多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法. 采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格. 材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型. 其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数. 计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂. 数值实验表明了方法的有效性.      

大型土木结构的结构行为一致多尺度模拟——模拟方法与策略

针对大型土木结构以结构健康监测和损伤评估为目标的有限元分析的需要,从理论上探讨了复杂土木结构的结构行为一致多尺度模拟的方法和策略,指出对于大型复杂土木结构而言,适合考虑局部细节特性的结构行为多尺度建模的策略是:对于有限个需要重点关注的局部细节采用"小尺度"建模,而结构其他部分采用"大尺度"建模.针对目前大型复杂土木结构的建模都是借助于大型商用有限元软件,而现有软件都无法直接做到结构行为一致多尺度模拟,文中引入有限元方法中的子结构方法,从数学描述上对传统子结构方法加以改进,使之适合解决结构行为一致多尺度模拟问题.     

块体金属玻璃力学行为有限元模拟研究进展

块体金属玻璃材料具有重要的科学和应用价值,受到国际学术界的广泛重视,针对其力学行为的有限元模拟也逐渐成为研究热点.本文综述了模拟块体金属玻璃力学行为的有限元方法研究现状,包括材料本构模型以及有限元建模等方面的发展,最后给出相关工作建议.     

CPU散热片温度场模拟分析及其材料和尺寸选择的研究

对CPU的Cu—Al散热片进行了数值模拟热分析，研究了在室温、强迫对流的条件下的温度分布及散热片材料和几何尺寸对其传热性能的影响，并计算出模块较佳的材料和尺寸参数。有限元数值模拟分析值与实验测试值的比较结果表明，采用有限元热分析技术对CPU散热片进行数值模拟是可行的，为CPU散热片的设计提供了有效的方法。     

金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应

通过理论和数值方法，对冲击载荷下金属正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了研究。考虑材料应变率影响，建立了金属正交波纹夹芯结构动态响应的理论模型，同时对它的动态压缩响应进行了有限元模拟。结果表明，考虑材料应变率影响的理论模型的预测结果与有限元模拟结果吻合较好。进一步对多层正交波纹夹芯结构的动态压缩响应进行了数值模拟，获得了不同速度冲击下的变形模式，分析了层数对其动态响应的影响。研究发现，通过增加层数能够有效地增强结构的缓冲吸能能力，但层数超过4层以后增强效果不明显。     

冲击载荷下板杆组合结构的动态响应

结构受冲击载荷作用可能会变形甚至失效.合理的结构形式有助于增强结构的抗冲击性能.本文对冲击载荷作用下板杆组合结构的动力学行为进行了分析,采用有限元方法模拟冲击载荷下结构的大挠度变形模式和能量吸收特性,并研究了杆件长度对抗冲击性能的影响.     

黏弹夹芯板的有限元建模及实验研究

从有限元分析和数值模拟及实验验证的角度研究了黏弹夹芯板的频率依赖振动特性。夹芯板中间层为黏弹性材料，其刚度和阻尼的频率依赖性行为直接影响系统的模态频率和阻尼，并导致振动模式求解的复杂化。采用三阶七参数Biot模型描述黏弹性材料频率相关的黏弹性行为。开发了三层四节点28自由度的夹芯板单元，基于经典板理论和哈密顿原理建立了黏弹夹芯板的有限元动力学方程。通过引入辅助耗散坐标，将Biot模型和黏弹夹芯板的有限元动力学模型结合起来，并将其转化为常规二阶线性系统形式，极大简化了求解非线性振动特性的过程。对一边固定、另三边自由的黏弹夹芯板进行了前三阶固有频率和损耗因子的预测，并与实验结果对比。数值模拟结果和实验结果吻合良好，说明所提有限元方法是正确有效的。     

线性规律功能梯度材料断裂行为实验研究

焦散线方法与高速摄影技术结合,对线性规律功能梯度材料的I型静、动态断裂特性进行实验研究,并利用有限元软件进行数值模拟. 首先推导了线性规律功能梯度材料静、动态裂尖的焦散线初始曲线方程和参数方程,提出通过迭代方法根据功能梯度材料的复杂焦散线方程求解应力强度因子. 为对比材料梯度对断裂行为的影响,利用重力沉降法制备了3种梯度变化规律的试件. 然后对功能梯度材料试件进行三点弯曲实验,通过CCD和高速摄影装置采集试件焦散线图像,提取各种静、动态断裂参数. 最后通过与有限元模拟结果进行对比,证明在功能梯度材料断裂实验中焦散线方法的有效性,并详细分析了不同梯度变化规律对材料静、动态断裂性能的影响.      

冲击载荷作用下韧——脆复合板结构中脆性材料破碎的实验和数值模拟

本文以冲击实验和有限元分析研究了韧－脆复合材料结构中脆性材料的破碎问题，材料的破碎图具有一定的分形特征，其分形维数随冲击载荷的增大而增加，基于实验结果的非线性动力有限元分析对这类破碎图样的演化给出了动态过程模拟。     

泡沫铝填充薄壁圆管的三点弯曲实验的数值模拟

泡沫金属填充薄壁结构的应用日趋广泛,建立合理的数值计算模型对结构设计和工程应用非常重要.该文通过对泡沫铝填充薄壁铝合金圆管的三点弯曲实验的数值模拟,研究了它的力学行为.采用ABAQUS软件,建立了空管和泡沫铝全填充管的有限元模型,并对这两种结构在三点弯曲下的力学行为进行了数值模拟,所得结果与实验结果符合得较好.通过数值模拟分析了结构的承载机理和不同压头直径对结构承载能力的影响.此外,还研究了泡沫铝部分填充圆管的三点弯曲行为,分析了不同填充长度对结构承载能力的影响.     

An investigation on multilayer shape memory polymers under finite bending through nonlinear thermo-visco-hyperelasticity

This study presents a semi-analytical solution to describe the behavior of shape memory polymers(SMPs) based on the nonlinear thermo-visco-hyperelasticity which originates from the concepts of internal state variables and rational thermodynamics. This method is developed for the finite bending of multilayers in a dual-shape memory effect(SME) cycle. The layer number and layering order are investigated for two different SMPs and a hyperelastic material. In addition to the semi-analytical solution...     

Construction of n-sided polygonal spline element using area coordinates and B-net method

In general, triangular and quadrilateral elements are commonly applied in two-dimensional finite element methods. If they are used to compute polycrystalline materials, the cost of computation can be quite significant. Polygonal elements can do well in simulation of the materials behavior and provide greater flexibility for the meshing of complex geometries. Hence, the study on the polygonal element is a very useful and necessary part in the finite element method. In this paper, an n-sided polygonal element based on quadratic spline interpolant, denoted by PS2 element, is presented using the triangular area coordinates and the B-net method. The PS2 element is conforming and can exactly model the quadratic field. It is valid for both convex and non-convex polygonal element, and insensitive to mesh distortions. In addition, no mapping or coordinate transformation is required and thus no Jacobian matrix and its inverse are evaluated. Some appropriate examples are employed to evaluate the performance of the proposed element.     

建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法综述

对建筑结构倒塌破坏的数值模拟方法进行了综述,可归纳为预设损伤与破坏准则、隐式有限元、显式有限元、颗粒离散单元法等4类,分别就其发展历史和实际应用过程中存在的若干缺陷和问题进行探讨。根据颗粒离散元法的基本原理与特点,以某3跨10层的高层框架结构为算例,建立颗粒流模型,基于PFC2D软件编写程序,模拟该结构在突遭水平强击作用下从构件裂纹扩展、断裂、失效、退出工作、结构局部性坍塌一直到整体倒塌的全部动态过程,表明颗粒离散元法可对二维、三维倒塌过程中存在的大量非线性问题进行处理,与其他方法相比较具有较大优势。     

半结晶聚合物损伤演化的实验表征与数值模拟

损伤本构模型对研究材料的断裂失效行为有重要意义, 但聚合物材料损伤演化的定量表征实验研究相对匮乏. 通过4种高密度聚乙烯(high density polythylene, HDPE)缺口圆棒试样的单轴拉伸实验获得了各类试样的载荷-位移曲线和真应力-应变曲线, 采用实验和有限元模拟相结合的方法确定了HDPE材料不同应力状态下的本构关系, 并建立了缺口半径与应力三轴度之间的关系;采用两阶段实验法定量描述了4种HDPE试样单轴拉伸过程中的弹性模量变化, 并建立了基于弹性模量衰减的损伤演化方程, 结合中断实验和扫描电子显微镜分析了应力状态对HDPE材料微观结构演化的影响. 结果表明缺口半径越小, 应力三轴度越大, 损伤起始越早、演化越快; 微观表现为: 高应力三轴度促进孔洞的萌生和发展, 但抑制纤维状结构的产生;基于实验和有限元模拟获得的断裂应变、应力三轴度、损伤演化方程等信息提出了一种适用于聚合物的损伤模型参数确定方法, 最后将本文获得的本构关系和损伤模型用于HDPE平板的冲压成形模拟, 模拟结果与实验结果吻合良好.      

基于卷积非粘滞阻尼模型的超高层结构风效应分析

有限元方法中相对于对结构质量与刚度特性的描述,结构阻尼的描述仍具有较大的模糊性。随着新型建筑材料与复杂结构体系的发展,以及对计算机模拟要求的提高,阻尼作用的机理与相应阻尼模型的研究成为值得关注的问题。基于一种阻尼力与质点速度历程相关的卷积非粘滞阻尼模型,采用微分求积求解算法,对一个大型复杂超高层建筑结构的风振响应进行了分析,并与常用的比例粘滞阻尼模型进行了对比。对卷积非粘滞阻尼力模型系统的响应特征进行了分析,特别是该模型的松弛效应对结构响应的影响。另外,作为将这种新阻尼模型应用于实际工程的一次探索,本文采用微分求积算法,建立了一套可将该阻尼模型及其求解算法嵌入通用有限元软件的求解系统,可用于复杂结构的动力响应分析。     

基于能量平衡原理的有限单元耦合方法

结构非线性数值计算分析应真实反映局部损伤破坏细节,以作为损伤演化全过程分析的依据。对同类构件,有限单元耦合方法可以解决破坏细节与整体模拟的空间尺度差异问题。基于能量平衡原理,建立了梁与实体单元、梁与壳单元以及壳与实体单元的耦合方程,适用于结构的损伤数值计算。对某RC框架结构原位推覆试验的损伤数值分析表明,有限单元耦合模型能正确反映整体结构的承载力和变形性能,并且能准确反映局部损伤破坏细节。     

Nonlinearly Viscoelastic Nanoindentation of PMMA Under a Spherical Tip

The Oliver-Pharr method has been well established to measure Young’s modulus and hardness of materials without time-dependent behavior in nanoindentation. The method, however, is not appropriate for measuring the viscoelastic properties of materials with pronounced viscoelastic effects. One well-known phenomenon is the formation of unloading “nose” or negative stiffness during unloading that often occurs during slow loading-unloading in nanoindentation on a viscoelastic material. Most methods in literature have only considered the loading curve for analysis of viscoelastic nanoindentation data while the unloading portion is not analyzed adequately to determine the nonlinearly viscoelastic properties. In this paper, nonlinearly viscoelastic effects are considered and modeled using the nonlinear Burgers model. Nanoindentation was conducted on poly-methylmethacrylate (PMMA) using a spherical indenter tip. An inverse problem solving approach is used to allow the finite element simulation results to agree with the nanoindentation load–displacement curve during the entire loading and unloading stage. This approach has allowed the determination of the nonlinearly viscoelastic behavior of PMMA at submicron scale. In addition, the nanoindentation unloading “nose” has been captured by simulation, indicating that the negative stiffness in the viscoelastic material is the result of memory effect in time-dependent materials.     

板材成形的计算机辅助工程系统

板材成形同时包含大变形、（粘）塑性、接触、摩擦等多种非线性因素耦合,刊用有限元法在计算机上模拟出板材从坯件到成品的全过程并加以图形显示,进而研究影响成形的各种因素,可以为板材成形的设计和生产提供可靠依据．本文介绍板材成形的计算机辅助工程系统（简称ＣＡＥ系统）的组成,并对成形数值模拟中的有限元格式、接触与摩擦问题、拉伸筋的考虑方法以及回弹的计算方法做了简单介绍．      

铁磁纳米结构磁化状态及其磁-力耦合效应的相场模拟

基于随时间变化的Ginzburg-Landau(TDGL)方程,建立了模拟铁磁材料磁-力耦合效应的相场模型。从弱解形式出发,推导出了相关控制方程的有限元格式,然后编制程序进行数值求解。由于有限元对复杂边界有良好的适用性,该模型可用于不同形状铁磁材料的畴结构模拟。通过相场模拟,发现铁磁纳米结构中的磁化会形成涡旋结构,与实验观察到的磁化涡旋结构符合较好。由非均匀磁化引起的结构的变形、应力等力学参量都可以通过模拟一并得到。本文结果表明,改变结构形状可以有效控制磁畴结构的形态,适当的外应力可以改变磁畴结构及其对外磁性的大小。