A Compensation Algorithm for Large Element Characterizing the Damage Evolution Process and Its Application to Structure Collisions

When simulating the process from elastic–plastic deformation,damage to failure in a metal structure collision,it is necessary to use the large shell element due to the calculation efficiency,but this would affect the accuracy of damage evolution simulation.The compensation algorithm adjusting failure strain according to element size is usually used in the damage model to deal with the problem.In this paper,a new nonlinear compensation algorithm between failure strain and element size was proposed,which was incorporated in the damage model GISSMO(Generalized incremental stress state dependent damage model)to characterize ductile fracture.And associated material parameters were calibrated based on tensile experiments of aluminum alloy specimens with notches.Simulation and experimental results show that the new compensation algorithm significantly reduces the dependence of element size compared with the constant failure strain model and the damage model with the linear compensation algorithm.During the axial splitting process of a circular tubular structure,the new compensation algorithm keeps the failure prediction errors low over the stress states ranging from shear to biaxial tension,and achieves the objective prediction of the damage evolution process.This study demonstrates how the compensation algorithm resolves the contradiction between large element size and fracture prediction accuracy,and this facilitates the use of the damage model in ductile fracture prediction for engineering structures.

Boundary element simulation of size effect in quasi brittle aggregate materials

A nonlinear multi zone boundary element method is applied to simulate the size effect of a series of geome trically similar three point bend specimens. The material in which particles are randomly dispersed in a relatively hard matrix can be applicable to various aggregate materials as well as unidirectionally reinforced fiber composites in the transverse plane. A single edge macrocrack and interfacial microcracks randomly distributed between particles and matrix are prescribed as initial defects. The shape, size and location of the fracture process zone (FPZ) are realistically simulated and described. The nominal strength of the material is in agreement with the Bazant size effect law. In addition, the results show that microcracking is one of the most important micromechanisms for the size effect in aggregate materials.

Fracture Response of Reinforced Concrete Deep Beams Finite Element Investigation of Strength and Beam Size

This article presents a finite element analysis of reinforced concrete deep beams using nonlinear fracture mechanics. The article describes the development of a numerical model that includes several nonlinear processes such as compression and tension softening of concrete, bond slip between concrete and reinforcement, and the yielding of the longitudinal steel reinforcement. The development also incorporates the Delaunay refinement algorithm to create a triangular topology that is then transformed into a quadrilateral mesh by the quad-morphing algorithm. These two techniques allow automatic remeshing using the discrete crack approach. Nonlinear fracture mechanics is incorporated using the fictitious crack model and the principal tensile strength for crack initiation and propagation. The model has been successful in reproducing the load deflections, cracking patterns and size effects observed in experiments of normal and high-strength concrete deep beams with and without stirrup reinforcement.

Simulation of fluid-structure interaction in a microchannel using the lattice Boltzmann method and size-dependent beam element on a graphics processing unit

Fluid-structure interaction （FSI） problems in microchannels play a prominent role in many engineering applications. The present study is an effort toward the simulation of flow in microchannel considering FSI. The bottom boundary of the microchannel is simulated by size-dependent beam elements for the finite element method （FEM） based on a modified cou- ple stress theory. The lattice Boltzmann method （LBM） using the D2Q13 LB model is coupled to the FEM in order to solve the fluid part of the FSI problem. Because of the fact that the LBM generally needs only nearest neighbor information, the algorithm is an ideal candidate for parallel computing. The simulations are carried out on graphics processing units （GPUs） using computed unified device architecture （CUDA）. In the present study, the governing equations are non-dimensionalized and the set of dimensionless groups is exhibited to show their effects on micro-beam displacement. The numerical results show that the displacements of the micro-beam predicted by the size-dependent beam element are smaller than those by the classical beam element.

Anisotropic shearing mechanism of Kangding slate:Experimental investigation and numerical analysis

The shear mechanical behavior is regarded as an essential factor affecting the stability of the surrounding rocks in underground engineering.The shear strength and failure mechanisms of layered rock are significantly affected by the foliation angles.Direct shear tests were conducted on cubic slate samples with foliation angles of 0°,30°,45°,60°,and 90°.The effect of foliation angles on failure patterns,acoustic emission(AE)characteristics,and shear strength parameters was analyzed.Based on AE characteristics,the slate failure process could be divided into four stages:quiet period,step-like increasing period,dramatic increasing period,and remission period.A new empirical expression of cohesion for layered rock was proposed,which was compared with linear and sinusoidal cohesion expressions based on the results made by this paper and previous experiments.The comparative analysis demonstrated that the new expression has better prediction ability than other expressions.The proposed empirical equation was used for direct shear simulations with the combined finite-discrete element method(FDEM),and it was found to align well with the experimental results.Considering both computational efficiency and accuracy,it was recommended to use a shear rate of 0.01 m/s for FDEM to carry out direct shear simulations.To balance the relationship between the number of elements and the simulation results in the direct shear simulations,the recommended element size is 1 mm.

工艺参数对三辊行星旋轧铜管尺寸定量影响研究

目的借助有限元模拟对管材三辊行星旋轧的尺寸进行定量研究与分析。方法采用三维扫描仪获得轧辊的宏观几何模型,采用Simufact.forming有限元软件,探究推进力、轧辊角度、自转速度及表面摩擦因数对TP2铜铸坯旋轧过程中变形和尺寸的影响。结果通过扫描发现,轧辊的倾斜角和偏转角分别为50°和29°;模拟结果显示,采用剪切摩擦更适合管材尺寸的准确模拟,剪切摩擦因数最佳值为1.2;增大喂料小车推力有利于轧件三角形区域的增大,最佳推力为13 kN;此外,轧辊转速对轧件尺寸有一定影响,增大轧辊转速有利于扩径,最佳转速为160 r/min。结论轧辊最低点位置和轧辊表面摩擦因数是影响轧件归圆后尺寸的2个关键因素,通过模拟研究可以准确获得管材的变形和几何参数。

基于图像识别的叶丝形态表征及其数值模拟

【背景和目的】研究一种叶丝颗粒的粒度和粒形表征方法,表征结果可用于其数值模拟的建模。【方法】采用图像分析技术,确定分散放置在二维平面上的每根叶丝的等面积圆当量径、最大弗雷特(Feret)径、圆形度和纵横比。【结果】(1)利用提出的叶丝颗粒图像采集和处理方法,通过对叶丝样品数据的统计分析,确定叶丝物料粒度和粒形的概率密度分布曲线,实现了长丝、中丝、短丝和碎丝4种长度叶丝物料的颗粒粒度和粒形表征,表征参数可定量的反映不同样品的颗粒尺寸和形状的差异。(2)离散单元法数值模拟结果表明叶丝的粒度和粒形性质对物料堆积高度有重要影响。本文基于实验测量得到的粒度和粒形概率分布曲线,生成了与实际形态分布一致的叶丝颗粒的数值模型,数值模拟结果与实验结果的偏差在1.3%以内。【结论】提出的方法从粒度和粒形对叶丝颗粒进行定量表征,表征结果一方面能反映不同物料的性质差异,另一方面可直接用于建立与实际情况接近的数值模型,从而准确预测不同长度叶丝颗粒的堆积高度。

甘肃青土湖地区不同类型沙丘的表沙理化特征及其环境意义

沙丘表层沉积物的理化特征在揭示风沙的来源、沉积过程、风化作用等方面具有重要作用。本研究采用野外实地采样和实验室分析方法分析了甘肃青土湖地区不同类型沙丘表层沉积物的粒度和地球化学特征。结果表明:(1)青土湖地区沙丘表层沉积物以细砂为优势粒级,平均含量达72.08%,其次为极细砂,黏粒成分很少。频率分布曲线为单峰分布,概率累积曲线表现为三段式,反映出沉积环境较为稳定。(2)研究区沙丘表层沉积物常量元素以SiO2为主,平均含量为76.40%,其次为Al2O3和CaO,平均含量分别为5.05%、3.74%。微量元素以Cr、Mn、Co、Sr、Ba、Ti、Ce和P为主,平均含量均>100 mg/L。(3)Y、Zr和Y/Zr、Rb/Zr双变量图、A-CNK-FM图解表明巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠为其沙源。风沙搬运过程中的磨蚀、风选作用是研究区富集Fe、Mg元素的主要原因。此外,下伏湖相沉积物就地起砂,石羊河冲积物也为其提供了部分沙物质。(4)A-CN-K和A-CNK-FM三角模式图表明研究区风化程度较弱,处于初期脱Na、Ca阶段。在沙丘固定过程中成土作用增强但淋溶作用减小,这是由于植被的影响导致半固定、固定沙丘Na、Ca含量较高。

岩石类材料直接拉伸破坏的FDEM数值模拟

有限元-离散元耦合算法(FDEM)在岩石裂纹扩展模拟中广泛应用,尤其在直接拉伸模拟中用于参数校核。然而,模拟结果通常受到拉伸速率和网格尺寸的影响。本文首先阐述FDEM基本原理;然后,建立直接拉伸数值计算模型,探究拉伸速率、网格尺寸及高径比对破坏模式和力学参数的影响;最后,给出直接拉伸模拟中建议采用的拉伸速率和网格尺寸。研究结果表明:随着拉伸速率增加,试样抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增加,而平均弹性模量减小;在较低拉伸速率下(v≤0.01 m/s),试样仅产生1条主拉伸裂缝;当拉伸速率较高时,有分支裂缝出现在主拉伸裂缝上侧。网格尺寸对抗拉强度、峰值应变率和平均弹性模量的影响较小,但对破坏模式和破坏程度的影响较显著。随着高径比增加,试样的抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增大,但平均弹性模量呈相反趋势,并且高径比对破坏程度的影响较为显著。建议在直接拉伸模拟中使用0.01 m/s的拉伸速率,并将网格尺寸限制在1.5 mm以内。

充填模袋体界面剪切特性

模袋筑坝安全稳定性与模袋体界面强度密切相关。基于ABAQUS有限元析软件,建立模袋体界面剪切模型进行剪切试验模拟,分析了模袋体界面剪切过程中的剪应力、剪位移变化规律以及不同尺寸对界面剪切强度影响,并将数值模拟结果与室内剪切试验结果进行了对比验证。结果表明:模袋体界面剪切是一个渐进屈服破坏的过程且剪切面中间部位的塑性变形最大;数值模拟能够较好的反映出模袋体的剪切变形规律;大尺寸模袋体界面抗剪强度相较于小尺寸模袋体强度有所增加,且主要体现在界面摩擦角的增大;剪切过程中大尺寸模袋体界面剪应力存在明显峰值并出现应变软化现象。结论对工程中尾砂充填模袋筑坝具有一定指导意义。

铝材极板冲压成形晶体塑性有限元仿真分析

为研究双极板微成形过程中的尺寸效应问题,采用多通道结构,选用0.1 mm厚的1060纯铝片作为研究材料,通过Neper软件建立不同晶粒尺寸的多晶Voronoi模型,利用Python脚本为每个晶粒赋予随机取向,以模拟微冲压变形过程。通过晶体塑性有限元仿真成形研究晶粒尺寸对微冲压过程和质量的影响,包括极限成形深度、载荷-行程关系、尺寸精度以及成形厚度分布等方面。研究结果表明:随着晶粒尺寸的增加,板材极限成形深度在减小,最大变形载荷逐渐减小,厚度分布也更加不均匀,尤其是在拐角区域出现最薄的位置。

晶粒尺寸对竹节晶铜箔微轧制变形行为影响的模拟

高性能铜箔已经广泛应用于新能源、微电子等领域,为降低其制备成本和调控组织性能,对拉拔−压缩−剪切复合成形条件下的竹节晶铜箔轧制微观变形行为进行研究。建立微观尺度的晶体塑性有限元模型,分析竹节晶微轧制变形的晶粒尺寸效应。该微观模型将每个离散单元只是作为晶粒的组成部分,同时在积分点上采用单晶体本构模型建立本构方程。结果表明:微观层次复合轧制竹节晶铜箔的变形特征表现为高度的异向性和局部化;竹节晶铜箔轧制力变化符合类似Hall-Petch关系,即轧制力随晶粒尺寸的减小而增大;随着晶粒尺寸减小,复合轧制竹节晶铜箔的滑移均匀性和晶界滑移协调能力均增强;动态剪切带和变形带随着晶粒尺寸的减小向晶界偏移。为保证轧制竹节晶铜箔变形的稳定性和进一步减薄,晶粒尺寸小于100μm为宜。

基于ANSYS的竹篼破篼刀具设计与仿真

为降低破篼刀具的工作能耗及解决破篼刀具工作半径不可调的问题,设计一种工作半径可调以实现从竹篼内部破篼的刀具。首先在ANSYS中建立竹篼-破篼刀具有限元模型,然后进行破节、破壁仿真并做试验分析,最后构建试验平台加以验证。结果表明:所研制的破篼刀具可清理外径为110~130 mm的竹篼;破节最优的刀具参数组合为:轴向刀后角角度为30°、刀盘转速为5 000 r/min;破壁的刀具参数组合为:径向刀后角角度为20°、刀盘转速为5 000 r/min。

残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为影响的数值分析

通过纳米压痕和电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术获得金属铍在晶粒尺度上的表面微力学行为(性能)信息,基于ABAQUS对纳米压入过程进行有限元模拟.因数值模拟结果与实测信息相符合,故可获得仿真过程的基本力学性能参数.基于得出的参数,针对残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为的影响进行数值分析,结果表明,残余应力、晶体尺寸与纳米压入塑性功、最大深度及残余深度之间存在明显的线性关系;以塑性功为对比依据,残余应力与晶粒尺寸的影响系数分别为0.8525×10^(-12)J/MPa,95.373×10^(-12)J/μm.该研究对纳米压痕力学性能、估计晶粒内残余应力等研究有一定的参考价值.

激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时,利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集,温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小,熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响,发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小,随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

毛不拉孔兑流域河岸沙丘粒度与地球化学元素的动态时空分异

通过对不同年份库布齐沙漠毛不拉孔兑流域河岸沙丘地表沉积物样品进行粒度、化学元素分析,获得其粒度和元素组成特征及其变化:2019年和2013年样品粒度组成均以极细沙和粉沙为主,含量占70%以上,峰度呈窄峰,分选较好,表现为典型风成特性。但2019年较2013年粒径组成变粗,分选性变好;化学元素组成上以Si、Al为主,与上陆壳平均化学元素组成相比,2019年较2013年大部分化学元素亏损程度加大。A-CN-K图解揭示了2个年份内流域河岸沙丘地表物质化学风化程度均很低,处于较弱的去Na、Ca阶段,其他元素未发生明显的化学风化或迁移;对于不同河流断面,2019年和2013年的样品均表现出自河流上游至河流中下游,粒度组成变细,峰度变窄,分选性变好,风成特性更明显。与上陆壳平均化学元素组成相比,2013年4个断面样品的元素变化趋势一致性较2019年更明显。在流域尺度上,不同年份河岸沙丘地表沉积物样品理化特征具有较大相似性,其原因与母岩,以及在风水交互作用下地表物质呈现一定的动态平衡有关。

挤压速度和焊合室高度对6061铝合金圆管成形质量的影响

利用DEFORM-3D有限元软件对分流模挤压6061铝合金管进行了数值模拟,研究了挤压速度和焊合室高度对6061铝合金管焊合质量的影响规律。结果表明:当挤压速度为12mm·s^(-1)、焊合室高度为28~32mm时,在焊合区域获得了适宜的平均焊合力和均匀的晶粒分布。进一步分析不同参数下管材和焊缝的晶粒分布情况发现,焊缝处晶粒总是大于管材处,且平均晶粒度变化规律与焊合室内的变化规律一致。综合考虑焊合力和晶粒度对6061铝合金管焊合效果的影响,获得了该规格6061铝合金管最佳的挤压参数,即焊合室高度为32mm时,挤压速度为12mm·s^(-1)时,通过分流挤压可获得焊合质量良好的6061铝合金管。

土壤中硫磺氧化的影响因素

通过综述影响硫磺氧化的土壤性质、肥料性质两部分内容,为进一步解决硫磺在土壤中氧化率低的问题,同时也为高效硫肥的研制提供理论依据。植物对于硫的需求日益增高,硫是作物必须的营养元素,被用来合成许多蛋白质和氨基酸,对植物的产量和品质有极大的影响,同时也在防治害虫、改良土壤性质方面发挥着巨大的作用。由于大气沉降、径流损失以及大量元素肥的过量施用导致硫元素附带输入减少和作物移除量的增加,土壤中硫含量供需不平衡,因此,硫肥添加成为未来的主流趋势。现有硫肥里的硫主要由两种形态组成,分别为单质态的硫磺和化合态的硫酸盐。硫磺廉价易得,在氧化过程中可以产生酸,改良碱性土壤pH,为更加科学地进行硫肥的研发设计,现需对硫磺在土壤里的主要氧化因素(微生物、pH、温度、湿度、粒径)进行系统的梳理。得到以下主要结论:微生物活性对硫磺的氧化作用要远大于数量,因此,影响微生物活性的土壤pH、温度、湿度等是极为重要的因素,微生物的种类在其中发挥的作用比重尚无绝对的定论。大多数研究表明,硫磺的氧化速率随土壤pH的降低而降低,在30~40℃且土壤含水量接近田间持水量时硫磺氧化速率最快。而硫磺粒径与氧化速率呈反比是确定的,其本质是微生物定殖于肥料颗粒的表面积起主导作用,并且受在土壤里的扩散影响,粉状硫磺相对于颗粒状硫磺更易于氧化。

地震响应下时程单元的逐段自适应算法

有限元求解运动方程时,按最大模控制误差的自适应步长算法,大都要求荷载是连续可微的函数,但是对于离散形式的地震荷载,会出现单元跨时段而导致算法不适用的问题。针对这个问题,该文提出了一种基于二分法调整步长的逐段自适应步长算法,可有效避免单元跨段的问题。该文中给出相关算例,验证了本法的有效性和可靠性。

冰块尺寸对碎冰区船舶结构冰阻力影响的离散元分析

船舶在碎冰区航行时的冰阻力会影响船舶的安全性和航行性能。本文以雪龙号破冰船为研究对象,采用三维离散元方法对碎冰环境下船体结构冰阻力进行数值模拟。基于随机生成算法对不规则形状的碎冰区进行参数化建模以形成复杂的碎冰初始场,同时考虑海水对船体结构的作用力建立船体碎冰阻力的计算模型,并将离散元计算结果与碎冰区DuBrovin冰阻力计算公式进行对比。在此基础上将冰块尺寸进行无量纲化,研究不同冰厚和航速下冰块尺寸对碎冰阻力的影响规律。以平整冰区船体冰阻力的Lindqvist公式为参照,得到碎冰向平整冰转化的临界尺寸。该浮冰临界尺寸可作为识别碎冰区与平整冰的判据。本文研究工作可为船舶在极地冰区的安全航行提供一定的参考。