要。

總結(jié)

在現(xiàn)代化的技術(shù)與經(jīng)濟環(huán)境下，土木工程的發(fā)展向著空間上延伸、地域上拓展、技術(shù)上進步、環(huán)境友好、資源節(jié)約等方向不斷發(fā)展。未來的土木工程發(fā)展會越來越符合社會發(fā)展需要和滿足人們生活水平需要，會更加注重科技化、信息化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化等，土木工程的發(fā)展也會是人類智慧的結(jié)晶，不斷造福于人們的生產(chǎn)與生活。