基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL(PATRAN command language)实现RVE(repr-esentative volume element)的参数化自动建模,建立RVE库,集成相应的细观力学计算程序,一体化预测复合材料宏观性能。通过工程实例,调用RVE库中的平纹编织复合材料RVE,预测平纹编织C/SiC复合材料的宏观弹性模量,对空天飞机全C/SiC复合材料机身襟翼进行静力有限元计算,实现结构材料一体化设计。

砌体RVE均质过程的有限元分析

均质化是以连续介质力学为基础的砌体结构数值分析中最重要的一步 ,形成可以等效砌体组成材料的砌体代表性体积单元 (RepresentativeVolumeElement,简称RVE)又是均质化过程中的关键步骤。RVE是通过分别考虑砌块和砂浆的材料特性和相互作用建立起来的力学模型 ,本文采用有限元分析程序ANSYS对RVE进行模拟 ,分析了它在几种不同的加载条件下的应力应变关系 ,计算了它的等效弹性模量和泊松比 。

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.

基于RVE的钢丝网砂浆加固土坯砌体力学性能研究

应用等效体积单元(Representative Volume Element,简称RVE)方法,对6个土坯砌体试件抗压强度试验进行数值计算分析,并与试验结果进行对比,验证了RVE方法应用于土坯砌体的合理性。在此基础上,对不同配筋率的钢丝网水泥砂浆加固土坯砌体,采用二次RVE方法进行数值计算,并与土坯砌体进行对比,验证了钢丝网加固土坯砌体的有效性与二次RVE方法应用于加固土坯砌体数值计算的合理性。进而找出加固砌体的最优配筋率,为村镇传统生土建筑的改造与加固设计提供参考依据。

基于RVE模型的铝合金疲劳损伤分析及寿命评估

基于铝合金材料在汽车制造及轻量化过程中的推广应用,建立表征铝合金材料疲劳损伤失效的损伤模型,对研究铝合金材料在疲劳过程中的损伤机理以及预测疲劳剩余寿命等方面具有重要的意义。在阶段性疲劳损伤试验的基础上,获取并重构了不同阶段缺陷特性,在Digimat中建立代表性体积单元(RVE)来简化材料结构整体的损伤演化。阶段性损伤仿真分析结果表明,分析结果与试验结果一致,该模型可以有效表征不同阶段损伤特性,混合型缺陷模型精度相对较高。基于ANSYS和n Code进行了寿命分析。结果表明,使用2种不同缺陷建立的混合型缺陷损伤模型预测的寿命更接近试验结果,更能有效反映缺陷演化特性。

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

基于ANSYS的多尺度GO-CF/EP复合材料弯曲性能仿真及试验验证

石墨烯碳纤维混杂增强树脂基(GO-CF/EP)复合材料以其低密度和优异的力学性能等引起了科学界越来越广泛的关注。本文采用DIGIMAT软件对真空浸渗热压成型试验系统工艺(VIHPS)制备的GO-CF/EP复合材料建立代表性体积单元(RVE),然后再利用ANSYS软件构建GO-CF/EP三点弯曲有限元RVE模型,并结合有限元仿真与试验结果来验证该模型的有效性,最后探究石墨烯(GO)含量对GO-CF/EP复合材料弯曲性能的影响。其中通过ANSYS仿真模拟得到的应力云图和弯曲强度数值,表明GO-CF/EP复合材料的微观组分比例会影响宏材料观力学性能,GO含量从0.00%增至0.50%,GO-CF/EP复合材料的弯曲强度提高了54.26%。再结合试验结果进行对比,发现通过ANSYS软件对GO-CF/EP复合材料的弯曲强度进行模拟得到的值较为准确,其中试验结果与软件模拟结果误差小于10%。因此ANSYS仿真结果可以用来预测GO-CF/EP复合材料的弯曲性能;此外还可以通过增强CF/基体的界面性能、增强基体的强度并在基体内部形成网状结构来提高GO-CF/EP复合材料的整体结构性能。

平纹织物复合材料横向力学性能研究

通过对平纹织物复合材料的横向拉压试验,分析了产生各种破坏现象的微观机理。横向压缩过程中,在与水平面成45°方向剪切破坏的同时还出现层间裂纹。由于两个方向上纱线的弯曲程度不同,破坏形式有很大差异,不同自由边处的纱线界面存在不同程度的剪切破坏,并表现出不同的边缘效应。借助显微镜观察和基于代表体积单元的数值模拟对这些现象进行了分析,发现高度不均匀的内部波纹纱线结构在横向压缩下产生的层间剪切应力是出现横向裂纹的主要原因。

复合墙板计算模型与试点工程动力特性分析

本文将均质化理论引入混凝土灌芯纤维增强石膏板(简称复合墙板)的计算。建立了复合墙板的代表性体积单元(RVE)模型,应用有限元分析程序ANSYS对此RVE模型进行模拟,获得其等效弹性常数,为结构的有限元计算提供了有效途径。对一复合墙板结构试点工程进行动力特性测试,测试结果与均质化的计算结果比较吻合,表明这种模型用于计算复合墙板结构的可行性。最后将复合墙板结构与钢筋混凝土剪力墙结构的动力反应特性进行了比较,结果表明复合墙板结构具有优于钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能。

有限元法在砌体结构分析中的应用

目的研究有限元法在空间砌体结构分析中应用的可行性,并提出模拟砌体带裂缝损伤状态的有限元建模及分析方法.方法进行砌体结构模型拟静力试验及脉动测试,并采用等效体积单元法对空间砌体结构模型进行有限元分析.在对有限元模型的优化更新研究中,以损伤状态下的识别刚度作为目标函数,根据结构位移、抗侧移刚度及外荷载三者的内在关系,通过调整弹性模量优化有限元模型来模拟砌体带裂缝工作状态,并对比拟静力试验及动态测试识别结果进行理论分析.结果利用所提出的有限元建模及分析方法很好地模拟了砌体结构完好及带裂缝损伤状态下的工作特性,有限元模型计算分析结果与实测值具有良好的一致性.结论采用等效体积单元(RVE)可以准确模拟空间砌体结构的材料特性.利用动态测试数据结合反演理论进行结构模型的优化更新方法可有效模拟砌体结构的带裂缝工作状态,并有效地考虑砌体材料的离散性问题.

基于均匀化理论韧性复合材料塑性极限分析

运用细观力学中的均匀化方法分析了韧性复合材料的塑性极限承载能力.从反映复合材料细观结构的代表性胞元入手,将均匀化理论运用到塑性极限分析中,计算由理想刚塑性、Mises组分材料构成的复合材料的极限承载能力.运用机动极限方法和有限元技术,最终将上述问题归结为求解一组带等式约束的非线性数学规划问题,并采用一种无搜索直接迭代算法求解.为复合材料的强度分析提供了一个有效手段.

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系 ,将宏观复合材料体中的一点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设 ,建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细观位移场 ,通过对细观单元力学方程的分析与求解 ,建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型 ,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析 ,而且容易融入常规有限元法中 ,实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。

基于OMA试验模态参数的砌体结构有限元建模及修正

依托重庆新红岩隧道工程，选典型2层砌体结构进行隧道施工爆破振动激励的OMA试验，采用等效体积单元法建立能准确反映砌体结构真实动力特性的有限元模型；探讨砌体用不同材料模型所得分析频率与实测频率误差及二者振型相关性；据OMA试验模态参数，基于砌体与混凝土材料参数的结构固有频率灵敏度分析，选择合适的修正参数进行有限元模型修正研究。结果表明，二层砌体结构前4阶固有频率位于9～25 Hz；较用各向同性模型而言，砌体采用各向异性模型时计算所得前4阶频率与实测频率值更接近，振型相关性更好；修正有限元模型中材料密度、弹性模量、剪切模量后频率与实测频率间误差明显减小，结构模型动力特性更符合实际，正交各向异性材料模型修正最准确。

基于有限元计算细观力学的复合材料宏观性能的一体化预测

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL实现了RVE的参数化自动建模,建立了RVE库。并根据不同的细观力学方法,通过在后台对RVE边界条件的设置及有限元计算,集成了相应的计算程序,从而实现了复合材料宏观性能的一体化预测。最后,以单向复合材料的宏观弹性模量预测为例,展示了一体化预测系统。

一个钢筋混凝土损伤塑性本构模型及工程应用

以ABAQUS大型程序为平台,采用应变协调假设和强度等效假设,给出了一个描述钢筋混凝土材料与结构损伤塑性分析的本构模型。这里的钢筋强化特性是通过定义强化了的拉伸塑性应力-应变曲线来实现的。模型中的钢筋不再以独立的金属材料形式出现,而是被等效钢筋混凝土代表体元模型包含进去了,用拉伸应力-应变曲线峰值后区的硬化-软化强度曲线直接定义强化功能。这个模型着重对ABAQUS软件中给出的损伤塑性模型的拉伸强化-软化阶段的特性进行了完善。采用试件受单向拉伸和简支梁受集中力载荷两个简单算例说明了模型的有效性。最后该研究将这个模型用于一个受地表堆积载荷、土压力和地下水压力联合作用下的钢筋混凝土墙体结构的ABAQUS有限元损伤塑性数值分析中。

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.

细观力学方法预测单向复合材料的宏观弹性模量

基于细观力学预测复合材料宏观弹性模量的两种方法,以单向复合材料为研究对象,从理论上推导了复合材料三维桥联模型公式,并利用CAE软件M sc.Patran/N astran建立了RVE模型,进行了有限元模拟计算。两种方法计算的结果与实验均有较好的一致性,表明两种方法都是能够较好计算单向复合材料的宏观弹性模量。

非线性塑性材料内部空洞闭合模型的研究

基于典型体元(RVE)模型和Rayleigh-Ritz法,对材料内部空洞从球形闭合成裂纹的过程进行了定量研究.基体材料的本构关系采用幂次粘性方程.通过研究材料变形过程中内部球形空洞和圆形裂纹的演化规律,得到了各自的体积应变率的表达式.采用插值近似,建立了空洞闭合的解析模型,发现空洞变形的主要机理来自于空洞周围基体材料的塑性流动.空洞闭合模型反映了材料属性、远场应力三轴度、远场等效应变对空洞闭合的定量规律.空洞闭合模型的预测结果与文献中的数值结果和有限元计算结果相吻合.空洞闭合模型与CAE(computer aided engineering)技术相结合可对材料加工工艺进行优化设计,为消除材料内部空洞提供了一条有应用前景的新途径.