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。

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.

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。

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。

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。

非均质材料的细观力学行为研究

为了较好地模拟非均质材料的细观损伤行为,利用含夹杂与裂尖的解析胞元法建立考虑温度效应的复合材料内部裂尖邻域的细观力学模型,利用该模型分析非均质材料中初始缺陷对材料力学性能的影响。研究结果表明,建立的解析胞元法不仅能够比较精确地模拟非均匀材料细观几何结构特征对宏观性能的影响,还能够预测温度场变化引起的裂纹扩展。

非均质材料零件的材料设计

阐述了非均质材料零件设计优化的数学模型,并采用灵敏度分析以及最速下降法对其各个材料区域的材料性能进行设计优化,得到最佳材料性能参数后,再从非均质材料数据库中找到相应的工程材料,合成满足设计要求的非均质材料零件

非均质材料瞬态热传导的时域自适应等效分析

为实现非均质材料瞬态热传导的时域自适应等效分析,提出了一种分析线性非均质材料瞬态热传导的等效模型,用来预测等效性能并评估宏观温度场的等效行为;基于时域自适应算法,将瞬态热传导方程在时段上展开,结合渐进展开均匀化技术,得到递推格式的等效热传导方程,再利用有限元方法得到等效瞬态温度场求解模型。在实现等效分析的计算中,可通过自适应计算避免时段大小变化时可能出现的计算误差。通过数值算例,将等效分析的计算结果与基于ANSYS的有限元非均质解进行了比较,结果是令人满意的。

基于Cosserat理论的微观结构对非均质材料有效性能的影响分析

为更有效地研究具有周期性微观结构的非均质材料平面应变问题,用基于Cosserat理论的渐进均匀化方法得到微观结构对非均质材料有效性能的影响情况.计算结果表明,单胞内夹杂体的形状对有效杨氏弹性模量、有效泊松比、有效Cosserat弹性常数和有效材料特征长度有影响,并且随着夹杂体与单胞体积比的增大而影响明显.

非均质材料的扩展无单元Galerkin法模拟

该文基于滑动Kriging插值法,提出了求解含夹杂非均匀材料问题的扩展无单元Galerkin法。该方法利用水平集函数对滑动Kriging插值形函数进行扩展,从而来反映材料交界面的几何形状和不连续位移场。相比传统的移动最小二乘法形函数,滑动Kriging插值形函数由于满足Kronecker delta函数性质,因此能准确施加位移边界条件。在含夹杂非均匀材料问题求解时,阐述了扩展无单元Galerkin法位移模式的构造以及控制方程的建立。最后通过单夹杂和多夹杂算例表明,扩展无单元Galerkin法相比扩展有限元法,计算精度更高、收敛速率更快。

非均质材料动力分析的广义多尺度有限元法

自然界和工程中的大部分材料都具有多尺度特征,当考察尺度小到一定程度后,都将表现出非均质性.针对非均质材料的动力问题,提出了一种广义多尺度有限元方法,其基本思想是利用静态凝聚法以及罚函数法构造能够反映单元内部材料非均质特性的多尺度位移基函数.与传统扩展多尺度有限元法中的基函数构造方式不同,广义多尺度有限元法的基函数无需通过在子网格域上多次求解椭圆问题得到,而可直接通过矩阵运算获得.其主要步骤如下:利用数值基函数将一个非均质单胞等效为一个宏观单元,进而形成整个结构的等效刚度矩阵,并得到宏观网格的节点位移,最后再次利用数值基函数得到微观尺度上的位移结果.该广义多尺度有限元法是扩展多尺度有限元法的一种新的拓展,可模拟具有更加复杂几何的非均质单胞的力学行为.通过数值算例,模拟了非均质材料的静力问题、广义特征值问题以及瞬态响应问题,计算结果表明:在边界条件一样的情况下,广义多尺度有限元法的计算结果与传统有限元的计算结果保持高度一致.与传统有限元相比,该方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率.研究结果表明,广义多尺度有限元法能够很好地模拟非均质单胞的力学行为,具有良好的工程应用潜力.

非均质材料零件几何和材料的并行设计研究

为了解决非均质材料零件设计中几何特征和材料特征的耦合问题,提出了一种基于可行方向法和遗传算法的几何和材料的并行设计方法。通过设定关键点来表示不断变化的零件几何特征,引入虚拟节点以描述其材料特征,构建非均质材料零件几何和材料并行设计的优化模型。在优化设计过程中,关键点的坐标增量采用可行方向法求解,虚拟节点的材料体积分数增量通过遗传算法获得,两种优化算法交替迭代,便得到了零件几何形状和材料分布的组合最优解。采用该方法设计了一个非均质材料的等温器具,通过有限元技术对其温度场和应力场进行模拟和分析,并利用ANSYS软件对设计结果进行验证,从而说明了该方法的有效性和实用性。

基于SLS技术的非均质材料零件成型研究

基于SLS成型的非均质材料零件是一种变密度材料零件。预热温度和激光能量是影响SLS成型零件烧结密度的主要因素。通过实验调整预热温度和激光能量的参数,然后用MATALB对实验数据进行分析处理,得到烧结密度数学模型,达到对基于SLS成型的非均质材料零件烧结密度进行控制的目的。

非均质材料有限变形下的热弹性随机均化方法

在有限变形条件下,充分考虑微观结构具有不确定性时对二相非均质材料进行热弹性随机均化分析.将蒙特卡洛方法和多尺度有限元方法相结合,构建了有限变形下的热弹性随机均化框架.采用两步法分别对有限变形下非均质材料的宏观随机有效力学和有效热学性质进行了求解,并进一步对随机有效性质的数字特征值进行了推导,得到了应力张量、热流量张量、变形梯度张量等随机有效量.最后通过算例对所提方法进行了验证,得出了不同相关条件及边界条件下随机有效量的均值和变异系数.讨论了不同相关条件及边界条件下随机有效量在表征体积单元中的分布.结果表明,有限变形下微观结构中客观存在的随机性和相关性在热弹性的随机均化分析中不能忽略.

非均质材料物理计算法对铋系线材拔制过程的研究

利用"非均质材料物理"的相关方法计算了Bi-2223/Ag超导单芯线材在不同拔制阶段时的弹性模量。同时,通过单向拉伸试验验证了计算过程及结果。计算及实验结果表明:利用"非均质材料物理"经典公式的计算结果可以确定Bi-2223/Ag超导单芯线材弹性模量的上、下限。弹性模量的计算是后续利用"连续塑性模型"确定超导单芯线材"应力-应变"性能的基础,对确定超导线材相关力学性能和制定形变工艺制度具有重要意义。

接触载荷作用下非均质材料表层应力集中分析

利用数值化等效夹杂方法分析接触载荷作用下规则分布杂质单元影响材料表层最大von Mises应力大小和位置,并与相同工况下均质材料分析结果进行对比。在此基础上,研究不同分布参数下正态分布杂质单元对材料应力集中行为的影响。研究结果表明:在特定接触载荷作用下,均质材料表层最大von Mises应力随摩擦因数增大而增大,但杂质单元的存在将改变最大von Mises应力位置变化规律。非均质材料基体表层应力集中随分布杂质单元x方向平均坐标值增大而逐渐增大;随y方向平均坐标值增大而逐渐减小;随杂质单元半径增大而先增后减;分布杂质单元体积分数增大将导致基体最大von Mises应力上升。