Validation and application of three-dimensional discontinuous deformation analysis with tetrahedron finite element meshed block

In the last decade, three dimensional discontin- uous deformation analyses （3D DDA） has attracted more and more attention of researchers and geotechnical engineers worldwide. The original DDA formulation utilizes a linear displacement function to describe the block movement and deformation, which would cause block expansion under rigid body rotation and thus limit its capability to model block de- formation. In this paper, 3D DDA is coupled with tetrahe- dron finite elements to tackle these two problems. Tetrahe- dron is the simplest in the 3D domain and makes it easy to implement automatic discretization, even for complex topol- ogy shape. Furthermore, element faces will remain planar and element edges will remain straight after deformation for tetrahedron finite elements and polyhedral contact detection schemes can be used directly. The matrices of equilibrium equations for this coupled method are given in detail and an effective contact searching algorithm is suggested. Valida- tion is conducted by comparing the results of the proposed coupled method with that of physical model tests using one of the most common failure modes, i.e., wedge failure. Most of the failure modes predicted by the coupled method agree with the physical model results except for 4 cases out of the total 65 cases. Finally, a complex rockslide example demon- strates the robustness and versatility of the coupled method.

Reduced-order proper orthogonal decomposition extrapolating finite volume element format for two-dimensional hyperbolic equations

This paper is concerned with establishing a reduced-order extrapolating fi- nite volume element （FVE） format based on proper orthogonal decomposition （POD） for two-dimensional （2D） hyperbolic equations. For this purpose, a semi discrete variational format relative time and a fully discrete FVE format for the 2D hyperbolic equations are built, and a set of snapshots from the very few FVE solutions are extracted on the first very short time interval. Then, the POD basis from the snapshots is formulated, and the reduced-order POD extrapolating FVE format containing very few degrees of freedom but holding sufficiently high accuracy is built. Next, the error estimates of the reduced-order solutions and the algorithm procedure for solving the reduced-order for- mat are furnished. Finally, a numerical example is shown to confirm the correctness of theoretical conclusions. This means that the format is efficient and feasible to solve the 2D hyperbolic equations.

A novel simulation method for positive corona current pulses

A novel two-dimensional （2D） simulation method of positive corona current pulses is proposed. A control-volume- based finite element method （CV-FEM） is used to solve continuity equations, and the Galerkin finite element method （FEM） is used to solve Poisson＇s equation. In the proposed method, photoionization is considered by adopting an exact Helmholtz photoionization model. Furthermore, fully implicit discretization and variable time step are used to ensure the time-efficiency of the present method. Finally, the method is applied to a positive rod-plane corona problem. The numerical results are in agreement with the experimental results, and the validity of the proposed method is verified.

Factors influencing particle agglomeration during solid-state sintering

Discrete element method （DEM） is used to study the factors affecting agglomeration in three-dimensional copper particle systems during solid-state sintering. A new parameter is proposed to characterize agglomeration. The effects of a series of factors are studied, including particle size, size distribution, inter-particle tangential viscosity, tem- perature, initial density and initial distribution of particles on agglomeration. We find that the systems with smaller particles, broader particle size distribution, smaller viscos- ity, higher sintering temperature and smaller initial density have stronger particle agglomeration and different distribu- tions of particles induce different agglomerations. This study should be very useful for understanding the phenomenon of agglomeration and the micro-structural evolution during sin- tering and guiding sintering routes to avoid detrimental ag- glomeration.

Flow, thermal, and vibration analysis using three dimensional finite element analysis for a flux reversal generator

This paper presents the simulation of major mechanical properties of a flux reversal generator （FRG） viz., computational fluid dynamic （CFD）, thermal, and vibration. A three-dimensional finite element analysis （FEA） based CFD technique for finding the spread of pressure and air velocity in air regions of the FRG is described. The results of CFD are mainly obtained to fine tune the thermal analysis. Thus, in this focus, a flow analysis assisted thermal analysis is presented to predict the steady state temperature distribution inside FRG. The heat transfer coefficient of all the heat producing inner walls of the machine are evaluated from CFD analysis, which forms the main factor for the prediction of accurate heat distribution. The vibration analysis is illustrated. Major vibration sources such as mechanical, magnetic and applied loads are covered elaborately which consists of a 3D modal analysis to find the natural frequency ofFRG, a 3D static stress analysis to predict the deformation of the stator, rotor and shaft for different speeds, and an unbalanced rotor harmonic analysis to find eccentricity of rotor to make sure that the vibration of the rotor is within the acceptable limits. Harmonic analysis such as sine sweep analysis to identify the range of speeds causing high vibrations and steady state vibration at a mode frequency of 1500 Hz is presented. The vibration analysis investi- gates the vibration of the FRG as a whole, which forms the contribution of this paper in the FRG literature.

微振动模拟与主被动隔振一体化实验平台

针对遥感卫星地面微振动实验的复杂要求,设计了一种同时具备微振动模拟与主被动隔振功能的一体化微振动实验平台,并对该平台的主、被动隔振性能以及微振动模拟效果分别进行了仿真分析和实验测试。其中,被动隔振由气浮支撑实现,主动隔振采用主动阻尼方法抑制共振峰,微振动模拟采用基于线性系统频响函数的控制策略。实验结果表明,平台前六阶的模态频率分布均小于10 Hz,被动隔振系统能大幅抑制10~200 Hz频段内的地面微振动;主动隔振能够实现14 dB的隔振系统共振峰衰减效果。微振动模拟功能能够有效产生接近星上的单频和多频真实扰动线谱,在特定频谱的扰动模拟实验中,幅值最大误差为5.9%,在误差允许范围内。该多功能一体化实验平台的各项功能均能满足地面模拟实验需求。

计及硅橡胶应力松弛的电缆接头界面压力演变仿真研究

高压电缆中间接头的电气性能与其硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的大小密切相关。为探究实际电缆接头界面压力的演变规律,开展了考虑老化过程中硅橡胶应力松弛现象的220 kV电缆中间接头界面压力仿真研究。首先综合电缆接头处物理场特点建立有限元模型,确定了电缆中间接头硅橡胶-交联聚乙烯界面的初始压力分布情况;其次通过力学理论计算的解析解以及预置压力传感器的实测结果对有限元分析结果进行验证;之后结合硅橡胶的热机械老化实验结果,提出一种将老化过程中硅橡胶应力松弛转化为过盈量变化的方法,得到了考虑老化过程中应力松弛与弹性模量变化的多参量有限元分析方法,并成功应用于电缆中间接头绝缘硅橡胶-交联聚乙烯界面压力的分析。分析认为,硅橡胶的老化同时导致应力松弛和弹性模量增大。综合考虑弹性模量和应力松弛的仿真结果表明:对中间接头硅橡胶在100℃、125℃、150℃下分别经过2040 h、1680 h、1200 h热机械老化后,界面压力从0.156 MPa分别下降到0.129 MPa、0.125 MPa、0.107 MPa。这说明应力松弛对于界面压力的影响更显著,界面压力随着老化时间的增加而下降,同时温度升高会显著加快中间接头界面压力的衰减过程。该文研究结果可为提升电缆中间接头设计与运行可靠性提供理论依据。

Pure quantitative characterization of finite projective special unitary groups

We prove that each projective special unitary group G can be characterized using; only the set of element orders of G and the order of G.

大跨度悬挑钢结构施工技术优化过程模拟与实测对比

针对悬挑钢结构单一结构复杂,施工难度较大,施工阶段的受力状态与设计阶段、结构最终受力状态完全不一致等问题。运用有限元仿真软件MIDAS CIVIL对挑空连廊钢结构施工过程进行模拟分析,拆撑后钢桁架竖向位移不满足规范要求,钢桁架施工时应设置预拱度。对钢桁架重要部位进行应力及位移监测,对比分析拆除临时支撑后钢结构竖向位移的实测值与仿真值,两者基本相符,施工阶段均处于安全施工状态。结果表明,采用有限元软件可以模拟分析获得大跨度连廊及悬挑钢结构施工阶段受力、变形状态,为大跨度连廊及悬挑钢结构现场安全施工提供指导。

真实非均匀受火边界下STRC柱的温度分布及材料性能退化分析

为揭示真实火灾边界下钢管约束钢筋混凝土(steel tubed reinforced concrete,STRC)柱的耐火性能,采用ABAQUS软件对考虑墙体影响的非均匀受火边界下方形STRC柱的温度场进行分析,获取了受火边界、墙体、柱截面尺寸、墙体导热系数和厚度等参数下受火柱的温度分布、钢材和混凝土的等效强度折减和弹性模量折减情况。结果表明:相较于无墙体受火边界,真实火灾边界下方形STRC柱的温度分布更不均匀,但等效强度折减系数总体上更高;非均匀受火柱的混凝土平均温度和钢管平均温度均低于四面受火柱,且受火面越少,构件整体温度越低,等效强度越高;构件整体温度和等效强度折减程度随柱截面尺寸、墙体厚度的增大和材料导热系数的减小而降低。

一种大口径平面镜支撑结构的仿真与实验

为提高600 mm大口径立式平面镜沿光轴旋转90°后的表面面型测量精度,对多孔支撑结构下5种不同材料的平面镜重力变形进行有限元仿真分析,并通过实验测量探究旋转后的静置时间对面型精度的影响等问题。结果表明,该多孔支撑结构下的平面镜表面由重力导致的轴向变形量不超过14 nm,满足精度要求。该多孔结构支撑的平面镜沿光轴旋转90°静置1 h后达到稳定状态,与静置2 h后的面型结果PV值仅相差0.337 nm,RMS值相差0.081 nm,实验探究了静置时间对面型结果的影响。研究发现,在至多去除6%外口径的条件下可以大幅降低平面镜表面面型PV值,PV值降低超过50 nm,由此提出一种制造大口径平面镜时通过设置支撑结构缓冲区以提高面型精度的方法,可以有效提高大口径平面镜的面型精度。

基于3种驱动方式的镁合金覆盖件柔性砂模拉深试验与仿真研究

选择砂子作为柔性介质,通过砂子摆放位置的不同实现不同驱动方式,并针对复杂镁合金覆盖件进行研究。采用有限元模拟与拉深试验对比验证的方法,针对差异化驱动方式探究了拉深温度、板厚以及填砂高度对镁合金板材成形结果的影响,并采用宏微观协同验证的方法对有限元模拟进行验证。针对复杂镁合金覆盖件,最终提出了能够改善其拉深性能的优化策略。

基于索-梁结构的斜拉桥非线性振动仿真研究

本文建立了索-梁结构的有限元模型,对斜拉桥线性和非线性振动问题进行研究.首先对结构进行模态分析,发现结构振动表现出全局模态,局部模态以及混合模态,且索梁两者之间固有频率相互影响,对低阶频率影响较大,对高阶频率影响较小.其次,应用有限元软件对索-梁结构的自由振动和强迫振动进行仿真研究.结果表明:整个自由振动过程中频率有先增大后减小的趋势,且最终小于真实频率;在强迫振动中,观察到了丰富的非线性振动现象,包括索的亚谐波共振和内共振,与以往的实验和理论研究结果定性上得到验证;为斜拉桥全桥非线性动力学分析提供参考.

有限体积法模拟铝型材挤压成形过程

研究了有限体积法模拟金属塑性成形的基本理论和关键技术 ,得到了适用于塑性成形的有限体积控制方程 ,给出了模拟过程中有限体积网格体系的建立、成形过程中金属流动的跟踪描述和时间增量步长的确定等技术处理方法。然后采用该数值模拟方法 ,对铝合金门窗型材的挤压成形过程进行了仿真。详细地分析了该零件在挤压成形过程中金属的流动情况 ,给出了成形各阶段等效应变、温度和速度等物理场量的分布情况以及整个成形过程中模具载荷 /行程曲线的变化情况。研究结果证明有限体积法是一种行之有效的铝型材挤压数值模拟方法 。

各向异性铝合金板材本构关系及其有限元模拟

为了减轻自身重量,采用铝合金板材和冲压成形工艺制造高速列车车体已经成为现代化铁路车辆的发展方向.但是,铝合金板材的力学性能是各向异性的,其冲压成形过程复杂,变形规律不易把握.采用Barlat三参数屈服准则获得了各向异性铝合金板材的应力应变关系曲线,并通过有限元模拟和拉伸实验进行了对比验证,结果表明采用Barlat三参数屈服准则获得的各向异性铝合金板材的应力应变关系曲线可应用于各向异性铝合金板材的有限元分析,并初步对各向异性铝合金板材的冲压成形过程进行了非线性接触有限元模拟,获得了比较理想的有限元分析结果,这对改进高速列车车体加工工艺、缩短冲压模具调试周期、降低生产成本具有积极的意义.

硫化物应力腐蚀开裂的理论研究进展

结合计算材料学在硫化物应力腐蚀开裂领域的最新研究进展,从硫化物应力腐蚀开裂的各个阶段入手,综述了不同阶段的理论研究,重点阐述了密度泛函方法、分子动力学在表面吸附和扩散方面的研究,多尺度模拟方法、有限元方法在裂纹尖端应力场方面的研究,并提出了该领域未来的发展方向。

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P<0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。

新型多功能桥梁滑移-减隔震支座性能试验

针对传统桥梁减隔震支座性能单一,无法满足正常使用荷载及地震极端荷载等不同工况的现状,设计了一种新型多功能滑移-减隔震支座,通过理论分析与有限元模拟相结合的方式建立了该多功能支座的剪切性能曲线,并阐述了该曲线的力学特性及各个关键点的意义。在此基础上,进行了压缩性能、剪切性能及其相关性试验。结果表明:新型多功能滑移-减隔震支座能够达到预期目标,可同时满足桥梁在正常使用阶段的滑移和地震作用下的耗能要求;支座剪切性能曲线的有限元分析结果与试验结果吻合良好,有限元分析得到的剪切性能曲线可有效描述其力学行为;所得结论为后续桥梁减隔震设计及动力时程分析提供了参考。

钢筋混凝土T形截面梁温度场精确算法

研究标准升温曲线作用下混凝土T形截面梁温度场的变化,对混凝土T形截面梁进行60 min和75 min火灾试验;介绍三维、二维导热微分方程,采用有限元和有限差分的混合方法计算截面温度场,计算中考虑了混凝土、钢筋的热工性能和混凝土的水分蒸发对温度场的影响,计算结果与试验结果吻合较好。实验和计算结果表明,T形梁翼缘内的温度分布与单面受火板相似,腹板内的温度分布与三面受火矩形截面梁相似;T形截面内,腹板角部温度最高,翼缘下部腹板由侧面向核心区温度下降最快。

预测北京地铁16号线振动对北京大学精密仪器的影响

本文提出了模拟地铁环境振动的浮置板-隧道-地层三维有限元模型,振动源为实际观测的地铁钢轨振动加速度。本文旨在研究拟建的北京地铁16号线对200 m远处的北京大学场效应电子显微镜Tecnai F30（以下简称F30）工作可能造成的影响。为此,首先模拟了运营中的北京地铁4号线通过北京大学东门站对F30的影响,然后以与16号线相同车型、相同轨道半径的上海地铁7号线实测钢轨振动加速度作为振动源输入,模拟和预测了16号线地铁对F30工作可能造成的影响。结果表明：4号线模拟结果显示在140 m观测点无论单线还是双线运行,都有部分频段（3~5 Hz）进入F30的非工作区,而16号线在200 m远处仅是横向加速度在0~0.8 Hz和4~6 Hz范围进入非正常工作区,垂向加速度在5~6 Hz范围内进入非正常工作区。