无网格MPM法三维爆炸焊接数值模拟

物质点法MPM(Material Point Method)是无网格方法之一.它是在质点网格法(PIC)基础上发展而来的一种新数值方法,它利用了欧拉法和拉格朗日法两者的优点,计算物质点在冲击载荷下的应力和应交;通过物质点来跟踪材料体的变形和破损,而在整个计算过程中背景网格始终固定不变,避免了重新划分网格.本文应用MPM法计算三维爆炸焊接问题,在爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程进行了三维数值模拟,并且对飞板的碰撞点速度和爆轰压力变化进行了计算分析.     

高阶数值流形方法的初应力公式

高阶数值流形方法和高阶DDA方法可以显著提高结构变形的计算精度,但目前涉及几何非线性问题的研究成果大都计算精度差甚至不收敛,这是由高阶初应力公式的不准确或不正确引起的。本文介绍数值流形方法的大变形计算格式,基于平面三角形数学网格和多项式覆盖函数,提出高阶流形法的两种初应力处理方法,首次导出了高阶初应力的准确公式。该公式在分步计算的初应力累加中考虑了大变形结构的构形变化,并将初应力表示成多项式函数形式以满足单纯形积分的要求。文中给出的悬臂梁大变形数值算例与理论解的对比结果证明了方法的正确性。本文的方法和公式也适用于三维四面体数学网格,稍加修改后将可应用于高阶DDA方法和常规的有限元方法。     

弹性梁式薄板在横向绕流中的大变形

采用相容拉格朗日-欧拉(ULE)法,给出了弹性薄板理想流体横向绕流条件下变形与应力的理论算法,其中:对固体采用拉格朗日法;对流体采用欧拉法;对相互接触面采用拉格朗日法和欧拉法.建立了不问断横向绕流条件下弹性梁式薄板的大弯曲变形的非线性微分方程.求解该方程时,将纵向位移分量和曲率的改变量用挠度表示.通过具体算例分析了各参数对悬臂梁式薄板挠度、纵向位移及应力大小的影响.理论解与数值解进行比较,验证了理论解的可靠性.     

基于NMM的EFG方法及其裂纹扩展模拟

数值流形方法（numerucal manifold method,NMM）通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题. 通过用移动最小二乘插值（moving least squares interpolation,MLS）中的节点影响域构造数学覆盖,得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法（element free Galerkin,EFG）. 该方法在保证前处理简单的同时,又能方便处理如裂纹等不连续问题. 建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式,并通过对曲折裂纹（kinked crack）的处理,在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展,大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性. 大小变形的结果对比表明,按照不考虑构型变化的小变形计算,结果可能偏于危险.      

THE NMM-BASED EFG METHOD AND SIMULATION OF CRACK PROPAGATION

数值流形方法（numerucal manifold method,NMM）通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题. 通过用移动最小二乘插值（moving least squares interpolation,MLS）中的节点影响域构造数学覆盖,得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法（element free Galerkin,EFG）. 该方法在保证前处理简单的同时,又能方便处理如裂纹等不连续问题. 建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式,并通过对曲折裂纹（kinked crack）的处理,在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展,大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性. 大小变形的结果对比表明,按照不考虑构型变化的小变形计算,结果可能偏于危险.     

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.     

基于有限变形理论的数值流形方法研究简

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.     

基于有限变形理论的数值流形方法研究

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.      

聚能射流三维数值模拟

研究三维多介质界面处理及数值模拟问题。采用拉格朗日法、欧拉法相结合的方法在矩形网格上离散差分基本方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;编写了数值模拟程序,并对线型装药金属罩聚能射流模型进行模拟。证明模糊界面描述和模糊输运计算有效、可行。     

数值流形方法在流固耦合谐振分析中的应用

数值流形方法(流形法)是石根华博士利用现代数学中流形分析的有限覆盖技术建立起来的新的数值分析方法,统一解决了连续和非连续变形的力学问题,具有广阔的应用前景。本文将流形法应用于交界面耦合的流固振动分析,采用平面矩形数学网格,针对无粘、无旋、不可压缩流体和无阻尼的固体结构,提出分析流固耦合系统简谐振动的高阶流形法公式,其中,采用拉格朗日乘子法引入流场的已知边界条件。本文还初步研究了在特殊的无限远流场中采用解析解覆盖函数的实现技术。文中算例体现了流形法网格划分的方便性和计算的高精度,显示出流形法在数值解和解析解联合运用上的优势。     

有限变形时材料性质张量的选取

在有限变形时导出了用欧拉观点描述的与用拉格朗日观点描述的材料性质张量之间用矩阵形式表达的转换关系，指出正确应用这个关系时将到唯一的计算结果，与计算方法无关，建立在连续体力学中应将材料性质实验结果与欧拉观点描述的材料性质张量相对应。     

大变形下初始斜交异性本构方程

采用材料主轴法,建立了初始斜交异性材料在变形构形（Euler描述）下的斜交异性本构方程,以及在初始构形（Lagrange描述）下的形式。具体给出了斜交异性线弹性材料方程的显式,它在Lagrange描述下形式简洁,可方便地用于有限元计算。文中指出,在变形构形下是线弹性的材料,在Lagrange描述下其本构方程一般已成为非线性,我们称之为本构转换非线性。这种非线性在实际的有限元计算中还未引起重视。为理论简明,本构方程是对二维给出的。     

Nonlinear Eulerian thermoelasticity for anisotropic crystals

A complete continuum thermoelastic theory for large deformation of crystals of arbitrary symmetry is developed. The theory incorporates as a fundamental state variable in the thermodynamic potentials what is termed an Eulerian strain tensor (in material coordinates) constructed from the inverse of the deformation gradient. Thermodynamic identities and relationships among Eulerian and the usual Lagrangian material coefficients are derived, significantly extending previous literature that focused on materials with cubic or hexagonal symmetry and hydrostatic loading conditions. Analytical solutions for homogeneous deformations of ideal cubic crystals are studied over a prescribed range of elastic coefficients; stress states and intrinsic stability measures are compared. For realistic coefficients, Eulerian theory is shown to predict more physically realistic behavior than Lagrangian theory under large compression and shear. Analytical solutions for shock compression of anisotropic single crystals are derived for internal energy functions quartic in Lagrangian or Eulerian strain and linear in entropy; results are analyzed for quartz, sapphire, and diamond. When elastic constants of up to order four are included, both Lagrangian and Eulerian theories are capable of matching Hugoniot data. When only the second-order elastic constant is known, an alternative theory incorporating a mixed Eulerian–Lagrangian strain tensor provides a reasonable approximation of experimental data.     

Mesh regularization for an ALE code based on the limitation of the Lagrangian mesh velocity

The Lagrangian approach is usually used for the simulation of flow with strong shock waves. Moreover, this approach is particularly well suited to treatment of material interfaces in the case of multimaterial flows.Unfortunately, this formulation leads to very large deformations in the mesh. The arbitrary Lagrangian‐Eulerian method overcomes this drawback by using a mesh regularization that is based on an analysis of cell geometry. The regularization step may be considered as a method used to correct the nonconvex and potentially tangled cells that constitute the mesh. In this paper, we present a new approach to mesh regularization. Instead of using a purely geometric criterion, we propose that the mesh evolution is computed on the basis of the flow vorticity. This approach is called the large Eddy limitation method, and it is aimed here to be used in finite volume direct arbitrary Lagrangian‐Eulerian methods. The large Eddy limitation method is general, which means that it is not restricted to applications in the finite volume framework dedicated to fluid flow simulation; for instance, it could also be naturally applied to the finite element framework.