三维离散元法软件开发研究

提出由机械部件的CAD模型建立其三维离散元法分析模型,在此基础上实现CAD软件与自主研制的三维离散元法分析软件的集成,从而构建一种集设计和性能分析评价为一体的与散粒材料接触作用的机械部件的通用数字化设计方法和集成设计分析软件,为相关机械部件结构和尺寸参数的优化设计奠定了基础.介绍了自主研制的三维离散元法分析软件的结构、主要功能及关键技术的实现方法,包括提出的实边界和虚边界的概念等.     

基于边界二维CAD模型的三维离散元法边界建模方法

在采用离散元法分析散粒物料与相关机械部件的接触作用时,如何建立复杂结构和不同运动方式机械部件的离散元法分析模型,已成为离散元法工程应用需要解决的主要问题.运用一种基于机械部件二维CAD模型(CAD软件设计图)建立其三维离散元法分析模型的方法,即利用AutoCAD功能强大的二次开发包并综合运用投影匹配、智能辅助线以及人机交互等方法,建立机械部件三维离散元法分析模型的方法,从而实现了由机械部件的CAD模型进行机械部件的离散元法性能分析,为相关机械部件的数字化设计和虚拟设计提供了一种新方法和新工具.     

基于图形学方法的离散元边界接触检测法

在采用离散元法分析机械部件的接触作用时,如何建立复杂结构和不同运动方式机械部件的离散元法分析模型,已成为离散元法工程应用需要解决的主要问题.提出了一种基于图元的二维边界离散元法仿真算法,该算法采用Bresenham方法设置边界图元信息以进行邻居搜索.实例验证证明了该算法的正确性和有效性,为实现由边界的CAD模型进行边界的离散元法仿真分析奠定了基础.     

一种新型的AgriCAE软件研制与开发

针对农机部件工作过程分析和优化设计中存在的问题,基于离散元法(DEM)、计算流体动力学(CFD)和平面多刚体运动学(PMBK)及其耦合,自主研发了一种新型CAE软件——AgriCAE(Agricultural CAE).阐述了AgriCAE软件的结构及其关键技术的实现方法,包括农机部件分析模型的建模方法、颗粒建模方法、DEM-CFD-PMBK耦合分析计算方法等.通过实例验证了该软件的可行性和有效性,为农机部件工作过程分析和优化设计及数字化设计建立了一种新方法.     

离散元法中三种球形颗粒接触发现算法的比较

离散元法的计算效率是离散元法的核心问题,而接触发现算法是影响计算效率的重要因素.以目前广为使用的球形颗粒离散元法中的三种接触发现算法为基础,分别将这三种方法并入到作者自行开发的离散元程序中,模拟五个不同颗粒数量的砂堆形成过程.模拟结果表明,边界盒法计算效率最高,相邻单元法次之,边界球法计算效率最低.     

颗粒阻尼线性离散元模型参数的选取方法

为了研究不同形式颗粒阻尼的减振特性及其在旋转条件下的阻尼效果,建立颗粒阻尼的线性离散元模型,提出了一种颗粒接触线性模型的参数选取方法。根据Hertz接触非线性模型,假设颗粒相对运动在达到屈服极限时,Hertz接触模型接触力所做的功和线性模型接触力所做的功相等,对颗粒接触的力和位移的关系进行了线性化处理;利用离散元法对重力场下不同材料的非阻塞性颗粒阻尼(NOPD)、柔性约束颗粒阻尼和旋转条件下的NOPD进行建模;根据颗粒材料的屈服强度、泊松比、弹性模量等物理属性确定了仿真计算的相关接触参数。与实验确定颗粒接触参数的方法相比,所提方法适用范围更广。数值计算结果与实验结果在趋势和数值上吻合得较好,为颗粒阻尼的进一步研究奠定了基础。     

非规则颗粒与滚筒球磨机相互作用的离散元–有限元耦合分析

非规则颗粒形态显著影响球磨机中颗粒材料的运动行为，同时对球磨机结构产生不同的力学响应。采用超二次曲面方程描述非规则颗粒材料，并发展了离散元（discrete element method,DEM）–有限元（finite element method, FEM）耦合算法以分析非规则颗粒材料与滚筒球磨机间的相互作用。在该算法中，滚筒球磨机被划分为一系列四边形单元，并且超二次曲面颗粒与球磨机间的接触判断可转化为超二次曲面颗粒与四边形单元间的接触判断。将计算得到的碰撞力向节点插值，该节点力作为载荷条件在有限元中进行隐式动力学求解，并通过求解颗粒运动方程和有限元动力方程实现颗粒运动更新和结构力学响应分析。进一步分析了滚筒球磨机中球体、圆柱体和立方体颗粒材料的运动行为以及滚筒球磨机的变形及应力分布规律。研究结果表明：颗粒形状显著影响球磨机研磨效果和球磨机结构位移；立方体颗粒具有最好的研磨效果，而圆柱体颗粒比球体颗粒具有更好的研磨效果；在结构位移上，立方体颗粒有最大的峰值位移，其次是圆柱体和球体颗粒；相比于规则的球体颗粒，超二次曲面颗粒有不规则的表面形状，这会导致更好的研磨效果和更大的结构位移。     

闭曲面有限元网格生成的边界预调整方法

为使闭曲面相对其参数域具有边界完整性,确保波前法(AFT)生成网格的可靠性,提出了以参/虚边界补充为特征的闭曲面边界预调整方法,将闭曲面分割为一系列开曲面片,进而利用AFT法使网格在各开曲面片上分区域同时生成.该方法可使基于AFT法的曲面网格生成算法直接用于各种形式的闭曲面.     

三维弹塑性摩擦接触多极边界元法

三维弹塑性摩擦接触问题是多重非线性问题，对接触区表面和塑变区的离散，须划分大量单元进行大规模运算才能获得接触位移、面力及应力场的准确信息。传统边界元法由于离散自由度所需内存大，CPU计算时间冗长，完整解题运算规模受到限制。本文在三维弹性多极留数边界元法的基础上，开发研制三维弹性数学规划型摩擦接触多极边界元法及源程序，建立三维弹塑性摩擦接触多极边界元法并研制其源程序，更新了课题组开发的原传统的三维弹塑性摩擦接触边界元法。数值试验表明，本法使计算机内存量减少近百倍，从而使细划分单元的大规模运算成为可能，并提高了计算精度。     

考虑局域接触特征的栓接结合部动力学建模表征与参数辨识

目前关于栓接结合部动力学特性的非线性建模研究忽略了栓接处有效接触区域的影响，所建立的等效模型与结合部实际装配特征存在较明显的偏差.对此，提出一种考虑局域接触特征的栓接结合部动力学建模方法.引入柱状正交非线性虚拟材料模型表征结合面在外载荷作用下表现出的柔性结合特征；通过建立虚拟材料微单元应力应变分析模型，基于最小势能原理和吉村允孝法，理论推导虚拟材料的物理参数计算方程；基于深度神经网络（Deep Neural Network， DNN）建立栓接结合部接触区域的几何参数预测模型，实现栓接结合部不同接触状态与接触特性区域直径的非线性映射，最终建立具有结合部实际装配特征的栓接结合部动力学模型.以自由边界状态下的螺栓组连接钢板试件为实验测试对象，采用上述方法建立有限元仿真模型，将模态仿真与实验测试的结果进行对比，验证了模型的有效性和准确性.与未考虑局域接触特征的虚拟材料建模方法对比表明，该方法建立的模型在均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）综合评价指标上有明显提升.     

Microscopic study on stress-strain relation of granular materials

A biaxial shearing test on granular materials is numerically simulated by distinct element method （DEM）. The evolution of the microstructures of granular materials during isotropic compression and shearing is investigated, on which a yield function is derived. The new yield function has a similar form as the one used in the modified Cam-clay model and explains the yield characteristics of granular materials under the isotropic compression and shear process through the change of the contact distribution N（θ） defining the contacts at particle contact angle θ.     

Analysis of 3-D Frictional Contact Mechanics Problems by a Boundary Element Method ＊

The development of two boundary element algorithms for solving 3-D, frictional, and linear elastostatic contact problems is reported in this paper. The algorithms employ nonconforming discretizations for solving 3-D boundary element models, which provide much needed flexibility in the boundary element modeling for 3-D contact problems. These algorithms are implemented in a new 3-D boundary element code and verified using several examples. For the numerical examples studied, the results using the new boundary element algorithms match very well with the results using a commercial finite element code, and clearly demonstrate the feasibility of the new boundary element approach for 3-D contact analysis     

颗粒物质剪切流动的类固-液转化特性及相变图的建立

颗粒物质类固-液相态间的转化现象广泛存在于工程地质、自然环境和工业生产等诸多领域,其力学特性在相态转化过程中会发生很大的变化,是目前颗粒物质力学研究的热点和难点.通过对颗粒物质类固-液转化过程中基本力学行为的研究,可建立表征颗粒物质类固-液转化的相变图,揭示类固-液转化的内在机理.颗粒物质的类固-液转化过程可大体分为两种,即阻塞与流动状态的转化,以及在流动过程中类固态与类液态力学行为的转化.本文以周期边界条件下的多分散颗粒系统为研究对象,采用离散单元方法数值模拟了单剪流动过程;分析了在不同体积分数和剪切速率下颗粒系统的平均应力、配位数、净接触时间数、有效摩擦系数、惯性指数和广义Savage数等宏观参数的分布规律;讨论了类固-液转化的内在机理,建立了一个以孔隙率、无量纲剪切应力和无量纲剪切速率为基本变量的相变图.该相变图不仅能够表征出颗粒物质由阻塞向流动状态的转变,同时也能够描述颗粒物质在剪切流动中发生类固-液转化的演化规律.     

基于刚度矩阵的空间变截面梁简化问题

为研究机床的静刚度特性,需要得到其各部件的单元刚度矩阵.机床部件的结构往往是不规则的,因此需要将其等效简化为等截面梁单元,才能得到其单元刚度矩阵.该文对任意变截面梁等效简化为等截面梁单元的问题进行了研究,从建立梁单元的单元刚度矩阵的需要出发,推导出了完整的简化方法.为了验证该简化方法的有效性,利用有限元分析软件ABAQUS 6.51对一个力学模型进行了分析,同时用上述的简化方法对该力学模型进行了计算.将两者的计算结果进行对比,相对偏差小于5%,因此可证明该简化方法在变截面梁等效简化为等截面梁单元时的有效性.     

FP2500A型翻抛机关键零部件有限元分析

利用人畜粪便、农作物秸秆、污泥及其它废弃物生产有机肥具有重要意义.有机肥翻抛中用工量最大的是翻抛作业.刮板和主动链轮是翻抛机的主要零件.利用三维建模软件Pro/E建立刮板和主动链轮模型,导入有限元分析软件ANSYS对其进行静力分析,得到刮板和链轮的等效应力云图和等效位移云图.其分析结果为刮板和主动链轮的进一步优化设计提供了理论依据.     

颗粒材料变形破坏与影响因素细宏观分析

考虑到颗粒流(PFC)表示的颗粒速度场和位移场并不能很直观地表示出颗粒材料在加载破坏中的变形特征,从宏观的角度引入易于理解和接受的颗粒集合体的有效应变定义,建立了考虑不同周围压力、颗粒粒径、粗糙程度、接触刚度等因素在内的颗粒材料数值模型,并结合一定的初边值条件,编制了相应的Fish语言程序.将细观数值分析与宏观表示相结合,分析了双轴压缩试验中颗粒材料变形破坏的规律和各种基本的细、宏观影响因素.数值结果表明,基于宏观连续体概念的有效应变充分显示了颗粒材料变形破坏的发展形成过程及相关特征:破坏区域完全形成于应力-应变曲线峰值之后的软化阶段,域内有较大的孔隙,域中的颗粒显示出明显的颗粒旋转;颗粒的法向与切向刚度、粗糙程度、颗粒集合体试样所受的压力水平,以及颗粒粒径等对颗粒材料的承载能力,破坏区域的形成、型式与厚度等有一定的影响.