基于SBFEM的剪切型裂纹动态开裂模拟

剪切型断裂是岩土工程中常见的破坏模式,了解剪切破坏机理并准确预测剪切型裂纹的萌生、扩展过程对保障工程结构的安全性与稳定性具有重要意义.文章建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)和非局部宏-微观损伤模型的剪切型裂纹动态开裂模拟方法,定义了基于偏应变概念的物质点对的正伸长量,可作为预测剪切型裂纹扩展行为的动态开裂准则,一点的损伤定义为该点影响域范围内连接的物质键损伤的加权平均值,而物质键的损伤则与基于偏应变概念的物质点对的正伸长量相关联,并引入能量退化函数建立结构域几何拓扑损伤与能量损失之间的关系,将拓扑损伤与应力应变联系起来,通过能量退化函数修正了SBFEM的刚度系数矩阵,得到了子域在损伤状态下的刚度矩阵,推导了考虑结构损伤的SBFEM动力控制方程,采用Newmark隐式算法对控制方程进行时间离散.最后,通过3个典型算例验证了建议的模型可较好地模拟剪切型断裂问题,能够很好地捕捉剪切型裂纹的扩展路径,并得到较为准确的载荷-位移曲线.

超薄磨耗层抗滑性能的衰变规律及其影响因素

为了精确评价沥青超薄磨耗层开放交通后抗滑性能衰变过程、机理及影响因素,首先利用弧形模具及其配套的轮碾机来制备弧形超薄磨耗层试件;然后通过驱动轮式加速加载系统对4种级配类型和3个沥青胶结料等级的沥青超薄磨耗层试件进行加速加载试验;最后借助激光纹理扫描仪对一定轮载次数作用后的试件分别进行扫描。结合试验数据分别建立了基于S型函数的沥青超薄磨耗层宏观和微观构造深度衰变模型,以及基于灰色关联分析方法来分析各空隙率和沥青胶结料对抗滑性能的独立和耦合作用。试验研究结果显示:采用驱动轮式加速加载系统结合S型函数模型可以定量地评价和预测沥青超薄磨耗层性能的演变过程;空隙率影响超薄磨耗层宏观和微观构造深度的前期衰减速率,空隙率越大,则超薄磨耗层的宏观和微观构造深度的前期衰减速率越大;宏观构造深度的中后期衰减速率受沥青胶结料等级影响更大,沥青胶结料性能等级越高,则宏观构造深度的中后期衰减速率越慢;空隙率和沥青胶结料等级对超薄磨耗层微观构造深度中后期衰减速率的影响相当。因此,在进行超薄磨耗层抗滑性能设计时,选择大空隙率的开级配超薄磨耗层混合料级配对路面抗滑耐久性是有益的,而沥青胶结料的性能等级则可以根据交通量的大小合理选择。

考虑材料参数空间变异性的SBFEM开裂模拟

论文建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)框架的非局部宏微观损伤模型,考虑材料细观物理参数的空间变异性,探讨了材料参数的空间变异性对结构开裂过程的影响。结果表明:考虑材料参数空间变异性后,裂纹扩展路径具有不确定性,建议的模型能够很好地反应材料内在的随机性;随着结构受力情况的复杂化和结构本体缺陷的增多,裂纹开裂模式的变异性也会增大。自相关长度和参数变异系数对结构开裂分析结果有重要影响。

柔顺宏微操作系统动力学建模及振动抑制研究

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟滞模型,建立系统综合机电动力学模型。然后,在所建模型基础上设计变速趋近律调节切换增益,从而实现非线性离散滑模控制。最终搭建宏微操作系统测控平台,并进行轨迹跟踪和振动抑制试验。在轨迹跟踪时,对于不同频率的正弦参考轨迹,所设计的控制策略均能精确跟踪给定信号且误差较小;在振动抑制时,当宏动平台沿梯形与S轨迹运动时,微操作器残余振动稳定时间比改进前分别减少26.1%和50.0%,比无控制时分别缩短53.6%和53.3%。验证了动力学模型与离散滑模控制的有效性,提高了系统控制精度与效率。

基于改进灰狼算法的宏微复合驱动器磁滞模型的参数辨识

精确辨识磁滞模型参数是保证宏微复合驱动器位移跟踪精度的关键,针对传统灰狼算法(GWO)存在局部最小值和求解精度不高的缺陷,文章提出一种改进的灰狼算法(TGWO)。通过Singer混沌映射优化了灰狼个体的初始位置,以增加种群多样性;采用非线性收敛因子策略提高了局部开发度和全局搜索度;在种群位置迭代更新中引入动态权重更新和自适应更新策略。通过仿真和实验表明:该算法能有效可靠地辨识宏微复合驱动器磁滞模型的参数,平均相对误差为4.6%,拥有更高的精度和收敛性。

干湿循环脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型

针对三峡库区消落带等长期处于干湿循环条件下导致岩石损伤破坏的工程问题,探究在干湿循环和直接拉伸荷载共同作用下,脆性岩石的宏细观断裂力学特性这个难点问题。由于干湿循环条件下的直接拉伸试验较难实现,考虑干湿循环与直接拉伸荷载作用的宏细观力学关系模型非常欠缺。基于断裂力学理论方法,结合干湿循环试验研究方法,提出了一种干湿循环条件下脆性岩石直接拉伸断裂的宏细观力学模型。该模型是在考虑了干湿循环次数n与含水率ω对断裂韧度K_(IC)和初始损伤因子D_(0)综合影响的基础上,结合岩石初始细观裂纹损伤与裂纹断裂韧度的直接拉伸细观裂纹扩展力学模型建立的。对比分析抗拉强度、裂纹扩展极限长度l_(lim)、弹性模量、岩石劣化损伤的理论与试验结果,验证了模型的合理性。讨论了初始裂纹倾角φ、材料常数β等参数影响下,裂纹启裂应力及峰值应力随干湿循环次数n的变化规律。对比分析了干湿循环和单独含水条件对岩石劣化度力学特性的影响。

金属成形过程组织演变的Cellular Automaton模拟技术

结合金属凝固过程和热成形过程的温度场、浓度场、应力应变场等的数值模拟和金属结晶、再结晶过程中的热力学、动力学条件，建立了金属成形过程组织演变的宏－微观耦合模型．利用ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔｏｎ方法，依据建立的模型对Ｋ４１７Ｎｉ基合金叶片的凝固组织形成过程和热加工过程的再结晶组织进行了模拟．

Al-4.5%Cu合金凝固过程显微组织的数值模拟

对Al 4 .5 %Cu二元合金在水冷铜型中的凝固进行了模拟 ,建立了耦合温度场、浓度场和微观生长过程的凝固组织模拟模型。以CA(CellularAutomaton)技术为基础 ,建立了晶粒生长过程的局部演变规则 ,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。将相同条件下的实验结果和模拟结果进行了对照 ,检验了模型的正确性与适用条件。

一种改进的模拟凝固微观组织的宏微观耦合模型

按照复杂性研究思想 ,将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合 ,建立了模拟凝固微观组织演变的宏微观耦合模型MicrosCA -Solidification。与原有元胞自动机模型相比 ,该模型考虑了溶质再分配和液相中溶质扩散机制 ,考虑了成分过冷、曲率过冷及界面各向异性对枝晶尖端局部过冷度和界面平衡温度的影响 ,可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变。

颗粒增强金属基复合材料凝固过程的数值模拟研究进展

综述了颗粒增强金属基复合材料凝固过程数值模拟在宏观和微观两方面的主要研究进展情况。宏观部分着重介绍了一种耦合质量、动量、能量及溶质平衡方程的多相模型。微观部分介绍了临界速率确定模型并指出模拟的关键在于对颗粒/凝固界面相互作用、微观组织及使用性能的准确预测。最后指出了该研究领域目前存在的问题及发展方向。

铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测

数值模拟技术与计算机技术的迅速发展,使凝固过程的数值模拟正在由宏观向微观转变。微观模拟不仅可以得到材料的凝固组织,而且还能为宏观模拟提供准确的潜热释放信息。对宏观和微观现象的完整耦合可以使我们对铸造凝固过程作出更加准确的模拟预测。针对目前微观组织模拟的研究现状,介绍了几种主要的模拟研究方法,如确定性模拟方法、随机性模拟方法和相场方法等,阐述了其主要特征和模拟微观组织时存在的优缺点,并给出了各种模拟方法的计算实例。由于凝固组织数值模拟的复杂性,对其进行深入的研究是必要的,也是未来计算材料科学的重要发展方向。最后对微观模拟中的问题及发展方向作了分析。

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。

基于CA-FE的双辊连铸纯铝凝固组织模拟

鉴于双辊薄带连铸等轴晶区半固态铸轧组织对产品性能的重要性,应用Procast软件中的CA-FE方法对工业纯铝在水冷钢辊连续铸轧中的凝固过程进行了模拟,建立了宏观温度场、浓度场和微观生长过程耦合的凝固组织模拟模型。以CA(Cellular Automaton)模型为基础,建立了晶粒生长过程的局部演变规则,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。应用建立的微观组织模型,研究了工艺参数对凝固组织的影响。模拟结果与实验结果基本吻合,检验了模型的正确性与适用条件。

基于宏—细观模型的疲劳裂纹萌生数值模拟

为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,提高结构疲劳寿命预估精度,根据Tanaka-Mura单一微裂纹及裂尖微裂纹萌生寿命预测模型,模拟疲劳载荷下某马氏体钢孔边疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,生成代表多晶结构的二维特征单元。考虑晶粒内相互垂直的多滑移特性以及已起裂裂纹对相邻晶粒裂纹萌生的影响,建立微裂纹起裂与扩展的改进模型。中心孔平板试件疲劳寿命的数值模拟结果与试验值吻合良好,说明给出的改进宏细观疲劳寿命预测模型的有效性。

基于整体-局部统一滑动模型的叶片缘板阻尼器减振特性分析

文章通过在干摩擦接触面间引入弹性塑料剪切层来模拟摩擦接触,建立了整体-局部统一滑动摩擦模型。根据一次谐波平衡和等效线性化法计算等效刚度和等效阻尼2个干摩擦因子,用弹簧阻尼单元(包含2个干摩擦因子)模拟干摩擦力,建立了更为贴近工程实际的B-B型缘板阻尼叶片有限元模型。最后用谐响应分析及迭代的方法对系统进了求解,得到了缘板阻尼器设计中关键参数对叶片减振效果的影响规律。文中结论为工程中缘板干摩擦阻尼器设计提供了重要参考。

行人运动建模及仿真研究综述

根据行人运动建模及仿真发展历史以及已经提出的一些模型和算法,从宏观和微观两个层面对行人运动建模策略进行系统分析,包括宏观建模策略:行人动力学模型、空间交互/熵最大化模型以及微观建模策略:元胞自动机模型、磁力场模型、社会力模型、智能体模型、空间句法模型、马尔可夫模型。在建模策略分析基础上,重点研究了Legion,PAXPORT,NOM-AD,STEPS以及BuildingEXODUS五种主流行人仿真系统,总结了各系统的建模思想、核心模型及优缺点。指出了未来行人系统建模及仿真的研究趋势。

基于Markov blanket的无约束型K阶贝叶斯集成分类模型

为了提升K阶依赖贝叶斯分类(KDB)模型的条件依赖表达能力,本文以Markov blanket的特征提取思想为基本原则,降低特征属性间的条件独立性,根据贪婪搜索策略进行贝叶斯分类模型的结构学习。基于训练样本集构建宏观模型,基于测试样本构建微观模型,最终通过集成模型进行决策。针对UCI机器学习数据集进行交叉验证,实验结果分别从0-1损失、偏差和方差等角度证明了本文算法的合理性和有效性。

基于涌现视角的类BitTorrent性能分析模型

BitTorrent作为一种典型的实际P2P系统,在理论和实践中引起了广泛关注.给出一个有效的类BitTor-rent系统分析模型一直是人们努力的一个方向.本文基于系统科学中的涌现概念,从微观到宏观来研究BitTorrent系统,给出了BitTorrent系统的微-宏观分析模型.首先从相对清晰的系统微观(结点)状态和行为入手,选取表征BitTorrent结点的参数,称为微观参数;根据BitTorrent的结点行为,基于这些微观参数,给出系统的微观行为描述;选取表征Bit-Torrent宏观态的变量,称为宏观变量;然后依据宏观变量与微观变量的关系,基于微观行为描述,建立系统的宏观演化方程;进而研究系统的宏观特性.实验表明该模型能够有效刻画BitTorrent系统的行为.

以损伤变量为特征的岩石损伤理论研究进展

文章从损伤变量定义的方法入手 ,讨论了基于宏微观理论的损伤变量定义方法及其相应的损伤模型。通过对这两类定义方法的优缺点进行讨论后指出 。

三轴压缩下岩石／混凝土的三维细观损伤模型

考虑三轴压应力作用下的无限大体深埋椭圆形裂纹的变形场,给出了闭合椭圆形微裂纹的能量释放率.采用能量平衡方法分析了闭合椭圆形微裂纹的扩展条件,得到了代表性体积单元中具有任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量.分析了闭合椭圆形微裂纹的偏折扩展,得到了微裂纹偏折扩展引起的附加柔度张量.采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性体积单元变形的影响,引入概率密度函数,得到了三轴压缩下岩石/混凝土的三维细观损伤模型.分析了混凝土的单轴压缩特性,结果表明该模型能够很好地描述实验现象.