基于旋转运动硬化理论的修正剑桥模型的改进

修正剑桥模型是最早建立和得到广泛承认的经典土体弹塑性模型之一,但不能模拟应力路径转折时土体的应力-应变特性以及应力引起的各向异性。将旋转运动硬化理论引入到剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,在不增加任何模型参数的情况下,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型。扩展的新模型既保留了单调加载时的等向硬化的特性,又能反映应力路径转折时土体的本构特性与应力诱发的各向异性,初步验证了模型的有效性。

旋转硬化与统一硬化参量在修正剑桥模型中的应用

针对修正剑桥模型不能模拟土体剪胀性、应力路径转折时土体的应力应变特性以及应力引起的各向异性,将旋转运动硬化理论引入到修正剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型.同时,为了能够反映砂土和超固结土的剪胀等本构特性,用统一硬化参量H代替修正剑桥模型中的等向硬化参数—塑性体积应变pvε,建立了一个新的基于旋转硬化与统一硬化参量的改进的修正剑桥模型.对修正剑桥模型、旋转运动硬化修正剑桥模型和新模型进行了定性对比,结果表明,新模型不但能够反映应力路径转折时土体的特性,也能描述土体的剪缩和剪胀.

液体非线性晃动试验与等效力学模型仿真

航天器的在轨机动可能导致液体燃料出现包括非线性晃动在内的复杂动力学行为。采用运动脉动球模型(MPBM)对液体非线性旋转晃动问题进行了研究,并通过开展地面试验验证了MPBM仿真结果的准确性。首先,在MPBM的建模过程中以晃动回复力的形式考虑重力的影响,具体是通过虚功原理将重力作用引入到脉动球的能量变化过程。然后,搭建地面晃动试验平台,实现了对球型贮箱晃动现象的准确观测以及对晃动力和晃动力矩的实时测量。最后,以试验实测的加速度激励和晃动力为参照,采用MPBM进行了仿真与对比,仿真结果较好地匹配了试验结果。文中对液体晃动的合理抽象进一步地提升了等效力学模型对复杂晃动行为的仿真能力,为实现航天器更为高效、准确的在轨控制提供基础。

旋转导弹非线性动力学建模方法研究

为解决传统线性建模方法不能准确描述旋转导弹不稳定运动形态的问题,对一种旋转导弹非线性动力学建模方法进行了研究。基于空气动力学作用原理,在全攻角坐标系中建立旋转导弹的六分量气动力的描述。考虑导弹弹体运动描述的直观性,在准弹体坐标系中进行动力学建模,采用偏微分形式对气动力和气动力矩进行表述,通过等效代换获得完整的导弹非线性动力学模型。建模中考虑了静稳定力矩和马格努斯力矩对攻角的气动非线性作用,以及洗流迟滞等气动非定常效应的影响;增加了非线性阻尼的作用和舵偏角速度引起的洗流项;考虑了转速效应的影响,增加了转速对面内力矩和面外力矩的作用项。数值仿真结果表明:根据参数不同,该模型可描述攻角运动收敛、分叉和极限环等运动形态。研究为旋转导弹运动分析提供了数学模型基础。

一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型

目的针对现有肌骨模型建模精度差,有限元模型计算效率低的问题,本研究创新性提出耦合两种模型建立一种可定制化多尺度全身刚柔混合人体肌骨数字模型,实现多场景下人体动作的多尺度多物理的高精度、高效率耦合模拟。方法基于医疗影像数据在有限元环境中运用显示动态有限元法与参数化编程建立多尺度全身刚柔混合肌骨数字模型。其中肌肉采用希尔模型建模,胫股关节被建模为6自由度Cartesian-Cardan连接器;髌股关节具有前后、上下平移自由度和屈伸旋转自由度;其他关节建模为Join-Cardan连接器。并通过步态与肌肉激活数据对肌骨模型进行校准和优化。同时建立基于医疗影像数据特征的非线性变换的模型缩放算法,实现对肌骨模型的快速缩放。结果本研究建立的全身肌骨数字模型可实现针对特定受试者的个性化快速缩放,并可通过运动数据作为个性化边界条件输入驱动模型,从而进行身体与组织水平的相关研究。与单一的肌骨模型或有限元模型相比,其预测精度提高15%,个性化缩放效率提高60%,且计算效率大幅提升。结论本研究建立的全身肌骨数字模型具有建模精度与计算效率平衡的明显优势,可实现多场景下人体-关节-软组织跨尺度动力学研究,并为人工假体的在体多维性能评测提供数字化分析平台。

基于RIK硬化模型的柔性辊弯成形仿真研究

针对柔性辊弯成形过程中板材反复加载、卸载的复杂成形工艺特点,采用Fortran语言对ABAQUS用户子程序VUMAT进行二次开发,对考虑交叉硬化效应和包辛格效应的材料非线性旋转运动(Non-linear Rotationaland Kinematic,RIK)硬化模型进行有限元程序实现,并利用动力显示ABAQUS/Explicit对柔性辊弯成形过程进行数值模拟。分析了材料RIK硬化模型对该成形过程应力应变的影响规律,并建立柔性辊弯成形起皱临界应力解析模型,探讨了板材的材料参数以及成形工艺参数对失稳起皱的影响。结果表明,非线性旋转运动硬化模型能够很好地体现柔性辊弯成形过程的工艺特点以及皱曲现象。