理工科计算方法类课程建设思路探讨——以力学仿真分析中的多尺度计算方法课程为例

计算力学专业研究生是我国自主仿真软件研发的核心力量,对其进行培养是我国实施制造强国战略的重要保障。在课程体系方面,计算方法类课程是支撑计算力学专业的重要核心课程,其整体教学质量对专业建设和人才培养至关重要。文章以研究生课程力学仿真分析中的多尺度计算方法为例,探讨了当前计算方法类课程在教学内容、教学模式和教学方法上存在的不足,提出了以“思政育人”为核心、“算法引领”“大国重器”两翼齐飞的教学内容改革思路,以“高校教师+企业专家”模式重组教学团队的教学模式改革思路,以及以翻转课堂、课后高阶项目式实践为抓手的教学方法改革思路,以期提升计算方法类课程的教学质量,为计算力学专业的高质量人才培养奠定坚实基础。

基于自适应FEM-SPH耦合算法的飞机典型部位破片冲击战伤的数值研究

针对飞机典型部位在遭到高速破片攻击后结构整体的战伤状态及破片的剩余行为开展数值模拟。应用LS-DYNA软件,结合有限单元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)两者的优势,建立自适应的FEM-SPH耦合模拟方法,并构建2种飞机典型部位的计算模型,采用六面体网格局部细化方法实现了核心位置的精确模拟,并进行试验来验证数值模型;开展了一系列高速冲击战伤模拟,对比了不同工况下破片高速冲击结构后形成的碎片云和破口形貌,并对破片的剩余速度和质量进行分析,确定了破片在结构蒙皮上的临界跳飞角。结果表明:自适应FEM-SPH耦合算法的计算结果与试验结果吻合良好,能够对破片高速冲击战伤进行有效准确模拟;碎片云分布形状随破片速度增加变得狭长,冲击角度会改变碎片云和结构破口形状朝向;碎片云高度和扩散速度随破片速度或角度的变化趋势基本一致并都呈线性关系;破片的速度减少量不随初始速度变化,质量减少量则与冲击速度正相关,两者与冲击角度都负相关;破片临界跳飞角与冲击速度大小基本呈线性关系。

复合材料修理技术研究进展

本文首先阐述了复合材料修理的背景、关键技术、方案设计及修理容限等。随后,针对国内外复合材料修理技术,就解析法、有限元法及优化等计算研究进行了总结及评价,并对实验和测量方面进行讨论,给出复合材料修理问题的研究现状。最后,基于复合材料修理的最新技术,提出该问题亟待解决的几个关键领域,指出未来飞机维修的发展趋势。

颗粒形状、含量和基体特性对金属基复合材料压缩力学行为的影响

通过建立轴对称体胞模型,用数值分析手段研究了在变形速率范围10-4～105/s内,陶瓷颗粒增强铝合金复合材料的压缩塑性流变特征,讨论了不同颗粒形状(圆柱形和球形),不同颗粒体积含量(10%～50%)和不同铝合金基体(LC4、LY12CZ和7075)对金属基复合材料流动应力、应变率敏感性等的影响,构造了可以描述高应变率下金属基复合材料压缩行为的本构模型,并考虑了基体特性、颗粒形状、体积含量及应变率的影响,得出了与试验相吻合的结果。

积水跑道飞机翻边轮胎溅水机理研究

轮胎滚动引起跑道积水飞溅进入发动机将导致发动机喘振甚至熄火,已有的飞机滑跑试验和经验证明采用具有翻边设计的轮胎可减小溅水与地面的夹角,减小发动机进水的可能性,但对翻边抑制溅水相关机理的研究仍十分匮乏。采用有限元软件LS-DYNA中的SPH/FEM耦合方法对翻边轮胎溅水机理开展分析计算。首先改进了轮胎数值模型和加载方式并验证了模型的有效性,研究了翻边轮胎溅水随滑跑速度的变化规律。其次基于特征位置水粒子的速度变化,分析了翻边抑制溅水的作用机理,通过比较不同深度水深的溅水速度分布说明翻边的作用。最后基于翻边高度和角度对轮胎溅水影响的研究,对优化的翻边构型进行了探索。

蜂窝夹芯结构冲击损伤后的压缩行为研究

通过试验结合有限元方法,针对蜂窝夹芯结构的无损件和三种冲击损伤件开展了单轴压缩载荷下的失效模式研究,同时考虑了胶层性能与损伤尺寸的影响。研究结果表明:试验和有限元方法得到的损伤模式及起始损伤位置相同;不同冲击损伤位置可导致结构的整体承载能力不同,下降的范围为10%-20%。其中:损伤位于顶面区时承载能力下降最为严重,损伤位于边缘区时承载能力下降最少;面芯界面胶层性能的不同会使结构材料破坏顺序改变,胶层断裂能较低时夹芯结构由蜂窝芯破坏向层间破坏转变;冲击能量不同引起结构损伤程度不同,随着损伤深度的增加,结构破坏的危险位置由中心转向边缘。

结构声疲劳寿命估算的功率谱密度法

通过对现行传统声疲劳分析方法的回顾，以及对声疲劳学科所涉及的理论领域的深入研究，提出了进行声疲劳分析的功率谱密度法。它能够解决或部分解决传统声疲劳分析存在的问题，能够考虑多模态复杂结构的噪声响应，完成让许多科技工作者感到困扰的频域到时域的转换。同时，疲劳寿命计算中常规Ｓ—Ｎ曲线的应用将有助于改善随机疲劳试验曲线缺乏和等效随机疲劳曲线应用限制条件多的现状。算例结果表明，功率谱密度法作为一种声疲劳分析方法不但可行，而且限制条件更少、计算结果更好。

SPH方法中常数一致性核函数的建立及公式化

施加边界条件的不足是SPH方法的一个棘手问题,因为在结构边界外没有颗粒的存在,使得在边界处核函数的单位特性不能得到满足。施加"伪"颗粒是目前通用的一种方法,但是对于不规则结构和复杂几何边界,确定这些"伪"颗粒非常困难。本文讨论通过使用满足常数一致性的核函数来改善边界的不足。文章首先通过三种方法推导了满足常数一致性条件的核函数及其函数梯度的表达式,发现了两个不同分母式的表达,分析了满足常数一致性的修正核函数的数学特性。开展了二维和三维的算例比较,结果发现使用修正的核函数对边界条件有明显改善,对计算精度和稳定性也有显著提高。

温度和加载速率对LY12CZ薄板材料断裂韧性的影响

以飞机结构常用的铝合金材料LY12CZ为研究对象 ,研究了温度、加载速率对平面应力弹塑性I型裂纹起裂和扩展的影响。通过实验研究和数值分析 ,得到了以下四点结论 ,(1)用断裂丝片测量裂纹稳定扩展段的长度是可行的 ;(2 )静态载荷作用下的起裂韧性变化不大 ,但随温度的升高 ,材料在裂纹扩展过程中断裂韧性会降低 ;(3)低速冲击载荷作用下的弹塑性动态起裂韧性比静态值要小 40 % ;(4 )与增量路径无关积分的计算结果进行比较 ,说明在本研究情况下 。

纯Ⅱ型载荷作用下裂纹的三维厚度效应研究

采用修正的边界层模型 ,利用有限元计算方法对纯Ⅱ型裂纹的厚度效应进行分析和研究 ,通过比较三维裂纹纯Ⅰ型和纯Ⅱ型裂纹尖端的应力、应变以及J积分和裂尖张开位移等参数 ,得到纯Ⅱ型载荷作用下厚度效应影响弱的认识。与Ⅰ型结果相比可以看出 ,在Ⅱ型载荷作用下裂尖的应力、应变场的厚度效应不明显 ,但三维影响区的大小与Ⅰ型基本相同 ,在裂尖前方半厚度以内存在着很强的三维效应区 ,从半厚度到 1.5倍厚度范围应力在不同的厚度位置有显著的变化 ,在 1.5倍厚度以外的区域表现为平面应力场的特性。在纯Ⅱ型载荷的作用下 ,三维J积分Jlocal沿厚度分布不随载荷变化 ,且基本没有厚度效应 ,裂尖滑动位移 (cracktipslidingdisplacement ,CTSD)也没有厚度效应 ;沿不同厚度截面Jlocal积分和CTSD存在线性关系。

结构声疲劳寿命估算中的随机响应分析——功率谱密度法

通过对传统声疲劳分析方法的回顾，以及对声疲劳学科所涉及的理论领域的深入研究，作者认为传统的声疲劳分析方法在响应计算中存在明显不足，它仅考虑了少数固有频率甚至单一固有频率的影响，对一个宽频带的噪声激励谱的响应分析过于粗糙，对于高声压级的噪声载荷，由于非线性大挠度的影响使结构固有频率发生偏移，分析计算结果误差更大。为此，本文提出所谓功率谱密度法。

用增量的路径无关积分率研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用，在确定积分参数与裂纹扩展速率有线性关系的同时，对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明。

动载作用下K-T和J-Q理论的推广应用

用塑性形变理论研究了稳定裂纹在动态载荷作用下的裂纹顶端渐近场——动态ＨＲＲ场，针对低速冲击载荷作用下的平面应力双边裂纹板，以及高速冲击载荷作用下的三点弯曲试件，分别进行了试验和动态弹塑性有限元分析，主要讨论了动载作用下幂硬化材料Ｉ型ＨＲＲ场、Ｋ－Ｔ以及Ｊ－Ｑ理论的推广应用。从计算分析结果可得到两个主要结论：（１）Ｋ－Ｔ理论对低、高速冲击载荷均可适用，而Ｊ－Ｑ理论和动态ＨＲＲ场对低速冲击载荷可推广应用。（２）对于相同的几何结构及加载方式，动态约束因子Ｔ（ｔ）、Ｑ（ｔ）几乎不随时间变化。

飞机越界阻滞系统阻滞特性的数值仿真

为研究飞机越界阻滞系统的阻滞特性,以阻滞工程材料-—泡沫混凝土的静态压缩和落锤冲击实验为基础,通过有限元程序分析确定了仿真计算的材料模型和参数,并对FAA(美国联邦航空局)的飞机阻滞试验进行数值模拟,验证了飞机阻滞的简化模型和数值模拟方法的可行性.数值分析结果表明:阻滞效果随阻滞材料强度和铺设厚度的增大而增强,厚度达到临界值后阻滞效果减弱.

不同施肥种类、种植密度和采收期对川芎多糖含量的影响研究

针对不同施肥种类、种植密度、采收期3个因素,通过单因素试验研究了它们对川芎中多糖含量的影响,使用正交试验设计研究了各因素间的相互作用并优选出最佳组合。结果表明:不同施肥种类、种植密度、采收期对川芎多糖含量存在显著影响,当每亩施用复合肥40kg,种植行距为30cm,窝距为20cm,翌年7月20日采收时,川芎中多糖含量最高。各因素中,施肥种类对多糖含量影响最大,其次为种植密度,采收期对多糖含量的影响最小。

动态扩展裂纹的热-弹塑性耦合分析

以弹塑性扩展裂纹的裂尖参数为研究对象 ,对快速扩展的裂纹问题进行了细致的分析。首先建立了经验的应变率以及热 -弹塑性耦合的材料本构关系 ,完善了增量路径无关积分参数 T*的数值计算。通过与 J积分的比较 ,给出了两种积分参数在不同扩展速度、是否考虑热和应变率影响等情况下的变化规律 ,说明了T*积分用于快速扩展裂纹的合理性和优越性。在裂尖场的讨论中 ,重点分析了裂尖应力、应变、应力三轴度和塑性区的演化发展过程 ,发现了快速扩展裂纹塑性区发展非单调的有趣现象 。

微卫星荧光标记基因分型实验误差控制

分子标记基因分型误差对研究结果的影响越来越为研究者们所关注。本研究以茄子(Solanum melongenaL.)野生和栽培类群为研究材料,从微卫星荧光基因分型中PCR扩增实验体系和荧光标记判读2个环节控制实验的误差率,总结出一套简便、快速的微卫星分子标记PCR扩增实验优化流程;并且,针对微卫星荧光标记基因分型中存在的各种误差,提出相应的分析方法和检测方案,为利用微卫星分子标记技术的研究提供实验操作依据和数据处理参考。

裂尖大变形条件下的约束研究

通过对面内应力比T_x和离面约束T_x在塑性区分布规律的深入分析,发现约束在塑性区不同区域的影响是不同的,在裂尖的钝化区,面内应力比T_x起重要作用,而在钝化区外的塑性区内,离面约束T_x起主要作用;在J-Q理论的基础上引入离面约束T_z可以很好地描述钝化区以外的应力应变分布,在钝化区内引入面内应力比T_x可以对裂尖前方的应力应变进行大变形分析和描述。研究表明综合两个约束的共同作用,可以很好地描述大变形条件下裂尖前方的应力分布。

大变形条件下具有不同裂纹长度试件的断裂韧性J_C工程估算

本文首先通过有限元分析,在不同长度裂纹尺寸结构的临界破坏载荷下计算出临界断裂韧性值,然后从细观入手,在文献[1][2]等的工作基础上,通过理论推导得到了三维应力度参数R_σ与断裂韧性的关系。经过验证计算,证明该参数可用于描述结构尺寸效应的影响,能够在平面应变断裂韧性(参考值)的基础上,确定不同尺寸结构的临界断裂韧性J_C的值,适用于工程上的应用和推广。