基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

基于人工神经网络的颗粒材料本构关系及边值问题研究

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,形成了一套新的、完整的模型及解决方案,即细观模型离线计算的细-宏观两尺度模型及求解系统.具体为:先基于离散单元法获取颗粒材料的主应力、主应变以及对应的应力-应变矩阵等数据;再将获取的数据利用人工神经网络算法构建在主空间上描述颗粒材料本构关系的人工神经网络模型;最后,通过用户自定义材料子程序UMAT将人工神经网络模型导入ABAQUS中求解颗粒材料边值问题.通过平板受压以及边坡稳定性数值试验,并与经典弹塑性模型求解结果进行对比,表明了训练后的人工神经网络模型能够有效地反映颗粒材料的本构关系,并能够运用于实践求解边值问题,验证了该求解方案的可行性.

M-C与D-P屈服准则计算参数的能量等效方法及误差分析

基于应变比能的概念,在偏平面内建立了分别进入Mohr-Coulomb(M-C)和Drucker-Prager(D-P)屈服面时所需形状改变比能的差值公式,获得M-C材料参数向D-P计算参数等效的统一性方案。可为各种参数匹配方法提供统一的计算公式、误差估计和能量解释。在此基础上讨论各种参数匹配方法的差异仅在于能量误差控制条件不同,且偏平面内能量误差零点可用Lode角或应力路径表示,此外,还讨论能量误差零点时对应Lode角的多值性及系列D-P准则等价性的条件。

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线。基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析。

基于ABAQUS的颗粒材料亚塑性模型的数值实现及探讨

颗粒材料的亚塑性模型以Jaumann应力率张量及变形率张量描述本构关系,基于Cauchy应力的Jaumann速率及变形率给出了有限元的切线刚度矩阵,由此指出在严格意义上基于ABAQUS二次开发的亚塑性模型数值实现必需借助UEL接口。为了简化程序开发,文中建议了与有限元相结合的两种近似切线模量矩阵,即基于矩阵广义逆一致性切向模量矩阵与近似切向模量矩阵,从而形成了通过UMAT接口实现亚塑性模型的数值方案。由此降低了程序开发的难度,同时也可借助ABAQUS的后处理功能,提高了工作效率。数值算例表明了所开发程序的正确性以及所建议方案的可行性。

离散颗粒多尺度分级模型与破碎模拟

在所建议传统离散颗粒模型基础上引入了多尺度分级模型,定义了不同尺度的基本颗粒和颗粒簇模拟颗粒破碎现象.在统计断裂力学W e ibu ll分布公式基础上利用名义应力给出了多尺度分级模型意义下颗粒破碎概率;结合颗粒簇的解簇模型建议了一个可模拟颗粒破碎的多尺度分级离散颗粒模型.数值例题初步显示了所建议模型模拟颗粒破碎现象的有效性.并利用所提出的名义有效应变和名义体积应变显示了颗粒破碎过程对颗粒材料结构物变形的影响.

基于形状改变比能对M-C准则与D-P系列准则匹配关系的研究

在一定前提下可导出与Mohr-Coulomb(M-C)屈服准则相匹配的Drucker-Prager(D-P)系列准则。首先解释了基于M-C准则与D-P系列准则匹配关系的能量含义,在此基础上重点研究了π平面内,在Lode角相同的情况下进入M-C屈服面与D-P屈服面所需形状改变比能的差值,并应用最小二乘法,推导了在所有可能的加载方式下到达屈服面所需形状改变比能差值平方和最小时M-C准则与D-P准则的参数匹配关系。结果表明,在此能量偏差极小意义下的匹配与等面积匹配等价,由此给出了等面积匹配的力学意义。

基于扰动状态概念与E-B模型的粗粒料力学行为模拟

考虑到基于复杂弹塑性模型与扰动状态概念的本构模型在数值积分时的困难,以Duncan-Chang(E-B)模型描述材料在相对完整状态(RI)下的响应,用临界状态模型描述材料在完全调整状态(FA)下的力学行为。依据常规三轴试验曲线判断材料状态的转变并建议了相应的扰动因子计算方法。利用Abaqus软件实现了相应的程序代码,数值算例模拟了堆石料的三轴试验,结果表明邓肯-张模型与扰动状态概念的结合在模拟应变软化、剪缩与剪胀方面具有良好能力。在此基础上进一步模拟了某混凝土面板堆石坝的施工、蓄水、退水的过程,数值结果表明变形分布符合一般规律,且在定量上与原型观测吻合较好。

考虑破碎影响的颗粒材料亚塑性模型及应变局部化模拟

在基于2ndP-K应力率的亚塑性模型基础上,通过引入一个能够考虑颗粒破碎影响的孔隙比-平均压力临界状态方程,形成了一个能够模拟颗粒破碎影响的颗粒材料亚塑性模型,数值算例考查了颗粒破碎对应变局部化模式及位移-承载曲线的影响,结果表明,所建议模型具有模拟破碎对颗粒材料应变局部影响的良好性能。

基于教育目标分类学的工程力学课堂教学探讨

基于教育目标分类学的思维过程分层次理论,结合工程力学的课程特点,针对该课程的情感培养以及基于该课程的创新意识引导和培养提出了教学实施方案.强调了在课堂教学中对学生分析、综合和评价能力的培养以及专业知识的更新,从而达到培养创新人才的目标.

含液颗粒材料液固耦合分析的离散颗粒模型及特征线SPH法

对含液颗粒材料流固耦合分析建议了一个基于离散颗粒模型与特征线SPH法的显式拉格朗日-欧拉无网格方案。在已有的用以模拟固体颗粒集合体的离散颗粒模型[1]基础上,将颗粒间间隙内的流体模型化为连续介质,对其提出并推导了基于特征线的SPH法。数值例题显示了所建议方案在模拟颗粒材料与间隙流相互作用的能力和性能以及间隙流体对颗粒结构承载能力及变形的影响。

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.

基于连续介质模型的颗粒材料孔隙度及孔隙水压力计算公式

孔隙度是能够部分反映颗粒材料微观结构的一个宏观量,其数值及其演化对颗粒材料的宏观力学行为有重要影响。基于连续介质模型,在颗粒体积应变均匀的前提下推导了颗粒材料的孔隙度随颗粒集合局部平均体积应变的演化公式,并应用该关系式结合孔隙水状态方程给出了饱和颗粒材料的孔隙水压力与孔隙度、固体颗粒体积模量、固体颗粒变形之间的关系。所得公式可用于饱和含液颗粒材料流–固耦合计算或饱和多孔介质宏观–细观多尺度流–固耦合渗流分析。

颗粒材料的离散颗粒及间隙水渗流模型与数值模拟

基于离散颗粒模型的含间隙水颗粒材料液–固耦合分析,发展了Darcy渗流模型。应用特征线SPH方法求解液相,建立饱和与非饱和颗粒材料渗流模型的数值模型。数值例题给出饱和颗粒材料结构物在位移加载条件下的破坏模式及间隙水Darcy速度与水压力分布,并进一步模拟降雨条件下非饱和颗粒材料结构物的瞬态渗流过程,显示该模型模拟含间隙水颗粒材料结构物液–固耦合及变形的良好性能。

颗粒材料数值样本的坐标排序生成技术

颗粒材料离散颗粒模型的数值模拟结果与颗粒材料的数值样本密切相关,随着离散单元在颗粒材料数值模拟领域的广泛应用,颗粒材料的数值样本生成技术日益受到重视。基于RSA模型研究如何使随机生成的颗粒材料更密实,对均匀颗粒而言亦即如何在指定区域内生成更多的颗粒,讨论了4类修正方案,并建议了一种基于坐标排序的样本生成技术。研究表明,在传统的颗粒体随机生成技术基础上,通过对随机生成的x坐标序列或y坐标序列进行排序,可使生成的颗粒材料数值样本更密实。

非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力−力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力−力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力各向同性效应的有效Bishop参数)可在以协同计算均匀化方法为代表的非饱和颗粒材料计算多尺度方法中上传到在宏观非饱和多孔连续体设置了表征元的局部材料点.

脆性颗粒材料的超弹性软化模型及应变局部化模拟

在Volokh软化模型的基础上,考虑颗粒材料的变形和破坏机制,认为颗粒材料以剪切变形和破坏为主,提出了表示软化程度的软化因子概念,发展了两种能够部分表征颗粒材料力学行为特征的软化模式,并基于ABAQUS用户材料子程序(UMAT)开发相应程序.数值算例考察了上述模型模拟颗粒材料应变局部化现象和软化现象的能力.结果表明了所建议模型的有效性和可行性.

土壤颗粒结构的分形模型及其渗透性

基于离散颗粒模型的颗粒材料数值模拟结果与颗粒细观结构及颗粒样本的形成历史密切相关,近年来颗粒材料结构与样本生成技术日益得到重视。考虑到分形在分析和刻画岩土介质多孔结构特征的优势,在模拟土壤颗粒结构的一般性Pore-Solid Fractal模型（PSF）基础上,形成了一种适应于离散颗粒模型数值模拟的修正PSF模型。分析了该模型生成的颗粒结构的孔隙及孔隙—颗粒接触面的性质,并进一步基于Kozeny-Carmen公式给出了其渗透系数计算公式。

框格式地下连续墙非线性分析及稳定计算

根据地质及结构特点,建立了能反映框格式地下连续墙力学特性的典型子模型,即槽段有限元模型。基于ABAQUS有限元软件,采用经典的摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则、非关联流动法则,对框格式混凝土地连墙槽段进行了施工全过程模拟,详细分析了结构在最不利工况下混凝土连续墙的应力与变形,还用强度折减有限元方法分析了该最不利工况下结构的整体稳定性,论证了框格式连续墙这种地基处理方式的合理性与可行性,地下连续墙在应力变形及稳定方面能满足工程需要。

高混凝土重力坝孔口应力非线性数值模拟

为准确描述重力坝孔口应力分布,提出高混凝土重力坝孔口应力的非线性数值计算分析整体方案.首先对坝体进行线性计算获得孔口应力分布规律及峰值以便于配筋,然后基于损伤塑性模型对孔口剖面作非线性应力应变分析,考察钢筋应力及其止裂效果.以某钢筋混凝土重力坝工程为背景,依据规范简化混凝土单轴应力—应变曲线,在Abaqus平台上对中孔的3个剖面进行非线性有限元分析,考察中孔在坝体自重和内水压力作用下的结构特性和损伤分布规律等,并重点探讨损伤区域的演化及钢筋应力等问题.结果表明数值模拟结果与模型试验有较好的一致性,可为同类型工程的数值计算和设计提供一定借鉴.