含孔隙混凝土的动态压缩数值模拟

为研究孔隙大小、数量及位置分布对混凝土动态压缩力学性能的影响,文章通过ANSYS参数化设计语言编程创建含随机分布球形孔隙的混凝土有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对孔隙混凝土的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验进行数值模拟;提出一个预测不同孔隙率、不同孔隙数目混凝土在不同应变率下动态抗压强度的经验方程。研究结果表明:对于含单个球形孔隙的混凝土,孔隙尺寸越大,抗压强度越小,但内部孔隙位置发生变化时,抗压强度基本没有变化;相同孔隙率下,孔隙数目增加,混凝土抗压强度呈指数衰减,并最终趋于一个稳定值;孔隙率越低,混凝土抗压强度趋于稳定值时的孔隙数目越少,孔隙率为1.11%时,多孔隙混凝土的抗压强度与单个孔隙时无显著差别,可按单孔隙计算;提出的经验方程预测结果与仿真试验结果有很好的一致性。

边界优先的Delaunay-层推进曲面四边形网格生成

为了提高复杂组合曲面四边形网格生成的鲁棒性和边界单元质量,提出一种边界优先的Delaunay-层推进网格生成方法.首先在剖分域内粗的约束Delaunay背景网格的辅助下,以物理域的位置偏差为引导,在参数域中迭代计算边界点的法矢量;然后结合层推进策略,在几何特征附近生成各向异性或各向同性正交网格;最后使用Coring技术加速内部网格的生成并进行单元合并,得到四边形为主的网格.若干复杂平面区域和组合曲面模型的剖分结果表明,所提方法可生成等角扭曲度和纵横比优于主流商业软件的网格;在12个线程的PC平台上,使用OpenMP并行剖分包含21772张曲面的引擎模型只用了38.68 s.

基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法

网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一,网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题.在非结构网格生成中,网格空间尺度分布控制至关重要,直接影响网格生成质量、效率和求解精度.采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布,再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点,过程十分繁琐且耗时.本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法,首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法,通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简,提高了RBF插值的效率.同时,还采用人工神经网络进行网格尺度控制,初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数,建立人工神经网络训练模型,采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本,通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系.进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测,RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍,有助于提高网格生成的效率.最后,将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测,得到的网格质量满足要求.

一种三维有限元网格生成的新方法

针对三维有限元网格的生成速度较慢并且网格质量不高的问题,提出了一种基于约束波前法的三维有限元网格生成算法。算法的主要思想是用背景网格提高网格单元的可控性,避免网格单元生成时验证有效性的计算量,从而快速生成高质量的三维有限元网格。算法首先借助八叉树方法生成背景网格,其次利用背景网格的密度对模型表面进行三角剖分得到初始波前,然后依据背景网格的特征生成实体网格单元,最后对得到的结果进行优化。实验证明,结合了八叉树和推进波前法的三维网格生成算法降低了波前法的时间复杂度,将其效率提高了20%,而且能得到更高质量的网格。

基于背景网格的混凝土细观力学预处理方法

为提高混凝土细观力学预处理的效率与骨料投放含量,并适应不同体积、不同骨料含量混凝土的细观数值模拟要求,本文提出了一种新的预处理方法。该方法在骨料投放阶段,首先形成投放区域的背景网格以及对应网格点的状态矩阵,用以进行骨料的投放定位以及骨料间相互侵入的判定,提高了投放的效率和骨料含量;其次,在细观有限元剖分阶段,利用已有的背景网格状态矩阵完成混凝土细观三相介质的坐标生成,简化了预处理过程。同时,采用分级配随机投放的方式,可保证投放的随机性以及级配分布的合理性。实例证明,该方法实现的二维投放骨料含量可达到80%,三维可达到60%,为细观混凝土数值模拟的预处理提供了一种有力的工具。

一种改进ViBe的网状织物缺陷检测方法

针对运动网状织物缺陷难以检测的问题,提出了一种基于改进ViBe的检测方法。首先,通过背景差分法对运动网状织物缺陷分割,进行背景建模。其次,利用HSV色彩空间变换滤除阴影。最后,采用OSTU阈值算法找出目标分割的最优阈值,从而检测出运动网状织物缺陷。实验结果表明:与其他运动目标检测算法相比,改进的ViBe算法在运动网状织物缺陷检测时效果良好,检测速度较快,能够适应不同场景。同时,与混合高斯模型、ViBe算法相比,改进ViBe算法的精确率分别提高了3.4%和9.6%,召回率分别提高了1.2%和4.5%。

二维自适应网格生成的改进AFT与背景网格法

在基于重生成的自适应有限元网格生成算法研究中,将推进波前法(AFT)与背景网格法结合并提出改进方法,有效地解决了网格生成和单元尺寸计算这两个关键问题。改进的AFT方法,将前沿区分为活跃前沿和非活跃前沿两类,在选取目标前沿时既考虑前沿尺寸又考虑前沿分类。改进的背景网格法,利用结构化栅格对背景网格进行管理,在栅格中直接存放背景网格中的单元,既提高了新单元尺寸的计算速度,又从数值上保证了新生成网格中单元之间尺寸合理过渡。

一种自适应影响域半径无网格Galerkin法

针对某些力学问题的数值求解需要结点的局部加密,在采用背景积分网格积分方式的基础上,提出一种影响域半径随结点疏密程度而变化的自适应影响域半径无网格Galerkin法。在方法中,无网格结点与背景积分网格的结点重合,结点的影响域半径即可根据该结点周围的网格的最大边长来选取。算例显示,该文方法是可行而有效的。

基于背景网格的混合网格变形方法

混合网格已广泛应用于复杂外形的粘性流动模拟,能否将其推广应用于气动弹性研究,混合网格的变形方法成为主要问题。发展了一种混合网格变形方法,即生成一套非结构四面体背景网格,采用弹簧网络法进行背景网格变形,在背景网格与流场计算的CFD网格之间建立一种快速的代数插值方法,获得流场计算的混合网格变形。由于背景网格仅用于网格变形,不参与流场计算,物面网格可以与流场计算网格不一致,大大减少网格数量,提高弹簧网络法的变形能力和计算效率,进而提升流场计算混合网格的变形能力和计算效率。对于复杂外形流场网格和背景网格在物面的不一致可能造成的覆盖不完全问题,提出了同时生成覆盖流体域和固体域的多套非结构背景网格的方法,保证复杂外形计算时混合网格的高质量变形。由于背景网格采用全三维的线弹簧加扭转弹簧的动网格变形方法,大大提高了大变形的网格变形能力。首先以M 6机翼的非结构和混合网格变形为例,与已有方法比较,验证本文方法的有效性;其次运用于三维转动、平动、弯曲变形等典型工况,说明方法对大变形的实用性;最后运用于气动弹性标模和机翼带外挂导弹的复杂外形的颤振特性计算,说明其处理复杂工程问题的能力。

基于Bowyer-Watson法的Delaunay三角网格的一些改进

提出用“有向线段推进法”生成初始网格,生成的三角形都在计算区域内,避免了删除计算区域外的多余三角形,这对凹域或多连通区域来说,大大减轻了工作量。本文通过尺寸函数来控制内部网格点的分布,用“背景网格法”生成复杂区域的尺寸函数。

基于背景网格的成形模面等距合理性判断算法

针对在板材冲压成形CAE仿真分析过程中,等距处理后的网格会出现尖角或自交叉的问题,研究KMAS/One-step的网格等距处理,基于背景网格,实现实用的一次试输入即可判断成形模面等距合理性的算法,并引入二分法得出合理的等距值.该算法大幅提高模拟程序的运行速度,为成形模面的快速、合理等距处理提供可行方案.

地面背景红外辐射特性建模与仿真研究

地面背景的红外特性直接影响红外制导武器对于目标的发现、跟踪和识别。综合传热学、红外物理、计算机图形学等多学科知识,提出了一种将基于物理的红外特性建模和基于约束边界的地形几何建模相结合的全新地面背景红外特性建模仿真方法,依据不同材质的传热换热物理机理建立地面背景的红外辐射模型,并在地面网格几何模型上求解地面背景的零视距红外辐射分布。文中方法可以实时模拟动态变化环境条件下的地面背景的红外辐射特性,并将地形仿真中的可见光仿真和红外仿真统一起来。为实时精确地面红外热像的获取提供了有效的手段。

积分背景网格对自适应EFG法拓扑优化的影响研究

采用应力能量范数作为误差指标,探讨了EFG法中积分背景网格对计算精度的影响,得到了合理划分背景网格的建议;建立了以节点密度为设计变量、以最小化柔度为优化目标的拓扑优化模型。采用以节点密度值为加点判据的自适应规则加点方案,开展了连续体结构的拓扑优化研究,该加点方案能有效地减少设计变量的个数,探讨了背景网格对拓扑优化结果的影响。算例结果表明,采用合适的背景网格不仅能进一步减少设计变量的个数,而且能够改善拓扑优化结果的光滑性,使计算效率和精度得到提高。

一种基于子域分解的表面混合网格生成方法

提出了一种新的基于子域分解的混合网格生成方法。该方法首先用映射法生成结构化背景网格,并确定实体表面上包含的小孔、键槽等小特征在背景网格中的位置,然后删除这些小特征覆盖的背景网格,并在这些区域内生成三角形网格,最后将剩余的背景网格和生成的三角形网格合并,得到整个目标域的网格。该算法综合了映射法效率高、网格质量好、四边形网格计算精度高,以及三角形网格几何适应能力强的优势。数值实验表明,针对复杂的实体表面,新方法能够全自动地生成质量较好的混合网格,生成的网格质量及算法效率均优于传统的推进波前法和铺砖法。

基于无单元伽辽金法和Matlab遗传算法工具箱的结构形状优化研究

将无网格Galerkin法(element-free Galerkin method,EFGM)和改进的Matlab遗传算法工具箱(matlab genetic toolbox,MGT)相结合,提出了一种新的连续体结构形状优化设计方法。针对形状优化设计的特点,建立了一种规则网格与有限元网格混合的EFG积分背景网格法。详细介绍了M函数文件的修改方法,解决了现有Matlab遗传算法工具箱不能直接施加的非线性与隐性约束条件的难题。最后,完成了一个工程实例的结构形状优化,优化结果表明该方法是有效可行的。

基于非结构背景网格的动网格方法研究

借鉴弹簧动网格方法和Delaunay背景图方法,提出一种基于非结构背景网格的动网格生成方法。先用少量的物面控制点生成相对较粗的非结构背景网格,再用弹簧法将动边界的变化量作用到该背景网格,然后利用计算网格与背景网格的映射关系插值生成对应的动网格,最后对物面网格点及其附近受影响的密网格点进行局部网格修正,获得最终计算所需的动网格。所提方法与直接弹簧法比较,由于弹簧法作用的背景网格远粗于实际的计算网格,提高了计算效率,此外,由于网格的运动受控于受弹簧法作用的背景网格,边界变形或运动能较为均匀地传递到内部网格上,使网格单元过渡光滑,提高了动网格的质量。给出若干算例,展示了方法的效率和可行性。

结合背景网格的点球弹簧修匀法网格变形

在弹簧类网格变形方法中,点球弹簧修匀法存在收敛较慢的问题.提出一种利用背景网格进行加速收敛的方法.首先在粗化的背景网格上进行变形,然后将粗网格节点的变形结果和细网格边界上的运动节点一起作为初始扰动对细网格进行变形,变形方法采用点球弹簧修匀法.算例表明,该方法在求解二维或三维问题时,与点球弹簧修匀法相比,满足收敛条件的迭代步数减少了72%~88%,单步耗时减少了38%~78%.

利用混合高斯和拓扑结构的人体“鬼影”抑制算法

若在建模时存在目标,部分目标像素会进入背景模型,会在检测时产生“鬼影”。为了有效抑制“鬼影”,提出一种利用混合高斯和拓扑结构(Gaussian mixture model and topological structure,GMMT)的人体“鬼影”抑制算法。算法分为两个阶段,背景建模阶段采用双通道建模,通道一利用混合高斯模型进行预检测,接着利用拓扑结构将分散的人体目标连接获得完整的目标并取其外接矩形,然后将矩形外的像素加入背景模型,经过多帧的建模得到空背景;通道二使用多帧平均法计算背景模型。通过设置建模帧数的阈值T选择建模方式,若建模帧数小于T则使用通道一建模,否则使用双通道联合建模。目标检测阶段利用改进的背景差分法实现人体分割并进一步消除“鬼影”。经过测试,GMMT在建模阶段存在目标的情况下可有效地抑制“鬼影”。

面向有限元网格生成的单元尺寸场光滑化算法

针对单元尺寸场的合适与否会直接影响到后续有限元网格质量的问题,提出一种尺寸修正算法来优化单元尺寸场。在Borouchaki等提出的H变化量(BOROUCHAKI H,HECHT F,FREY P J.Mesh gradation control.International Journal for Numerical Methods in Engineering,1998,43(6):1143-1165)的基础上,引入尺寸梯度概念,进行一系列公式推导,得到二维的单元尺寸场的合理过渡要求,从而以定义在非结构背景网格的单元尺寸场为例,改进Borouchaki修正算法,提出了一种最少量地重置尺寸场中节点单元尺寸值,最大化地全局光滑单元尺寸场的新算法。最后给出若干实例的网格生成效果图,证明算法能帮助工程应用的模型生成更高质量的网格,跟其他修正算法相比,网格尺寸过渡明显更均匀。

基于复变函数解法的桁材开孔腹板弹性屈曲分析

在船体梁总纵弯矩作用下,位于甲板和船底的纵桁承受着较大的轴向压力,而桁材腹板上的开孔将影响腹板结构的屈曲强度。腰圆形是桁材腹板开孔的常见形状,带这种开孔的板格屈曲计算是难以获得弹性屈曲解析解的,目前常用的算法是基于有限元的特征值屈曲分析。本文综合运用复变函数方法和Ritz法,形成了一种新的计算方法,它可以在较粗的背景网格下得到足够准确的弹性屈曲载荷。通过系统的敏感性计算对比,此方法的可用性得到了验证。