有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。

二维接触问题的无网格伽辽金-有限元耦合方法

研究了二维接触问题的无网格伽辽金 -有限元耦合方法。给出了接触问题的数学模型 ,对其中的线性规划法进行深入分析 ,并将它与无网格伽辽金 -有限元耦合方法结合求解接触问题。通过编程对光滑表面圆柱体与刚性平面的弹性接触问题以及粗糙表面与刚性平面的弹性 -理想塑性接触进行求解 ,在对无网格区域相关参数研究的基础上 ,指出了用无网格伽辽金

基于有限元/离散元耦合分析方法的含预制裂隙圆形孔洞试样破坏特性数值分析

为了揭示结构面作用下深埋高应力硐室围岩的破坏机制,采用有限元/离散元耦合分析方法(FDEM)对含预制裂隙圆形孔洞硬岩试样建立数值模型,研究不同预制裂隙(结构面)位置、长度以及倾角下试样孔洞周边裂纹扩展规律及其力学破坏特性,针对各种情况提出了相应的支护措施。研究发现,(1)在无预制裂隙作用条件下圆形孔洞顶底部首先出现张拉裂纹,随后在孔洞两侧相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通,近似于开挖面附近的板裂化破坏;(2)若洞壁一侧存在已揭露裂隙该侧岩体整体呈剪切滑移型破坏,若洞壁一侧存在未揭露裂隙该侧岩体的破坏模式为张拉–剪切型破坏,未揭露预制裂隙试样的破坏程度更为剧烈且更容易诱发岩爆;(3)对于孔洞上方的预制裂隙,无论揭露与否最终都会产生局部性顶板垮落或崩塌;(4)随着预制裂隙长度的增加,圆形孔洞上方岩体由短裂隙时的局部性垮塌最终转变为全局式垮塌;(5)对于孔洞一侧预制裂隙,试样破坏过程所释放的动能(破坏程度)随裂隙倾角的增加呈现先增大后降低的趋势,对于孔洞顶部预制裂隙,试样的破坏剧烈程度随裂隙倾角的增加呈现单调递增趋势。研究结果可为含裂隙或断层岩体地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供指导。

用耦合有限元方法计算高压电器电场的研究

本文将两种高阶有限单元 (高阶亚参有限单元和高阶等参有限单元 )结合在一起 ,研究了一种适用于高压电器电场计算的耦合有限元方法 。

基于离散元与有限元耦合的充气轮胎沙土路面行驶性能仿真方法研究

为研究充气轮胎在沙土路面的行驶性能,提出用于模拟充气轮胎-沙土路面行驶性能的离散元与有限元耦合模型,建立205/55R16轮胎的三维有限元模型和沙土路面离散元模型,并以离散元与有限元接触算法模拟轮胎与路面之间的相互作用。依据被动滑转原理,采用基于PID控制理论的加载方式为土槽装置轮胎加载。在自主研发的越野车沙地行驶行为仿真软件ORV-SAND中实现以上功能,仿真分析两种胎面对应轮胎的总牵引力、挂钩牵引力、行驶阻力和轮辋下陷量等行驶参数,以及不同滑转率对这些参数的影响。结果表明,仿真分析与试验结果在趋势上具有较好的一致性,说明提出的充气轮胎-沙土路面离散元与有限元耦合模型及仿真方法在研究轮胎与沙土相互作用关系方面具有很大的潜力。

基于损伤-有限元全耦合法的无砟轨道CA砂浆疲劳损伤机制

无砟轨道结构在千万甚至上亿次列车荷载作用下各功能部件容易发生高周疲劳破坏,以CA砂浆为研究对象,开发疲劳损伤本构关系的材料子程序,建立损伤-有限元全耦合技术下的CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆疲劳损伤分析方法,揭示砂浆脱空、砂浆初始劣化和列车荷载变化等关键因素对无砟轨道结构部件疲劳损伤累积的影响。结果表明:全耦合方法可以反映损伤与结构应力场的相互影响机制,在一定程度上揭示了CRTSⅠ型板式无砟轨道CA砂浆层的疲劳损伤机理;CA砂浆脱空较CA砂浆初始劣化以及列车荷载变化对其损伤累积的影响突出;沿砂浆横向,随着加载次数的增加荷载应力分布逐渐均匀化;沿砂浆纵向,越靠近砂浆端部的荷载应力随着加载次数降低程度越剧烈,随着远离端部这种降低程度在迅速削弱,端部荷载应力的损失将分配到纵向其他位置的荷载应力增加,增加幅度随着远离端部逐步减少;在砂浆初始劣化50%工况中,脱空长度越长,列车荷载越大,应力的非线性变化越突出,并且在应力重分布过程中荷载应力逐步向线性化发展;在1 500万次加载范围内,应力水平小于0.5,则可以忽略CA砂浆层应力重分布对损伤累积的影响。

越野车轮胎卵石路面牵引性能有限元与离散元耦合仿真及试验验证

越野车轮与松软路面相互作用研究对提高越野车辆松软路面行驶性能有重要意义。针对有限元方法或离散元方法不能单独有效描述轮胎与松软路面相互作用的问题,基于室内单轮土槽试验,建立能表征越野车轮胎复杂力学特性和卵石路面散体介质特性的有限元轮胎-离散元卵石路面耦合模型。使用有限元仿真分析软件LS-DYNA对越野车轮胎在不同滑转率工况下卵石路面的牵引性能进行仿真实验,得到了轮胎牵引性能参数(轮胎牵引力、轮辋下陷量)以及它们随滑转率变化关系。研究表明,仿真结果与土槽试验结果的一致性良好,验证了越野车轮胎卵石路面性能评价有限元与离散元耦合模型及仿真分析方法的正确性。

7075薄壁件二维单刃切削的有限元仿真

利用MSC.Marc软件,采用弹塑-热耦合有限元方法模拟出刀具在切削7075薄壁件过程中各变形区内温度、应力、应变以及切削力的分布。刀具前方为压应力,刀具后方为拉应力,刀具经过的表面薄层内存在较大的切削残余应力。仿真结果可为夹具设计以及切削参数优化提供帮助。

板形环受热变形有限元分析及理论计算研究

应用热/结构直接耦合有限元方法对压磁式板形测量仪中的板形环受热后的温度场分布及热变形进行了仿真分析,并进行了理论计算对仿真结果进行了校验,所得结果可以预知板形环的安装孔在受热后的变形量,在板形环结构设计时就可以给出相应的配合尺寸补偿值,保证在工作温度变化后仍具有优良的配合,对压电磁板形测量仪的设计及安装调试都具有重要的实际指导意义。

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.

基于DEM-FEM耦合的双齿辊破碎机辊齿强度分析

由于双齿辊破碎机入料粒度大、破碎过程短,且破碎机理以拉伸和剪切破坏为主,从而导致在设计时难以确定载荷大小以及载荷分布。对此,本文提出了一种基于离散元(DEM)与有限元(FEM)耦合计算的双齿辊破碎机辊齿强度分析方法,通过施加分布载荷的方法提高了辊齿强度计算的真实性和准确性。分布载荷通过离散元软件EDEM仿真计算得到。本文针对双齿棍破碎机的入料粒度分布,考虑物料强度的尺寸效应,分别对不同粒度的物料进行了单轴压缩试验和巴西圆盘试验,标定物料的抗压和抗拉强度,并最终确定了离散元仿真中的粘结参数。通过分析离散元仿真结果,选取辊齿受力最大时辊齿上的分布载荷,将其加载到在ANSYS环境中对应时刻工作位置的辊齿FEM模型上,进行强度分析。结果表明:最大受力时刻辊齿载荷主要分布在齿背,此时在齿根前部有应力集中。

接触问题的自适应无网格伽辽金方法

针对接触问题提出了基于应变能梯度的自适应无网格伽辽金方法。通过对自适应无网格伽辽金方法的原理讨论,给出了基于背景网格的误差估计方法,并对自适应求解流程进行了阐述。研究了无网格节点加密技术和自适应搜索半径等关键技术。编程求解了圆柱体接触问题,并与理论解和均匀密化数值解进行比较,给出了接触计算中合理的参数范围,对真实粗糙表面接触问题进行了计算,计算结果表明,在相当计算精度下,自适应加密计算耗时仅为同等整体加密计算的18.6%。

高速列车作用下场地振动的分析方法及特性研究

基于车辆动力学和有限元-无限元结合方法 ,建立高速列车-无砟轨道-路基-场地土动力相互作用三维数值分析模型,提出一种研究高速列车引起周围场地振动的分析方法,计算列车荷载作用下周边地基土的动应力和动位移,与既有文献中的结果对比验证本文方法,分析地基土性状对高速铁路场地振动的影响。该模型利用ABAQUS软件,同时结合FORTRAN、MATLAB程序模拟高速列车在钢轨上的实时运行,考虑轨道不平顺,将无限元作为地基土的边界,与模拟地基土实体的有限单元进行耦合,较好解决了振动波在模型边界的反射问题,为列车、轨道、路基系统动力学和轨道交通环境振动分析提供了新的研究思路和计算方法。

煤粉界面厚度影响下结合面接触刚度分析

为研究煤粉界面厚度对结合面接触刚度的影响,对接触表面的微观形貌进行了刻画,试验测量了煤粉颗粒间及其与接触面间的接触参数,并基于颗粒液桥与颗粒破碎理论,采用有限元-离散元耦合方法,建立了含有煤粉界面的结合面三体接触模型,分析了不同煤粉界面厚度对结合面接触刚度的影响。研究结果表明:随着煤粉界面厚度增加,煤粉颗粒破碎数量先增加后降低,当界面厚度为0.5 mm时发生破碎的颗粒数量最多,其中中大粒径颗粒主要起到承载作用;随着界面厚度的增加,煤粉颗粒力链数量和长度随之增加,煤粉颗粒间的液桥力随之减小,随着大粒径颗粒的破碎,液桥力会发生骤降;当界面厚度为0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm时,结合面三体接触刚度分别为1.792×10^(8) Pa/m、1.659×10^(8) Pa/m、1.600×10^(8) Pa/m,最后采用试验方法进行了验证。研究结果为煤矿装备动态特性与寿命预测研究提供依据。

自适应无网格方法在涂层弹塑性接触中的应用

采用自适应无网格-有限元耦合方法研究多层介质表面弹塑性接触问题。将基于应变能梯度的自适应无网格法与线性规划-增量初应力法相结合,给出模型计算理论和算法实现,并在计算中考虑了材料的塑性应变。研究了一种涂层表面和圆柱体表面、粗糙表面的弹塑性接触,并分别与其均匀密化解进行比较。结果表明:在同等条件下采用自适应无网格方法对弹性-理想塑性接触问题进行计算能在较小的计算耗费下取得较好的计算结果。

保形动网格策略在CFD/CSD耦合中的应用

提出了一种基于有限元插值投影,径向基函数(RBF)和无限插值(TFI)的保形动网格策略,并将其用于考虑舵偏扰动的舵身组合体CFD/CSD耦合分析。研究思路为:首先采用RBF方法完成刚性运动组合体投影基面的弹性变形;其次采用基于有限元插值的投影方法按照点、线、面的顺序将上一步的物面网格向投影基面投影,获得变形后的物面网格,期间通过TFI技术保持原始网格的分布;再采用TFI技术将物面网格的变形均匀地插往全场网格,获得最终的全场网格;最后通过CFD/CSD松耦合策略配合耦合边界条件实现耦合计算。通过算例获得的主要结论有:(1)在刚性舵偏16°的算例中,保形动网格策略实现了组合体物面点保形率100%;(2)在考虑舵偏扰动的舵身组合体算例中,保形动网格策略在保持了弹身和舵面几何形状的同时,还保持了合理的网格分布,而总计算时间仅增加2.1%。

基于不相干平面波叠加以模拟混响声场的航天器低频声固耦合分析

文章针对航天器在混响声场中的随机振动问题,提出一种通过多个不相干的平面波线性叠加以模拟混响声场的实现方法,给出了每个平面波的具体参数并从理论上证明其满足理想混响声场假设。在此基础上利用有限元-边界元耦合方法对整星低频声固耦合问题进行分析,并用混响室噪声试验响应数据进行了验证。研究结果表明:该方法理论推导正确,为航天器低频声固耦合分析及声振力学环境预示提供了一种新的有效手段。

ZrO2增韧Al2O3颗粒增强Fe45复合材料拉伸断裂的有限元-离散元耦合方法仿真

采用有限元-离散元耦合方法(FEM-DEM方法),进行了氧化锆增韧氧化铝颗粒增强Fe45复合材料(ZrO2-Al2O3/Fe45)轴对称代表体元模型的拉伸断裂仿真分析。分析了FEM-DEM模型对单元尺寸的敏感性,结果表明采用,二阶实体单元加双零厚度内聚力单元的FEM-DEM模型降低了计算结果对单元尺寸的敏感性。ZrO2-Al2O3/Fe45复合材料拉伸断裂的模拟结果表明,颗粒形状对裂纹的扩展会产生较大影响,复合材料的开裂首先在垂直于拉力方向的界面处发生,界面裂纹扩展至基体应力集中处之后基体发生开裂,裂纹由开裂的界面和基体裂纹共同组成。

土工格栅加强下有砟铁路道床动力特性的离散元-有限元耦合分析

论文提出了一种可用于分析土工格栅与道砟颗粒间相互作用的离散元-有限元耦合方法.道砟颗粒采用镶嵌单元模拟,土工格栅采用梁单元计算,并在接触面上实现了离散元和有限元域间力学参数的传递.通过循环载荷作用下的计算,对比分析了土工格栅对道砟颗粒的加固性能.通过加筋后道砟颗粒的直剪试验进一步揭示了土工格栅加固作用的内在机理.结果表明:土工格栅可有效地降低有砟道床横向位移以及顶部沉降量,加筋后道砟材料的内聚力和摩擦角都有所提高.由此可见,土工格栅能够增加道砟颗粒间的自锁作用,提高道砟材料的强度,并有效地阻止剪切带从上部道砟箱向下部道砟箱贯穿.

掏槽爆破成腔空孔效应数值模拟研究与分析

掏槽爆破是巷道掘进单自由面爆破的关键。为探究空孔对掏槽爆破效果的影响,基于空孔作用理论,利用有限元-粒子流耦合方法,建立单空孔掏槽爆破三维数值模型,并结合现场掏槽爆破试验结果,分析多段掏槽爆破空孔附近岩石应力分布特征,岩石破碎、抛掷及槽腔成形过程对空孔响应规律。研究结果表明:空孔对近场岩石应力场的分布具有导向作用,并在空孔周围形成明显的应力集中效应,增加应力高峰值区范围,进而为后续爆破提供有利条件;岩石抛掷效果以及槽腔大小与空孔之间表现出强相关性,单空孔掏槽爆破与无空孔相比,抛掷速度提升34.7%,抛掷效率提高了10.2%,现场试验中腔体体积增加17.1%,掏槽深度增加了16.3%,但槽腔整体形状变化不明显;研究结果对实际掏槽爆破参数设计和优化提供了部分理论依据。