刚(粘)塑性无网格伽辽金方法及其关键技术研究与应用

在国家杰出青年科学基金资助项目《塑性加工工艺及设备》(No.50425517)，以及国家自然科学基金资助项目《金属体积成形过程的刚(粘)塑性无网格伽辽金方法数值模拟理论及其关键技术研究》(No.50575125)支持下，开展刚(粘)塑性无网格伽辽金方法及其关键技术与应用的研究报告，对刚(粘)塑性无网格伽辽金方法的基础理论、数学模型建立方法、关键处理技术在金属塑性成形过程中应用研究的成果。 将无网格伽辽金方法引入塑性成形过程模拟，提出基于刚(粘)塑性理论的无网格伽辽金方法，推导刚度矩阵方程和求解列式。利用变换法施加本质边界条件，采用反正切摩擦模型描述摩擦力边界条件。对于模具边界任意的塑性成形过程，在局部坐标系下施加摩擦力边界条件，给出局部坐标系和整体坐标系的变换矩阵，解决了模具形状任意的二维塑性成形问题摩擦力边界条件的施加问题。采用直接迭代法获得初始速度场，利用Newton Raphson迭代方法求解刚度方程，给出模拟等温塑性成形问题的分析步骤。对于中高温条件下的塑性成形过程，推导出刚(粘)塑性无网格伽辽金方法热力耦合分析模型，给出热力     

基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法

为了对金属体积成形过程进行数值模拟，给出基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法。由于移动最小二乘近似的非插值特征给无网格伽辽金方法的应用带来了一定的困难，将再生核质点法中的完全变换法与无网格伽辽金方法相结合，通过对速度场的移动最小二乘近似进行修正，实现速度边界条件的精确施加；采用罚函数法引入体积不可压缩条件，运用刚塑性材料的不完全广义变分原理，给出基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法的离散控制方程以及收敛判据和收敛控制方法。数值计算结果表明方法的可行性及有效性。     

刚塑性无网格方法中体积闭锁问题的缓解算法

将无网格伽辽金方法引入金属塑性成形过程分析,在给出基于刚塑性理论的无网格伽辽金方法及其基本理论方程的基础上,重点研究应用无网格方法分析金属塑性成形问题时所面临体积闭锁问题的缓解算法,采用体积应变率映射方法,对能量速率泛函中的体积应变率进行修正处理,通过将速度场计算的体积应变率映射到低维空间,降低独立约束方程数目,从而建立体积闭锁现象的缓解算法。应用所建立的方法对典型锻造过程进行了无网格分析,结果表明,该算法能够有效解决体积闭锁问题。     

基于一致径向基函数的金属塑性成形过程无网格方法分析

径向基函数满足δ条件,可以直接施加本质边界条件.通过耦合多项式基函数可以精确重构任意多项式.将无网格伽辽金方法引入到塑性成形过程模拟,结合刚塑性材料的假设,提出基于一致径向基函数的无网格刚塑性伽辽金方法.采用体积应变率映射法处理体积不可压缩条件;采用反正切摩擦模型在局部坐标系下施加摩擦力边界条件,实现任意边界形状的塑性成形过程模拟.对典型塑性成形过程进行无网格方法分析,并与刚塑性有限元方法及试验数据进行比较,验证了建立方法的可行性.     

基于配点型无网格法的金属体积成形过程数值模拟

基于配点型无网格法的基本原理，阐述了采用配点型无网格法求解偏微分方程的步骤和方法，推导了刚塑性二维轴对称问题的配点型无网格法求解公式。以汽车气门弹簧座冷挤压过程为例，对金属体积成形的塑性变形情况进行了模拟分析。算例表明，配点型无网格法不需要借助背景网格或有限元网格进行数值积分，解决了伽辽金型无网格法计算效率低的问题。计算结果与有限元法比较接近，说明配点型无网格法用于金属塑性大变形过程数值模拟是可行性的。     

刚塑性成形模拟中有限元和无网格迦辽金法的自动耦合算法

利用有限元法分析金属的刚塑性问题时,在变形的高梯度区域单元容易严重畸变,这极大地降低了分析精度.在刚塑性有限元方法的框架中,文中根据计算增量步的网格质量,提出金属刚塑性有限元和无网格迦辽金法的自动耦合算法,在单元严重畸变的区域转换为无网格迦辽金法进行计算.数值实例表明:算法在很大程度上既保持了有限元法的计算效率,又能够...     

基于随机无网格伽辽金法和遗传算法的结构可靠性分析

用摄动随机无网格伽辽金法(PSEFGM)求解随机结构的响应。摄动随机无网格伽辽金法具有不需要划分单元和精度高等特点,采用遗传算法对结构可靠性进行了分析。遗传算法是一种智能搜索优化算法。数值实例表明在随机结构可靠性分析方面随机无网格迦辽金法与遗传算法具有明显的优势和广泛的应用前景。     

面向对象的无网格伽辽金法

采用Schmidt法对无网格伽辽金法(EFGM)形函数的基函数进行正交化,避免了形函数中的矩阵求逆运算,同时也减少了运算量并提高计算精度。对EFGM中的权函数、节点影响半径等关键问题进行了改进,并利用对象设计思想将无网格伽辽金法的对象抽象为独立的数据类,研究了无网格伽辽金法数据类的设计方法和组织方式并编制了相应的计算程序。数值算例结果表明,理论正确、方法有效。     

基于随机无网格伽辽金法的结构可靠性分析

基于摄动随机无网格伽辽金法（perturbation stochastic element-free Galerkin method，PSEFGM）进行随机结构的可靠性分析。摄动随机无网格伽辽金法具有不需要划分单元和精度高等特点。数值实例表明，在随机结构的可靠性分析方面随机无网格迦辽金法具有优良的特点和应用前景。     

金属成形过程的数值流形模拟方法研究

通过引进刚塑性本构关系,建立了金属成形过程的数值流形方法的分析体系,并研究了金属成形过程模拟中的网格重分问题。作为实际应用,对齿轮毛坯模锻成形进行了数值模拟。数值算例结果表明,理论正确、方法有效,数值流形方法是一个非常有效的分析工具,完全可以对成形过程进行模拟。     

Numerical simulation of three-dimensional bulk forming processes by the element-free Galerkin method

A new approach for simulating three-dimensional (3D) bulk metal forming processes is proposed by combining element-free Galerkin method (EFGM) with the flow theory of 3D rigid-plastic/viscoplastic mechanics. Different from the conventional rigid-plastic FEM, the velocity field is constructed by the moving least-squares (MLS) approximation. Special emphasis is placed on the treatments of essential boundary conditions, incompressibility constraint and friction boundaries. The stiffness equation for the analysis of 3D bulk metal forming using EFGM is derived and its key algorithms are given. To test the validity of the proposed meshless approach, a typical 3D upsetting forming process is analyzed and the numerical results are compared with those obtained by commercialized rigid-plastic FEM software Deform^3D. As results show, when handling 3D plastic deformations, the proposed approach eliminates the need of expensive meshing and remeshing procedures unavoidable in conventional FEM, and still provides results that are in good agreement with finite element predictions.     

B样条小波基自适应无网格迦辽金法应用于刚塑性成形模拟

无网格方法适合大变形计算和自适应分析,是进行刚塑性成形过程仿真的比较有潜力的方法。利用样条小波的多分辨分析特性,基于刚塑性变形的特点,通过实现刚塑性场量的两尺度分解技术,将场变量分解成低尺度成分和高尺度成分,利用高尺度成分判断求解高梯度区域;利用基于局部Delaunay三角化的细分方案实现高梯度区域节点的自适应细分,最终实现一个应用于刚塑性成形仿真的样条小波基自适应无网格迦辽金法,并用实例验证算法的稳定性和有效性。     

Integrated adaptive element free Galerkin model for elastoplastic contact of engineering surfaces

Abstract

This paper presents an h-adaptive element free Galerkin (EFG) model and its formulation based on stain energy gradient for solving elastoplastic contact problems. In this model, the element free Galerkin finite element (EFG–FE) coupling method uses the initial stiffness method, and an error estimation approach based on strain energy gradient and a local adaptive refinement strategy are combined. Two-dimensional elastic contact problem between a rigid cylinder and an elastic plane is analysed to validate the adaptive elastoplastic EFG model. The results indicate that the adaptively refined solutions are accurate as compared to the Hertz theoretical solution or the uniformly refined solutions, while the cost of CPU time used by the adaptive model is less than that by the uniformly refined model under the same condition. Furthermore, the elastoplastic contacts involving a rough surface of elastic perfectly plastic and elastoplastic properties are investigated.     

模锻过程刚粘塑性有限元模拟中关键问题的处理

探讨了应用刚粘塑性有限元模拟金属成型过程中几个关键问题的处理技术,在此基础上提出一系列算法,开发了锻造过程通用有限元模拟系统,并采用该系统完成了发动机气门锻造过程中金属的变形分析与模具的优化设计。实例表明该系统是稳定而有效的。     

RIGID-PLASTIC/RIGID-VISCOPLASTIC FEM BASED ON LINEAR PROGRAMMING—THEORETICAL MODELING AND APPLICATION FOR AXISYMMETRICAL PROBLEMS

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＲＰ/ＲＶＰＦＥＭｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔｉｎｇｏｆｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｗｒｉｎｋｌｉｎｇａｎｄｂｒｅａｋａｇｅ ,ｒａｐｉｄｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｄｕｃｔｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ ,ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｏｒｍｉｎｇｄｉｅａｎｄｉｔｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ .Ｆｒｏｍｔｈｅｅｎｅｒｇｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ,ｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆａＲＰ/ＲＶＰＦＥＭｓ…     

无网格伽辽金方法在线弹性断裂力学中的应用研究

通过对移动最小二乘形函数进行局部修正,将混合变换法应用于无网格伽辽金方法,给出分析线弹性断裂力学问题的有效的无网格伽辽金方法。这一方法克服了无网格伽辽金方法中常用的拉格朗日乘子法和罚函数法的缺点,实现了本质边界条件在节点处的精确施加。运用线弹性断裂力学理论,采用基于t-分布的新型权函数和部分扩展基函数,对有限板单边裂纹的应力强度因子和拉剪复合型裂纹的扩展进行分析。由于该方法仅需节点信息,而不需要节点的连接信息,从而避免了有限元方法中的网格重构,大大简化了裂纹扩展的分析过程。数值计算结果表明了方法的有效性。     

A viscous shell formulation for the analysis of thin sheet metal forming

A finite element method to analyse large plastic deformations of thin sheets of metal is presented. The formulation is based on an extension of the general viscoplastic flow theory for continuum problems to deal with thin shells. Axisymmetric situations are considered first and here the simple two noded reduced integration element is used. Numerical results for the stretch forming and deep drawing of circular sheets are presented and comparison with experimental results is made. The second part of the paper deals with the deformation of sheets of arbitrary shape. The general viscous shell element is derived from the standard reduced integration, “thick shell element. Numerical results for simple 3-D sheet forming problems are given.