基于开放式结构有限元系统SiPESC.FEMS的动力时程分析通用算法构架

基于开放式结构有限元分析软件系统SiPESC.FEMS,针对动力时程分析算法共性,采用C++面向对象程序设计方法和软件设计模式,研发了一种结构动力分析通用算法构架。构架的核心思想是算法与数据模型相分离,从而实现算法通用性,整个构架由四个基本类及子类构成。本文重点阐述了基本类的抽象过程和通用接口的设计思想,给出了利用插件技术实现算法构架的步骤。利用该构架已实现了Newmark法、Wilson-θ法、中心差分法及改进中心差分法,并进行数值验证。研究工作表明,算法构架适用于通用时程积分算法,可方便地进行动态扩展,具备良好的开放性和重用性。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(I)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(Hilber-Hughes-Taylor)方法,Generalized α方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅰ)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(HilberHughes-Taylor)方法,Generalizedα方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。     

面向超大规模有限元计算的通用可视化系统SiPESC.POST的设计与实现

针对有限元计算规模日益增大,应用领域不断扩展的设计需求,设计并实现了具有开放性的通用可视化系统,目标是面向百万/千万节点以上的超大规模有限元的计算可视化。在软件框架设计方面,引入流式体系结构,该体系结构具有高效计算和高效通信特性,满足大规模数据处理需求。在软件实现方面,采用工厂方法设计模式和插件技术,提高了系统的可扩展性和灵活性。设计并实现了有限元模型、渲染器和过滤器等模块。在大规模数据可视化方面,提出模型数据、结果数据的设计方案和管理机制,并采用VBO和分批载入技术,实现了超大规模模型的实时显示功能。通过多个模型实例展示了该系统的可行性与优越性。     

流固耦合分析的载荷映射开放式软件架构设计

基于开放式工程与科学计算软件平台SiPESC设计实现了流固耦合分析流场载荷映射软件架构。软件的核心问题是解决计算流体力学(CFD)网格模型与计算结构力学(CSD)网格模型交互界面网格不匹配情况下的流-固载荷映射问题。软件采用插值方法将流场分析得到的物面载荷转换为结构分析的载荷边界条件。软件基于SiPESC平台的微核心+插件的开放式可扩展软件框架进行设计,依托SiPESC.ENGDBS工程数据库管理系统实现大规模数据管理。设计实现的软件框架提供了算法的灵活扩展接口与管理机制,可动态扩展新的插值算法,满足流固耦合分析需要的数据管理与数据转换需求。在该软件框架下,已实现了多种插值算法,并完成验证算例与工程算例的载荷数据转换。算例表明软件功能具备良好的工程适用性,为进一步开发与应用奠定基础。     

多学科设计优化中常用代理模型的研究

代理模型是多学科设计优化的关键技术之一。本文系统介绍了多项式响应面模型,径向基函数模型和Kriging模型等3种多学科设计优化中常用的代理模型。通过构造某机翼展向气动载荷分布的代理模型,对这3种模型的效果进行了评估,并对这些代理模型的构造方法、基本特性和适用范围进行了分析研究。     

循环载荷下随动硬化模型的数值迭代算法

在Von-Mises屈服准则及正交流动准则的前提下,建立了循环载荷下叠加型A-F(Armstrong-Frederick)非线性随动强化模型的迭代算法,并根据塑性应变增量的收敛控制实现内部的平衡迭代。为验证本文数值方法的正确性,以Chaboche和Ohno-Abde-Karim随动硬化模型为例,将本文方法的计算结果与通用有限元软件ANSYS的分析结果及试验数据进行了比较,均吻合良好,验证了本文算法的可靠性。     

基于代理模型的边坡稳定可靠度算法

针对基于极限平衡模式而建立的边坡稳定可靠度功能函数的隐式特征及其导致的可靠度求解等问题,首先利用Kriging插值预测方法,以极限平衡理论的Janbu算法为例,建立了边坡稳定可靠度功能函数的新型显式代理模型;然后将拉丁超立方试验抽样设计方法、Janbu算法、几何可靠度指标计算三者结合起来,研制了该代理模型的求解程序;构建了基于Kriging插值预测的边坡稳定可靠度近似分析新方法。选用某著名边坡算例,将本文方法分析结果与基于蒙特卡洛法的精确解进行了对比,两者的相对误差为5.21%,但前者计算工作量不到后者的万分之一,表明了代理模型方法的实用性和有效性。最后用代理模型方法分析了衡桂高速某段路堑边坡的稳定可靠性,表明本文方法计算结果能够满足工程精度要求,具有一定的应用价值。     

基于损伤一致性的动车组转向架载荷实验谱研究

动车组转向架构架载荷状况复杂, 实际运用条件下包含多个基本载荷系, 因此转向架构架局部位置的总损伤是若干载荷系在该位置相应损伤的累积; 转向架构架实验谱是考核动车组构架寿命的关键手段, 在没有实测载荷的条件下如何编制实验谱是本文的研究目标.本文首先对转向架构架承载系统的线性假设、稳定假设及典型假设进行了确认研究; 然后根据长期实测线路仅有的动应力数据, 将转向架构架典型应力分区域编制应力谱; 其次根据构架受力特点对构架建立载荷系, 在试验台中标定各个载荷系下的载荷应力传递关系, 并将区域典型测点的最大标定系数作为该区域的载荷应力传递系数; 然后基于损伤一致性原则建立优化函数, 并将获得的载荷应力传递系数矩阵代入优化函数, 得到一种适用于由线路实测动应力大数据推导出实验载荷谱的方法. 试验结果证明该方法具有较高的精度, 对构架关键部位的考核实现了典型区域全覆盖; 在中国线路运用工况下, 相比国际通用规范, 该方法对所有典型区域做到损伤再现, 所编制实验谱对转向架构架的考核更具有适用性.      

一种带有末端弹体姿态角约束的非线性制导律

针对带有末端多约束的三维非线性制导问题,设计了一种通用模型预测静态规划制导算法。该制导算法通过向后迭代求解权矩阵微分方程对控制量进行更新,将动态优化问题转化为静态优化问题,计算效率得以提高。阐述了通用模型预测静态规划制导算法的基本原理,详细给出了基于通用模型预测静态规划算法的制导律设计过程。所设计的制导律满足末端法向加速度约束,因此,间接满足末端弹体姿态角约束。仿真时考虑目标的机动方式和落角约束,仿真结果表明,末端位移偏差小于0.5 m,末端落角可控制在0.01°范围内,末端法向加速度小于0.01 m/s2,该制导律能够很好地满足末端位移、落角和法向加速度约束。     

结构拓扑优化中变量连接算法研究与软件实现Research and software implementation of variable connection algorithm for structural topology optimization

结构拓扑优化的变量连接,是通过对设计变量之间添加约束关系,从而得到特定的拓扑优化构型,使得优化结果能够满足工程上的特殊要求和工艺制造技术的限制。针对拓扑优化中的几类过滤形式及灵敏度分析,给出了考虑变量连接的计算公式;基于自主研发的SiPESC软件集成化平台,在SiPESC ．TOPO拓扑优化模块上进行二次开发,构建了拓扑优化的变量连接算法框架,其核心思想是基于面向对象设计方法和软件设计模式,实现算法与数据分离。详细阐述了变量连接的作用方式,以及软件框架通用接口设计方案,并通过数值算例验证了其在静力问题、动力问题和热传导问题上的可行性。     

Experiments and Material Parameter Identification Using Finite Elements. Uniaxial Tests and Validation Using Instrumented Indentation Tests

In this article, we focus our attention on the relation between instrumented indentation tests and the prediction by means of finite element calculations. To this end, a finite strain viscoplasticity model of Perzyna-type with non-linear isotropic and kinematic hardening is calibrated at experimental data of steel S690QL. A particular concept for conducting uniaxial tensile and compression tests is taken up in order to represent the basic rate-dependent material behavior. In this respect, an algorithmic framework of material parameter identification using finite elements is proposed leading to a two-stage procedure in the case of the underlying rate-dependent constitutive model. On the basis of the termination points of relaxation the rate-independent equilibrium stress state can be identified and all viscous parts of the model are obtained using rate-dependent loading paths. Finally, use is made of finite elements for predicting indentation experiments, which results in a critical view on modeling and parameter identification on the basis of experimental results occurring in instrumented indentation tests.     

高压捕获翼前缘型线优化和分析

为分析翼前缘形状变化对高压捕获翼构型气动性能的影响,基于一种锥体组合捕获翼概念构型,采用幂次函数和余弦函数组合形式对翼前缘型线进行了参数化设计,在比较了多项式和径向基函数两种代理模型的拟合精度基础上,以飞行马赫数7,飞行攻角0° 为计算条件,结合使用均匀实验设计方法、计算流体力学、径向基函数代理模型方法和遗传算法,选择升阻比最大化为目标开展了数值优化,最后基于优化结果进行了单参数的灵敏度分析. 优化结果表明,相对于基准外形而言,优化后构型升力系数增大了约8.1%,阻力系数减小了约12.2%,升阻比提高了约23.4%. 此外,灵敏度分析结果表明升阻比与5 个设计参数均呈非线性关系,其中展向角度对升阻比影响最大,其次为幂次曲线的比例参数,其余3 个参数对升阻比的影响相对较弱.      

On the thermomechanical modeling of shape memory alloys

In this work, a general inelastic framework for the derivation of general three-dimensional thermomechanical constitutive laws for materials undergoing phase transformations is proposed. The proposed framework is based on the generalized plasticity theory and on some basic elements from the theory of continuum damage mechanics. More specifically, a new elaborate formulation of generalized plasticity theory capable of accommodating the multiple and interacting loading mechanisms, which occur during the phase transformations, is developed. Furthermore, the stiffness variations occurring during phase transformations are taken into account by the proposed framework. For this purpose, the free energy is decomposed into elastic and inelastic parts, not in a conventional way, but in one which resembles the elastic-damage cases. Also, a rate-dependent version of the theory is provided. The concepts presented are applied for the derivation of a three-dimensional thermomechanical constitutive model for Shape Memory Alloy materials. Numerical simulations to show qualitatively the ability of the model to capture the behavior of the shape memory alloys are also presented. Furthermore, the model has been fitted to actual experimental results from the literature.     

基于POD-RBF代理模型的迭代更新反演方法

针对常规的水工大坝等大型工程结构参数反演需要耗费大量有限元正分析机时的问题,建立了具有较好反演精度和泛化性能的POD-RBF代理模型和快速迭代更新反演算法。基于有限元分析获得足量数据样本,利用POD提取本征向量,并使用RBF方法进行插值得到有限元模型的代理模型;同时结合粒子群算法的全局寻优能力和高斯-牛顿法的快速局部收敛优势,建立了一种新的高效率迭代反演方法,并应用于混凝土大坝分区弹性模量反演。结果表明,该方法适用于大坝等大体积混凝土结构的力学参数反演。同时,相较于传统的单一反演方法,该方法在反演效率和反演精度两方面均显示出优势。     

基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法

多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一.然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足,缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性,难以广泛应用.文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型,在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时,建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法.在发展的方法中,提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法,使代理优化算法效率进一步提高.为了验证发展方法的全面表现,将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中,并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较.结果表明,发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高,结果更好也更加可靠,并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求,证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.     

A sum of squares approach to robust PI controller synthesis for a class of polynomial multi-input multi-output nonlinear systems

This paper presents a new algorithmic method to design PI controller for a general class of nonlinear polynomial systems. Design procedure can take place on certain or uncertain nonlinear model of plant and is based on sum of squares optimization.The so-called density function is employed to formulate the design problem as a convex optimization program in the sum of squares form. Robustness of design is guaranteed by taking parametric uncertainty into account with an approach similar to that of generalized ${\mathcal {S}}$ -Procedure. Validity and applicability of the proposed methods are verified via numerical simulations. The method presented here for PI controller design is not based on local linearization and works globally. Derived stability conditions overcome several drawbacks seen in previous results, such as depending on a linearized model or a stable model. Furthermore, employing sum of squares technique makes it possible to derive stability conditions with least conservatism and directly design controller for polynomial affine nonlinear systems.     

高压捕获翼位置设计方法研究

高压捕获翼构型是一种合理利用机体/上置翼(简称捕获翼)间的耦合关系提高飞行器升力,进而大幅提高升阻比的高速飞行器新概念构型.基于其设计原理,捕获翼的位置与机体压缩激波和自身二次压缩激波的位置均直接相关,一般难以利用理论方法直接获得.针对这一问题,本文运用均匀实验设计方法在设计空间内获取样本点并利用计算流体力学分析和迭代获得其设计位置,之后通过构造代理模型建立捕获翼位置与设计参数间的模拟映射关系,进而发展了一种捕获翼位置设计的有效方法.在方法研究基础上以锥体-捕获翼组合构型作为实例对其进行验证.结果表明,该方法可在较大设计空间范围内准确判定捕获翼的设计位置.此外,针对这一构型还开展了基于代理模型的设计参数单因素分析.发现在设计空间内,前缘压缩角、来流马赫数、和捕获翼钝化半径等3个关键参数均与捕获翼位置呈单调正比例关系.      

Constitutive modeling of ice in the high strain rate regime

The objective of the present work is to propose a constitutive model for ice by considering the influence of important parameters such as strain rate dependence and pressure sensitivity on the response of the material. In this regard, the constitutive model proposed by Carney et al. (2006) is considered as a starting basis and subsequently modified to incorporate the effect of brittle cracking within a continuum damage mechanics framework. The damage is taken to occur in the form of distributed cracking within the material during impact which is consistent with experimental observations. At the point of failure, the material is assumed to be fluid-like with deviatoric stress almost dropping down to zero. The constitutive model is implemented in a general purpose finite element code using an explicit formulation. Several single element tests under uniaxial tension and compression, as well as biaxial loading are conducted in order to understand the performance of the model. Few large size simulations are also performed to understand the capability of the model to predict brittle damage evolution in un-notched and notched three point bend specimens. The proposed model predicts lower strength under tensile loading as compared to compressive loading which is in tune with experimental observations. Further the model also asserts the strain rate dependency of the strength behavior under both compressive as well as tensile loading, which also corroborates well with experimental results.