闭孔泡沫金属变形模式的有限元分析

运用有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了三维Voronoi闭孔泡沫金属在不同的冲击速度下的变形行为。随着冲击速度的提高,得到了3种变形模式:准静态均匀模式、过渡模式和冲击模式,并以相对密度和冲击速度为坐标建立了变形模式图。引入应力均匀性指标和变形局部化指标,确定了模式转化的临界速度,并与已有的冲击速度预测公式进行了比较。根据临界速度的数值和理论结果,提出了一种确定锁定应变的方案,结果介于压实应变和完全密实应变之间。

基于Voronoi图的正射影像镶嵌网络生成与优化方法

提出一种基于Voronoi图的正射影像镶嵌网络生成与优化方法.首先以每幅DOM影像有效区域中心点作为种子点生成Voronoi图,确定每幅影像的有效镶嵌多边形并构建全局镶嵌网络;然后结合DSM数据对镶嵌多边形顶点位置进行调整,避免最终镶嵌结果影像出现无数据区域,同时可以使顶点避开建筑、树木等存在投影差的区域,以便对初始镶嵌线进行调整优化.试验表明,本文方法切实可行并且具有较好的自适应性.

基于Voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于Voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。Voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(>85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。

微观结构下多晶材料的疲劳损伤模型及裂纹的数值模拟方法

考虑多晶材料疲劳行为受晶粒拓扑结构的影响,建立了多晶材料Voronoi镶嵌的有限元微观结构模型,并在Voronoi边界插入内聚力单元模拟晶界特性。在此基础上,基于Abaqus双线性内聚力本构关系,建立了内聚力单元的疲劳累积损伤模型,定义了损伤变量,损伤判据以及损伤规律;通过Abaqus UMAT(User-defined material mechanical behavior)子程序编写了内聚力单元疲劳损伤的数值计算程序,实现了对微观结构下材料滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的行为模拟。以滚子与滚道的接触疲劳分析为例,将数值模拟结果与实测结果相比,表明了该数值仿真方法模拟多晶材料裂纹形成和扩展的有效性。

基于内聚力模型的多晶NiTi合金微观断裂行为模拟

基于Matlab与改进的Voronoi图建立了多晶NiTi形状记忆合金微观结构的几何模型,并将几何数据导入有限元软件得到多晶NiTi合金紧凑拉伸试样的有限元模型。在模型的晶界处嵌入含断裂准则的内聚力单元,对多晶NiTi合金紧凑拉伸试样的微观裂纹扩展与晶间断裂行为进行了有限元模拟研究。结果表明,含多条晶界有限元模型的裂纹张开位移的增大与销钉处约束反力的增加之间呈非线性关系,其裂纹扩展过程远比单晶界模型复杂,推断由于晶界数量的增加影响了整个模型的应力分布,其内聚力单元的应力随着载荷的增加呈现出不同的变化规律。同时通过裂尖单元的状态变量值确定了模型的起裂时刻的临界作用力,多晶NiTi合金起裂韧度与实验结果吻合良好,验证了跨尺度数值模拟方法的合理性与准确性。

多胞金属细观模型的抗爆炸临界长度分析

为解决多胞金属抗爆炸设计中的长度选用问题,本文基于R-PH模型的多胞金属抗爆炸临界长度设计方法,应用三维Voronoi模型,对多胞金属的抗爆炸临界长度进行了仿真分析。结果显示,当多胞金属杆长度相对胞元孔径大很多时,理论预测的临界长度合理;当多胞金属杆长度相对胞元孔径未足够长时,边界处的非完整胞元对结果影响较大,预测的临界长度无法完全吸收规定的爆炸载荷产生的能量。

基于Voronoi方法的混凝土三维随机粗骨料模型

混凝土是一种由骨料和水泥砂浆组成的非均质复合材料,其中的骨料随机分布对材料性能影响较大。三维Voronoi图形中胞元形状与混凝土骨料具有良好的相似性。在设定的随机度下,经过胞元的比例缩放可得到形状、尺寸及其骨料分布与实际混凝土相似的骨料模型。在有限元网格划分中,由于骨料中出现一些特别小的夹角和棱边长度,使得网格划分困难,进而影响计算的收敛性。通过对模型中的每个夹角大小和棱边长度的计算,找出不满足分析要求的夹角和棱边,运用微切削的方法对相应的骨料进行几何优化,得到了较好的有限元网格划分质量。采用该模型对混凝土在单轴受拉和受压状态下的力学行为进行模拟,其计算结果与试验值吻合较好,证明了模型的适宜性和可靠性。

CVD法制备6.5%Si硅钢过程中的微观结构对硅扩散的影响研究

目的研究渗硅过程中的晶界占比对渗硅质量的影响,从而探究出制备6.5%Si硅钢的合理工艺。方法通过CVD法,利用真空管式炉制备6.5%Si硅钢。通过高温金相实验探究温度对晶粒尺寸的影响,利用高温与常温下的金相实验、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)分别统计平均晶粒尺寸、平均晶界宽度和扩散方向上晶粒内部与晶界上的硅含量,再利用MATLAB和Abaqus软件求解扩散系数和模拟分析微观渗硅。结果1200℃下反应60 s,再扩散至140 s时,平均晶粒尺寸为140.45μm,平均晶界宽度为76.31 nm,由实验数据计算得到的晶粒内部扩散系数为9.026×10^(–6)mm^(2)/s,晶界扩散系数为2.924×10^(–3)mm^(2)/s,晶界占比为0.163%。结论晶界会影响渗硅扩散的速率与时间,晶界占总体积的比例越高,硅扩散越快,但相同时间内扩散越不均匀,导致硅钢片塑性下降。

钻齿侵入破碎非均质花岗岩机理研究

钻齿侵入破岩是钻头破岩的主要方式之一。为了探究不同齿形侵入破碎非均质硬岩的效率差异,基于Voronoi细分方法建立了2种花岗岩(灰白色和浅红色花岗岩)的有限元模型。该模型参数的标定相对误差在7%以内,能够较好地反应花岗岩的非均质特性。建立5种不同钻齿侵入破碎花岗岩的仿真模型,对比分析钻齿在特定侵入载荷下的侵入力、侵入深度和花岗岩破碎程度等参数。研究结果表明:侵入力恒定时,侵入位移迅速增大至峰值,随后在岩石内弹性能的释放和外侵入载荷的共同作用下,在最大位移附近波动;随着侵入力增大,最大侵入位移也增大,当侵入力为1~4 kN时,最大位移在0.15 mm内;增大侵入力更能损伤岩石,载荷为3~4 kN时破岩效率相对较高;5种齿中,侵入性能最好的是CS型齿,最差的是CB型齿。该研究既可为利用有限元研究“岩石-刀具”的破岩机理提供一种新思路,也可为牙轮钻头和冲击钻头等钻具的选齿提供参考。

材料缺陷对泡沫铝准静态压缩力学性能的影响

为揭示材料缺陷(包括局部大孔、孔壁缺失和波纹孔壁)在泡沫铝准静态压缩过程中的作用机理,研究材料缺陷对泡沫铝屈服应力和平台应力(10%~30%压缩应变区间的平均应力)的影响,基于二维随机Voronoi模型建立含缺陷泡沫铝的二维有限元模型,采用非线性有限元法模拟泡沫铝准静态压缩过程,通过将模拟结果与泡沫铝准静态压缩试验结果相对比,验证该数值方法的可靠性。研究结果表明:材料缺陷导致泡沫铝屈服应力和平台应力减小,局部大孔和孔壁缺失缺陷造成的应力降幅较大,波纹孔壁缺陷造成的应力降幅较小;材料缺陷造成的应力降幅与泡沫铝孔隙率有关,局部大孔和孔壁缺失缺陷造成的应力降幅受孔隙率的影响较大。材料缺陷是影响泡沫铝准静态压缩力学性能的重要因素,由其造成的泡沫铝屈服应力和平台应力的降幅受孔隙率的影响,在含泡沫铝材料的结构设计中应予以关注。

基于内聚力模型的γ-Ti Al合金中γ/γ界面裂纹扩展的多尺度模型

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学(MD)建立了真孪晶(TT)γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域(CZM)的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-Ti Al合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-Ti Al合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型(FEM),通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明:在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。

一种基于带权A~*搜索算法的正射影像镶嵌线网络优化方法

提出了一种基于带权A^*搜索算法的镶嵌线网络优化方法。首先,利用标准Voronoi图生成初始镶嵌线网络;然后,利用测区的数字表面模型(digital surface model, DSM)数据生成对应的高程梯度图(也称为边缘图);再对初始镶嵌线网络的节点进行自动调整,将位于建筑物上的节点移动至附近的地面;最后,利用一种带权A^*搜索算法,结合高程梯度图,对初始镶嵌线网络中的每一条镶嵌线进行智能优化,避开建筑物或者高差变化大的区域,获得最优的镶嵌线网络。利用3组真实的无人机数据对该方法进行实验,初步结果表明,该方法适用于排列不规则的测区,可有效优化镶嵌线网络,镶嵌线可自动避开大部分城区建筑物以及山区的山脊等,对城区以及山区影像都可得到高质量的正射影像。实验结果表明,对于第1组数据,此方法得到的结果在镶嵌线的选取上要优于商业软件OrthoVista。

基于改进接触界面模型的离散元复合断裂模拟

断裂过程区的合理表征对于混凝土和岩石等准脆性材料非线性损伤断裂的模拟具有重要意义。本文基于内聚力模型框架,对传统可变形体离散元方法中离散块体的接触界面模型进行改进,引入具有拉断性质的摩尔-库仑屈服面和BK复合能量演化准则,构建能够考虑单拉、拉剪与压剪响应区的非线性界面本构方程,并在分析模型中引入Voronoi镶嵌几何策略以克服断裂扩展路径对离散块体拓扑的依赖性。选择Galvez非对称三点弯梁试验对本文接触界面模型进行验证,计算和试验结果有较好的一致性,充分表明本文模型用于模拟I型和复合断裂问题的适用性。

纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用Voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明：由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。