微裂纹(群)在材料微结构内扩展的计算机模拟

在"材料结构弱点"概念及其特性理论的指导下,开发出具有自主知识产权的计算机模拟软件PreFailure.该软件针对实际工程材料,模拟单个微裂纹或一系列微裂纹(群)在材料微结构内的虚拟扩展过程,能够预测微裂纹(群)在材料微结构内的不规则扩展路径、几何形态与扩展程度,具备了定量推演材料"微结构虚拟失效"行为的功能.软件PreFailure的开发还为三维微裂纹(群)扩展的计算机模拟积累了大量的有效算法与经验,为采用计算机技术模拟三维微裂纹在材料微结构内的扩展过程奠定了基础.     

二维多晶体材料微结构的力学响应计算

为了研究二维多晶体材料微结构细观尺度的力学性能和失效行为,将材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材料微观组织结构的代表性体积单元(RVE)上.利用已开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维多晶体材料微结构模型,采用C程序设计和Python脚本语言混合编程的方法,开发出用于材料微结构有限元网格划分与细观应力响应计算的软件AutoRVE,这对评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效"行为具有指导意义.     

多晶体材料二维微观组织结构的计算机重构

介绍了用于多晶体材料微观组织结构重构的软件MSCopier（二维版）的设计思想．该软件能够对多晶体材料各个晶粒的几何形状进行识别,并运用了多边形裁剪算法,可将实际晶粒的几何形状处理成对应的凸多边形,完成了多晶体材料的微观组织结构的计算机重构,实现了多晶体材料微观组织的可视化,成功地实现了多晶体材料二维微观组织结构的计算机重构,为采用数值化技术对多晶体集合进行定量分析创造了条件．     

多晶体材料微结构的仿真与取向分布函数计算

为解决多晶体材料结构的可视化,设计Voronoi增量式外存算法,开发了多晶体材料微结构的“海量”级仿真技术,获得了数值化的晶粒几何信息数据。利用OpenGL图形接口,实现了一般多晶体及表层晶粒细化多晶体材料微结构的可视化仿真,并在此基础上采用Bunge符号的级数展开法模型,计算了各个晶粒的取向分布函数（ODF）,实现了取向分布函数值在取向空间内与实际晶体取向分布的一一对应;开发了软件ProDesign,为三维多晶体材料微结构的力学响应计算提供了基础性仿真工具,为识别“材料结构弱点”、评估微裂纹（群）的启裂及扩展、推演“微结构虚拟失效”行为搭建了支撑性平台。     

复合材料微观织构的数学模型

复合材料失效大多数情况都起始于微观水平的破坏,比如微裂纹的萌生、扩展,直到最后的失稳断裂,而微裂纹的扩展只受附近几个晶粒影响,所以不仅要考虑这几个晶粒的取向,还要考虑边界形貌,所谓考虑边界形貌就是要引进3个位置变量.对于位置-取向空间的引出和分析搭建一个数学模型并提供解决问题的思路,基于Voronio增量算法,利用C语言编程获得复合材料微观组织几何数据信息,通过OpenGL进行可视化,模拟结果再现复合材料的真实结构,为采用数值化技术对多晶体集合进行定量分析创造条件.     

描述微裂纹成核与扩展的疲劳损伤多尺度模型及其应用

利用多尺度模拟的方法建立了针对疲劳损伤累积过程中微裂纹成核与扩展阶段的疲劳损伤多尺度模型,对模型的有效性进行了实验验证,并将其应用于变幅疲劳载荷下某装甲车传动轴的疲劳寿命评估中.研究结果表明,所提模型能同时预测宏观尺度疲劳损伤与细观尺度微裂纹的成核与扩展率,利用该模型所预测的宏观疲劳损伤值与实验所测值相符.该模型既能合理地描述宏观尺度下不同应力水平的疲劳损伤演化过程,又能综合反映细观尺度下微裂纹的成核与扩展行为.利用这种多尺度疲劳损伤模型可以预测结构在疲劳微裂纹成核与扩展阶段所消耗的疲劳寿命,为各类结构疲劳损伤累积过程评估和准确进行寿命预测提供了一种新途径.     

三维多晶体材料微结构的力学响应计算

材料微结构细观力学响应的数值计算对于识别"材料结构弱点",评估微裂纹的启裂、扩展,预测微结构材料损伤后的材料性能,推演"微结构虚拟失效"行为具有重要的意义.利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出三维多晶体材料微结构的代表性体积单元,通过C语言程序设计、Python脚本语言混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,从而有效地实现三维多晶体材料微结构的细观应力响应计算.     

基于CT图像处理技术的混凝土细观破裂分形分析

以单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化的CT图像为研究对象,借助于数字图像处理技术对CT图像进行了阈值分割,提取出了图像中的裂纹形态,分析了单轴压缩条件下混凝土内部微裂纹的萌生、扩展和贯通的全过程,并利用差分盒维数法估算出图像裂纹扩展的分形维数.在此基础上,获得了载荷、扩展裂纹及分形维数三者之间的关系.结果表明:在单轴压缩条件下,定义的分形维数随着裂纹的扩展逐渐增加,可将细观结构分形维数作为研究混凝土细观裂纹扩展的定量参数.     

焊接结构损伤区细观裂纹扩展的分形特征及其多尺度损伤表征

为了研究焊接结构破坏过程中的宏细观损伤演化特征及其表征方法,以含细观裂纹的焊接构件为对象,采用X-CT(X射线计算机断层扫描)和电测技术同步记录试样内部细观结构和宏观力学性能变化过程.实验发现,试样变形过程中试样在弹性模量减小的同时,其内部细观裂纹不断萌生、扩展和聚合,扩展形态表现出显著的分形特征,且分形维数随试样塑性变形呈线性增加的趋势.综合考虑裂纹扩展形态的分形维数度量与裂纹扩展的物理意义,提出了一种多尺度损伤表征方法,以同时描述结构宏观损伤特性与内部细观裂纹扩展特性,并用传统的损伤量化方法进行验证.结果表明,新的多尺度损伤表征方法能够很好地描述细观裂纹到宏观损伤的多尺度演化过程.     

基于近场动力学的二维疲劳裂纹扩展模型

为模拟二维疲劳裂纹的扩展,建立了一种基于普通态基近场动力学的疲劳裂纹扩展模型.首先,在普通态基近场动力学模型的基础上,利用动态松弛算法得到最大循环载荷下键的应变值,并通过计算物质点的平均键应变值确定裂纹尖端位置及损伤区域.然后,在模拟过程中设置循环断键数,当损伤区域内的断键数达到循环断键数时,更新键的应变值并进行下一轮运算.最后,分别通过模拟紧凑拉伸试样和中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展来验证模型的有效性.结果表明,设置合适的循环断键数后,模型计算效率得到提高,且能获得精细的裂纹扩展路径和准确的裂纹扩展速率,所得裂纹扩展路径及a-N曲线均与试验结果一致.     

方坯连铸二次冷却数值仿真商用软件

基于二维方坯连铸凝固传热数学模型,使用VB语言设计开发了方坯连铸计算机数值仿真商用软件,从而为连铸生产提供了一个有效的计算机"实验平台".运用该软件仿真,可对铸机结构乖连铸工艺参数进行设计与优化.通过对多台铸机的实例运算及生产应用表明,文中所开发的方坯连铸二次冷却数值仿真商用软件具有较好的准确性、实用性、通用性和易操作性,其仿真结果已成功应用于国内多台铸机高效化改造的设计和生产.     

液压大系统的性能参数法

本文针对液压大系统仿真与辨识的需要,提出并发展了一种性能参数建模法。该法使液压系统的数学模型建立在液压元件数学子模型的基础之上,根据拓扑结构在元件结点上建立系统模型相应的方程。与以往传统的显式状态空间表达式不同,该法采用隐式状态空间表达式。通过计算机仿真证明这种方法通用性强,运算速度快并开辟了静动态仿真合一的途径。从应用的角度看,该法面向用户,适用于大系统仿真。     

Effect of microstructure on the impact toughness of a bainitic steel bloom for large plastic molds

The correlation between the impact toughness and microstructural characteristics of a large bainitic steel bloom has been investigated. The study focuses on microcrack nucleation and propagation in the basic cleavage plane. To analyze the phase transformation during the wind-cooling process, the temperature field of the bloom was acquired by computer simulation, and a continuous cooling transformation experiment was conducted. The results show that compared with the surface of the bloom, the toughness of the bloom’s core is decreased by the increase in proeutectoid ferrite and the coarsening of tempered martensite–austenite constituents. The proeutectoid ferrite decreases the toughness via its effects on carbide precipitation, the formation of martensite–austenite constituents, and the bainite transformation. The relatively large tempered martensite–austenite constituents are conducive to microcrack nucleation and propagation.     

火炮射击精度仿真研究

该文对火炮射击精度计算机仿真方法进行研究，包括仿真方法和射击精度仿真等内容。该文先对影响射击精度的各种射击环境参数进行分析，从而给出了其概率特征和仿真时的随机取值，然后仿真每次的射击结果，进而求出射击精度。该仿真方法避免了近似计算中存在的相关性误差，提高了仿真结果的精度。     

环氧沥青混凝土裂纹发展的三维可视化离散元模拟

为了在三维尺度下描述环氧沥青混凝土的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC3D内置"Fish"语言,重构了环氧沥青混凝土非均质(集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构三维虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟三点弯曲试验,追踪并演示了微观裂纹的衍生发展全过程,并与室内数字摄像法捕捉的试件表面裂纹发展进行对比.研究结果表明:虚拟试验得到的宏观断裂力学响应与室内试验结果的吻合度较好,且虚拟试验结果的稳定性更优;三维离散元方法可以较好地模拟环氧沥青混凝土弯曲断裂过程中裂纹起裂与扩展行为,弥补了二维方法部分缺陷;基于离散元程序的追踪裂纹三维发展的模拟方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂特征的辅助手段.     

表面电位对异向凝聚影响的计算机模拟

在对微细粒物料异向凝聚的动力学过程进行详细理论分析的基础上，开发了模拟异向凝聚过程及聚集体结构的程序，对聚集体形成的动力学过程及其结构等进行模拟，求得聚集体的分维数，从而更好地揭示了微细粒物料的凝聚机理及聚集体的内部结构。不同表面电位时，模拟聚集体的分维数介于１．５２￣１．７３之间。     

放顶煤综采法放煤计算机仿真研究

本文依据顶煤的回采特点,针对目前放煤规律研究中存在的问题,提出了放煤计算机仿真方法.系统地阐述了仿真原理、仿真功能以及模块移动概率值确定方法,并对急倾斜煤层分段开采与缓倾斜煤层全厚一次开采两种类型的放煤情况进行仿真分析,前者展示了顶煤移动空间连续性对不同分段回采结果的影响,后者建立了预测顶煤回收指标的回归方程,并将预测结果与矿山生产实例进行了对比.     

崩落法放矿计算机模拟

概述了计算机模拟放矿理论研究与应用现状及存在问题,分析了计算机模拟放矿的相似条件,提出移动场相似的模拟准则;以崩落矿岩移动概率分布方程为基础,建立了数值模拟与随机模拟理论体系,解决了数年来困扰计算机模拟放矿的两大难题——数值模拟系统误差估计与随机模拟模块移动概率值的确定方法。