考虑材料非均质特性的混凝土中氯离子扩散系数预测模型

以粗集料含量作为混凝土材料非均质特性的量化指标,通过室内物理实验,实测得到不同粗集料含量的混凝土试件在人工潮汐环境下的氯离子浓度沿扩散深度的分布,经拟合回归分析,分别得到了不同粗集料含量的混凝土试件中氯离子的扩散系数,定量研究了混凝土材料的非均质特性对氯离子扩散系数的影响。在此基础上,根据实验组混凝土试件的扩散系数,建立了同时考虑扩散时间、粗集料含量、温度和湿度共同影响的混凝土中氯离子扩散系数预测模型。基于相同暴露环境下验证组混凝土试件的实测数据,验证了本文所建立的氯离子扩散系数预测模型的准确性。

线接触载荷下材料非均质特性对滚动接触疲劳的影响

滚动接触疲劳是滚动轴承和齿轮等机械传动零部件极易发生的一种典型早期失效方式.此外,工程材料中不可避免存在杂质、夹杂和空洞等缺陷,严重影响接触副材料的性能.文中利用数值化等效夹杂方法分析x-z方向截面为椭圆形、正方形、正三角形等不同形状的杂质对基体材料应力场的影响,并以体积应力积分量化疲劳,探究非均质材料发生滚动接触疲劳的规律.结果表明,分布杂质的形状、弹性模量、深度、体积分数及摩擦系数等都对线接触载荷作用下非均质材料的体积应力积分具有重要影响.

基于数字图像处理的非均质岩石材料破坏过程模拟

以三峡花岗岩为例,利用有限差分程序FLAC进行非均质岩石材料的破坏过程模拟。首先,利用花岗岩微观结构观测图像确定数值模拟计算网格的合适尺寸;进一步结合花岗岩的矿物鉴定结果,在数字图像处理的基础上,利用模糊C均值聚类方法,实现了数值计算模型与材料真实细观结构的耦合分析,形成了一套较完整的、更加方便快捷的非均质岩石材料数字图像处理技术。在此基础上,利用同批次三峡花岗岩的经验应变软化模型,进行了单轴抗压下岩石的剪切带分布及裂纹破坏过程模拟,对破坏过程中的应力集中现象进行了探讨。最后,围绕该花岗岩岩样进行了不同围压三轴压缩的数值仿真研究,得到了一些有益的结论,同时也表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法。

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。

非均质材料无网格Galerkin法

提出了采用无网格Galerkin方法来分析非均质材料。无网格伽辽金法 (EFGM)是近些年发展起来的一种数值算法 ,它采用移动的最小二乘法构造形函数 ,从能量泛函的弱变分形式中得到控制方程 ,该法只需节点信息 ,不需将节点连成单元。在积分网格中 ,取高斯点的材料参数来模拟材料特性的变化。算例的结果显示用该法来分析非均质材料得到的结果精度高 ,表明该方法在非均质材料领域有着广阔的应用前景。

基于数字图像的非均质岩土材料细观结构PFC^(2D)模型

提出了一种基于数字图像处理的非均质岩土材料细观结构PFC2D数值计算模型自动生成方法,并采用VC++.NET编写了相应的接口程序.从而实现了非均质材料细观结构PFC2D软件建模的快速、真实及自动化等优点.通过对土石混合体这一典型非均质岩土材料的建模及分析实例,建立了土石混合体真实的细观结构PFC2D数值计算模型.分析计算表明,基于数字图像处理的PFC2D模型生成技术不但提高了建模和数值模拟分析的精度,而且对于进一步研究土石混合体等非均质材料的细观力学特征具有重要的意义.

含夹杂非均质材料的扩展有限元数值模拟

为了验证含夹杂非均质材料扩展有限元数值模拟的有效性,分别用扩展有限元法和传统有限元法模拟计算了一块含多个圆形夹杂的单轴受拉的板的位移场,并对模拟结果进行了对比分析.结果表明,通过水平集函数来表示夹杂材料的几何界面,利用富集函数来改进被界面切割的单元所在结点的形函数,网格剖分无需考虑内部边界,可大大减少数值模拟前处理的工作量.

非均质材料热传导问题的扩展有限元法

针对非均质材料,提出了以导热系数为基本参数的热传导扩展有限元法。划分网格时不需要考虑材料界面的存在,因此网格的形成可以大大地简化,且可以获得高质量的网格。不含材料界面的单元,其温度场函数将退化为常规有限元的函数。含材料界面的单元,采用基于水平集的加强函数加强常规温度的近似,加强函数用于模拟界面。数值算例结果体现了该方法的有效性和优势。

非均质材料微成形过程的晶体塑性模拟

微塑性成形中,由于参与变形的晶粒数量有限,材料非均质现象显著,基于均匀化假设的宏观弹塑性模型不再适用,为了研究有限数量晶粒组成的材料塑性变形过程,需结合其微结构与微观塑性变形机制.参照金属材料的微结构,构建了非均质多晶模型,采用晶体塑性本构关系和Cauchy应力更新算法,设计了材料子程序(VUMAT),对含不同晶粒数目的圆形板料拉深过程进行模拟分析.研究表明,非均质多晶板料成形的筒形件具有明显制耳,但制耳轮廓无规律.晶粒数目增加会弱化材料非均质现象,使制耳高度降低,但又引起晶粒间约束增强,使拉深力小幅增长.

非均质材料有效模量的数值模拟方法

用数值方法模拟非均质材料成为近20多年来细观力学的主要手段之一。本文综述非均质材料有效模量的数值模拟的研究进展,介绍了模拟非均质材料的主要的数值方法与所采用的计算模型,评述了数值方法的特点,最后对非均质材料有效模量数值模拟的前景做了展望。

基于VMIB的非均质岩石材料破坏的数值模拟初探

VMIB模型是在VIB基础上提出的一种新型多尺度力学模型,VIB模型认为固体材料在微观上是由随机分布的质量微粒组成,微粒与微粒之间由一虚内键连接;而在VMIB模型中,微粒与微粒之间则由切向键和法向键共同连接或者由具有法向刚度和切向刚度的虚内键连接。材料的宏观本构方程直接由微粒之间的相互作用推导出来。由于VMIB能够再现材料泊松比的多样性,因此可以应用到更广泛的工程材料。非均质材料(岩石)由不同的组分构成,因此,材料中各点的力学属性不同。为有效地模拟这种材料的破坏过程,初步将岩石的非均质特性引入到VMIB模型中,并对裂纹的生成及扩展过程进行模拟。数值模拟结果表明:如果将岩石视为均质材料,则在围压下的裂纹扩展具有很强的规则性,出现单一剪切裂纹,岩石呈剪切破坏;如果将岩石视为非均质材料,则多条裂纹同时在不同点处开始生成、扩展并汇合,破坏模式总体上呈剪切破坏。从数值模拟结果来看,该法能够模拟非均质材料(岩石)的破坏过程,并能初步反映非均质特性对宏观裂纹行为的影响。

基于增强的物质点法的非均质弹性材料仿真方法研究

在基于物理的仿真领域,近几年流行的物质点法已经成为一种越来越重要的仿真方法.物质点法已经可以仿真雪、物质状态变化、颗粒状的沙子以及粘弹性的泡沫等物理现象.现有的各种复杂物理现象的模拟已经展示了物质点法作为一种通用的求解方法的潜质,然而对于仿真形变体尤其是自然界普遍存在的非均质材质还存在一些不足.当同一网格内部包含多种材质的粒子时,由于背景网格与粒子之间的插值只考虑粒子的几何位置而不包含物质属性信息,导致不同属性的粒子在网格内部表现为"平均化"的运动趋势.为了改进传统物质点法模拟多种材质的缺陷,该文提出了一种模拟非均质弹性材料的仿真方法.首先,在预处理过程中将仿真物体离散表示成粒子,针对物质的不同属性粒子的分布,建立物质边界并确定边界粒子,仿真过程中动态更新边界粒子的位置;其次,引入粒子影响域,区分网格内部具有不同属性的粒子,增加网格内部计算自由度;最后,提出一个判断准则,根据物质边界粒子的位置判定仿真粒子是在背景计算网格上求解还是粒子区域上求解.实验结果表明,利用改进的物质点法能够有效地模拟非均质材质弹性体的形变.与有限元法相比,该文方法在模拟非均质弹性体时可以获得相似的效果,并且在模拟拓扑结构变化的问题以及碰撞处理上更有优势.

非均质材料温度场的有限元算法

目前的热传导有限元方程以导温系数和等效表面散热系数作为基本参数,当用以计算比热和容重乘积相差较大的多种材料组成的非均质材料温度场问题时,会带来较大误差,有时会得出错误的结果。本文从热量平衡方程出发,提出了直接用导热系数、表出散热系数和热量为基本参数的热传导改进有限元算法。计算实例表明,本文方法可以正确地计算非均质材料或复合材料结构的温度场。

非均质复合材料力学性能的确定性多尺度计算方法

针对具有多尺度特性的非均质复合材料进行结构强度分析,提出了一种确定性多尺度计算方法——有限细胞法(FCM)。该方法通过矩阵凝聚和插值近似得到粗网格的刚度矩阵,在计算得到粗网格解后,通过回代技术可获得全域细网格解。为验证FCM的计算精度和计算效率,构造了多个数值算例,并与理论和有限元(FEM)结果进行了对比,结果发现:相对于FEM,FCM可显著扩大计算规模,提高计算速度,且易于并行;相对于其他多尺度计算方法,FCM在构造粗网格刚度矩阵过程中无需引入微观边界条件,计算精度高,易于降尺度计算。因此,FCM是分析复合材料结构强度的一种有效的多尺度算法,同时该方法易于推广至多尺度的非线性结构分析、热分析、地下水渗流分析等领域。

非均质材料非牛顿弹流润滑特性及疲劳寿命研究

滚动轴承的润滑性能及寿命与润滑剂的流变特性及材料的非均质性息息相关。本文在建立非牛顿弹流润滑模型、非均质模型及滚动接触疲劳寿命模型的基础上,考察了滑滚比、润滑剂特征剪应力以及夹杂物体积比对非均质材料润滑性能和疲劳寿命的影响。数值模拟结果表明,夹杂物的存在会引起油膜压力和次表面应力的显著变化,造成疲劳寿命的降低;滑滚比的增加和特征剪应力的增大均会引起最大von Mises应力的增加和疲劳寿命的降低,且相对于含硬夹杂物的材料而言,含软夹杂物的材料的疲劳寿命对滑滚比和特征剪应力的变化更为敏感;夹杂物在材料中所占的体积比越大,非均质材料的疲劳寿命越低。

非均质复合材料力学性能分析的多边形有限元方法

有限元方法是材料力学性能分析的主要工具。对于颗粒增强复合材料,其增强相或夹杂多为不规则的多边形,共采用经典有限元分析,需划分稠密的计算网格,降低分析效率。本文以多边形为有限元计算单元,采用Wachspress作为试函数,建立分析非均质材料力学性能的多边形有限元方法,给出形函数计算的简化公式。多边形单元的位移插值采用Wach-spress插值,能自动满足不同形状单元间的协调性。计算网格按照材料分布的真实结构划分为若干多边形单元。数值算例验证了多边形有限元在模拟非均质材料力学性能方面的有效性和计算精度。

非均质材料的力学性能评价研究

非均质材料是指沿着某一方向其物理、化学、力学等单一或复合性能发生变化,以适应不同环境,实现某种特殊功能的先进材料。文章介绍了非均质材料的主要制备技术及工程应用,论述了非均质材料力学性能评价的基本方法及面临的挑战。

非均质材料的时变弹流润滑特性分析

通过将夹杂物所引起的表面特征位移引入到时变弹流润滑问题中,建立非均质材料时变弹流润滑模型,综合应用有限差分法、共轭梯度法及快速傅立叶变换算法进行数值求解,分析夹杂物对油膜厚度、压力及次表面应力的影响。结果表明:稳态条件下,硬夹杂物使得其上方的油膜压力增加、内部应力上升,而软夹杂物使得其上方的压力和内部应力均减小,但左右两边缘处出现应力集中;夹杂物的存在对油膜厚度的影响较小;当夹杂物体积和位置相同时,椭球体形夹杂物对油膜压力的影响比立方体形夹杂物显著,但含立方体形夹杂物的材料内最大von Mises应力对夹杂物弹性参数的变化更为敏感;时变条件下,非均质材料表面的油膜压力和内部的次表面应力均受动态效应的影响,呈现出与稳态下不同的特性。

评定非均质金属材料机械性能的新途径

介绍了微型剪切试验性能参数;研究了它们与常规拉伸试验和断裂力学试验参数之间的数量关系;并讨论了用这些关系式确定非均质材料极狭窄范围内的机械性能参数的问题。

用于非均质复合材料应力分析的交错网格有限体积法

针对非均质复合材料的应力问题,发展了一种交错网格有限体积法(SCV-FVM)。该方法基于非结构网格离散线弹性平衡方程,采用交错网格技术将材料的空间变化引入离散过程,从而不需要显式处理复合材料交界面。用SCV-FVM对宏观非均质复合材料应力场进行了数值模拟,结果与理论解吻合良好。与其他数值结果的对比表明,SCV-FVM能够避免材料物性突变引起的牵引力方向的应力数值波动及不连续现象,但是难以捕捉垂直于牵引力方向的应力跳跃现象,可以通过加密交界面网格来改善计算结果。用SCV-FVM对微观非均质复合材料应力场进行了数值模拟,结果不存在由物性参数空间变化引起的数值不连续现象及应力集中现象,表明SCV-FVM适合对微观非均质材料进行应力分析。