新工科背景下“板壳力学”课程教学改革探索

新工科模式的提出与推进对高等院校的教学改革提出了新要求。“板壳力学”作为河海大学工程力学专业的一门重要课程,须紧跟高等教育的发展形势,进行教学改革。根据这门课的特点及多年教学经验,再结合学校的行业背景和人才培养目标,对“板壳力学”课程的教学内容及教学方式进行了改革探索与实践。教学内容方面,通过挖掘思政元素并润物无声地融入课堂,让课程教学与思想政治理论课同向同行,形成协同效应。教学方式方面,在数学公式推导较烦琐的部分,通过增大板书教学的比重,增强了师生之间的互动,提升了教学过程的感染力,塑造了学生的品质。多年实践证明,改革后的教学效果明显改善,能很好贯彻落实立德树人根本任务。

“应用弹塑性力学”课程思政的实施与思考

教育部要求把思想政治教育贯穿人才培养体系,发挥好每门课程的育人作用。“应用弹塑性力学”课程是众多专业学位硕士研究生的一门重要专业基础课,开展课程思政教育有助于实现应用型高层次专门人才立德树人根本任务。根据“应用弹塑性力学”课程特点和学校特色,修订了教学大纲,更新了教学内容,挖掘了12个课程思政教学点,并具体介绍了其中9个课程思政教学点。通过挖掘课程思政教学点,凝练价值典范,并将思政元素润物无声地融入课程教学活动中,以期实现知识传授、能力提升和培德育人融为一体的目标。

力学拔尖创新人才培养模式探索

构建拔尖创新人才培养体系,是当前深化教育评价改革落实高校“双一流”建设的迫切需求。为培养适应国家需求的力学拔尖创新人才,探索了“四融合三制三化”的育人新模式,即教书与育人融合、课内与课外融合、理论与实践融合、学校与企业融合,通过“四融合”力求达到塑造学生健全人格、增强学生社会责任感、提高学生实践创新能力和实现协同育人的目的;通过采用“学分制、3+X导师制、准书院制”的管理模式以及“个性化、小班化、国际化”的教学模式,培养出理想信念坚定、品德高尚、具有中国灵魂和全球视野、力学和数学基础深厚、行业通识扎实、创新能力强、解决行业问题及前沿交叉学科力学问题能力突出、德智体美劳全面发展的力学拔尖人才。

锦屏高拱坝整体安全度评估

锦屏高拱坝是目前世界上拟建的最高的双曲薄拱坝,水压力巨大,其设计和分析都超出现行规范。锦屏一级拱坝的环境条件存在明显的不对称特点:一是两岸地形不对称;二是两岸地质条件明显不对称;三是坝体的坝面受日照时间不对称。这些不对称性和高水压使锦屏高拱坝的安全性成为锦屏拱坝建设中最重要的关键技术问题之一。运用三维非线性有限元数值分析方法,研究锦屏拱坝在多种工况下的应力场和位移场以及左、右岸不利地质构造对拱坝工作性态的影响。坝体的应力和位移分布存在比较明显的左右不对称,引起不对称的原因除两岸地基刚度不对称外,拱坝坝体的不对称也是重要原因,因此应进一步优化拱坝体型。确定锦屏拱坝地基系统在不同破坏模式下的整体安全度:上游水压力超载引起系统失效的整体安全度约为5.0;坝基岩体抗剪强度降低使系统失效的整体安全度约为3.0;地震灾害引起系统失效的整体安全度约为6.0。根据屈服破坏区的分布,指出坝基加固处理的重点部位为左拱端下游侧1 800 m高程以上和右拱端上游侧1 630～1 800 m高程之间。

多波前并行处理的弹塑性子结构并行有限元

研究一种基于ＰＶＭ 的弹塑性子结构并行有限元法。利用多个波前，对各子结构并行地进行静凝聚。再采用预条件共轭梯度法（ＰＣＧ）并行求解界面方程。算例表明该方法能获得较好的并行加速比，同时也能有效地节省内存量。

基于多层递阶方法的边坡位移预测

提出采用多层建模法预报边坡位移。该方法把动态系统的状态(或输出)预报问题分为系统的时变参数预报和在此基础上对系统的状态(或输出)预报两部分,可充分考虑被预报系统的时变特性。给出了多层递阶的建模和预报方法。工程实例表明该方法有较好的预测精度和实用价值。

非均质材料热传导问题的扩展有限元法

针对非均质材料,提出了以导热系数为基本参数的热传导扩展有限元法。划分网格时不需要考虑材料界面的存在,因此网格的形成可以大大地简化,且可以获得高质量的网格。不含材料界面的单元,其温度场函数将退化为常规有限元的函数。含材料界面的单元,采用基于水平集的加强函数加强常规温度的近似,加强函数用于模拟界面。数值算例结果体现了该方法的有效性和优势。

一种有限元并行计算前处理方法

本文研究一种有限元并行计算前处理方法。只需将各子结构的超单元信息发送给各处理机 ,就可并行自动剖分各子结构和并行优化各子结构单元编号 ,以达到极小最大波宽和波宽的均方根。算例表明 ,该方法可大大减少有限元并行计算前处理时间。

基于PVM的网络并行子结构共轭梯度法

网络并行环境是近年来国际上并行环境的一个重要方向，ＰＶＭ是当前最流行的支持异构或同构型网络并行计算的软件平台之一。本文采用子结构共轭梯度法研究了基于ＰＶＭ的网络并行有限元，该方法将有限元网格划分为ｎ个子结构，再将ｎ个子结构的数据分送给网上ｎ台可用微机，ｎ台微机并行形成和组集ｎ个子结构的劲度矩阵和荷载列阵，然后采用预条件共轭梯度法并行求解结点位移，最后ｎ台微机并行对ｎ个子结构进行应变和应力分析。该方法不需形成结构的总体劲度矩阵和荷载列阵，可同时迭代求出所有结点位移，且比一般的迭代法收敛要快。算例表明此种并行子结构共轭梯度法在网络上能获得较高的并行加速比。

含裂纹体的数值模拟

不连续体的数值模拟一直是工程界的热点和难点问题,特别是动态裂纹的追踪问题,由于该问题具有重要的现实意义,一直是大家关注的问题。扩展有限元是近几年出现的一种可方便模拟静态、动态裂纹的数值方法。据此,给出了这种在常规有限元框架下可模拟强不连续问题(位移)和弱不连续问题(应变局部化)的数值方法。在常规有限元位移模式中,基于单位分裂的思想加进一个跳跃函数和渐进缝尖位移场,对不连续体附近的节点自由度局部加强,反映出位移的不连续性,这样不连续体和有限元网格可以互相独立。详细给出了扩展有限元的基本原理,导出了相应的公式,给出了一种求解不连续函数的积分方法和缝尖应力强度因子的计算。算例分析表明,扩展有限元能方便有效地模拟不连续性问题,且能大大缩短前处理时间,是一种具有应用前景的模拟不连续问题数值方法。

模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。

一种求解结构动力响应的并行解法

利用直接积分法结合子结构技术和网络并行计算的特点，提出一种求解结构动力响应的网络并行解法．该方法在并行形成各子结构的劲度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵及荷载列阵后，并行进行各子结构的静凝聚，然后采用并行子结构预条件共轭梯度法迭代求解结点位移，从而确定结构的动响应．算例表明，随着子结构内点数和时间积分步数的增加，能获得较高的加速比．

沉积岩的一种各向异性模型

给出了沉积岩的一种各向异性模型。用一个各向异性参数描述这类材料的固有各向异性,各向异性参数和单轴抗压强度是一个分布函数,其分布用一个微结构张量和加载方向表示。建立了一个描述各向异性沉积岩变形过程的全塑性模型。用该模型对一些三轴试验进行了模拟,结果表明该模型能有效地描述沉积岩的固有各向异性。

沉积岩的一种时间效应模型

提出沉积岩的一种时间效应模型。沉积岩的固有各向异性用一个标量各向异性参数描述,引入一个损伤因子来考虑时间效应,材料的单轴抗压强度是时间、微结构张量和应力的函数。建立了一个描述各向异性沉积岩变形过程的全塑性模型。用提出的模型对一些试验进行了模拟,结果表明该模型能有效地描述沉积岩的固有各向异性及其时间效应。

岩土材料固有各向异性的模拟

给出了岩土材料的一种各向异性模型,并用一个各向异性参数来描述岩土材料的固有各向异性。各向异性参数、单轴抗压强度和单轴抗拉强度是分布函数,其分布可以用微结构张量和加载方向表示。建立了一个既能描述岩土材料的固有各向异性又能反映开裂和屈服2种破坏模式的破坏准则。数值模拟结果表明,该模型能有效地描述岩土材料的固有各向异性。

扩展有限元法的数值方面

扩展有限元法是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法,其原理是在裂尖附近用一些奇异函数和沿裂纹面用阶跃函数加强传统有限元的基,以考虑跨过裂纹的位移场的不连续,该加强策略允许计算网格独立于不连续体几何。讨论了扩展有限元法的一些数值方面,主要包括:水平集法确定界面和加强节点与加强方式、裂尖加强范围的选择、J积分区域的确定和积分方案等。

自然邻点插值在渗流场/应力场构造中的应用

计算渗流场或初始地应力场的网格一般要比实际结构分析的网格大,因此结构分析时需要将大网格中的渗流场或初始地应力场转换到小的结构分析网格中。若有大网格信息,就可以利用有限元形函数进行转换。但有时只有大网格结点坐标和相应的物理量,此时一般采用加权平均法进行转换,这种转换的精度不是太高。自然邻点插值法是基于给定结点的Voronoi图,通过自然邻点的坐标值构造插值函数,因此特别适合只有结点坐标和相应的物理量,而要将其应用于另一种网格模型的情况。给出了两种自然邻点插值的构造方式及其具体实现步骤。算例表明采用自然邻点插值构造场的精度很高。

裂纹扩展仿真分析

扩展有限元法(XFEM)是一种在常规有限元的框架内仿真不连续问题的新型数值方法。首先给出了扩展有限元法仿真裂纹问题的基本原理,即采用Heaviside函数加强裂尖后面的裂纹,采用渐近裂尖位移场加强裂尖附近。接着给出了基于残值法的扩展有限元后验误差估计,算例表明可以通过后验误差估计确定优的裂尖加强范围。其次,给出了扩展有限元仿真裂纹扩展的过程。最后,仿真了单一裂纹扩展和多裂纹扩展。仿真结果表明,基于扩展有限元后验误差确定优的裂尖加强范围是可行的,采用扩展有限元仿真裂纹扩展是有效的。

不连续问题的扩展有限元法分析

改进的扩展有限元不需要经过后处理可以直接求得应力强度因子,从而为动态不连续问题的分析提供了便利。研究表明:不连续区域附近的积分方案,特别是裂尖区域的积分方案,对结果精度影响很大。文中采用一种新的积分方案对裂尖和裂缝贯穿单元进行积分,既方便积分,又可以减少计算量。采用改进的扩展有限元模拟了裂纹扩展。对于闭合裂缝,必须考虑缝面间的接触条件;裂缝面间若采用完全接触,得到的结点加强自由度近似为零。由于避免了传统有限元方法中的网格重构,改进的扩展有限元在静态和动态不连续问题分析方面具有广阔的应用前景。

加锚体自然单元法分析与程序设计

建立了加锚体的自然单元法分析模型。结合自然相邻插值和一维轴力杆单元的劲度矩阵,推导了锚杆支护数值模拟的单元列式,给出了自然单元法分析加锚体的实施步骤和主要程序设计。结构的离散和锚杆的离散完全独立,因此可以自由地加设或拆除锚杆。算例分析表明自然单元法分析加锚体的精度与有限元的相当,但比有限元的实施要方便得多。