砂土统一模型的显式计算及加载速度影响研究

以砂土体渐进破坏问题为背景，采用显式方法进行高、低压下砂土统一模型的二次开发以克服隐式算法在软化计算中的强非线性不收敛问题，实现具有剪胀软化、剪缩硬化特性材料的模拟计算．在此基础上开展三个压力等级、不同位移加载速度条件下的平面应变压缩试验，分析位移加载速度对显式计算结果的影响效应．通过分析得到结论：(1)采用动力学显式算法对常压至高压范围的砂土统一模型进行计算是可行的，受荷响应随加载速度的降低逐渐趋于稳定并最终得到静力学计算结果，能够反映砂土在低压下的剪胀软化以及高压下的剪缩硬化特性；(2)砂土统一模型的显式计算结果受加载速度的影响呈双折线趋势，并存在加载速度界限值，试样在加载速度界限值前后呈现不同的受荷变形破坏形态；(3)采用显式计算方法开展砂土统一模型的准静态模拟过程中，须结合计算结果偏差面积比随加载速度的关系曲线，来确定满足一定偏差面积比并且小于界限值的准静态位移加载速度．     

钢筋混凝土结构改进型分离式数值模型

提出一种考虑粘结滑移效应的钢筋混凝土改进型分离式数值模型。在混合物理论基础上,该模型兼顾混凝土基体和钢筋的力学行为,且基于钢筋混凝土界面粘结滑移模型,获得了钢筋等效模型。改进型分离式数值模型由于对钢筋及其界面无显式离散要求,使得钢筋的运用完全独立于其几何形状,同时对混凝土网格没有约束,并且不增加计算成本,因此该模型可适用于钢筋混凝土宏观结构层面分析。通过钢筋混凝土构件-结构的爆炸实验,对改进型分离式数值模型进行层次化验证。对比结果表明,考虑粘结滑移效应的有限元模型能够更好地预测钢筋混凝土结构的宏观力学行为。     

随机结构有限元分析的递推求解方法的改进

将随机结构有限元分析的递推求解方法和伽辽金投影方法相结合,提出了求解随机静力响应的改进的递推求解方法。利用随机收敛的非正交多项式展开表示由于材料、外部荷载或构件几何尺寸的随机性导致的结构随机响应。采用递推求解方法得到响应多项式展开的初始系数,并运用定义的数学算子显式地表达出来。然后,通过定义修正系数,应用伽辽金方法对随机力平衡方程在非正交多项式基上进行投影,得到了和响应展开阶次个数相同的确定的有限元方程,并进行求解得到了修正系数。数值算例表明,通过对递推求解方法中响应表达式系数的修正,以很小的计算代价较大地提高了随机响应的计算精度;与基于正交多项式展开的随机有限元方法相比,在精度相当的前提下新方法耗费的计算时间大大降低。     

基于夏比冲击试验的材料失效模型参数

结合夏比冲击试验和ABAQUS显式动力数值模拟,对Q370d钢进行了Johnson-Cook失效模型参数研究。首先,在不考虑材料失效的情况下,通过3种不同厚度的无缺口试件冲击实验对有限元模型参数设置和材料本构模型的准确性进行了验证,同时还讨论了试件断裂区网格的合适尺寸;在此基础上,基于正交设计,通过大量的有限元数值模拟得到失效模型参数样本,利用回归分析求得冲击功与失效模型参数的回归方程组;最后结合夏比V型缺口冲击试验,求解Q370d钢的失效模型参数,并对断裂截面的力学特性进行了分析,可为工程应用提供参考。     

混凝土K&C模型材料参数分析与模拟

混凝土K&C模型材料参数一般取国外文献中的原始数值,没有根据混凝土强度等级和单元尺寸的不同而作相应的调整．根据相关的试验研究成果,提出了一种确定K&C模型强度参数值的方法,并阐述了K&C模型损伤参数值的调整方法,使得数值计算结果更加合理．运用有限元显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA,采用流固耦合方法模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动态响应,混凝土K&C模型取本文确定的参数值,计算结果与试验结果吻合较好,从而验证了K&C模型材料参数取值的正确性．     

基于动态本构模型的整流罩铰链系统自冲击分析

整流罩铰链系统结构分析是大型整流罩分离分析的重要环节,也是国内新一代运载火箭研制过程中的关键技术之一。基于30CrMnSiA和ZTC4-1的力学性能试验研究,得到材料的动态本构模型,并建立整流罩及动态本构模型下的铰链系统有限元模型。通过非线性显式动力学分析方法,对铰链系统自冲击过程进行仿真,得到冲击作用下铰链系统的应力和应变情况,并通过内力分析得到自冲击过程中铰链系统的主要内力形式。最后,通过比较铰链系统动态本构与准静态本构下的自冲击响应,验证并说明了动态本构模型对铰链系统自冲击仿真的影响。计算结果表明,自冲击作用会使铰链系统发生塑性变形,且动态本构模型有利于反映真实结果,为新一代运载火箭的研制提供一定的参考价值。     

基于能量等效原理的应变局部化分析:Ⅱ.有限元解法

以非局部塑性理论为基础,应用状态空间理论,通过局部和非局部两个状态空间的塑性能量耗散率等效原理,提出了一种求解应变局部化问题的新方法,以得到与网格无关的数值解.针对二维问题的屈服函数和流动法则导出了求解非局部内变量的一般方程,并提出了在有限元环境中求解应变局部化问题的应力更新算法.为了验证所提出的方法,对1个一维拉杆和3个二维平面应变加载试件进行了有限元分析.数值结果表明,塑性应变的分布和载荷-位移曲线都随着网格的变小而稳定地收敛,应变局部化区域的尺寸只与材料内尺度有关,而对有限元网格的大小不敏感.对于一维问题,当有限元网格尺寸减小时,数值解收敛于解析解.对于二维剪切带局部化问题,数值解随着网格尺寸的减小而稳定地向唯一解收敛.当网格尺寸减小时,剪切带的宽度和方向基本上没有变化.而且得到的塑性应变分布和网格变形是平滑的.这说明,所提方法可以克服经典连续介质力学模型导致的网格相关性问题,从而获得具有物理意义的客观解.此模型只需要单元之间的位移插值函数具有C~0连续性,因而容易在现有的有限元程序中实现而无需对程序作大的修改.     

弹性、弹塑性材料显式模拟计算中的准静态加载速度研究

摘 要：动力学显式算法采用时间积分原理，其较静力学隐式算法在强非线性问题中的适用性更广。为将此方法应用到岩土等非线性材料的计算中，考虑到显式算法中动能的影响会导致结果波动，分析动力学显式算法在模拟计算中的准静态加载速度的选取十分必要,如何在缩短模拟消耗时间与结果准确性之间寻求平衡是本文研究重点。研究中提出以加载-位移曲线的波动比来评价准静态计算效果，首先开展弹性材料的平面应变模拟试验以分析弹模、密度、泊松比、围压4个参数对准静态加载速度取值的影响，结果表明：弹模、泊松比、围压的增大会提高准静态加载速度；密度的增大则会减小准静态加载速度。通过对各影响因素与准静态加载速度的相关性分析给出了准静态加载速度取值的经验公式。最后，选取能够反映砂土复杂力学特性的弹塑性本构模型，开展其平面应变模拟试验，对比分析准静态加载速度经验公式在弹性材料与弹塑性材料中的适用性差异，并提出应用建议公式。     

钢筋混凝土柱破坏过程扩展有限元数值模拟

为描述钢筋混凝土柱的破坏过程,分别建立了由三维实体单元和三维杆单元构成的精细化模型以及结合纤维梁单元的纤维梁与实体单元耦合模型。耦合模型中,钢筋混凝土柱下段混凝土和钢筋分别用三维实体单元与三维杆单元建模,通过耦合连接实现精细单元与粗糙单元之间的变形协调。基于混凝土弹塑性本构关系,运用扩展有限元方法模拟钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线以及开裂过程,并进行比较。数值模拟与试验结果的比较表明,模拟得到的裂缝位置以及荷载-位移曲线与试验结果吻合较好。扩展有限元具有无需重划网格、无需预设裂纹的优点,能有效地模拟筋混凝土柱的开裂过程。耦合模型具有计算效率高的优势,且能较好地模拟构件的破坏模式。     

简易振动台试验设备研制

为了完成多桩型复合地基抗液化性能振动台试验,利用实验室已有的反力墙和作动器,设计了一个小型的简易单向振动台系统和堆叠式剪切模型箱。堆叠式剪切模型箱内部尺寸为1200mm×800mm×772mm,由8层铝合金框架和7层橡胶条叠合而成。利用ANSYS有限元软件对模型箱及地基-模型箱进行了动力分析,并通过饱和粉细砂地基模型振动台试验验证了模型箱的效果。结果表明,所设计的模型箱能够较成功地模拟天然场地的边界条件,为多桩型复合地基抗液化性能振动台试验的顺利进行打下基础。     

基于Python-Abaqus的自适应网格重划分算法实现及其应用

在有限元分析中,当选取了合适单元类型后,若采用的网格尺寸太大则达不到计算精度要求,尺寸太小则往往需要非常庞大的单元数而导致求解自由度的迅速增长,利用自适应网格可以减轻计算精度与计算量的矛盾。本文采用基于后验误差估计的自适应网格重划算法,并结合Abaqus二次开发,编写了相应的自适应有限元Python脚本,从数值上分析了误差控制标准对计算结果的影响,实现了自适应求解全过程。通过Python脚本应用于几类典型问题的有限元分析,数值验证了基于Abaqus网格重划技术的自适应方法对求解应力集中问题的有效性。Python二次开发自适应计算与模拟,可绕过Abaqus/CAE的图形用户界面(GUI)直接对Abaqus内核进行操作,实现从几何建模、网格剖分到自适应求解的自动化处理,进而可方便多次修改模型和参数,提高建模效率。     

计及剪切影响的RC梁的非线性分析

为提高钢筋混凝土RC梁的计算效率和精度,提出了一种基于梁截面弯矩-曲率关系的宏观有限元方法,可用于各种跨高比RC梁的材料非线性分析。首先假定了混凝土和钢筋的非线性应力-应变关系,然后引入经过修正的Rodriguez截面模型,根据边界顶点把截面划分成若干梯形单元,利用quasi-Newton法求解由两个变量耦合而成的截面非线性平衡方程,由此建立RC截面的弯矩-曲率关系。在此基础上利用Timoshenko梁弯曲理论建立考虑横向剪切变形影响的RC梁的有限元分析模型。通过对试验梁的分析对比验证了所提出的分析方法的适用性。     

基于PANDA的并行显式有限元程序开发

冲击响应数值模拟在军用与民用领域有广泛的应用需求,但现有串行分析程序难以满足求解规模和效率的需求,因此需要开发并行显式有限元程序.本文在分析了显式有限元串行基本算法的基础上,设计了相应的并行算法,采用模块化程序开发模式基于PANDA程序框架开发了并行显式有限元分析程序DynPack,并进行了算例验证.算例表明,DynP...     

二级多点近似方法在整星结构优化设计中的应用

以整星结构为研究对象,针对含有离散变量的混合变量优化问题,应用二级多点近似方法给出从卫星拓扑布局设计到尺寸的一体化优化求解过程。首先,对整星结构进行仿真和振动试验,设计满足总体指标要求且已得到在轨验证。其次,建立以极小化卫星质量为目标的多工况优化模型后利用分段多点逼近函数建立了显式近似问题。最后,采用遗传算法和变尺度法分别对离散/连续两类变量寻优,并以拓扑构型一致性和目标函数的下降程度作为收敛的判定依据。结果显示,在满足频率和静力的约束下,卫星质量降低了7.9%,且结构分析迭代次数仅为50~60次,从而验证了该方法在求解整星结构多变量多工况下的一体化设计问题时具有很高的计算效率和准确性。     

近似评价函数确定运动极限及其在形状优化中的应用

针对二维连续体形状优化过程中解析灵敏度求解困难的情况,利用响应面方法将目标函数和约束函数近似显式化,建立序列二次规划模型。为了保证优化模型的可靠性,结合试验设计方法,以较少的结构分析代价构造约束响应面,从而能够快而稳定地收敛,本文重点研究并建立了二次近似评价函数用以计算自适应运动极限的策略。算例说明这种策略是有效而稳定的。     

基于设计空间调整的结构拓扑优化方法

提出了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化方法,以求解有限元网格规模大的问题,且获得0/1拓扑解. 首先, 借鉴有理分式材料模型, 建立了材料刚度性质与拓扑变量的关系. 为了解决分析计算量大和需要解释得到的材料分布等问题,给出了一种不影响数学规划求解算法收敛特性的设计空间调整手段. 其次,当优化迭代求解接近结构最佳拓扑邻域后,采用了加速收敛求解的策略,并给出了一种加速收敛的启发式算法. 然后, 结合基于倒设计变量的位移函数的非完整二阶近似式,建立了一种基于设计空间调整的结构拓扑优化算法. 该方法能获得较好0--1分布特征的优化拓扑,能较好地处理多载荷和多约束的结构拓扑优化问题. 给出的算例表明通过结构分析模型规模的减小和传统的位移迭代求解法的采用,方法效率明显提高. 算例验证了该方法的正确性和有效性.      

基于稀疏网格配点法的边坡稳定可靠度分析

提出了基于稀疏网格配点法的边坡可靠度分析方法;利用有限元强度折减法计算了边坡安全系数,再通过稀疏网格配点法构造代理模型,将隐式功能函数转为显式功能函数,从而降低了有限元计算次数。在此基础上结合蒙特卡罗方法计算边坡失效概率,给出了计算流程,并编写了相应的MATLAB程序。最后以一显式功能函数问题为例验证了稀疏网格配点法的有效性,并以两个边坡问题为例研究了所提方法在边坡可靠度中的应用。结果表明,虽然1阶Smolyak配点法相比2阶Smolyak配点法计算量小,但后者更适用于边坡可靠度分析。所提方法能够对考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度进行分析,计算结果与拉丁超立方抽样方法保持一致,计算精度较高,为进行复杂的边坡可靠度分析提供了一条有效的途径。     

变截面梁动力响应的频域传递矩阵计算方法

为提高变截面梁振动分析的计算效率,提出了基于频域传递矩阵法的动力计算算法．首先,选择线速度、角速度、弯矩和剪力作为求解变量,通过Laplace变换将变截面梁的动力响应时域偏微分方程转换为频域常微分方程;然后,通过求解频域方程并结合协调和边界条件建立变截面梁的频域传递矩阵;通过构造傅里叶级数展开形式的时域响应函数,对变截面梁传递矩阵方法求解的频响函数进行Laplace逆变换,建立了变截面梁的固有特性计算和时域瞬态响应计算方法,最后,借助数值仿真软件,开发了变截面梁动力响应分析的计算程序．完成对算例的仿真计算和分析,并与有限元计算结果进行对比,数值结果验证了该方法的正确性和有效性．     

非结构网格上p型多重网格法流场数值模拟

在二维、三维非结构网榕上,针对间断Galerkin方法计算量大、收敛慢的缺点将p型多重网格方法应用于该方法求解跨音速Euler方程,提高计算效率。p型多重网格方法是通过对不同阶次多项式近似解进行递归迭代求解,来达到加速收敛。文中对高阶近似(p＞0)使用显式格式,最低阶近似(p=0)采用隐式格式。NACA0012翼型和O...     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力响应和结构参数之间复杂的隐式关系用显式函数近似表达出来;在此响应面模型(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.