考虑热力耦合作用的薄膜褶皱分析稳定化算法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11502035
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0813.计算固体力学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Flexible membranes have been used as some key components of spacecraft like solar panels and inflatable antenna reflectors which work in thermo-mechanical coupling environment. Wrinkling is a typically nonlinear deformation mode of thin membrane structures. Stability of numerical algorithms is very important to achieve numerical simulation of wrinkle deformation of membranes efficiently. Based on parametric variational principle and finite element method, the project will study a stabilized computational method for refined analysis of wrinkled membranes with thermo-mechanical coupling effects. Firstly, a thermo-mechanical coupling model and parametric variational principle of anisotropic bi-modulus materials will be proposed and then a stabilized quadratic programming algorithm will be developed. Subsequently, a simplified finite element model, which can capture wrinkle details, such as the number, wavelength and magnitude of wrinkles, will be proposed by combining a modified bi-modulus material model and stability theory of thin shells. With the wrinkling model embedded into developed quadratic programming algorithm, numerical simulation on wrinkled membranes with thermo-mechanical coupling effects can be achieved efficiently. The states of elements including tension, wrinkle and slack will be determined by solving a complementarity problem and thus stability of algorithm can be improved greatly. A typical experiment of wrinkled membranes will be carried out to validate the developed wrinkling model and algorithm. Finally, mechanisms of wrinkle formation and development will be studied by using the developed stabilized algorithm, which can provide scientific basis for design of scheme to restrain wrinkles.
柔性薄膜已经被用作太阳能电池帆板和充气反射天线等关键航天器部件,并且需要在热力耦合环境下服役。褶皱是薄膜结构的一种典型的非线性变形模式,数值算法的稳定性对于实现薄膜褶皱变形的高效数值模拟至关重要。本项目将基于参变量变分原理和有限单元法,开展热力耦合作用下薄膜褶皱变形精细分析的稳定化计算方法研究。首先,建立各向异性双模量材料的热力耦合模型及参变量变分原理,发展稳定的二次规划算法。其次,结合修正的双模量材料模型和薄壳稳定性理论,建立能够获取褶皱数目、幅值和波长的简化有限元模型。将该模型嵌入已发展的二次规划算法中,通过求解互补问题来确定单元的张紧、褶皱或松弛状态,从而改善算法稳定性,实现热力耦合作用下薄膜褶皱变形的高效数值模拟。进行薄膜褶皱典型实验,以验证模型与算法的正确性。最后,利用所发展的稳定化算法研究褶皱形成和发展的机理,为褶皱抑制方案的设计提供科学依据。

结项摘要

柔性薄膜已经被用作太阳能电池帆板和充气反射天线等关键航天器部件,并且需要在热力耦合环境下服役。褶皱是薄膜结构的一种典型的非线性变形模式,数值算法的稳定性对于实现薄膜褶皱变形的高效数值模拟至关重要。课题组首先测量了不同温度条件下薄膜材料的杨氏模量。进行了薄膜褶皱变形的三维散斑实验,测量了方形薄膜在对角拉伸条件下的全场三维变形形貌和应变场,定量地研究了褶皱幅值与波长随拉力、温度变化的变化规律。研究表明,在相同机械载荷作用下,温度越高,褶皱幅值越大。基于参变量变分原理,建立了三维双模量材料的最小势能表达式,通过变分计算和有限元离散,得了问题的有限元平衡方程,将原问题转化为标准的互补问题,很好地提高了该类问题非线性分析的算法收敛性和稳定性。该材料模型和算法被成功地应用到薄膜褶皱变形分析。利用ABAQUS软件,建立了多种形状的薄壳有限元模型,对薄壳进行了后屈曲分析,得到了褶皱变形形貌。将实验结果、ABAQUS模拟结果、程序计算结果三者进行了定量比较。室温条件下,三种结果在褶皱区域、方向、应力水平等指标上吻合良好。高温条件下薄膜褶皱变形的数值模拟并不能很好地重现实验所观测到的结果,有待进一步研究改进。对于具有大规模计算自由度的系统,算法的计算效率有待提高。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A stabilized complementarity formulation for nonlinear analysis of 3D bimodular materials
用于 3D 双模材料非线性分析的稳定互补公式
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Acta Mechanica Sinica
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Zhang L.;Zhang H. W.;Wu J.;Yan B.
  • 通讯作者:
    Yan B.
An efficient finite element formulation for nonlinear analysis of clustered tensegrity
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  • DOI:
    10.1108/ec-08-2014-0168
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Engineering Computations
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Zhang Liang;Gao Qiang;Liu Yin;Zhang Hongwu
  • 通讯作者:
    Zhang Hongwu
A 3D PVP co-rotational formulation for large-displacement and small-strain analysis of bi-modulus materials
用于双模量材料大位移和小应变分析的 3D PVP 同旋转公式
  • DOI:
    10.1016/j.finel.2015.11.002
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Finite Elements in Analysis and Design
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Zhang L.;Dong K. J.;Zhang H. T.;Yan B.
  • 通讯作者:
    Yan B.
Review and perspective on soft matter modeling in cellular mechanobiology: cell contact, adhesion, mechanosensing, and motility
细胞力生物学中软物质建模的回顾和展望:细胞接触、粘附、力传感和运动
  • DOI:
    10.1007/s00707-017-2057-3
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Zhang L.;Feng X.Q.;Li S.
  • 通讯作者:
    Li S.
A mode-III crack under adhesion studied by non-uniform linear spring models
非均匀线性弹簧模型研究粘附下的 III 型裂纹
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Acta Mechanica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    J. Wu;L. Zhang;L. Wan
  • 通讯作者:
    L. Wan

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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