熱-彈塑性耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)化形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

研究非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)與材料非線性耦合的連續(xù)體結(jié)構(gòu)熱彈塑性應(yīng)力和熱彈塑性屈曲的參數(shù)化形狀優(yōu)化方法及數(shù)值實(shí)現(xiàn)?；趶V義變分原理建立結(jié)構(gòu)熱彈塑性應(yīng)力和熱彈塑性屈曲的形狀優(yōu)化靈敏度數(shù)學(xué)模型，在模型中除了結(jié)構(gòu)彈性變形還考慮了非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和機(jī)械荷載聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)塑性變形、材料性質(zhì)參數(shù)與溫度場(chǎng)耦合的熱應(yīng)力響應(yīng)、隨結(jié)構(gòu)可動(dòng)幾何邊界更新的力學(xué)和溫度場(chǎng)邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。熱-彈塑性耦合響應(yīng)及其靈敏度的數(shù)值計(jì)算，是非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與彈塑性應(yīng)力場(chǎng)及屈曲分析的耦合過程，靈敏度分析的數(shù)值實(shí)現(xiàn)是基于有限元分析軟件的新途徑。通過參數(shù)化實(shí)體造型和CAD/CAE集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)體結(jié)構(gòu)（包括實(shí)體和曲面）幾何模型與有限元模型的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)和有限元全模型信息的動(dòng)態(tài)修改，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合多物理場(chǎng)問題的參數(shù)化建模方法、熱彈塑性響應(yīng)及其靈敏度的耦合分析、優(yōu)化求解算法，實(shí)現(xiàn)傳熱-結(jié)構(gòu)耦合的熱彈塑性力學(xué)響應(yīng)的參數(shù)化形狀優(yōu)設(shè)計(jì) 2100433B

材料受力超過彈性極限或屈服強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變呈非線性關(guān)系，產(chǎn)生不可逆的塑性變形，卸載后，出現(xiàn)殘余應(yīng)變的現(xiàn)象。外載進(jìn)入彈塑性區(qū)域，物體產(chǎn)生的變形稱彈塑性變形，由彈性變形和塑性變形組成。

彈性變形的應(yīng)變可用虎克定律

塑性應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系有增量理論或塑性流動(dòng)理論，表述塑性形變?cè)隽颗c應(yīng)力、應(yīng)力增量的關(guān)系；形變理論或全量理論（總應(yīng)變理論），表述塑性應(yīng)變本身與應(yīng)力間的關(guān)系。為充分發(fā)揮材料的潛力，降低結(jié)構(gòu)重量，采用彈塑性設(shè)計(jì)，是使結(jié)構(gòu)的總體受力處于彈性狀態(tài)，局部區(qū)域允許進(jìn)入塑性狀態(tài)，既保證高的總體性能，又保證安全可靠。

彈塑件力學(xué)是固體力學(xué)的重要分支學(xué)科。固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，特別是材料處在塑性階段時(shí)，變形中既有可恢復(fù)的彈性變形，又有不可恢復(fù)的塑性變形。

大多數(shù)固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，因此又常被稱為彈塑性材料。彈塑性指的是物體在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，而外力卸載之后變形不一定能完全恢復(fù)的性質(zhì)，其中變形中可恢復(fù)部分稱為彈性變形，不可恢復(fù)部分稱為塑性變形。

彈性力學(xué)討論固體材料中的理想彈性體及同體材料彈性變形階段的力學(xué)問題，包括在外力作用下彈性物體的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分布，以及與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

塑性力學(xué)討論固體材料中塑性階段的力學(xué)問題，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法，從材料的宏觀塑性行為中抽象出力學(xué)模型，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程予以描述?？勺冃瓮w的彈性階段與塑性階段是整個(gè)變形過程中的兩個(gè)不同階段，彈塑性力學(xué)是研究這兩個(gè)密切相連階段力學(xué)問題的科學(xué)。

彈塑性力學(xué)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，具有一套較完善的理論和方法。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，研究彈塑性力學(xué)新的理論、方法及其在基礎(chǔ)工程上的應(yīng)用尤顯重要。塑性力學(xué)與彈性力學(xué)有著密切的關(guān)系，彈性力學(xué)中的大部分基本概念和處理問題的方法都可以在塑性力學(xué)中得到應(yīng)用。

彈性力學(xué)與塑性力學(xué)的根本區(qū)別在于彈性力學(xué)是以應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系的廣義Hooke定律為基礎(chǔ)。一般來說，在塑性力學(xué)的范圍中，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系呈非線性，而這種非線性的特征與所研究的具體材料有關(guān)，對(duì)于不同的材料和條件，具有不同的變化規(guī)律。

工程材料在應(yīng)力超過彈性極限以后并未發(fā)生破壞，仍具有一定繼續(xù)承受載荷的能力，但剛度相對(duì)地降低，故以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的沒計(jì)方法不能充分發(fā)揮材料的潛力，某種程度上導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。因此，以塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法比彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)更為優(yōu)越，更符合實(shí)際工程應(yīng)用。 2100433B

在彈塑性體的變形中，有一部分是彈性變形，其余部分是塑性變形。在短期承受逐漸增加的外力時(shí)，有些固體的變形分兩個(gè)階段，在屈服點(diǎn)以前是彈性變形階段，在屈服點(diǎn)后是塑性變形階段。地質(zhì)力學(xué)根據(jù)在自然界和實(shí)驗(yàn)室中的觀測(cè)，認(rèn)為巖石在長期力作用下可以是彈塑性體，其彈性變形和塑性變形可以不分階段同時(shí)出現(xiàn)。

彈塑性彈性變形

彈性變形的重要特征是具有可逆性，即材料受力后產(chǎn)生變形，卸除載荷后變形消失，反映彈性變形決定于原子間結(jié)合力這一本質(zhì)屬性。

彈性變形的物理本質(zhì)如下文所述：

金屬是晶體，晶體內(nèi)的原子具有抵抗相互分開、接近或剪切移動(dòng)的性質(zhì)。金屬的彈性變形可以用雙原子模型來解釋，如圖1所示。對(duì)以金屬鍵結(jié)合為主的晶體而言，可以認(rèn)為：吸引力是金屬正離子與共有電子之間庫侖引力作用的結(jié)果，因它在比原子間距大得多的距離處仍然起主導(dǎo)作用（見圖1中的曲線1），所以吸引力是長程力；而排斥力則是短程力，它只有在原子間距離很接近時(shí)才起主導(dǎo)作用（見圖1中的曲線2），二者的合力如圖1中的曲線3所示。可見，當(dāng)吸引力和排斥力達(dá)到平衡時(shí)，相互作用力為零，兩原子間的平衡距離便確定了，為

金屬在拉應(yīng)力作用下，當(dāng)相鄰原子間距大于平衡原子間距時(shí)，吸引力降低，同時(shí)排斥力也降低，但吸引力大于排斥力，所以兩原子間的合力表現(xiàn)為吸引力，在該吸引力的作用下原子力圖恢復(fù)到原來的平衡位置；反之，金屬在壓力作用下，當(dāng)相鄰原子間距小于平衡原子間距時(shí)，兩原子吸引力和排斥力都有所增加，但排斥力大于吸引力，所以兩原子間的合力表現(xiàn)為排斥力，在該排斥力作用下原子力圖回到原來的平衡位置。因此，在拉力或壓力去除后，原子恢復(fù)到原來的平衡位置，宏觀變形也隨之消失，這就是彈性變形的物理本質(zhì)。

彈塑性塑性變形

金屬材料常見的塑性變形方式主要為滑移和孿生。

滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)沿滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的切變過程。通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向?；泼婧突品较虻慕M合稱為滑移系?；葡翟蕉?，金屬的塑性越好，但滑移系的數(shù)目不是決定金屬塑性的唯一因素。例如，fcc金屬（如Cu、Al）的滑移系雖然與bcc金屬如（

試驗(yàn)觀察到，滑移面受溫度、金屬成分和預(yù)先塑性變形程度等因素的影響，而滑移方向則比較穩(wěn)定。例如，溫度升高時(shí)，bcc金屬可能沿|112|及|123|滑移，這是由于高指數(shù)晶面上的位錯(cuò)源容易被激活所致；而軸比為1.587的鈦（hcp）中含有氧和氮等雜質(zhì)時(shí)，若氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，則（1010）為滑移面；當(dāng)氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，滑移面又改變?yōu)椋?001）。由于hcp金屬只有三個(gè)滑移系，所以其塑性較差，并且這類金屬的塑性變形程度與外加應(yīng)力的方向有很大關(guān)系。

孿生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑性變形方式。fcc、bee和hcp三類金屬材料都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形，但fcc金屬只在很低的溫度下才能產(chǎn)生孿生變形。bcc金屬如

孿生變形也是沿特定晶面和特定晶向進(jìn)行的。