滑移爆轰问题无网格MPM法数值模拟

利用MPM(material point method)计算方法,以爆炸焊接作为实例,对炸药滑移爆轰过程和金属飞板与基板之间的碰撞变形进行了数值模拟.并将无网格MPM法的数值计算结果与近似解析公式的计算结果进行了比较,二者基本吻合,有力地证明了无网格MPM法在求解爆炸冲击问题中的有效性和健壮性.     

极端变形问题的物质点法研究进展

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法. 本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用.     

物质点法的理论和应用

物质点法采用质点离散材料区域, 用背景网格计算空间导数和求解动量方程,避免了网格畸变和对流项处理, 兼具拉格朗日和欧拉算法的优势, 非常适合模拟涉及材料特大变形和断裂破碎的问题. 本文详细论述了物质点法在基本理论、算法和软件开发方面的进展, 包括广义插值物质点法、接触算法、自适应算法、并行算法、与其他算法的杂交和耦合等. 系统地总结了物质点法在超高速碰撞、冲击侵彻、爆炸、动态断裂、流固耦合、多尺度分析、颗粒材料流动和岩土失效等一系列涉及材料特大变形问题中的应用,展示了其相对于传统数值计算方法的优势.     

RESEARCH DEVELOPMENTS OF SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS METHOD AND ITS COUPLING WITH FINITE ELEMENT METHOD

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.     

超高速碰撞问题的三维物质点法

简要介绍了物质点法（material point method）的离散原理,通过引入Johnson-Cook材料模型和Mie-Gruneisen状态方程,将其用于超高速碰撞问题的分析中,并编制了相应三维物质点法程序MPM3D。该方法避免了拉格朗日格式因网格畸变产生的数值困难,也克服了欧拉格式材料界面跟踪问题以及因非线性对流扩散项而引起的数值困难。利用该程序对Taylor杆高速碰撞问题和空间碎片防护超高速碰撞问题进行了数值模拟,所得数值结果与实验结果基本吻合,验证了程序的正确性,说明了物质点法在分析超高速碰撞问题时相对于有限元法的优势。     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

离散颗粒集合体-Cosserat连续体模型的连接尺度方法

基于针对分子动力学-Cauchy连续体模型提出的连接尺度方法(BSM)[1,2],发展了耦合细尺度上基于离散颗粒集合体模型的离散单元法(DEM)和粗尺度上基于Cosserat连续体模型的有限元法(FEM)的BSM。仅在有限局部区域内采用DEM以从细观层次模拟非连续破坏现象,而在全域则采用花费计算时间和存储空间较少的FEM。通过连接尺度位移(包括平移和转动)分解,和基于作用于Cosserat连续体有限元节点和颗粒集合体颗粒形心的离散系统虚功原理,得到了具有解耦特征的粗细尺度耦合系统运动方程。讨论和提出了在准静态载荷条件下粗细尺度域的界面条件,以及动态载荷条件下可以有效消除粗细尺度域界面上虚假反射波的非反射界面条件(NRBC)。本文二维数值算例结果说明了所提出的颗粒材料BSM的可应用性和优越性,及所实施界面条件对模拟颗粒材料动力学响应的有效性。     

无网格Galerkin法与非协调元方法的耦合

无网格Galerkin法(EFGM)处理不可压缩问题时不存在自锁现象，有限元方法(FEM)也常被用来与其耦合以方便地施加边界条件和提高计算效率。在有限元方法中使用等参元，EFGM与FEM的耦合方法在处理不可压缩问题时仍然存在自锁现象。本文在有限元方法中，采用非协调元，将无网格kGalerkin法与非协调元耦合，保留了耦合方法的优点，且避免了求解不可压缩问题时的自锁现象。算例显示本文方法在分析平面应变不可压缩问题时能得到合理的结果。     

一种新型SPH-FEM耦合算法及其在冲击动力学问题中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在处理大变形和有限元(finite element method,FEM)问题时计算精度高的优势,提出了一种新型SPH-FEM耦合算法.该耦合算法在大变形区域使用SPH粒子离散,其余区域使用有限元离散.在耦合界面...     

Mixed finite element and differential quadrature method for free and forced vibration and buckling analysis of rectangular plates

This paper presents a combined application of the finite element method (FEM) and the differential quadrature method (DQM) to vibration and buckling problems of rectangular plates. The proposed scheme combines the geometry flexibility of the FEM and the high accuracy and efficiency of the DQM. The accuracy of the present method is demonstrated by comparing the obtained results with those available in the literature. It is shown that highly accurate results can be obtained by using a small number of finite elements and DQM sample points. The proposed method is suitable for the problems considered due to its simplicity and potential for further development.     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.      

平面广义四节点等参元GQ4及其性能探讨

广义节点有限元是将传统有限元方法中的节点广义化,在不增加节点个数的前提下,仅通过提高广义节点的插值函数的阶次,从而达到提高有限元解精度的目的.与现有的p型和hp型有限元不同,在这种新的有限元中,节点自由度全部定义在节点处,在理论与程序实现上与传统有限元方法具有很好的相容性,传统有限元方法是这种新方法的广义节点退化为0阶时的特殊情形.文中主要讨论了这一新方法的四节点等参元（记为GQ4）的形式.对GQ4进行的各种数值试验表明,所发展的广义四节点等参单元具有精度高且无剪切自锁与体积自锁等的特点.     

一种空间缆索结构静力分析的解析元法

将空间缆索结构简化为具有拉伸刚度的质点系,给出了缆索结构空间解析元法的基本方程和求解方法,单元间的作用力与坐标变化的关系可以用解析法得到,对所得到的反映结构特性的质点系方程组进行力的平衡迭代,求解方程组.采用自动的动态可变步长的迭代方法,能够提高计算效率,保证收敛.这种方法既考虑了几何非线性,又适用于材料非线性的计算,比有限元法优越之处还在于,它不用求解线性方程组,所以适用范围广,允许求解多自由度的几何可变体系,而有限元法在求解此类问题时经常不收敛.     

SPH-FEM接触算法在冲击动力学数值计算中的应用

为了充分发挥光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)易于处理大变形以及有限元(Finite Element Method,FEM)计算精度和效率高的优势,论文基于无网格粒子接触算法,在有限元节点处设置背景粒子,通过接触力的方式计算SPH粒子和有限单元之间的接触问题...     

Self-adaptive one-dimensional nonlinear finite element method based on element energy projection method

The element energy projection （EEP） method for computation of super- convergent resulting in a one-dimensional finite element method （FEM） is successfully used to self-adaptive FEM analysis of various linear problems, based on which this paper presents a substantial extension of the whole set of technology to nonlinear problems. The main idea behind the technology transfer from linear analysis to nonlinear analysis is to use Newton＇s method to linearize nonlinear problems into a series of linear problems so that the EEP formulation and the corresponding adaptive strategy can be directly used without the need for specific super-convergence formulation for nonlinear FEM. As a re- sult, a unified and general self-adaptive algorithm for nonlinear FEM analysis is formed. The proposed algorithm is found to be able to produce satisfactory finite element results with accuracy satisfying the user-preset error tolerances by maximum norm anywhere on the mesh. Taking the nonlinear ordinary differential equation （ODE） of second-order as the model problem, this paper describes the related fundamental idea, the imple- mentation strategy, and the computational algorithm. Representative numerical exam- ples are given to show the efficiency, stability, versatility, and reliability of the proposed approach.     

A comparison of boundary element and finite element methods for modeling axisymmetric polymeric drop deformation

A modified boundary element method (BEM) and the DEVSS‐G finite element method (FEM) are applied to model the deformation of a polymeric drop suspended in another fluid subjected to start‐up uniaxial extensional flow. The effects of viscoelasticity, via the Oldroyd‐B differential model, are considered for the drop phase using both FEM and BEM and for both the drop and matrix phases using FEM. Where possible, results are compared with the linear deformation theory. Consistent predictions are obtained among the BEM, FEM, and linear theory for purely Newtonian systems and between FEM and linear theory for fully viscoelastic systems. FEM and BEM predictions for viscoelastic drops in a Newtonian matrix agree very well at short times but differ at longer times, with worst agreement occurring as critical flow strength is approached. This suggests that the dominant computational advantages held by the BEM over the FEM for this and similar problems may diminish or even disappear when the issue of accuracy is appropriately considered. Fully viscoelastic problems, which are only feasible using the FEM formulation, shed new insight on the role of viscoelasticity of the matrix fluid in drop deformation. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

横观各向同性轴对称问题的非协调元和杂交应力元计算

基于变分原理得出各向同性轴对称问题下的非协调元和杂交应力元方法仍然适用于分析横观各向同性轴对称问题的结论，同时对应用于各向同性问题的罚平衡优化方法进行了修改，使之能够应用于横观各向同性问题的分析。文中给出了分析算例。并对各种单元结果进行了比较，计算结果表明非协调元和杂交应力元方法不但适用于横观各向同性轴对称问题分析，而且将提高其数值解的精度，改善单元内部应力分布。     

随机结构有限元分析的递推求解方法

提出了一种新的谱随机有限元分析方法——递推求解方法。该方法将随机结构的随机响应表示成非正交多项式展式,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并通过确定性有限元方法对这些递推方程进行静力问题求解。算例表明,当随机量出现较大涨落时,计算结果相对于传统摄动法有不小的改进。     

Contact laws between solid particles

This paper presents a comprehensive study for the contact laws between solid particles taking into account the effects of plasticity, strain hardening and very large deformation. The study takes advantage of the development of a so-called material point method (MPM) which requires neither remeshing for large deformation problems, nor iterative schemes to satisfy the contact boundary conditions. The numerical results show that the contact law is sensitive to impact velocity and material properties. The contact laws currently used in the discrete element simulations often ignore these factors and are therefore over-simplistic. For spherical particles made of elastic perfectly plastic material, the study shows that the contact law can be fully determined by knowing the relative impact velocity and the ratio between the effective elastic modulus and yield stress. For particles with strain hardening, the study shows that it is difficult to develop an analytical contact law. The same difficulty exists when dealing with particles of irregular shapes or made of heterogeneous materials. The problem can be overcome by using numerical contact laws which can be easily obtained using the material point method.     

无网格MPM法三维前处理系统设计

无网格法在解决爆炸冲击、裂纹扩展、高速碰撞以及大变形等问题时,由于与网格无关,能够避免有限元法因网格畸变计算精度降低或计算终止的矛盾,是目前求解固体力学问题的有效方法之一,也是近年来研究的热点。前处理对于无网格法数值计算是非常重要的环节,基于面向对象程序设计思想,应用C 和OpenGL开发了三维图形交互方式的MPM法前处理系统,提出了应用递归四叉树法、扫描表示法和CSG法划分任意形状非等间距的MPM法质点单元,为建立通用的无网格前处理平台提出了有效的解决方案。