一族基于模型的积分算法在负刚度时的数值稳定性

在正刚度条件下,基于模型的积分算法兼具无条件稳定和显式的特性。为了研究基于模型的积分算法在负刚度条件下的数值稳定性,对一族新近提出来的GCR(generalized Chen-Ricles,GCR)算法进行分析。首先,推导出GCR族算法在负刚度条件下的稳定性准则,得到满足无条件稳定的参数取值范围。其次,通过分析积分参数、阻尼比及时间步长对GCR族算法数值稳定性的影响规律,验证推导的稳定性准则。再次,对多自由度体系负刚度条件下隐式算法和GCR族算法的数值稳定性进行分析和对比,并提出适用于正负刚度条件下GCR族算法的分析流程和策略。最后,通过2个典型算例验证了所提策略,表明GCR算法在正负刚度条件下可以同时满足稳定。

用两阶段度量误差模型方法和ForStat软件进行模型整合

以同龄林分的年龄X、平均单株胸径Y1 (cm)和平均单株材积Y2 (m3)的关系模型为例 ,应用ForStat软件 ,分别用常规方法和两阶段度量误差模型方法对模型进行整合。结果表明 ,应用常规方法得到的Y2 估计值明显有偏 ,而应用度量误差模型方法得到的Y2 估计值明显优于应用常规方法得到的估计结果。事实证明

适用于弹黏塑性本构模型的修正切面算法

针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。该弹黏塑性本构模型结合了修正剑桥模型和过应力理论。首先对弹黏塑性本构模型的应力–应变关系式进行了调整,基于过应力理论给出了动态加载面硬化参数的演化方程。其次,利用切面算法对整理后应力–应变关系式进行了数值实现。在弹性试算过程中,该算法假设黏塑性应变率为常数,以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中,对动态加载面函数进行泰勒级数展开,依此获得黏塑性应变率增量。再次,提出了一种自动分步方法,有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。最后,对变应变率的固结试验和三轴剪切不排水试验进行了模拟,分析了修正切面算法的计算能力。

亚塑性本构模型的隐式数值积分算法

针对亚塑性本构方程率型隐式的特点,推导了求解亚塑性本构方程的隐式数值积分算法,并对该算法做了进一步改进,引入自适应时间步长技术,在保证精度和收敛速度的前提下,通过合理选择时间步长,降低了计算时间,保证了该计算程序的可靠性。通过采用该算法所编制的Gudehus-Bauer亚塑性模型有限元程序,对已知算例进行验证计算结果表明,本文算法比较精确。最后对一堆石大堤进行了应力变形的亚塑性数值求解,所得结果合理,反映了该大堤堆石料的主要应力应变特性,表明本文算法求解实际工程问题时可行。

钛合金热粘塑性本构关系的子程序开发及有限元验证

目前大型有限元商业软件中包含一些常见的金属热粘塑性本构模型有限元程序,但由于不同的具体工程应用问题,这些软件中的模型通常无法满足对高速冲击或切削等条件下材料性能的描述。针对这一问题,本研究引入一种显式积分算法,并通过ABAQUS用户子程序接口将用户自定义的金属热粘塑性本构模型进行了数值程序实现。对比实验数据可见,VUMAT子程序可较准确地描述TC4钛合金的应变率强化与温度软化效应。此外,通过与ABAQUS软件自带的Johnson-Cook本构模型数值模拟结果对比发现,两者吻合良好,且子程序在计算效率方面明显优于前者,为金属材料在高速冲击或切削加工等条件下的数值模拟提供了技术支撑。

刀盘掘进过程动态仿真

刀盘是岩石隧道掘进机(TBM)开挖岩石的关键部件,通过试验或者现场施工数据得到其与围岩的相互作用规律极为困难。利用数值模拟方法,在ABAQUS/Explicit环境下建立了模拟刀盘掘进的三维分析模型。采用扩展的DruckerPrager非线性弹塑性模型作为岩体的本构模型;应用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟切屑的形成及分离,并基于显式积分算法实现了TBM刀盘掘进全物理过程的直接数值模拟,得到了刀盘的动态掘进载荷以及掌子面岩体的损伤失效状态。仿真结果表明:对于所选定的岩石力学参数,当推进距离达到8.5 mm时,掌子面岩体全面损伤,刀盘进入稳定掘进阶段;在掘进过程中,刀盘载荷波动剧烈,其第1阶主频约为刀盘转动频率的2倍。上述模拟方法可以为TBM掘进过程的分析提供有效的工具。

薄板渐进成形数值仿真研究进展

由于板料渐进成形过程的耗时性以及变形机理和接触模型的复杂性,数值仿真面临效率、精度和算法等方面的问题。分析了板料渐进成形数值仿真中显、隐式积分算法的优劣,归纳了网格划分中壳单元、实体单元以及实体-壳单元的不同特点,总结了渐进成形仿真中确定屈服函数、硬化准则和断裂模型的难点与规律。最后,从简化模型、自适应网格、结构对称性、虚拟速度和质量缩放等方面研究如何提高仿真效率,并分析了其中的关键技术、存在的问题以及未来的发展趋势,帮助在仿真的设定、优化与分析方面获得更进一步的理解,推动渐进成形专用仿真技术的发展。

基于约束矩阵的数控车刀几何参数决策方法

针对数控车削刀具几何参数决策问题,结合数控车削刀具的特点和数控车削刀具几何参数选择的规则,提出基于约束矩阵的数控车削刀具几何参数决策方法。该方法从数控车削刀具几何参数的结构化表达机制、数控车削刀具与影响刀具几何参数选择的因素之间的映射关系等方面出发,构建数控车削刀具综合信息模型框架。基于该模型,采用参数选择约束矩阵表达数控车削刀具几何参数选择规则,计算数控车削刀具几何参数的权重优先级矩阵,构建数控车削刀具几何参数选择决策算法,最终实现对数控车削刀具几何参数的选择。以某企业零件的数控车削刀具选择为例,验证了该决策算法的可行性和有效性。

使用基于模型的积分算法的钢框架非线性时程分析

基于模型的积分算法为新近提出的一类同时具有无条件稳定及显式两种特性的积分算法。为了更加深入地了解该类算法的计算流程及计算效果,使用一种基于模型的积分算法对钢框架进行地震作用下的非线性时程分析。采用基于刚度的纤维梁柱单元来建立钢框架的有限元模型,并采用基于模型的积分算法求解结构运动方程,详细地给出了分析步骤。根据美国规范,设计了一个四层钢框架。利用Matlab/Simulink编制了有限元数值仿真平台,建立了钢框架的有限元模型。同时,使用OpenSees软件建立了相同的结构模型,并采用Newmark常平均加速度法。OpenSees模型的分析结果作为参照。结果表明:在使用基于模型的积分算法时,不需要迭代。此外,即便积分时间步长较大时,基于模型的积分算法依然具有较高的精度。

整体式液体冲压发动机级间分离仿真研究

应用数值方法对整体式液体冲压发动机进气道整流罩打开及助推器分离过程进行了研究。动网格采用结构网格中的Chimera重叠网格技术,空间离散格式采用Roe格式,控制方程采用雷诺平均N-S方程,湍流模型为标准k-ε模型。计算结果发现,进气道整流罩打开后高速气流开始充填发动机内通道,发动机头部脱体激波迅速向唇口方向移动,进气道头部斜激波系建立,气流以当地声速向发动机出口方向移动。高压气流到达助推器头部时助推器开始分离,整个分离过程燃烧室压力呈大幅振荡,分离时间为0.072 2 s。由于分离时间很短,冲压发动机可以在助推器推出后再点火起动。

基于多目标优化模型的综合天窗作业调度研究

为实现综合天窗利用率高、维修作业成本低、作业完成率和天窗综合利用率高的目标,进行作业调度优化研究。基于天窗内各专业、各类维修作业实际情况,抽象影响天窗使用效率和经济成本的作业类、设备类等要素,设置优化模型的变量,建立考虑效用、成本、完成率及综合利用率4项指标的多目标优化数学模型,利用线性加权评价函数,将多目标模型转换成单目标模型,采用数值遗传算法求解综合天窗内多专业多作业协同调度的优化问题。实例表明,与目前常规施工维修作业调度方法相比,新方法可以在相同的成本和相近的效用指标下,作业完成率提高约10%,天窗综合利用率提高66%。

有限元实现含应变非强化区的双面循环塑性模型

在有限单元方法的框架下,由广义径向返回法来实现含有应变非强化区的循双面环塑性本构模型。在小变形的假设下,本文详细描述了有限元方法实现率无关的双面循环塑性本构模型的完整算法。采用向后Euler隐式算法进行离散积分,其最终可化简为一个非线性方程,并且由Peg-asus方法来求解。对径向返回法进行线性化,可以得到切向刚度算子。最后,文中通过两个算例表征了离散积分的精确性和材料模型的正确性。

水力–力学耦合的超固结非饱和土本构模型的隐式积分算法及其应用

超固结非饱和土经常出现于工程实践中,表现出复杂的力学性质。从已有的非饱和土水力–力学耦合的本构模型出发,将超固结的影响加入到了模型中,使模型可以考虑超固结对非饱和土力学性质的影响。超固结非饱和土本构方程的求解是一个复杂的非线性问题,给出了该超固结非饱和土水力–力学耦合模型的隐式积分算法和本构模型的一致切线模量,并对该算法进行验证,证明了该算法的正确性,最后采用该算法对某非饱和土质边坡在地下水位上升的情况下进行有限元分析。

基于边界面模型的砂土中板锚循环承载力数值分析

利用带误差控制的显式积分算法,将一种适用于饱和砂土排水循环动力分析的边界面塑性模型编写成可供有限元软件调用的用户自定义材料子程序。建立土体单元有限元数值模型对Toyoura砂的静、动排水三轴试验进行模拟,验证了模型具备合理描述砂土在不同荷载条件下力学响应的能力。建立饱和砂土中板锚循环承载分析的数值模型,针对板锚在砂土中的单调抗拔特性和循环承载特性进行数值分析,得到了与模型试验一致的荷载—位移响应规律。考察循环荷载要素对板锚循环承载特性的影响,结果发现,随着循环荷载的施加,板锚永久位移逐渐累积,循环荷载会导致板锚持续移动,循环幅值越大,初始位移和位移变化率越大;循环均值越大,初始位移越大,但位移变化率越小。

实时子结构试验中显式算法对比分析

实时子结构试验技术中的一个关键问题是求解数值子结构的动力响应,而这一过程可选取合适的数值积分算法来实现。针对目前已建立的三种基于模型的显式积分算法(Chang法、CR法和实时子结构RST法),对比分析了各算法在线性系统和非线性系统中的数值特性。结果表明:三种算法在线性系统和具有刚度软化特性的非线性系统中均是无条件稳定的,在具有刚度硬化特性的非线性系统中变为有条件稳定。当结构阻尼比为零时,三种算法均无数值阻尼,且周期延长率结果完全一致,并随Ω的增加而增大;当结构阻尼比不为零时,三种算法均存在数值阻尼,且CR法的数值阻尼绝对值最小,而RST法的周期延长率最小。两个算例表明,RST法和Chang法的精度要优于CR法,但因Chang法是半显式的,因此RST法更适于实时子结构试验中数值子结构的仿真计算。