分子模拟对多尺度材料模型应用

分子模拟方法能有效地模拟物质微结构层次的体系和状态。对于材料多尺度的分析和其模型的建立,分子模拟被认为是一种关键的技术之一。主要针对多尺度材料模型中的跨尺度统一性和多尺度多层次耦合的问题,阐述一些分子模拟方法在多尺度材料模型宏观以下尺度中的模拟应用。     

基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究

提出一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法--随机多尺度力学模型分析方法.从描述混凝土材料的细观尺度入手,首先采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后采用材料特征单元尺度法来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各单元网格的力学特性则采用复合材料等效化方法来确定.通...     

复合材料多尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟

复合材料具有多尺度特性,多尺度模拟方法能够考虑细观损伤、演变对宏观材料性能和力学行为的影响,是复合材料响应分析的一种重要方法和手段。基于多尺度渐进展开理论,对复合材料弹性问题控制方程进行尺度分解,推导了细观尺度与宏观尺度的控制方程,建立了复合材料宏观和细观尺度响应之间的关联。基于协同多尺度计算策略,利用通用有限元软件的用户子程序与脚本二次开发,在宏观模型计算中实时调用细观模型进行多尺度渐进损伤模拟,实现了宏观和细观尺度的信息传递与反馈。建立的复合材料多尺度数值模拟方法可以快速集成细观损伤模型以及宏观唯象强度理论,具有良好的通用性。碳/碳复合材料拉伸模拟算例结果与试验结果吻合较好。     

漩口中学典型框架结构震害模拟与分析

该文以汶川地震震中附近的漩口中学教学楼和办公楼框架结构震害为背景,对其进行了模拟分析.针对震害特征,提出了微观-宏观多尺度有限元分析模型,以更准确的模拟结构的实际震害.在此基础上,为提高计算分析效率,结合微观-宏观多尺度有限元分析模型,提出能考虑楼板影响和基础转动的改进宏观有限元分析模型.采用多尺度模型和改进的宏观模型...     

离散-连续混合多尺度模型在计算流体力学中的应用进展

综述离散-连续混合多尺度模型在计算流体力学中的应用研究进展,介绍混合多尺度模型的研究意义、建立方法及发展进程;重点评述混合直接蒙特卡洛方法及纳维叶-斯托克斯方程的方法在稀薄气体流动研究中的进展和混合分子动力学方法及纳维叶-斯托克斯方程的方法在纳微液体流动研究中的进展;简单介绍其他混合多尺度方法;总结混合多尺度模型的优缺点并展望其未来研究方向。     

基于内聚力模型的复合裂纹耦合扩展多尺度数值模拟研究与实验验证

在外载荷作用下,材料的破坏与失效问题是一个涵盖从微观到宏观、从时间到空间等多个尺度相互耦合与关联的系统性科学问题.本研究以α-Ti材料为例,首先运用微观观测实验手段分析了α-Ti的显微组织结构和相结构,采用蒙特卡洛方法对微结构(晶粒大小、形状及分布)进行随机抽样处理,确定了其微结构的分布规律.通过与实验测得的材料强度做对比分析,并结合图像处理的方法获得微结构的定量化信息,探明了微结构对材料宏细观性能的影响,为微观尺度的分子动力学模型提供了可靠的基础.然后建立了三组包含复合微观缺陷的α-Ti拉伸微观计算模型,分别获得了界面层粘结力与其上下表面的相对位移之间的定量关系(T-S曲线).由于T-S曲线中包含了与裂纹尖端演化相关的微观信息(如位错发射和运动、裂尖钝化、裂纹偏折、孔洞成核和长大、孪晶等),再将T-S曲线与曲线中关键转折点所对应的原子构型相结合,从原子尺度观察并解释了α-Ti材料中不同复合微观缺陷扩展的现象、规律和机理.最后,采用基于原子模拟的内聚力模型对单调拉伸条件下CT试件的裂纹扩展做多尺度分析,研究了不同微观缺陷对材料宏观断裂参数的影响程度.     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

硅橡胶泡孔材料在压缩条件下的多尺度模拟

本文基于多尺度方法,研究硅橡胶泡孔材料在压缩条件下的力学行为。首先对基体材料即硅橡胶进行单轴压缩试验,拟合试验数据并得到基体材料的唯象本构关系。据此模拟细观胞元结构的单轴压缩过程,并将模拟所得的应力应变关系植入均匀化后的宏观有限元模型。结果表明宏观模型的有模元模拟结果与两组泡孔材料的试验数据均吻合良好。本文分析了误差产生的原因,并说明随着试样孔隙率的增加,模拟结果与试验数据之间的误差增大。最后,本文预测了不同孔隙率的硅橡胶泡孔材料在压缩条件下的应力-应变关系。本研究中采用的多尺度方法计算效率高,且适用于任意泡孔形状和泡孔密度的聚合物多孔材料。     

数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

随机源对颗粒增强金属基复合材料力学性能影响的多尺度分析及实验验证

20%(体积分数)SiC_p/2009Al复合材料的准静态拉伸实验结果表明，其失效应变等力学参数具有明显的分散性。采用多尺度有限元的方法研究了两类随机源对20%SiC_p/2009Al宏观力学性能的影响。通过对一系列含随机源的细观多颗粒代表体积单元模型进行准静态拉伸模拟，得到了材料失效应变和断裂能各自的随机分布特征及两者之间的相关性特征，然后结合宏观试样模型，实现了实际材料内不同区域材料性能随机性的表征。研究表明，宏观有限元结果与实验数据的吻合性较好，且由于考虑了随机源的影响，宏观有限元结果还能够很好地模拟失效应变等的分散性特征。     

The cross-classified multilevel measurement model: an explanation and demonstration

The link between the hierarchical generalized linear model (HGLM) and the Rasch model's parameterization has already been demonstrated by several researchers. Extensions have been described that include higher clustering levels to model more appropriately the contextual effects that are frequently encountered in educational research. However, pure hierarchies are relatively rare and instead cross-classified data structures are more frequently encountered. Cross-classified random effect modeling (CCREM) is still not commonly used. Use of CCREM in combination with the multilevel measurement model (MMM) has been recently introduced and is described further in the current study. Specifically, the link between the MMM and the CCREM MMM (termed "CCMMM" model) is provided. A dataset was simulated to demonstrate interpretation of the CCMMM model's parameters and to compare results under a CCMMM versus HGLM analysis. An Appendix is provided to demonstrate SAS GLIMMIX code used to estimate HGLM and CCMMM models' parameters.     

Product line optimisation based on semiparametric choice model

Consumer choice behaviour is important in the product line optimisation problem. The extant literature on product line optimisation is mostly based on traditional consumer choice models, such as the multinomial logit and multinomial probit models. These models either assume that the utility errors are independent from irrelevant alternatives (IIA) or are limited by complex calculation processes or pre-given, specific distributions of measuring errors. The marginal moment model (MMM), which is classified as a semiparametric choice model, does not require specific distributions of errors; thus, it can overcome the IIA shortcoming. This study focuses on the concavity of the profit functions of a product line optimisation model based on MMM. We prove that the profit function based on MMM is concave in market share under a monopoly or oligopoly. Numerical experiments show that the choice probabilities obtained from the MMM, multinomial logit, and multinomial probit models are similar although they are obtained under different assumptions. Experimental results under monopolistic, Cournot, and Bertrand competition based on MMM are compared. Some interesting managerial insights are summarised based on the sensitivity analysis of the various model parameters.     

金属磁记忆检测技术定量评估构件疲劳损伤研究

对18CrNi4A钢缺口试件在三级应力水平下进行疲劳试验和磁记忆信号检测,研究金属磁记忆信号在疲劳过程中的变化规律和磁记忆检测技术对构件疲劳损伤的定量估评.结果表明:在稳定循环阶段,磁信号随疲劳循环周次增加无显著改变,疲劳裂纹萌生后,磁信号逐渐增加,并在断裂后发生激变;磁信号特征参量Kmax,Hp(y)max,Hp(y)min和Hp(y)sub值与应力水平和疲劳损伤程度存在强烈的相关性,特征参量绝对值随应力水平或疲劳损伤程度的增加而逐渐增加;磁信号特征参量Kmax平均值法可较准确地定量评估构件疲劳损伤,该方法判据为:当m(m=Kmax/KAVmax)＞1,试件存在严重的疲劳损伤.     

先进复合材料的宏微观力学与强韧化设计: 挑战与发展

介绍了在先进复合材料的宏微观力学与强韧化设计领域内的国际发展趋势和国内发展状况、研究的科学意义、主要研究内容和面临的挑战、先进复合材料强韧化机制和原理、复合材料的宏微观力学理论与强韧化设计基本方法、存在的难点问题和发展方向。      

基于金属磁记忆的热采湿蒸汽发生器炉管缺陷早期检测

对湿蒸汽发生器20G炉管进行了拉伸静载荷实验、疲劳实验及磁记忆信号采集,通过对采集到的磁记忆信号进行分析,得到了20G炉管在不同加载阶段和不同疲劳周期的磁记忆信号变化规律以及金属磁记忆技术定量评估早期缺陷的方法,并应用于油田现场炉管检测.结果表明:金属磁记忆法可以准确表征被测工件的应力集中区;当20G炉管磁场梯度值K大...     

Mapping of Deformation-Induced Magnetic Fields in Carbon Steels Using a GMR Sensor Based Metal Magnetic Memory Technique

Giant magneto-resistive (GMR) sensor based metal magnetic memory (MMM) technique is proposed for mapping of deformation-induced self-magnetic leakage fields (SMLFs) in carbon steel. The specimens were subjected to different amounts of tensile deformation and the deformation-induced SMLFs were measured using a GMR sensor after unloading the specimens. 3D-nonlinear finite element modeling was performed to predict stress–strain state in a steel specimen under tensile load. The experimentally obtained SMLF images were correlated with the finite element model predicted stress–strain states. Studies reveal that the MMM technique can detect the plastic deformation with signal-to-noise ratio better than 20 dB. The technique enables the mapping of plastic deformation in carbon steels for the evaluation of the severity of deformation. The study also reveals that deformation-induced SMLF is influenced by the presence of initial surface residual stress, introduced by shot peening. The intensity of SMLF signal is found to increase with increase in tensile load and decrease with shot peening.     

基于遗传神经网络的焊缝缺陷等级磁记忆定量化研究

针对金属磁记忆技术的焊缝缺陷等级定量化评定这一难题,通过对预制不同缺陷的Q345焊接试件进行疲劳试验,获得焊缝损伤演化临界状态的磁记忆信号特征规律.首次对照X射线定量检测标准和磁记忆检测结果,将焊缝损伤演化状态分为4个等级,即正常状态、应力集中、隐性损伤和宏观损伤.首次引入遗传算法优化的BP神经网络模型对焊缝等级进行磁记忆定量化评价.研究表明,遗传优化的BP网络模型与未优化的BP网络相比,预测结果更加稳定、误差更小,为工程实际中焊缝缺陷等级评定提供新的方法和依据.     

焊接裂纹的金属磁记忆定量化评价研究

针对金属磁记忆检测技术目前尚不能对焊接裂纹进行定量的评价的问题,通过对预制焊接裂纹一阶微分后的金属磁记忆信号进行分析,找出了焊接裂纹存在定位特征,并且建立了微分后的磁记忆信号与焊接裂纹的长度及埋深的定量关系.现场检测表明,利用一次微分后的磁记忆信号的特征,可以比较准确地对焊接裂纹进行定量化评价.     

焊缝两种典型缺陷的磁记忆特征对比

为了将金属磁记忆检测技术应用于焊缝不同典型缺陷的定性和定量评价上,对Q235钢未焊透和固体夹渣两种缺陷进行实验研究,通过比较0、150和230 kN不同载荷级别下的磁记忆信号检测结果,提取了焊缝未焊透和夹渣两种缺陷的不同磁记忆信号特征,结果表明,未焊透的磁记忆特征信号波宽D的变化更为突出,而固体夹渣的磁记忆特征信号梯度...     

Product optimization with the improved marginal moment model

The probabilistic choice model is an important theory foundation for investigating consumer choice behavior in product optimization. In most studies, probabilistic choice behavior is simulated by the multinomial logit (MNL) model and a product always obtains some market share even though the utility a consumer obtains from buying the product is negative. However, the MNL model has a very restrictive substitution pattern – the independence of irrelevant alternatives (IIA). This paper investigates a product optimization problem based on the marginal moment model (MMM). Residual utility is involved in the MMM and negative utility is considered as well. The optimization model of product line design, based on the improved MMM, is established to maximize total profit through three types of problems. The established model fits reality better because the MMM does not have the IIA problem and has good statistical performance. Numerical experiments are carried out to evaluate the feasibility of the proposed model. Meanwhile, the relationships are explored between the optimal solutions and several factors, including the competitive products’ prices, utility variance, rate of cost reduction, and utility of competitive products.