压水堆六角形燃料组件均匀化计算软件包TPFAP-HEX

介绍了所研制的具有工程实用价值的压水堆六角形燃料组件均匀化计算软件包。该组件中子空间能谱的计算采用穿透概率法与响应矩阵法相结合的方法 ,在六角形几何内求解中子积分输运方程。在此方法中 ,栅元内中子源采用空间线性或二次近似 ,栅元表面中子通量密度角分布采用简化 6P1近似 ,并采用严格、精确的方法处理了组件周边水隙 ,编制了压水堆六角形燃料组件中子空间能谱计算程序TPHEX。在压水堆方形燃料组件均匀化计算软件包TPFAP的基础上 ,在保留其原功能的同时 ,开发研制了压水堆六角形燃料组件均匀化计算软件包TPFAP HEX。通过对实际的VVER 1 0 0 0压水堆六角形燃料组件的校算 ,表明该软件包具有良好的计算精度 。

压水堆堆芯Pin-by-pin均匀化计算中非均匀泄漏修正模型研究

在压水堆堆芯Pin-by-pin均匀化计算中采用均匀泄漏修正模型及非均匀泄漏修正模型对组件计算的中子能谱进行修正,本文研究了Pin-by-pin均匀化计算中均匀泄漏修正模型及非均匀泄漏修正模型的实现方式,提出了非均匀泄漏修正模型和栅元均匀化方法的联合实现方式,并分析比较了不同栅元均匀化扩散系数产生方式的计算效果。数值结果表明,非均匀泄漏修正模型及由其产生的中子泄漏系数能有效提高压水堆堆芯Pin-by-pin计算的精度。

两类数据驱动计算均匀化方法对比研究

目前针对非均质材料与结构的多尺度仿真尚面临本构建模复杂和多尺度计算成本高的难题.数据驱动计算均匀化方法一方面通过数据科学的手段降低与本构模型相关的人力和时间成本,另一方面将耗时的细观问题计算移至线下进行,从而显著提升非均质材料与结构的在线计算效率.该方法按控制方程的来源可大致分为两类:第一类是基于能量泛函的数据驱动算法,旨在通过人工智能手段高效地获取材料本构关系,继而在经典计算力学框架下通过能量极值求解问题;第二类是基于距离泛函的数据驱动算法,其绕开材料本构建模过程,直接利用本构数据中的点与满足守恒方程的点的距离极值寻求问题的解.文章简要回顾两类数据驱动计算均匀化方法的求解思路,以纤维增强复合材料结构为例,分别从定性和定量的角度分析样本数据量对两类算法计算效率和精度的影响,继而从算法实现、计算精度、计算效率和后处理等方面进行对比分析,探讨两者在求解多尺度问题时的优势与不足,以期为发展高效的非均质材料结构分析技术提供参考.

面向薄壁复合梁结构的数据驱动计算均匀化方法研究

面向薄壁复合梁结构开展了数据驱动计算均匀化方法研究,构建了基于模型缩减技术的高效数据驱动多尺度模型.首先,在宏细观关联计算方面,基于数据驱动计算均匀化方法,解耦了传统计算均匀化框架中相互嵌套的宏微观尺度计算,取而代之的是“细观离线-宏观在线”的计算方案,即离线生成细观代表体元的应力-应变等效数据库,以驱动宏观模型在线计算,从而提升在线计算效率.其次,在宏观模型方面,基于Carrera统一理论构造薄壁复合梁结构的宏观降维缩减模型,以减少宏观模型的自由度数和积分点数.最后,在数据搜索方面,采用分层数据搜索方案替换遍历式数据搜索方式,以减少单次搜索的数据量.研究显示,结合模型缩减技术的数据驱动计算均匀化方法,可在保证精度的情况下提高数据驱动计算的效率,为快速预测薄壁复合梁结构多尺度力学行为提供了高效可靠的工具.

基于计算均匀化方法的梯度多孔结构优化设计

多孔结构凭借轻量化、高比强度等优越性能,在现代工业领域受到越来越多的关注。增材制造技术的快速发展,使得具有复杂构型的多孔结构的制备成为可能,进一步促进了多孔结构设计方法的进步。多孔结构设计方法主要有尺度分离和尺度关联两种途径,本研究从尺度分离的思想出发,基于计算均匀化方法,针对随机(两种维诺型)和非随机(方框型)梯度多孔结构,发展了多尺度优化设计方法。该方法主要包括3个步骤:微观尺度微结构建模分析(涵盖微结构几何生成、等效物理量的计算、几何参数与各物理量之间映射关系的建立)、宏观尺度结构优化和全尺度多孔结构几何重构。该方法具有较高的计算效率,同时保证了相邻微结构之间的完美连接。利用贴体三角形网格划分,建立多孔结构全尺度有限元模型,以方框型梯度多孔结构和两种维诺型梯度多孔结构为例,开展了多孔结构尺寸效应分析及三点弯曲梁数值试验,验证了本研究方法的有效性和梯度多孔结构的优越性,研究表明多孔结构相对于单尺度结构具有较好的承载能力和延展性。

基于计算均匀化的夹杂颗粒复合材料参数研究

夹杂颗粒复合材料分布形态各异,为确定其力学参数,基于计算均匀化方法,结合随机周期复合材料模型生成算法,提出了一种由表征单元体计算夹杂颗粒复合材料弹性模量的方法,研究了夹杂颗粒分布形态、尺寸和含量对复合材料力学参数的影响。复合材料在颗粒随机分布时表现为各向同性,在颗粒沿一定方向分布时表现为各向异性;复合材料力学参数随单元体尺寸增大逐渐稳定;弹性模量随颗粒含量增加而增大,泊松比随颗粒含量增加而减小。结果表明计算均匀化是研究复合材料力学参数的有效方法。

基于非线性均匀化的类岩石材料多尺度计算方法研究

为了研究类岩石材料的非填充预裂纹开裂规律,利用渐进展开理论,将塑性损伤问题进行尺度分离,得到宏观和细观增量形式的控制方程;并对颗粒生成的顺序投放方法进行改进,使产生的细观模型方便施加周期性边界条件。通过有限元软件的二次开发,实现了非线性计算均匀化方法的一般过程,并采用该方法对非填充预裂纹扩展进行数值模拟。结果表明,数值模拟的预裂纹扩展路径与室内试验吻合,翼裂纹起裂角随着预裂纹倾角的增大逐渐减小。该方法能够处理本构关系复杂的非线性问题,对类岩石材料的多尺度计算方法研究具有一定的参考意义。

聚类分析-神经网络-贝叶斯优化联合识别复合材料参数研究

目前针对非均质复合材料参数的正逆向识别尚面临正向计算成本高和逆向识别泛用性低的难题.数据驱动的计算均匀化方法可以一方面利用数据科学的先进算法降低控制方程的变量数目,另一方面建立复合材料设计结构与等效参数的联系,从而显著提升计算效率并挖掘参数间的内在关联.文章采用数据驱动的聚类分析方法(self-consistent clustering analysis,SCA),依据各网格点的应变集中张量进行聚类划分,并在聚类区域上求解离散的Lippmann-Schwinger方程,在极大程度降低计算自由度的同时,高效获取等效模量、热膨胀系数、热导率等参数.然而SCA法在处理大量不同结构工况时效率略显不足,进一步利用人工神经网络方法(artificial neural network,ANN)作为代理模型加速计算,实现不同工况下等效参数的快速预测.针对于逆向识别非均质材料和结构的反问题,则结合贝叶斯优化(Bayesian optimization)方法,在给定的等效参数下反向识别最优化的材料和几何结构,形成聚类分析-神经网络-贝叶斯优化的联合识别框架.以超导EAS股线和颗粒增强复合材料为例,进行联合识别框架与已有实验和数值结果的对比分析,继而从计算精度、求解效率、模型超参数选取、敏感度分析和反向验证等方面进行深入研究,探讨建立的聚类分析-神经网络-贝叶斯优化框架的优势和不足,以期为发展精度较高和适用范围较广的复合材料参数识别方法提供思路和参考.

平纹编织复合材料异形结构的多尺度分析研究

针对平纹编织复合材料的异形结构,研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下,采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得多尺度计算结果的差异性,并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外,还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明,在同一多尺度模型下,两种均匀化方法的σ_(y)应力分布趋势是一致的,并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises及σ_(y)应力误差最大只有9.5%和3.3%,并且随着异形结构分区数量的增加,其误差值逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大,随分区数量的增加没有减小的趋势,并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。并且,多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征,并在一定程度上影响多尺度结果。

基于直接多层有限元模拟的二维压电材料的力电性能研究

该文采用直接多层有限元模拟(Direct multi-layer finite element,Direct FE^(2))方法,模拟非均质材料的力-电耦合问题。该方法突破了传统并发多尺度分析方法必须依赖控制脚本进行宏-微观跨尺度信息传递的固有框架。首先,通过有限元的控制方程和并发多尺度分析所需的Hill-Mandel均质化条件,推导出可直接实现宏观与微观信息实时传递的多节点约束方程。其次,将并发多尺度分析所需的宏观结构模型和代表体积单元模型合并为一个有限元模型,避免了在两个尺度之间的重复数据传输。最后,通过算例验证该文算法的正确性和有效性。

基于介观力学信息的颗粒材料损伤-愈合与塑性宏观表征

本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤-愈合与塑性的多尺度表征方法.颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元.建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系.表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示.基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系.在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤-愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变.此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应.应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤-愈合-塑性表征方法的有效性.

UNIFORM OPTIMAL-ORDER ESTIMATES FOR FINITE ELEMENT METHODS FOR ADVECTION-DIFFUSION EQUATIONS

This article summarizes our recent work on uniform error estimates for various finite elementmethods for time-dependent advection-diffusion equations.

Cavitation Rates in Water with Dissolved Gas and Other Impurities

Our objective is a better understanding of the role of physical properties of real fluids in the thermodynamics of cavitation in impure water. An extension to the classical homogenous nucleation theory suitable for mixtures is presented in attempt to address the discrepancy between the theoretical predictions and practical observations of cavitation rates in water at normal temperatures. The extension takes into account the non-equilibrium (dissipative) effects involved in nuclei formation through a substance dependent correction coefficient to be determined experimentally. The theory of thermodynamic fluctuations is applied to derive the work of formation of a bubble nucleus. The value of the correction coefficient is estimated using preliminary experimental data from a convergent-divergent nozzle. An application of the results to the numerical prediction of the cavitation zones in a radial-flow water pump is shown.