THE DEVELOPMENT OF A MICROCOMPUTER PROGRAM FOR THE THREE-DIMENSIONAL NON-LINEAR FEM

This paper presents a microcomputer program system for the three-dimensional non-linear finite element method (FEM), which is developed for applications in mining engineering, such as excavation, filling, caving, damming, etc. Our attention is focused on some of the key aspects of the programing techniques for an applicable microcomputer program, such as the structure of the program, data processing in the core, communication between the core and mass storage, input and output systems, etc. In the last part of this paper, two test examples are presented verifying the computational accuracy of this programing system and illustrating its applicability in practical engineering.

基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场计算

准确计算户内变电站大型、复杂的噪声场分布,进而评价可采用降噪措施的减噪效果,是解决户内变电站噪声污染的关键问题。为此,综合声学有限元法(finite element method,FEM)求解复杂声场收敛性好及精度高的优点,及声学边界元法(boundary element method,BEM)降维求解大型声场的优势,提出了一种基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场求解算法。首先,建立变电站内部声源声固耦合模型,采用声学FEM求解混响噪声作用下的声固耦合响应;然后,基于声学FEM-BEM耦合理论,求解内、外耦合边界处结构单元受声固耦合激励产生的位移及应力载荷;最后,根据声压及应力载荷激发的外场声波扩散模型,基于常规Gauss数值积分法,建立外部空间声域2维BEM声学积分方程,求解外部声场。该算法在湖南某110 kV户内变电站噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值的相对误差为3.61%~4.87%。

基于DEM-FEM耦合方法的碎屑流对桥墩最大冲击力的影响因素研究

碎屑流是我国山区最危险的地质灾害之一,山区桥墩常受到碎屑流冲击而开裂、倾斜甚至倒塌,给山区桥梁建设、运营带来严重的安全隐患。采用离散元方法(discrete element method,DEM)和有限元方法(finite element method,FEM)耦合的三维数值模拟方法模拟了碎屑流对双柱式桥墩的冲击效应,并结合斜槽试验,验证了耦合方法的准确性,进一步分析了碎屑流冲击坡度、距离和体积密度对桥墩冲击力的影响规律。结果表明,最大冲击力与碎屑流冲击坡度、距离和体积密度分别呈幂函数(指数大于1)、幂函数(指数小于1)和线性正相关。冲击坡度、距离和体积密度对最大冲击力的敏感度值分别为3.012、0.202、0.804,在桥梁碎屑流灾害防治时需重视冲击坡度和体积密度的影响。将冲击力的数值模拟值与流体动力学模型预测值对比分析表明,流体动力学模型理论公式能较好地预测桥墩所受的最大冲击力,最大预测误差低于23.6%。相关研究结果可为山区桥梁碎屑流灾害防治与设计提供一定的参考依据。

考虑强度速率衰减效应的地震滑坡SPH-FEM模拟

基于SPH和FEM耦合的数值计算方法,引入滑动面摩擦强度的速率衰减模型,提出了一种能够模拟地震诱发滑坡破坏过程的数值模拟方法。基于所提数值方法模拟了唐家山地震滑坡,模拟结果与现场勘查结果及室内试验现象较为一致。基于模拟的滑动面上摩擦系数的演化过程,将唐家山滑坡的发生分为4个阶段:启动阶段、摩擦衰减阶段、低摩擦滑移阶段和逐步稳定阶段。模拟结果表明速度增加和摩擦强度衰减的相互促进,是触发滑体的高速运动的根本原因。提出采用滑体上作用的动摩擦力fd和动下滑力Td的比值R作为判别指标用于判断大型滑坡的启动,当首次出现R小于1时认为滑动面发生整体贯通并出现失稳启动。基于滑动面不同位置摩擦系数的演化,揭示了滑坡启动中滑动面摩擦强度衰减和滑动面的渐进贯通过程,解释了地震作用与滑动面摩擦参数速率衰减效应共同作用触发大型滑坡发生破坏的内在机理。

Microsphere femtosecond laser sub-50 nm structuring in far field via non-linear absorption

Creation of arbitrary features with high resolution is critically important in the fabrication of nano-optoelectronic devices.Here,sub-50 nm surface structuring is achieved directly on Sb2S3 thin films via microsphere femtosecond laser irradi-ation in far field.By varying laser fluence and scanning speed,nano-feature sizes can be flexibly tuned.Such small patterns are attributed to the co-effect of microsphere focusing,two-photons absorption,top threshold effect,and high-repetition-rate femtosecond laser-induced incubation effect.The minimum feature size can be reduced down to~30 nm(λ/26)by manipulating film thickness.The fitting analysis between the ablation width and depth predicts that the feature size can be down to~15 nm at the film thickness of~10 nm.A nano-grating is fabricated,which demonstrates desirable beam diffraction performance.This nano-scale resolution would be highly attractive for next-generation laser nano-lithography in far field and in ambient air.

饱和地基水泥土复合桩近场主动隔振的BEM-FEM耦合分析

人工振动污染是当前城市发展过程中面临的一个难题,单排或多排桩是人工振动污染防治的一种重要方式。传统基桩施工容易造成泥浆污染、振动等各种负面环境问题,而水泥土复合桩是一种低振动、低噪声、无挤土、少排泥浆的新型基桩,特别适合在城区构建排桩屏障。针对饱和地基中单排水泥土复合桩的近场主动隔振问题,建立了动力机器基础环境振动影响的半解析BEM方程;在此基础上,分别采用半解析BEM对饱和地基、FEM对水泥土复合桩进行建模,根据饱和地基-水泥土桩接触面的平衡和相容条件,建立了水泥土复合桩近场主动隔振的半解析BEM-FEM耦合方程,给出了耦合方程稀疏矩阵的存储策略,并对单排水泥土复合桩的近场主动隔振效果进行了计算分析。研究结果表明:单排水泥土复合桩能够有效地对动力机器基础引起环境振动进行隔振;等长芯桩复合桩的隔振效果要优于短芯桩。单排水泥土复合桩的隔振效果随着桩数的增加而逐渐提高;较小桩间距并不一定取得更好的隔振效果,建议相邻桩桩间净距取2.0~2.5λ_(R)(Rayleigh波波长)。随着单排水泥土复合桩距振源距离的增加,屏障隔振效果逐渐降低,但降低幅度相对较小。此外,对水泥土复合桩而言,当内插预制桩的外轮廓尺寸相同时,预制芯桩型式对水泥土复合桩隔振效果影响相对较小,可根据实际工程条件选择合适的芯桩类型。

基于DEM-FEM耦合的环锤式破碎机反击板可靠性分析

由于环锤式破碎机破碎物料的过程是一个极其复杂多变的过程,且与反击板所受的碰撞力是不连续、无规则的,因此,无法使用公式推导或使用单一软件对反击板受力进行计算,为了能够更好地确定破碎机破碎过程中反击板的载荷大小、分布和寿命,文中提出了一种基于离散元(DEM)和有限元(FEM)耦合计算的环锤式破碎机反击板可靠性分析方法,通过EDEM建立环锤式破碎机破碎物料仿真过程,并提取出破碎过程中反击板的载荷分布,与ANSYS Workbench建立耦合计算通道,计算得到在正常工作参数下反击板的受力大小和位置,在此基础上采用n Code Design Life疲劳分析软件对反击板进行寿命分析,得到反击板的受力云图和损伤云图,研究转子转速、反击板倾角、转子与筛板距离等不同因素下对反击板可靠性的影响,结果表明:转子转速为1000 r∕min时反击板的最大受力值为247.9 MPa、反击板角度为60°时应力最大值为206.48 MPa、转子与筛板距离为530 mm时受力最大值为268.37 MPa。

基于FEM和DOE分析的超声切刀结构设计与振动特性研究

目的针对工程实践中超声切刀尺寸难以解析计算且有特定结构尺寸要求的超声切刀难以设计等问题,建立了装夹式组合超声切刀结构优化及振动特性的高效设计、分析方法。方法依托某工程实践超声切刀设计要求,以结构尺寸参数化的阶梯形变幅杆和固定渐变刀刃体装夹设计成组合式超声切刀,通过对变幅杆单一结构尺寸因素对组合超声切刀有限元模态固有纵振频率、输出形变大小等振动特性的影响分析,合理选取结构尺寸取值范围,构建了四因素两水平的全因子仿真实验,进行了多结构因素交互影响分析,建立了显著因素的谐振频率回归方程,并基于此以简谐共振频率为目标,优化设计了28 kHz装夹式超声切刀。结果通过有限元模态分析、谐响应分析验证了优化设计的超声切刀在固有纵振、谐振频率与目标设计的一致性,且仿真输出振幅满足超声切割振幅要求,仿真最大等效应力远小于材料的安全许用屈服强度;通过数控加工、阻抗测试验证了实验测试频率与设计、仿真频率的一致性,且阻抗值满足设计要求;将超声切刀安装至切割系统中进行加工实验,通过与普通刀具、激光等工艺加工手段进行对比,设计切刀输出频率与振幅稳定,切割质量好,效率高。结论研究结果表明:采用的超声切刀结构设计、仿真、分析等方法对有特定尺寸要求的复杂切刀设计、优化及工程应用具有很好的指导意义。

基于SPH-FEM耦合算法的台阶精准爆破延期时间研究及应用

电子雷管在大型露天矿爆破中广泛使用,利用其精准起爆特性通过设置合理延期时间可有效改善爆破质量,对矿山生产降本增效具有重要意义。基于光滑粒子流体动力学—有限单元(SPH-FEM)耦合算法,利用LS-Dyna软件建立了多个巴润矿常规台阶尺寸的三维数值模型。针对电子雷管起爆条件下不同孔间和排间延时分别建立双孔、三孔SPH-FEM三维模型,从矿岩体SPH粒子应力和移动2个维度研究了被爆矿岩体的受力破碎、抛掷位移特征,并重点分析了不同排间延时下后排炮孔爆破漏斗的偏移角度。据此确定了最佳孔间、排间延期时间范围,并通过现场验证对比试验,选出了适合该爆区的最优延时。研究结果表明:在巴润矿现行孔排距条件下利用电子雷管精准起爆,孔间延时在20~30 ms内可达到较好的破碎效果;排间延时大于35 ms时,先爆炮孔为后续炮孔提供新的自由面和抛掷空间,且大于40 ms时应力趋于稳定;在现场验证试验中,试验区内边长1 m以下的破碎矿岩体占比达91%,较非试验爆区中同尺寸岩块占比提高了14%,破碎效果得到有效改善。

基于SiPESC.FEMS焊接热力耦合分析模块研发

文中基于集成计算仿真平台SiPESC的开放式有限元分析软件SiPESC.FEMS,研发了模拟焊接过程有限元分析模块.该分析模块可将焊接过程热瞬态分析所得节点温度场以热载荷形式映射到力学分析中,充分考虑焊接过程中温度变化对结构性能的影响,实现焊接结构全过程热力耦合数值仿真,并支持多步分析,可模拟多道焊接工序及复杂焊接过程.其中热瞬态分析可模拟焊接的非线性瞬态热传导过程,支持多种焊接移动热源和常用的热单元类型以及热对流和热辐射等复杂边界条件的处理.而焊接结构力学分析可自定义与温度相关的力学材料参数,支持热弹性和热弹塑性等本构模型.文中采用空心圆筒与带孔方形板沿圆筒外侧焊接的算例进行数值分析对比,采用顺序热力耦合分析方式,其中焊接热分析过程为瞬态热传导计算,结构静力分析过程为热弹塑性计算.计算结果与目前广泛应用的计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)商用软件ABAQUS相比,温度最大值偏差为0.000482%、位移最大值偏差为0.0231%、等效塑性应变最大值相同.该分析模块的计算精度和ABAQUS基本一致,验证了该焊接模块计算的有效性及解决工程实际问题的能力.

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

基于FEM的汽车轮毂轴承动态特性及可靠性研究

采用Workbench软件对某型汽车轮毂面对面式双列圆锥滚子轴承进行基于力学仿真分析的动态可靠性研究。首先,简化轴承模型后采用SolidWorks建立其三维模型;然后,采用Workbench对轴承开展模态及谐响应分析,获取轴承空载与满载状态下的位移和等效应力云图,并分别提取空载前10阶与满载前6阶的振型和固有频率等动态性能参数,采用Workbench中的六西格玛分析模块对轴承进行可靠性分析;最后,加载增量载荷谱获取轴承的可靠度和可靠性灵敏度。研究结果与汽车轮毂轴承的实际情况基本吻合。汽车轮毂轴承在不同工况下的仿真及其可靠性研究可以为故障轴承运动学、动力学计算与分析提供一定的参考。

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。

基于ALE-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟及其机理分析

磨料水射流在钻井提速、深穿透射孔和压裂增产等方面应用效果显著,深入认识磨料水射流破岩机理是提升其应用效果的关键之一。本文基于任意拉格朗日—欧拉耦合有限单元算法,提出了独立封装有限元网格描述磨料的方法,将水射流单元设定网格随物质的运动而变化以实现流体流动特性,速度设置给物质;将磨料单元设定网格不随物质的运动而变化以实现固体颗粒特性,速度设置给网格。综合考虑岩石的动态冲击损伤作用以及水射流和磨料的协作,建立了可表征水射流流动和岩石损伤破坏的多相多物理场耦合过程的磨料水射流破岩模型,模型聚焦磨料颗粒和水射流对岩石微秒级的冲击破坏。采用2套网格捕捉磨料和水射流的协同破岩作用,得到了岩石破碎体积、岩石损伤场、水射流压力场、水射流和磨料对岩石破碎的能量贡献率等关键参数的时空演化特征。结果表明,磨料水射流破岩过程磨料起主导作用,水射流起辅助作用。分析得到磨料水射流中磨料—水射流协同破岩机理认识,磨料撞击岩石使岩石局部产生的高程度损伤降低了水射流破岩的难度,此外磨料冲击破碎岩石使得水射流和岩石之间产生新界面,促使水射流的冲击压力升高,提高了水射流的破岩能力,因此磨料水射流中的水相比于纯水射流具有更高的射流打击力和能量利用率,磨料冲击预损伤岩石叠加水射流聚集增压的磨料—水射流协同作用破岩是磨料水射流破岩效率和能量利用率高于纯水射流数倍的重要机理之一。研究结果对优化磨料水射流破岩参数提供了理论模型和设计依据。

基于DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

目的提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法,即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能,并应用此方法建立喷丸强化模型。方法将弹丸视为等直径刚体,利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果质量流量对喷丸强化效果有显著影响,最大残余应力随质量流量的增加而减小,由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小,由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa,随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小,由2 kg/min时的11.21μm减小到6 kg/min时的9.82μm。设计了喷丸强化实验,对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论实测值与模拟值吻合较好,所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。

基于PD-FEM混合模型的材料热力耦合损伤分析

提出了一种新的近场动力学-有限元方法(peridynamics-finite element method,PD-FEM)混合模型.该模型用于求解材料热力耦合损伤问题,将求解域划分为近场动力学(PD)区域和有限元方法(FEM)区域,通过FEM节点与PD物质点构成的混合键连接各个子区域.采用该模型对氧化铝陶瓷板在热冲击载荷作用下的损伤行为进行了模拟分析,计算结果表明,采用该混合模型获得的裂纹萌生及扩展与实验研究结果吻合良好,验证了该模型的正确性.该PD-FEM混合模型继承了PD处理不连续问题的优势,同时,由于FEM的引入,大大提高了PD方法在研究材料热力耦合损伤问题时的求解效率.

Predicting impact strength of perforated targets using artificial neural networks trained on FEM-generated datasets

The paper considers application of artificial neural networks(ANNs)for fast numerical evaluation of a residual impactor velocity for a family of perforated PMMA(Polymethylmethacrylate)targets.The ANN models were trained using sets of numerical results on impact of PMMA plates obtained via dynamic FEM coupled with incubation time fracture criterion.The developed approach makes it possible to evaluate the impact strength of a particular target configuration without complicated FEM calculations which require considerable computational resources.Moreover,it is shown that the ANN models are able to predict results for the configurations which cannot be processed using the developed FEM routine due to numerical instabilities and errors:the trained neural network uses information from successful computations to obtain results for the problematic cases.A simple static problem of a perforated plate deformation is discussed prior to the impact problem and preferable ANN architectures are presented for both problems.Some insight into the perforation pattern optimization using a genetic algorithm coupled with the ANN is also made and optimized perforation patterns which theoretically enhance the target impact strength are constructed.

基于SPH-FEM转换算法的砷化镓划片损伤过程研究

为了进一步提高半导体激光器巴条制造质量,改善解理加工过程中划片损伤情况,采用SPH-FEM转换算法研究划片速度和载荷对单晶砷化镓(gallium arsenide,GaAs)划片损伤的影响。基于广义胡克定律计算出砷化镓{100}晶面<110>晶向的各向异性机械力学特征参数,采用SPHFEM转换算法仿真金刚石刀头划片实验,将划片过程中损伤的有限元转换为粒子,研究损伤粒子在刀头作用下的运动轨迹,确定出划片的损伤过程。研究表明,该方法较好地解决了传统有限元法大变形区域发生网格畸变所导致的计算误差问题,揭示了不同加工参数对砷化镓材料划片损伤的影响,并得到了实验验证,为脆性材料的划片损伤过程提供了新的途径和思路。

饱和地基中劲芯水泥土墙隔振的二维BEM-FEM耦合分析

振动污染在国际上已被列入“七大环境公害”之一,填充沟是振动污染治理的一种常用隔振屏障。传统的填充沟受工程造价和施工工艺等限制工程中应用较困难;为克服上述问题,提出一种新型隔振屏障-内插预制芯墙的劲芯水泥土墙。对于饱和地基中劲芯水泥土墙的隔振问题,饱和地基采用饱和土半解析边界元法(boundary element method,BEM)建模,劲芯水泥土墙采用有限元法(finite element method,FEM)建模,根据饱和地基-水泥土墙交界面的平衡和连续性条件,分别建立了劲芯水泥土墙对入射Rayleigh波(瑞利波)的远场被动隔振和对动力机器基础振动近场主动隔振的半解析BEM-FEM耦合分析方法,并对劲芯水泥土墙的隔振效果进行了计算分析。研究结果表明:饱和地基中设置劲芯水泥土墙能够起到较好的隔振作用,其隔振效果与混凝土墙基本相当且远优于纯水泥土墙;预制芯墙在劲芯水泥土墙隔振系统中起关键作用,为避免弹性波从芯墙底绕射而降低隔振效果,预制芯墙深度应与水泥土墙深度保持一致;增大芯墙厚度对隔振效果提升不大。在等深芯墙条件下,增大墙深能显著提高远场隔振效果,但对近场隔振效果提升较小;增大墙厚也可提高隔振效果,但提高幅度不大。实际工程中,建议结合工程造价和施工工艺,选择合适的水泥土墙和预制芯墙墙厚。此外,屏障距振源距离对主动隔振效果影响较小,建议根据被保护建筑与振源之间的实际情况,选择合适位置构建隔振屏障。

Prediction of the undrained shear strength of remolded soil with non-linear regression,fuzzy logic,and artificial neural network

This study aims to predict the undrained shear strength of remolded soil samples using non-linear regression analyses,fuzzy logic,and artificial neural network modeling.A total of 1306 undrained shear strength results from 230 different remolded soil test settings reported in 21 publications were collected,utilizing six different measurement devices.Although water content,plastic limit,and liquid limit were used as input parameters for fuzzy logic and artificial neural network modeling,liquidity index or water content ratio was considered as an input parameter for non-linear regression analyses.In non-linear regression analyses,12 different regression equations were derived for the prediction of undrained shear strength of remolded soil.Feed-Forward backpropagation and the TANSIG transfer function were used for artificial neural network modeling,while the Mamdani inference system was preferred with trapezoidal and triangular membership functions for fuzzy logic modeling.The experimental results of 914 tests were used for training of the artificial neural network models,196 for validation and 196 for testing.It was observed that the accuracy of the artificial neural network and fuzzy logic modeling was higher than that of the non-linear regression analyses.Furthermore,a simple and reliable regression equation was proposed for assessments of undrained shear strength values with higher coefficients of determination.