基于模型验证与确认方法的空爆自由场网格敏感性分析

为能够在合理计算规模下准确模拟空爆自由场冲击波特征的网格划分方案,获得可靠的计算结果,本文运用验证与确认(verification and validation,V&V)方法,通过开展网格敏感性分析,确认了炸药空爆计算模型的数值解、外推估值、网格收敛指标与比例距离的定量关系,给出了满足不同网格收敛指标要求的最大比例网格尺寸随比例距离位置的变化关系。据此,在比例距离Z为0~40 m·kg^(-1/3)范围内,给出了划分渐变网格的优化方案。针对1维、2维、3维计算模型,分别比较了细网格、粗网格、渐变网格方案的计算精度与计算耗时情况,讨论了本文提出网格划分方法的适用性。同时,采用本文建议的网格优化方案,给出了动爆冲击波毁伤飞机数值模拟场景的应用算例。结果表明,本文建议的网格优化方案可在几乎不降低计算精度的前提下显著提升计算效率,可为空爆自由场或者近似计算场景的数值模型网格划分提供参考。

基于CFD的光滑棒束通道内超临界水传热特性及网格敏感性分析

基于CFD对2×2光滑棒束通道网格模型多维度节点的敏感性进行分析研究,得到最佳网格参数,并以此为基础分析棒束通道内温度、速度场参数分布规律,探究光滑棒束通道内超临界流体的流态特征。结果表明,周向及径向网格节点数目对结果影响较大,r、θ、z三个方向节点数量分别控制在50个、120个、1 200个为最佳,第一层网格高度应控制在1.74μm。工况1条件下流体流速分布较为均匀,进出口流体温差、速度差要小于工况2,单根燃料棒周向温度中心侧要高于棒束外侧,以通道中心与棒束中心为中心面,温度逐级下降且呈对称分布。

搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析

利用完全热力耦合模型,通过对具有不同网格尺寸的焊接构件有限元模型的计算,分析了网格敏感性对模拟结果的影响,同时简要分析了焊接过程中温度分布和残余应力大小及分布形式。数值结果表明,网格密度影响计算误差,同时决定着计算效率和计算成本。随着网格密度的增加,计算结果的精度得到提高,当网格加密到一定程度,计算结果的精度并没有随着网格密度的增加成比例的增加。焊接过程中温度近似呈稳态分布,焊接构件的纵向残余应力分布呈现典型双峰特征,这些现象都与已有试验所得结论吻合。

弥散裂缝模型水力压裂数值方法的网格敏感性分析

在非线性岩土/石力学问题中，网格质量是影响计算结果的一个重要因素.本文分析了弥散裂缝模型水力压裂数值求解方法中单元高宽比（AR）对计算结果的影响.材料的弹性部分采用线弹性和多孔弹性两种本构关系，屈服和破坏准则采用 Drucker -Prager（DP）和 Mohr -Coulomb（MC）两种模型.通过综合分析，无论采用何种本构关系，均存在网格敏感性问题.当裂缝的传播方向已知时，可以将单元的 AR 值控制在2.8~8.0之间，以避免弥散裂缝模型的网格敏感性问题，并得到稳定的结果.如果裂缝传播方向未知，建议使用线弹性本构关系和 DP 或者 MC 塑性模型，同时建议 AR 的取值为1.0.

ACM建模下焊点疲劳计算的网格敏感性分析

焊点通常是车身疲劳开裂的位置,用有限元方法准确计算焊点疲劳损伤在汽车设计阶段非常重要,本文研究网格前处理对焊点疲劳损伤计算精度的影响。焊点的建模采用主流的区域接触模型(Area Contact Model,ACM),网格敏感性分析主要考虑载荷类型、网格尺寸和偏心距3个因素。结果表明:在纯剪载荷下,网格尺寸对焊点损伤计算没有影响;在拉伸和弯矩载荷下,网格尺寸越大,焊点损伤越大;纯剪载荷时,偏心距越大,焊点损伤越大,而拉弯载荷下正好相反。最后统计了网格细化对229个车身结构焊点疲劳损伤的影响,并对焊点ACM建模提出指导性建议。

验证基于ANSYS结果文件的结构应力网格不敏感性

依据有限元计算软件ANSYS的结果文件和VERITY法的理论基础,运用python语言进行编程,通过建立有限元模型,验证了结构应力法网格不敏感性的特性。使用FE-SAFE的VERITY模块计算相同焊趾处的结构应力并进行对比,验证了本文开发的计算程序结果的准确性。

基于Sn的压力容器中子注量率网格敏感性分析

压力容器内的中子，特别是快中子注量率与压力容器材料的辐照损伤直接相关，是评价核电站安全和寿命的关键参数之一。本文采用二维离散纵标程序DORT，建立了典型堆本体的二维R—θ几何模型，用以分析压力容器内的快中子注量率。Sn程序求解中子输运方程时，需要定义材料或几何空间内离散坐标的网格细分等参数，文章比较了不同材料或几何内网格细分程度对压力容器中子注量率计算的敏感性，为提高压力容器中子注量率计算的效率并保证计算的精度提供了参考。

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料,在各种内外部因素的作用下,开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式,准确模拟结构的开裂过程,对于结构的安全评估至关重要.将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法.以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点,通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤,将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤.再引入能量退化函数,将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中.充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势,采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡.通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例,验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线.与现有的方法相比,本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带,结果更为合理,且具有更高的计算精度和计算效率.当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时,计算结果不存在网格敏感性问题.

小冲孔试样弹塑性蠕变损伤的有限元分析

综合考虑了小冲孔试样实验过程中的弹性、塑性及蠕变等因素,采用了Mises型流动法则和改进的K-R蠕变损伤本构方程,建立了ABAQUS有限元模型,模拟计算了550℃三种载荷条件下,Cr5Mo试样的弹塑性蠕变过程,分析试样的中心蠕变挠度、蠕变应变随时间的变化规律,当量应力的分布情况,以及试样的蠕变损伤与位置的关系,同时分析了挠度与应力对网格的敏感性。结果表明:模拟结果与实验结果很接近,且与单轴实验的应变曲线十分相似;整个试样在中心损伤比较严重,呈现明显局部化特征;讨论了试样网格的敏感性,试样半径方向0mm^1mm之内应力变化幅度比较大(除约束点),并且应力的最大值也出现在这个区域,在这个区域进行网格细化提高计算的精确性,而其他区域采用粗网格减少计算成本,达到精确性和经济性的平衡。径向上网格大小对挠度影响比较大,应力对网格大小不敏感。

基于非局部塑性模型的应变局部化理论分析及数值模拟

通过求解一个第二类Fredholm方程,得到了基于非局部塑性软化模型的应变局部化问题理论解,结果表明,只有在当采用过非局部修正形式的非局部塑性软化模型才能得到应变局部化解,且得到的塑性应变分布和荷载响应依赖于所引入的特征长度及过非局部权参数。通过一维应变局部化有限元数值解,验证了非局部理论的引入能克服计算结果的网格敏感性,塑性应变分布和荷载响应计算结果随着网格细化趋近于理论解。将非局部塑性软化模型用于双轴应变局部化试验数值模拟,并分析了非局部理论引入的参数对计算结果的影响及计算过程的收敛特性。

基于OpenFOAM的正弦形沙丘表面流场特性研究

基于开源计算流体力学软件OpenFOAM,对沙丘表面流场进行数值模拟,将所得到的沙丘表面风速分布与野外观测结果进行对比,验证数值模拟的准确性.在此基础上,获得了距沙丘表面不同高度的速度分布曲线和沙丘表面上的速度矢量场,探讨了数值模拟结果对计算网格的敏感性,考察了沙丘宽高比对流场特性的影响.结果表明:OpenFOAM的标准k-ε模型能够预测低矮正弦形沙丘表面流场的速度转变特性;在贴近沙丘表面的内层,沙丘表面特定高度处的速度分布曲线相对于沙丘轮廓存在相位提前,随着高度的增加,相位提前量减少,速度变化趋于平缓;网格数目对外层速度分布影响较小,但对内层的速度分布则有重要影响;足够多的网格数目是获得精确的沙丘表面流场信息的必要条件,在沙丘流场数值模拟中应当引起重视;保持沙丘宽度不变,随着沙丘宽高比的减小,沙丘表面速度分布曲线的相位提前量变大,背风坡出现回流区,宽高比越小,回流区的长度与强度越大.

基于粘结裂缝模型的混凝土受拉性能数值模拟

为研究混凝土细观结构对于混凝土受拉性能的影响,采用自编程序建立骨料形状为圆形、椭圆形以及随机多边形三种混凝土细观模型。并批量插入粘结单元,形成粘结裂缝模型。与已有实验对比验证数值模型的准确性。在此基础上讨论了网格尺寸、骨料形状以及数值模型细观参数对于混凝土受拉性能的影响,结果表明:混凝土细观粘结裂缝模型可以很好的模拟混凝土宏观开裂,网格尺寸对于混凝土细观粘结裂缝模型的受拉性能、裂缝扩展形态影响很小,骨料随机分布以及骨料形状对于混凝土裂缝扩展形态影响很大,对于受拉性能影响很小。界面粘结单元的粘结强度和断裂能对混凝土的宏观受拉性能有较大的影响,研究混凝土的力学性能时应优先考虑界面的影响。

基于结构应力的海底管道悬跨段涡激振动的焊缝疲劳研究

针对涡激响应条件下海底悬跨管道传统焊接疲劳的局限性,本文根据实际海洋工况条件,建立全尺寸海底悬跨管道含焊缝的“Beam-shell”有限元耦合模型,并将网格不敏感的结构应力法与涡激振动理论模型相结合,对相关的疲劳寿命公式拓展,提出适用于含焊缝的悬跨管道涡激振动的疲劳评价模型,使其具有海洋工程特色。结果表明:涡激振动导致的焊缝疲劳不仅取决于流速引起的涡激振动主导区间,而且还与海流流速的分布概率密切相关。在该小流速主导的海域中,由于顺流向涡激振动启动流速较低,更易被激发多模态的涡激振动,反而较横流向涡激振动更危险;横流向涡激振动虽然更剧烈,但启动流速较高,小流速的海况很难激发其响应。另外,该涡激响应的焊接疲劳评价模型具有很好的网格不敏感性,且主S-N曲线不存在选取的主观性,其评价结果可靠。因此,在工程上,可结合该网格不敏感的疲劳评价模型,提高海底管道设计的安全性和可靠性。

一种考虑局部颈缩及损伤演化的改进失效准则在铝合金板冲击有限元分析中的应用

为快速准确分析铝合金结构在不同冲击载荷作用下的损伤断裂行为,提出了一种由局部颈缩准则和损伤演化模型相结合的、参数易于校准且适用于粗网格的改进失效准则。采用Fortran语言将自定义失效准则嵌入到LS-DYNA程序中完成二次开发,实现了改进的失效准则在数值仿真中的应用。通过对比分析九组试验与仿真结果,验证了改进的失效准则的适用性和准确性。研究结果表明,改进的材料失效准则具有较低的网格依赖性,能够很好地预测铝合金板的塑性破坏程度,可为铝合金结构冲击强度分析提供技术支撑。

基于内聚力模型的网格尺寸及参数敏感性研究

为探究内聚力模型对网格尺寸的敏感程度,通过圆柱体板岩单轴压缩试验对模型的输入参数进行标定,采用三维有限元网格生成器Gmsh构建3种不同网格尺寸的模型,从能量角度分析网格尺寸对数值计算结果的影响,得出网格尺寸至少应保持在裂纹尖端理论塑性区尺寸的15%方能保证结果可靠性的结论。从破坏形态和力学性态2个方面讨论模拟结果对内聚力模型的刚度、损伤起始强度和断裂能3个参数的敏感程度,以期为室内科学研究及工程实践更好地运用内聚力模型理论提供定量的指导。

高超声速激波/边界层干扰流动数值模拟研究

在基于Roe格式的全Navier-Stokes方程计算流体力学(CFD)代码中,发展了一种局部熵修正方法,克服了传统熵修正方法在边界层流动模拟中耗散过大的缺点,可用于更加准确的模拟激波/边界层干扰的复杂高超声速流动。对典型高超声速双锥边界层分离与激波干扰的复杂流动进行了模拟,研究了网格密度和熵修正方法耗散性对计算结果的影响。研究表明:高超声速双锥边界层分离与激波干扰流动的数值模拟结果对网格具有很强的敏感性,过稀的网格将产生严重的分离流动预测偏差;低耗散性的局部熵修正方法能更加准确地模拟复杂的高超声速激波与边界层分离流动干扰现象。

小波基无单元法及其工程应用

论述数值计算中新的小波基无单元方法,即用小波基函数取代传统无单元方法中的幂级数基之后,使无单元法具有了小波变换的局域化和多分辨率等优良特性,并能有效地克服有限单元法的网格敏感性和单元之间应力不连续现象,从而不但拓展和丰富了无单元法的理论内容,也为其工程应用开辟了新的途径。

基于非局部Mohr-Coulomb模型的土体渐进破坏分析

软化塑性模型的常规有限元数值分析结果严重依赖网格尺寸,而非局部塑性模型是解决这一问题的有效方法。但现有非局部模型仅能用于von Mises准则,无法用来进行一般软化土体渐进破坏分析。提出了一种改进的针对非局部模型的全隐式应力回代迭代计算方法,该方法具有在迭代计算过程中逐步确定弹塑性点的特点,克服了现有算法误差较大及不稳定的缺点。将非局部理论推广到Mohr-Coulomb塑性模型中,使其能用来分析土体稳定性问题。采用局部和非局部模型对两个土体稳定问题,包括条形基础承载力问题和三角形荷载下边坡稳定问题进行渐进破坏分析,数值计算结果表明该方法可以消除软化塑性有限元计算的网格敏感性,起到了正则化的效果。

面向结构状态评估的多尺度损伤模型

为了满足大跨结构健康监测和状态评估的需要,提出了计算结构损伤破坏的微宏观多尺度损伤模型.将结构微损伤变量定义为物质点处应力水平的函数,建立了非线性有限元模型,通过迭代求解来实现微损伤的耦合分析.为了考虑微损伤的累积效应,将结构的宏观损伤定义为微损伤的空间统计平均,选取均匀化遍历函数作为微损伤的空间分布概率密度函数,建立了宏微观损伤的关联模式,通过响应等效的方法来验证宏微观损伤关联模式的有效性.计算结果表明:耦合迭代求解技术可以降低微损伤分析过程中的网格敏感性;结构在均匀化宏观损伤下的响应与在非均匀微损伤下的响应吻合良好.采用多尺度损伤模型,可以有效实现结构的局部微损伤向均匀化宏观损伤的等效转换,有助于提高面向结构状态评估的有限元模型的计算效率.

土体软化条件下条形基础地基承载力数值模拟

为克服材料软化导致的有限元网格敏感性难题,提出了一个压力相关隐式梯度塑性模型来模拟土体软化条件下条形基础地基承载力。通过引入微应变作为附加运动学变量,推导了包含高阶广义应力的微力平衡和经典动量方程,并基于热力学第二定律,将附加的微力平衡转化为宏观等效塑性应变与微应变耦合的Helmholtz方程。进一步建立能耦合位移和微变量的有限元算法,并通过软化材料双轴压缩试验模拟,验证了该算法在应变局部化数值模拟中的适用性。将建立的方法用于条形基础地基承载力特性模拟,并通过与理想弹塑性模型计算结果对比表明,土体软化将导致地基承载能力降低,破坏模式表现为失稳区域变小且塑性应变幅值增大。