单层网壳结构弹塑性屈曲分析的离散单元法研究

该文提出离散元塑性区法,即将任意2个球元的接触截面划分成若干小面积,通过各小面积的应力状态描述整个截面的塑性发展过程,较离散元塑性铰法更精确。该文推导了杆系离散元截面应变增量计算公式,建立了截面在三维应力-应变状态下的结构弹塑性本构方程、加卸载准则、截面内力积分公式以及计算分析流程。离散元弹塑性屈曲分析的追踪策略与弹性屈曲分析完全相同,即仍采用离散元力控制法或位移控制法。采用Fortran语言自编程序对若干单层网壳结构算例进行弹塑性屈曲分析,验证了离散元塑性区法的正确性和适用性,拓宽了离散单元法在工程领域的应用范围,为结构分析提供了新路径。     

磁头与离散磁道式磁盘瞬态接触行为研究

 离散磁道式磁盘在与磁头瞬态接触过程中极易损坏.为改善离散磁道式磁盘的瞬态接触状况,采用有限元仿真方法,建立了平整化前后离散磁道式磁盘与磁头的瞬态接触模型,分析了平整化前后离散磁道式磁盘接触应力分布特点,研究了磁头冲击速度、径向速度、磁盘表面摩擦系数等接触条件及平整化对离散磁道式磁盘最大等效塑性应变、塑性应变总体积的影响.结果表明：磁头冲击速度、寻道速度增大均可导致磁盘最大等效塑性应变、塑性应变总体积增大;摩擦系数增大可增大磁道最大等效塑性应变、减小塑性应变总体积;在接触初期,平整化离散磁道式磁盘可以减小磁道最大接触应力,缓解应力集中现象;在接触全过程中,平整化离散磁道式磁盘可以减小磁道最大等效塑性应变及塑性应变总体积;平整化所用2种弹性模量等力学特性不同的填充材料,即磁道材料与类金刚石碳,对于磁道接触状况的改善作用区别较小.以上结论可为降低离散磁道式磁盘的破坏程度提供理论指导．     

结构性黄土劈裂注浆力学机理分析

为了在塑性力学与大变形理论基础上分析黄土地区劈裂注浆力学机理,将注浆初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,将孔周围的土体应力分布分为3个区域:弹性区、塑性区及破坏区。结合结构性黄土修正剑桥模型,在弹性区采用小变形理论,在塑性区、破坏区采用大变形理论。根据应力平衡方程、应力应变连续边界条件,推导了考虑排水和大变形时塑性区、破坏区半径及竖向、水平劈裂注浆压力的理论解答,最后结合工程算例进行论证。结果表明:该解答综合考虑了黄土的结构性参数、压缩模量、泊松比、内摩擦角、塑性破坏参数、剪胀系数、扩孔形式k及屈服准则等因素;同时,还分析了浆泡周围土体的应力应变分布解及在参数影响下的递变规律;经对比分析发现,该文的劈裂注浆压力理论计算值与工程实测值比较接近,初步证实了理论的可靠性,在黄土地区劈裂注浆工程中具有一定的实用价值。     

节理岩体本构模型数值模拟及其验证

为了深入研究节理裂隙岩体的破坏机理,基于Mohr-Coulomb准则,利用(PFC)离散元程序,引入颗粒接触连接本构关系,建立了含孔洞岩样Burgers蠕变模型,以数值模拟的应力-应变曲线与试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取的准则,并利用获得的力学参数对含孔洞节理岩体破坏过程进行数值再现,模拟了不同颗粒单元参数试样...     

半连续铸造AZ31B镁合金连续热轧变形行为的数值模拟

在DEFORMTM软件平台上采用热/力耦合刚塑性有限元法,结合生产实际的压力加工工艺,对半连续铸造AZ31B镁合金11个道次的连续热轧变形过程中应力场、应变场与温度场的变化规律进行数值模拟.结果表明:变形过程中AZ31B镁合金变形体内的应力、应变和温度沿试样厚度方向分布不均匀.在该合金铸锭表面与轧辊接触的部位具有较高的应力,引起表面的应变增大,而铸锭中心部位的应力相对较小,应变也较小.在连续的每个道次的热轧过程中,轧辊与铸锭刚接触时接触部位的应力最大,轧制中期,应力变化不大,轧制后期应力明显减小;第9道次变形后,等效应变沿试样厚度方向分布变得较均匀;随着轧制道次的增加,变形区域内的应力逐渐增大.对比AZ31B合金样品多道次热轧行为的实验模拟和数值分析可知,实验结果与数值模拟结果能较好吻合,在较低应变速率(0.01,0.1s-1)条件下,合金的塑性变形流变应力随着道次的增加逐渐增大并出现一个稳态阶段;在较高应变速率(5,10s-1)条件下,变形的前3道次的加工硬化严重,随后有一个明显的道次间的退火软化阶段.     

爆破漏斗形成过程的DDA模拟分析

对于块体等非连续介质在外力作用下运动或破坏规律的模拟,有限元(FEM)和离散元(DEM)法有一定的局限性,而非连续变形分析方法(DDA)更适用。本研究中,利用二维DDA对有、无节理面强度两种情况下一半无限域内球形药包爆炸时爆破漏斗的形成过程进行了动态模拟,并对模拟结果进行了分析和比较。结果表明,用DDA法模拟被节理分割的岩体在爆炸载荷作用下块体的运动规律具有独特的优越性,但它还不能模拟爆炸近区的特征。     

爆破漏斗形成过程的DDA模拟分析

对于块体等非连续介质在外力作用下运动或破坏规律的模拟,有限元(FEM)和离散元(DEM)法有一定的局限性,而非连续变形分析方法(DDA)更适用。本研究中,利用二维DDA对有、无节理面强度两种情况下一半无限域内球形药包爆炸时爆破漏斗的形成过程进行了动态模拟,并对模拟结果进行了分析和比较。结果表明,用DDA法模拟被节理分割的岩体在爆炸载荷作用下块体的运动规律具有独特的优越性,但它还不能模拟爆炸近区的特征。     

节理性质对岩体爆破破坏模式影响的数值分析

针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出了采用数值流形方法以解决目前岩体爆破模拟中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,因而很容易反映岩体中存在的众多初始节理,采用断裂力学准则以模拟节理、裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论以模拟块体运动.最后通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异,说明了节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布及物理力学性质有着密切关系.     

一种非连续介质中热传导过程的数值模拟方法

传统热传导的分析基于连续模型,无法刻画热量在两个接触体之间的传递。该文提出了一种非连续介质中热传导过程的数值计算方法,并编制了相应的C++计算程序。该方法首先将计算域离散为一系列的块体,块体内部划分若干连续介质单元,块体边界设定为潜在接触界面,并利用半弹簧-半棱联合接触模型进行接触对的快速检索及标记。每个块体内部的热传导采用传统连续模型进行计算(该文采用有限体积法),每个接触界面采用点面接触型及棱棱接触型热传导模型进行描述。通过调整接触界面热传导系数中的刚度因子,可以实现接触界面对热传导过程不同的抵抗效应。数值算例表明,该文所述方法可以较为准确地模拟热量在非连续介质中的传递过程;接触界面上的刚度因子越大,界面对热传导过程的抵抗效应越小;当刚度因子大于100,界面抵抗效应基本消失,非连续介质的计算结果与连续介质的计算结果完全一致;此外,接触界面上的刚度因子仅影响热传导的瞬态过程,而不影响其稳态解。     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。     

Plane crack propagation in a hyperelastic incompressible material

We propose a crack propagation criterion for hyperelastic materials (rubber type material) within the framework of plane elasticity in finite deformation. The criterion is based on the examination of the asymptotic elastic field near the crack tip prior to propagation. According to this criterion, the propagation will take place for a critical value of the strain energy density intensity factor. The kink angle, obtained by applying the criterion of maximum opening stress, will depend on the fracture tensile stress of the actual material. We propose to use a local iterative finite element method to compute the asymptotic quantities involved in the criterion at a reasonable cost. Examples of computation for some hyperelastic laws simulating the behavior of vulcanized rubber are presented.     

基于iBeam3单元逆有限元法的冻土区管道变形研究

形状传感技术结合了应变-形状算法,使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化,可实现动态实时监测。该文提出了一种基于iBeam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。建立了基于iBeam3单元的逆有限元法的理论框架模型;试验验证了其合理性;设计了冻土区管道变形试验,结合应变传感器所测表面应变信息建立逆有限元分析模型;实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果表明:该方法不仅能实时监测管道随土体冻融循环的完整变形过程,而且可以保证精度。在解决寒区管道结构健康监测问题上潜力巨大。     

金属热成形过程的综合数值模拟

金属在热成形过程中的微观组织演变是影响产品力学性能的关键因素,该演变过程取决于温度、应变和应变速率。本文基于有限变形理论和微观组织演变的数学模型,建立了能够模拟变形过程、温度变化过程和微观组织演变过程的有限元法,研制了通用的三维有限元计算软件,并在H型钢三维热轧模拟方面进行了深入开发,给出了原材料为C-Mn钢的H型钢热轧过程综合模拟结果。综合对比了8组不同工艺下的热轧实验结果和计算机模拟结果,二者均吻合良好,表明本文方法能够较好地预报金属热成形过程。     

静动力弹塑性分析的杆系离散单元计算理论研究

杆系离散单元法的现有研究成果均假定接触本构模型的切向弹簧仅用于描述剪力引起的纯剪切变形,这与弯曲梁理论下剪力引起的变形情况不相符。该文针对该问题重新定义了切向弹簧,并根据能量等效原理系统推导了不考虑或考虑剪切变形工况接触本构模型的切向接触刚度系数计算公式。在此基础上,提出了杆系离散单元精细塑性铰法以描述结构的塑性开展问题,推导了颗粒间的弹塑性接触本构模型。采用自编程序对两个大型网壳结构分别进行了静、动力弹塑性行为分析,验证了接触本构模型正确性和精细塑性铰法的适用性。该文将杆系离散单元法的基本计算理论系统化,并补充了杆系离散单元法的弹塑性计算理论,为结构静、动力分析提供了新思路。     

A multiscale eigenelement method and its application to periodical composite structures

This paper develops a multiscale eigenelement method based on multilevel substructure technology for the multiscale analysis of periodical composite structures, and provides a comparison study with user point of view for the multiscale methods including the mathematical homogenization method, the heterogeneous multiscale method, the multiscale finite element method and the generalized finite element method, laying emphasis on their ideas, implementations, adaptabilities and similarities. It is shown that the newly developed eigenelement method satisfies the two essential homogenization conditions, one is the strain energy equivalence which is crucial to the lower order frequencies, and the other is the deformation similarity which is crucial to the local or micro stresses. Numerical experiments validate the present method.     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

5182-O铝合金塑性成形性能表征

目的 结合复杂加载状态试验、塑性和损伤断裂本构模型及有限元应用,实现AA5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性变形和损伤断裂行为的精确表征。方法 通过拉伸、剪切等试验,研究5182-O在剪切、单向拉伸、平面应变拉伸等复杂应力状态下的力学性能,应用pDrucker方程来表征其复杂加载状态下的塑性变形和损伤断裂特性。采用逆向工程方法实现pDrucker屈服方程和pDrucker断裂准则的精确标定。将标定后的塑性本构模型和损伤断裂准则应用到ABAQUS/Explicit中,预测不同试件的塑性变形和损伤断裂情况。结果 通过有限元模拟与试验结果的对比,发现有限元仿真准确预测了5182-O在复杂加载状态下的力-位移曲线和损伤断裂情况。结论 有限元模拟与试验结果的对比表明,pDrucker方程可以实现5182-O铝合金在复杂加载状态下塑性成形性能的精确表征。标定的pDrucker方程可应用于5182-O冲压成形过程的有限元分析、模具设计和工艺优化中。     

XFEM simulation of stable crack growth using J–R curve under finite strain plasticity

In the present work, extended finite element method (XFEM) has been extended to simulate stable crack growth problems using J–R criterion under finite strain plasticity. In XFEM, a physical representation of crack is not required, and a crack is completely modeled by enrichment functions. The modeling of large deformation is performed using updated Lagrangian approach. The nonlinear equations obtained as a result of large deformation are solved by Newton–Raphson iterative method. Von-Mises yield criterion is used with isotropic hardening to model the finite strain plasticity. The elastic-predictor and plastic-corrector algorithm is employed for stress computation. Three problems i.e. crack growth in compact tension specimen; crack growth in triple point bend specimen and crack growth in bi-metallic triple point bend specimen are solved using J–R curve under plane stress condition to demonstrate the capability of XFEM in crack growth problems.     

AZ31 镁合金板材气体胀形的模拟及成形极限的预测

建立了300℃下AZ31镁合金板材气体胀形实验方法的有限元模型,并对板材胀形过程进行了仿真分析。基于板材应变历史分析,以二阶主应变转折点作为判别准则,预测了板材成形极限应变。通过模拟结果与实验结果的对比,分析解释了不同尺寸试样的变形情况。     

Finite strain fracture analysis using the extended finite element method with new set of enrichment functions

Nonlinear fracture analysis of rubber‐like materials is computationally challenging due to a number of complicated numerical problems. The aim of this paper is to study finite strain fracture problems based on appropriate enrichment functions within the extended finite element method. Two‐dimensional static and quasi‐static crack propagation problems are solved to demonstrate the efficiency of the proposed method. Complex mixed‐mode problems under extreme large deformation regimes are solved to evaluate the performance of the proposed extended finite element analysis based on different tip enrichment functions. Finally, it is demonstrated that the logarithmic set of enrichment functions provides the most accurate and efficient solution for finite strain fracture analysis. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.