基于改进四叉树和比例边界有限元法的自适应设计域拓扑优化方法

针对大型结构拓扑优化计算成本高和固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)在优化后结构边界处求解精度低的问题,提出了一种基于SIMP法的自适应设计域(ADD)拓扑优化方法。将改进四叉树法应用在拓扑优化的过程中,通过自动划分不同等级的网格单元来减少网格数量、减轻计算负担并提高边界处求解精度;采用比例边界有限元法(SBFEM)实时计算划分后结构的有限元信息,解决了不同等级网格间悬挂节点的问题。所提方法可在初始网格相对较少的情况下得到更加精确的结果,大幅度地降低了计算成本。数值算例结果表明,所提方法在最终结构边界处精度相同的情况下,计算时间最快可缩短为原来的1/100,可以为后续降低大型结构拓扑优化的计算成本提供参考。

倾斜荷载下基桩的改进有限元——有限层分析方法

提出地基加权刚度的概念,对现有有限元有限层法进行改进,用以分析计算倾斜荷载下基桩的受力变形特性,可考虑地基土成层与非均匀性等因素的影响,并能近似考虑地基土的非线性特征及桩身PΔ效应,工程应用结果表明,效果良好。

表面变质层非等双轴残余应力的X射线/剥层测试与有限元矩阵修正

采用有限元模拟了剥层后渗碳+热处理+喷丸强化处理后18CrNiMo7-6合金钢表面变质层的残余应力,经试验验证后对其进行了有限元矩阵修正,研究了喷丸强化前后x和y方向残余应力分布,最后进行了有限元矩阵修正法的试验应用。结果表明:局部剥层后残余应力模拟值和测试值相对误差小于10%,证明模型准确;根据残余应力方向选择适用的修正矩阵后,平面非等双轴残余应力有限元矩阵修正值与初始值之间较接近;试验可得未喷丸试样表面变质层内存在近似等双轴残余应力,残余应力修正值与测试值相差不大,喷丸试样x和y方向残余应力间相差显著,表面变质层内存在非等双轴残余应力,残余应力修正值均小于测试值。

基于改进比例边界有限元法的成层场地中峡谷-地下孔洞体系的散射分析

基于相似拼接线的比例坐标变换,提出了能精确模拟成层半空间的改进比例边界有限元法,在频域中建立了复杂成层场地散射场分析的高精度模型。该方法采用相似拼接线作为比例缩放中心,克服了比例边界有限元法(scaled boundary finite element method,简称SBFEM)由相似性导致求解范围受限的困难,成功地将比例边界有限元法的求解范围扩展到水平及倾斜成层半空间。基于改进比例边界有限元法,建立了复杂成层半空间散射场的求解模型,其中采用子结构法将复杂边界条件的散射问题转化为土-结构相互作用问题,降低了地震波散射问题的计算复杂度,这种转化在线弹性框架内严格成立。通过计算典型算例,验证了提出模型的准确性。采用提出的新模型,分析了水平成层场地中峡谷-地下孔洞耦合体系的散射问题。数值算例表明:与峡谷下无孔洞的情况相比,地下孔洞的存在会放大峡谷表面散射位移幅值,并且对于方形截面孔洞这种放大作用更明显。

基于有限元的边坡稳定可靠度改进一次二阶矩法研究

为研究岩质边坡岩体参数变化时的稳定性,提出一种基于有限元的边坡稳定可靠度改进一次二阶矩法。首先,针对边坡工程中广泛存在的隐式极限状态函数可靠性问题,定义极限状态函数为滑体极限状态下抗滑力与下滑力的差值,考虑黏聚力及内摩擦角作为随机变量并且服从独立正态分布,求出极限状态方程中随机变量的偏导数;然后,根据改进一次二阶矩法编写了求解边坡失稳概率和可靠指标的计算程序;最后,通过算例验证了所提方法的适用性。某库岸边坡可靠性分析结果表明,该方法具有计算流程简单、便于开展、节省机时、计算精度高的优点。

金属增材制造条件下二元合金三维微观组织的相场法-有限元法预测

基于开源相场法代码PRISMS-PF所提供的相场法-有限元法计算架构,开展了A356铝合金MAM过程的模拟仿真研究。计算分析了工艺参数(温度梯度与扫描速率)以及初始固相形貌对溶质浓度、一次枝晶臂间距和晶粒形貌的影响,再现了微观偏析、晶粒竞争生长以及二次枝晶臂等现象,并与实验结果进行了对比验证。对比不同工艺参数(温度梯度与扫描速率)情形下的预测结果,发现一次枝晶臂间距随温度梯度与扫描速率乘积的减小而增大,而随着温度梯度与扫描速率的比值逐渐减小,晶粒形貌由平面晶逐渐向胞状晶、柱状晶以及树枝晶转变。对比不同初始固相形貌情形下的预测结果,发现当温度梯度与扫描速率的比值较小时,即液-固界面前沿的成分过冷区越大时,非平整的初始固相形貌对晶粒生长过程造成的影响越明显。

基于有限元-解析法的层状地基中Rayleigh波高阶频散特性研究

层状地基中Rayleigh波(以下简称R波)携带有大量关于土层的重要信息,对工程建设有着重要的作用。基于有限元-解析法建立层状地基中R波在频率-波数域(f-k域)内的振动方程。根据工程中有限元的误差分析,确定了每个波长内薄层划分数目的下限值N。采用BISECTION算法快速、准确地搜索层状地基中R波特征方程的根,进而得到了各种常见地基中R波高阶模态的频散曲线,计算结果得到了解析法的支持。最后,将该方法所得到的频散曲线与数值仿真模拟和现场实测的频散曲线作了对比,结果表明:在f-k域内,有限元-解析法能有效地计算R波在层状地基中的频散曲线。

基于有限元-多刚体耦合方法的儿童座椅结构改进

对某反向安装儿童安全座椅的结构进行了改进设计。采用有限元-多刚体耦合的方法,依据欧洲经济委员会(ECE)的法规R44的要求,建立了改进前后的儿童安全座椅正面碰撞台车试验模型,并进行了模型验证。完成了改进后的儿童安全座椅结构正面台车碰撞实验。仿真结果表明:座椅改进后的儿童假人头部综合加速度峰值约降低15 g;胸部综合加速度超过55 g的时间缩短为2 ms;胸部垂向加速度超过30 g的时间约为2.4 ms。台车试验结果与仿真结果一致,胸部综合加速度超过55 g的时间缩短为1.7 ms;胸部垂向加速度超过30 g的时间约为2.85 ms,且台车实验中座椅结构未产生明显破坏。

复合材料层合壳有限元分析的预测-修正法

对于复合材料层合壳的有限元分析,本文根据Reissner-Mindlin型的全局位移场给出了一个预测-修正法。首先按照一般的有限元分析过程(没有引入剪切修正系数)计算出全局响应(如挠度,频率和屈曲载荷等)的预测值;然后利用Lagrange插值构造横向剪应力的一般形式,使得满足层间连续和表面上为零的条件,通过最小二乘法拟合三维应力平衡方程获得横向剪应力;最后在单元上计算和引入剪切修正系数,再经过有限元分析计算出全局响应的修正值。

基于比例边界有限元法的结构-地基动力相互作用时域算法的改进

本文基于比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method)的缩减基函数解法,对结构-无限地基动力相互作用的时域算法进行了改进。通过选择适当的基函数数目,缩减结构-地基接触面上的自由度,以减小卷积积分所带来的计算工作量,推导了缩减自由度后运动方程的表达式。通过重力坝和拱坝加速度频响曲线的算例,对比了不同程度缩减的基函数和全部基函数对计算精度和效率的影响。结果表明,基函数的缩减可使计算效率明显提高,但精度损失不大。当采用60%的基函数时,计算效率提高5倍,而峰值频响曲线的精度损失却不超过4%。因此,该算法比较适合于大型结构-地基动力相互作用问题的时域分析。

水闸改进阻力系数法与有限元计算的对比分析

在水闸设计中,渗流计算是关键。目前规范中常用改进阻力系数法计算闸基渗流,在实际操作中该方法计算过程复杂,需经过多次修正才能得到最终结果。为简化计算,引入有限元分析的方法计算闸基渗流,通过对同一水闸分别采用2种不同的方法进行计算,结果表明两者计算结果相差不大,有限元方法相比改进阻力系数法计算值偏高,在工程上偏安全,因此有限元方法可用于闸基渗流计算,且计算过程更加简捷。但在水头分析中,有限元分析法仅能导出水头总体分布情况,结论相对粗糙,因此在实践中更加推荐采用改进阻力系数法,同时建议利用有限元分析法进行校核计算。

基于2.5维有限元-完全匹配层技术的隧道振动建模研究

为解决隧道受周围区域复杂影响的三维隧道动力模拟问题,基于有限单元法,采用2.5D技术,应用完全匹配层(PML)处理由有限单元网格截断的边界,提出一种针对超长隧道结构动态性能模拟的高效、精确解法。结合2.5D技术、有限单元法(FEM)及完全匹配层(PML)的方法并不常见,推导2.5D技术和有限单元法(FEM)结合法的方程,着重说明其与2.5D技术和完全匹配层(PML)结合法的兼容性。通过与常用数值模型(MEF-MEC)和半解析解(PIP)法的结果验证,证明了模型的准确性,并进行了参数研究,以评估隧道和土体性质对土体振动的影响。结果表明:提出的2.5D MEF-PML方法能够解决有限元法不能处理无限域的缺点,与常规PML法相比,精度更高,在隧道动力分析时,能准确考虑隧道周围区域因素的影响。

基于IAHP-熵权法和模糊综合评价法的市政有限空间气体安全风险评价

为了准确有效地对市政有限空间气体安全进行风险评价,探索可行的风险评价方法进行风险预警,减少气体安全风险造成的人员作业事故。分析影响市政有限空间气体安全的风险因素,构建层次结构模型,使用改进层次分析法(interval analytic hierarchy process,IAHP)-熵权法确定评价指标综合优化权重,结合权重结果使用模糊综合评价法对气体安全风险进行评价。以郑州市航空港区某电力基坑有限空间的风险评价为例,所得风险评价结果与实际吻合程度较高。研究结果表明该评价方法较为准确可行,可为市政有限空间实际工程的气体安全风险评价提供参考。

改进型无网格伽辽金-有限元耦合法在三维立体区域热传导中的应用

基于移动最小二乘近似的改进型无网格伽辽金法具有高精度、高效率且不会得到病态系统方程等优点,将改进型无网格伽辽金法和有限元法耦合,得到改进型无网格伽辽金-有限元耦合法,并利用这种新方法分析了三维稳态的导热问题。计算结果表明,该方法所得结果与精确解高度吻合,比耦合前的改进型无网格伽辽金法和有限元法的精度和效率更高。

厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析

船体外板结构多采用多层多道焊工艺建造,焊接产生的残余应力复杂,易导致焊接结构断裂和疲劳失效。本文采用轮廓法与基于并行计算技术的热-弹-塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程,预测结果与测量结果吻合较好。预测结果表明,纵向残余应力在焊缝区为拉应力,沿接头宽度方向逐渐减小最终转变为压应力,正面焊缝中部区域拉应力值明显降低;横向残余应力在焊缝区上表面及背面填充处为拉应力,沿接头宽度方向逐渐降低,在正面焊缝中部区域为压应力;Z向残余应力主要存在于焊缝区,正面焊缝以压应力为主,背面焊缝以拉应力为主。厚板多层多道焊接过程中,残余应力变化是由于后一道焊缝对已焊的焊缝起到热处理作用导致的,焊缝接头残余应力分布由最后一道焊缝决定。

基于随机有限元法的可靠性分析方法概述

基于随机有限元法的可靠性分析方法研究现状,介绍4种常用的随机有限元法:直接蒙特卡洛法、Taylor展开随机有限元法、摄动随机有限元法和Neumann展开随机有限元法,重点介绍了5种基于随机有限元法的可靠性分析方法:应力-强度积分法、功能函数积分法、可靠度指标计算法、随机抽样法和响应面法,并对可靠性研究需要开展的下一步工作进行了探讨。

顺层边坡稳定性及可靠度的随机有限元分析法

阐述了基于摄动法的随机有限元基本原理,采用以均值为中心的2阶摄动随机有限元,运用局部平均的空间离散方法,对顺层边坡的应力场进行了2阶统计均值、协方差和方差的分析,并结合顺层边坡沿软弱夹层滑动的破坏特征,推导了基于Mohr-Coulomb准则的顺层边坡整体稳定的安全系数和可靠度的计算表达式。结合典型顺层岩质路堑边坡工程实例,采用摄动随机有限元法进行了边坡稳定性和可靠度的分析计算。结果表明,文中介绍的摄动随机有限元法可以考虑多种随机变量对边坡系统的影响,可同时采用安全系数和可靠度作为边坡稳定性的评价指标,判定结果更为准确和全面。

基于时步有限元的永磁同步电机稳态参数改进计算方法

永磁电机的稳态电抗是其重要参数之一。针对永磁电机相对于异步电机结构复杂、饱和严重不均匀,局部饱和严重,难以使用磁路分析的方法准确地求得电抗参数的问题,本文以22kW样机为例,研究了负载运行时交叉饱和效应以及该效应对永磁感应电动势的影响,揭示了使用常规矢量图法测试电抗参数的不足。采用时步有限元方法计算了在负载饱和条件下由永磁体激励感应的有直、交轴分量的永磁电动势,得到改进的矢量图,提出了电抗参数的改进算法。结合使用常规矢量图法的实测数据,对比常规矢量图法和改进矢量图法的计算结果,说明改进矢量图法可以克服常规矢量图不足,提高计算的准确性。

旧水泥混凝土道面加铺层有限元分析方法

本文提出了弹性地基上板的三维应力分析方法。考虑上下板之间既非完全连续，又非完全光滑的接触状态．引用了三维Ｇｏｏｄｍａｎ模型单元。据此编制了旧道面板上加铺层的三维有限元分析程序。经与其它成果对比，证明所编程序正确可靠。

正常人牙尖交错位紧咬牙时颞下颌关节无单元-有限元耦合法二维生物力学分析

目的用无单元-有限元耦合法模拟分析正常人牙尖交错位紧咬牙时颞下颌关节生物力学分布特征。方法采用位移加载方式,应用ANSYS8.0对建立的正常颞下颌关节有限元模型进行分析,用自行编制的耦合程序对建立的正常颞下颌关节无单元-有限元耦合模型进行分析,比较两者的应力分析结果。结果有限元模型和耦合模型应力分析结果具有较高的相似性,反映的颞下颌关节应力分布特点基本相同,但耦合模型对关节盘的应力分析更精细。结论无单元-有限元耦合法是一种有效的数值模拟方法,在生物力学研究中有推广应用前景。