材料非线性微-宏观分析的多尺度方法研究

介绍并比较了近年来在材料非线性微-宏观分析多级数值方法方面的研究工作. 针 对考虑材料内摩擦接触的颗粒材料多尺度计算问题，建立一种基于数值技术的多级分析方 法. 方法的特点是在对材料进行微观分析的基础上建立宏观材料的多尺度非线性数值本构模 型. 而对材料弹塑性多级分析问题，建立了基于转换场技术的算法，采用近似技术建立非线 性分析的本征应变矩阵，使方法具有表达简单与实现方便的特点. 给出了数值算例， 通过比较说明了方法的正确性与有效性.     

可压缩流体流动多尺度混合有限元数值方法研究

可压缩流体是天然油藏中广泛存在的一种流体,研究其在多孔介质中的渗流规律对于油藏开发具有重要意义。本文采用多尺度混合有限元方法,对可压缩流体渗流问题进行了研究。考虑流体的可压缩性以及介质形变,推导得到了可压缩流体渗流问题的多尺度计算格式。数值计算结果表明,多尺度混合有限元适于求解非均质性和可压缩流问题,具有节省计算量、计算精度高等优势,对于实际大规模油藏模拟具有重要意义。     

箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法

为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤，本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法，研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法，对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例，验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性；空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应，又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程，从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．     

裂缝介质渗流多尺度混合有限元数值模拟研究

针对裂缝介质具有多尺度特点,建立了Darcy/Stokes-Brinkman多尺度耦合模型,采用多尺度混合有限元方法,对裂缝介质渗流问题进行了研究.阐述了多尺度混合有限元方法的基本原理,并推导得到Darcy/Stokes-Brinkman方程的多尺度混合有限元计算格式.数值计算结果表明,大尺度Darcy模型能够捕捉到小尺度上裂缝网络渗流特征;与网格粗化、传统有限元方法相比,多尺度混合有限元方法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点,在保证计算精度的同时能够减少计算量,对于裂缝油藏具有良好的适用性.     

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

骨骼肌生物力学特性多尺度建模与仿真

针对肌纤维微观结构模型与显微镜下观察的图像存在一定差异、微观组分生物力学模型无法有效捕获骨骼肌剪切变形时的力学行为、骨骼肌多尺度数值模型计算成本高的问题,本文从实验、多尺度建模和仿真的角度研究骨骼肌被动力学特性,提出以曲边泰森多边形作为肌纤维截面形状,并建立骨骼肌微观尺度代表性体元RVE;提出新的生物力学模型(MMA模型),并将MMA模型作为肌纤维和结缔组织生物力学模型,MMA模型采用完全的应变不变量I₄, I₅, I₆和I₇,使骨骼肌的剪切行为从材料属性层面得以体现;结合骨骼肌力学实验结果、RVE模型、肌纤维和结缔组织的生物力学模型,建立骨骼肌多尺度数值模型.根据实验结果确定生物力学模型参数,通过多尺度均匀化方法实现微观尺度和宏观尺度之间的连接,最终获得骨骼肌宏观力学行为,通过纵向拉伸、横向拉伸、平面外纵向剪切和平面内剪切4种变形形式的仿真结果验证骨骼肌多尺度数值模型的收敛性.研究了生物力学模型中模型参数、肌纤维体积分数和肌纤维结构对骨骼肌宏观力学行为的影响,最后通过实验验证多尺度数值模型的有效性...     

水平电场下界面波的Hamilton原理与多尺度建模

本文研究水平电场下两层电介质流体间界面波动的多尺度建模. 首先对此系统的Hamilton原理给出详细证明; 然后基于Hamilton结构和Dirichlet–Neumann算子的解析性质, 将Hamilton量中的动能与电势能展开成收敛级数形式并确定截断阶数, 最后通过计算截断后近似总能量的变分导数得到约化模型. 上述过程对该问题给出了一套建立多尺度非线性模型的系统方法. 文章再以“上层深水、下层浅水”为例详细阐述了多尺度建模的全过程, 并利用修正的Petviashvili迭代方法计算了新模型中的非线性相干结构. 本文所发展的渐近分析技巧不同于之前的工作, 其优点在于所导出的约化模型自然保留能量守恒的性质; 同时, 本文亦将原有结果推广至三维情形.      

一类混凝土力学参数的迭代多尺度有限元预测方法

根据多级配骨料混凝土特点,给出了一种迭代多尺度有限元方法预测其等效力学参数。本文首先介绍了多级配骨料混凝土的材料特点并给出了计算混凝土多尺度模型,然后基于多尺度方法介绍了计算混凝土力学参数的计算程序,最后针对小湾大坝中混凝土给出了算例说明了此种方法在预测混凝土等效力学参数的有效性。     

微/纳尺度粘着滑动接触的多尺度分析

采用分子动力学与有限元耦合的多尺度方法,求解二维刚性圆柱表面压头与弹性平面的微/纳尺度粘着滑动接触问题,通过与全分子动力学模拟结果的比较验证了多尺度方法的有效性。对压头半径、滑动速度、下压深度以及是否考虑粘着效应等对滑动接触性能的影响进行了全面研究,通过不同条件下摩擦力及接触力分布的比较,揭示了上述各参数对粘着滑动接触...     

超级有限元法及其在结构工程中的应用

本文探讨一种基于半连续半离散思想，适用于复杂结构（如高层框架、剪力墙、桁架、网架等结构系统）工程分析的超级有限元，其结构数值分析是按连续体进行，但又按单个构件进行有限元计算。这种按整体系统进行离散所获得的单元内部包含众多构件，有别于一般常见的实体有限元，称为“超级有限元”。这种方法自由度数比一般有限元法少很多，又与单元内部所含构件数多少无关，并可求取结构内每个构件的内力值。     

钢－混凝土组合梁非线性有限元分析

提出了部分剪力连接钢-混凝土组合梁非线性有限元分析的简化模型，该模型同时考虑了钢、混凝土材料的非线性本构关系和剪力连接件的滑移非线性对组合梁刚度和强度的影响，推导了考虑滑移的剪力连接件单元刚度矩阵。利用该模型计算了连续组合梁的极限荷载、挠度、应力以及滑移，与已有的理论计算结果和实验结果吻合，证明本方法分析钢-混凝土组合梁非线性的可靠性和实用性。     

Plotting isoclinics for hybrid photoelasticity and finite element analysis

Displacement-based finite element method formulations are coupled with stress-based photoelasticity analysis. As the stress field is discontinuous at the interelement boundaries, the introduced smoothing procedure enables the generation of high-quality digital images acceptable for hybird experimental-numerical techniques. The proposed methods are applicable for the analysis of static and dynamic results of experimental photoelasticity.     

混合专家系统及其在有限元模型化中的应用

本文结合传统专家系统和人工神经网络的优势建立了混合专家系统模型，并在此基础上建立了“飞机结构机身框有限元模型化专家系统”，能够自动地实现机身框一类结构的有限元模型化，本文采用人工神经网络解决结构类型的分类和识别、采用知识系统解决单元自动选取都取得了良好的效果。     

Rigid finite element and its applications in engineering

Rigid Finite Element Method (RFEM) was proposed to simulate the mechanical behavior of discontinuous structures such as rock and soil structures. The authors' work on the theory and applications of RFEM is summarized in this paper. Based on the theory of RFEM, the Elastic Body-Seams Model (EBSM) is proposed to take the deformation and damage of rock masses into account.     

几种典型钢框架节点连接性能的有限元仿真分析

采用有限元程序ABAQUS进行仿真分析,探讨了钢框架节点的非线性连接性能。针对几种典型节点,包括焊接连接、外伸式端板螺栓连接、平齐式端板螺栓连接、双腹板顶底角钢连接等,分别建立了相应的精化有限元分析模型,实现了结构非线性行为的真实再现和连接性能的准确评估。数值结果还给出了钢框架节点的弯矩-相对转角、弯矩-剪切转角及弯矩-节点转角三种关系曲线,并针对弯矩-节点转角曲线进行了回归分析,从而得到了四种钢框架节点的弯矩-节点转角关系式。建立的有限元分析模型可真实地模拟钢框架节点的非线性行为,分析得到了半刚性节点弯矩-转角关系的一般规律,可为钢框架梁柱连接节点的计算理论和设计方法提供重要参考和依据。     

开口薄壁杆件结构稳定分析的精确单元和两步求解算法

从控制微分方程的通解出发,构造受偏心压力作用开口薄壁杆件的精确形函数,建立用于开口薄壁杆件结构稳定性分析的精确有限元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,提出了计算给定区间内各阶临界荷载以及相应失稳模态的两步计算方法。计算结果表明,与常规单元相比,采用精确单元无需进行网格细分就可以获得精确的数值结果,结合本文的两步求解算法,可以准确获得给定区间内全部临界荷载和失稳模态。     

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。     

有限元分析课程引入问题式学习(PBL)教学探索

在分析传统教学与问题式学习PBL(problem-basedlearning)教学各自利弊的基础上, 将PBL教学法引入工科研究生有限元分析课程教学. 通过改革课程体系和创新评价体系, 整合知识结构, 进行问题设计, 分步具体实施. 优化了教学内容, 加强了研究生自学能力及科学研究能力的培养, 激发了学生的想象力和创造力. 同时,对教学内容与课时数的矛盾, 理论教学和工程应用的矛盾以及有限师资和众多学生的矛盾等PBL教学中难点问题的处理, 作了初步的探索.     

Interval finite element method and its application on anti-slide stability analysis

The problem of interval correlation results in interval extension is discussed by the relationship of interval-valued functions and real-valued functions. The methods of reducing interval extension are given. Based on the ideas of the paper, the formulas of sub-interval perturbed finite element method based on the elements are given. The sub-interval amount is discussed and the approximate computation formula is given. At the same time, the computational precision is discussed and some measures of improving computational efficiency are given. Finally, based on sub-interval perturbed finite element method and anti-slide stability analysis method, the formula for computing the bounds of stability factor is given. It provides a basis for estimating and evaluating reasonably anti-slide stability of structures.