具有体积约束的连续体结构拓扑优化仿生方法

基于Wolff法则的连续体拓扑优化仿生方法是将待优化的结构被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼,把寻找结构最优拓扑的过程比拟为骨骼的生长过程.为了解决具有非应变约束的连续体拓扑优化问题,引入浮动参考应变区间.该文以具有体积约束的最小柔顺性连续体为例,分析了浮动参考应变区间法的可行性,即在生长过程中,设计域内各点处的材料更新由当前参考应变区间确定,而参考应变区间的更新由当前结构体积率与约束体积率确定.数值结果表明该方法可行.     

基于Wolff法则连续体拓扑优化方法中的参数分析

Wolff法则是指骨骼在外部荷载变化时,骨骼内部小梁骨保持沿主应力方向分布以更好抵抗外部荷载。基于Wolff法则的连续体拓扑优化方法是模仿骨骼重建规律的一种新的连续体优化方法。基本思想是将待优化的结构看成是遵从Wolff法则的“骨骼”,仿照骨骼重建过程,连续体的拓扑优化过程即为“骨骼”重建过程。该方法中利用用于描述材料微结构几何及弹性性质的构造张量作为设计变量,采用参考应变区间确定构造张量特征主值的更新规律。本文通过对仿生过程中各因素的分析,解释了优化模型中各参数的物理意义。通过数值分析,给出了参数选取规律以保证算法稳定和快速收敛,从而使得本文优化方法更具实际应用价值。     

连续体拓扑优化的浮动参考应变能密度法

采用浮动区间法分析连续体结构拓扑优化问题. 该方法的要点是：将结构的 拓扑优化过程看作骨骼生长过程,而生长过程由浮动应变能密度区间控制,即一点处材料的 增减由该点处材料的应变能密度与参考区间比较确定. 参考区间的更新由优化问题的主动约 束给出. 通过两个数值算例验证了该方法的可行性.     

基于应变能准则优化模型的骨骼重建数值模拟

将骨骼重建的适应性弹性理论及参考应变能理论与结构优化及有限元方法结合,建立了基于应变能准则优化模型的骨骼重建数值模拟方法,研究骨骼内部重建的机理和规律。以单元应变能密度为刺激源,由内部材料的分布变化来模拟骨重建的过程和规律。通过对股骨头重建的数值模拟,取得了与临床实验相符的结果,也证实了骨结构形态是对力学环境的最佳适应,定量地反映了力学刺激对骨骼重建的影响,得到了符合骨骼重建规律的结论。     

Von Mises应力约束的连续结构的一种双向拓扑优化方法

本文依照双向进化结构拓扑优化方法(BESO)的基本思路,采用一种双区域技术,设计了一种双向进化拓扑优化方法,将设计区域划分为两个区域:用于显示结构拓扑构型的前台区域以及用于搜索单元可能生长方向的后台区域.根据结构有限元计算确定单元所在区域,并根据不同的区域,增加或删除结构单元,从而获得最优的拓扑构型.文章最后通过数值算...     

具有不同拉压性能材料的连续体结构拓扑优化

采用浮动的拉伸与压缩生长参考区间法讨论材料的拉伸与压缩性能差别对最优拓扑的影响.材料的拉伸与压缩性能差别包含两个方面,其一,基础材料的拉伸杨氏模量与压缩杨氏模量存在差异;其二,基础材料在拉伸变形与在压缩变形下生长的参考应变区间不同. 两者对结构最优拓扑的影响具有等效性. 数值算例证明了这一等效性. 数值算例进一步表明,对于一个给定的设计域,基础材料的拉伸与压缩性能差异对结构最优拓扑影响很大. 因此,考虑结构及材料具有不同拉压性能时的拓扑优化工作具有明显的工程意义.      

破损-安全拓扑优化的局部破损模式参数影响分析

针对连续体结构，考虑破损-安全拓扑优化中如何处理结构局部破损的关键问题，以位移约束下结构体积极小化拓扑优化问题为例，基于独立连续映射ICM方法，建立了优化模型，给出了求解方法。以单荷载及多荷载工况的数值算例为例，探讨了结构局部破损模式的形状和大小及结构局部破损状况预估分布等对最优结构拓扑的影响。结果表明，（1）相比于不考虑破损-安全的结构拓扑优化，考虑破损-安全得到的最优拓扑具有更多冗余构件及传力路径；（2）不同形状及大小的结构局部破损模式会得到不同的最优结构拓扑；（3）结构局部破损模式布置间距越小，得到的最优拓扑越趋复杂。故在进行考虑破损-安全拓扑优化设计时，宜依据工程问题，合理定义结构局部破损模式的形状和大小及结构局部破损状况的预估分布等，以准确模拟实际结构的局部破损，得到具有适度冗余的最优拓扑。     

离散变量结构拓扑优化设计研究

研究了离散变量结构拓扑优化设计的若干问题，讨论了离散型优化模型的合理性，提出截面设计变量的离散程度和全局约束影响最优拓扑，是优化中不可忽视的因素，文中还提出了一种解离散变量桁架，刚架结构拓扑优化的启发式算法。     

连续体结构拓扑优化的节点独立连续映射法

提出基于节点拓扑变量的独立连续映射连续体结构拓扑优化方法,将常规ICM中基于单元拓扑变量描述改进为基于节点拓扑变量描述,通过单元形函数插值保证了拓扑变量场的连续性.引入拓扑变量和设计变量倒数关系,根据复合函数链式求导法则,推导了各类结构响应量的敏度分析公式.以位移约束问题为例,遵循ICM法建模方式建立了连续体结构拓扑优化模型.基于数字图像处理过滤技术,提出两种改进的过滤方式以消除数值不稳定性现象.最后通过二维拓扑优化数值算例证明方法和模型的可行性和有效性.     

求解具有奇异性的桁架拓扑优化的遗传算法

采用遗传算法求解具有奇异最优解现象的桁架结构拓扑优化问题。在桁架结构拓扑优化的内力约束ε-放松列式基础上，根据遗传算法特点通过引入拓扑变量提出一种新的优化模型列式。在遗传算法中改进了适应度函数及约束处理方法、选择和交叉操作等，提高了求解算法的效率和可靠性。数值算例以及两种列式的对比分析表明，本文改进的遗传算法和新提出的优化模型列式，能够得到拓扑优化问题的全局最优解。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

Two scale damage model and related numerical issues for thermo-mechanical High Cycle Fatigue

On the idea that fatigue damage is localized at the microscopic scale, a scale smaller than the mesoscopic one of the Representative Volume Element (RVE), a three-dimensional two scale damage model has been proposed for High Cycle Fatigue applications. It is extended here to anisothermal cases and then to thermo-mechanical fatigue. The modeling consists in the micromechanics analysis of a weak micro-inclusion subjected to plasticity and damage embedded in an elastic meso-element (the RVE of continuum mechanics). The consideration of plasticity coupled with damage equations at microscale, altogether with Eshelby–Kröner localization law, allows to compute the value of microscopic damage up to failure for any kind of loading, 1D or 3D, cyclic or random, isothermal or anisothermal, mechanical, thermal or thermo-mechanical. A robust numerical scheme is proposed in order to make the computations fast. A post-processor for damage and fatigue (DAMAGE_2005) has been developed. It applies to complex thermo-mechanical loadings. Examples of the representation by the two scale damage model of physical phenomena related to High Cycle Fatigue are given such as the mean stress effect, the non-linear accumulation of damage. Examples of thermal and thermo-mechanical fatigue as well as complex applications on real size testing structure subjected to thermo-mechanical fatigue are detailed.     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下，不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展，且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律，通过细观力学方法，对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化，探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型，将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中，对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据，对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

不同围压作用下非均匀岩石水压致裂过程的数值模拟

从岩石细观非均匀性的特点出发，提出一个描述非均匀材料渗流和破裂相互作用的数值模型。在这个数值模型中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流，损伤耦合迭代来实现。算例表明，该模型能较好地模拟出岩石类材料在水力压裂作用下，微结构非均匀分布和不同围压比对破裂模式、失稳压力的影响，非均匀性导致试件的开裂压力、失稳压力明显不同，裂纹扩展路径不规则发展，模拟结果和实验结果较为一致。     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象，将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性，设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则，并用模量折减法处理单元开裂，从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析，初步验证了模型的有效性。     

机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析

依据W-M分形函数建立了接触式机械密封摩擦副三维瞬态滑动接触模型，考虑了接触微凸体之间相互机械作用和摩擦的热力耦合，基于ABAQUS分析平台，首次提出了能够模拟机械密封摩擦副回转运动的计算模型，仿真分析了机械密封摩擦副在干运转条件下的摩擦特性. 研究结果表明:接触面温度分布不均匀，局部温度很高，在接触微凸体中心区域出现极值；在滑动后很短时间内温度急剧上升，随着滑动进行，接触节点温度继续升高，但是温升速率减缓；粗糙体轴向温度梯度较大，其亚表层区域存在较大的热应力，易发生热损伤失效；在接触微凸体轴向距表层较近的局部区域存在拉应力，滑动行为会使微凸体内部拉应力区域扩大，拉应力的数值也增大. 微凸体接触区轴向上的应力状态是变化的，依次为压应力-拉应力-压应力.      

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

Constitutive relationship of brittle rock subjected to dynamic uniaxial tensile loads with microcrack interaction effects

A micromechanical model is proposed to describe both stable and unstable damage evolution in microcrack-weakened brittle rock material subjected to dynamic uniaxial tensile loads. The basic idea of the present model is to classify the constitution relationship of rock material subjected to dynamic uniaxial tensile loads into four stages including some of the stages of linear elasticity, pre-peak nonlinear hardening, rapid stress drop, and strain softening, and to investigate their corresponding micromechanical damage mechanisms individually. Special attention is paid to the transition from structure rearrangements on microscale to the macroscopic inelastic strain, to the transition from distribution damage to localization of damage and the transition from homogeneous deformation to localization of deformation. The influence of all microcracks with different sizes and orientations are introduced into the constitutive relation by using the statistical average method. Effects of microcrack interaction on the complete stress-strain relation as well as the localization of damage for microcrack-weakened brittle rock material are analyzed by using effective medium method. Each microcrack is assumed to be embedded in an approximate effective medium that is weakened by uniformly distributed microcracks of the statistically-averaged length depending on the actual damage state. The elastic moduli of the approximate effective medium can be determined by using the dilute distribution method. Micromechanical kinetic equations for stable and unstable growth characterizing the ‘process domains’ of active microcracks are taken into account. These ‘process domains’ together with ‘open microcrack domains’ completely determine the integration domains of ensemble averaged constitutive equations relating macro-strain and macro-stress. Theoretical predictions have shown to consistent with the experimental results.