应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM (Distinct Element Method)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合),对二维流化床进行数值模拟,结果与实验观察到的现象基本一致,预示着离散单元法在密相气固两相流数值模拟研究中具有广阔的前景.     

考虑应变的管内电缆导体设计模型

为了简化管内电缆导体(CICC)的设计过程,提出了考虑稳定性和应变的导体仿真设计思想,研究了应变对临界电流密度的影响,量化了应变的作用;根据1级子缆采用3根超导股线、CICC运行于过渡区间以及纯铜线起不同作用的假定条件,建立了导体的数值仿真设计模型,讨论了Nb3Sn等A15材料的应变对临界电流密度等的影响,并进行了导体结构的仿真设计.将数值仿真设计与工程设计进行了比较,结果显示二者吻合良好.采用数值仿真设计模型能有效减轻设计工作量,缩短设计周期.     

颗粒介质物质点法与离散元法的多尺度建模

颗粒介质是由大量离散颗粒构成的无序材料,在工业生产与自然界中广泛存在.在外界作用下,颗粒材料可以类似固体保持稳定,也可类似流体发生流动,且类固体和类流体之间可以自然转化,目前人们难以采用统一的连续本构进行描述.本文提出了物质点法(Material Point Method,MPM)与离散元法(Discrete Element Method,DEM)的多尺度建模框架,亦即宏观尺度采用适用于大变形问题的MPM,颗粒尺度则采用DEM描述每个颗粒运动,每个物质点的力学性质由该点处若干颗粒构成的代表性体积元的力学性质计算得到,宏观尺度MPM所得变形梯度作为边界条件施加到体积元中,基于DEM计算得到域内的平均柯西应力,反馈到MPM计算,以此实现跨尺度研究.以沙堆倒塌作为算例,验证了MPM/DEM多尺度建模在描述颗粒复杂力学行为的有效性,并对倒塌过程中,宏观应变等信息与内在接触力链网络的关联进行了讨论.MPM/DEM多尺度建模没有引入唯象本构,且适用于大变形问题,为颗粒介质的多力学状态研究提供了新的思路.     

超导在受控核聚变能磁体工程研究中的应用概述

简要地叙述了受控核聚变反应的基本原理和实现受控核聚变反应的托卡马克装置。介绍了利用低温超导铠装式电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,CICC)在核聚变中的优点和存在的问题。探讨了可能用的高温超导聚变磁体面临的一些技术难题。     

局部加卸载下颗粒体系接触力残留与应力残留的关系

以正五棱柱颗粒体系加卸载的光弹试验为基础,通过条纹解析量化了特征颗粒所受接触力,揭示了卸载过程中接触力的演化特征.结果表明:卸载阶段浅层颗粒间基本无残留接触力,而深层颗粒间存在显著接触力残留;最后一级荷载为临界荷载.采用离散元模拟重现了光弹试验,数值模拟所得接触力链、残留接触力及颗粒位移与光弹试验一致,从而验证了数值模拟的有效性.基于数值模型分析了加卸载阶段颗粒体系的应力演化,得出应力与接触力链、残留应力与残留接触力的空间分布均一致.     

CFETRCS模型线圈导体绕组等效材料性能研究

中国核聚变工程试验堆中心螺线管线圈(China fusion engineering test reactor central solenoid,CFETR CS)模型线圈管内电缆导体(cable-in-conduit conductor,CICC)绕组是由超导电缆、不锈钢铠甲绝缘材料组成,在空间上呈周期性分布的大型复杂绕组结构。在进行中心螺管模型线圈分析过程中,为了简化模型、减少计算量、缩短计算时间同时满足分析结果精度的要求,文章通过引入均匀化理论推导出等效弹性参数的求解方程;结合ANSYS有限元分析软件建立导体绕组的单胞模型,在给定的边界条件下通过三维有限元分析方法,对绕组的等效材料力学性能进行分析预测;同时运用该方法准确计算出了国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)CS的等效材料性能,并计算了CFETR CS模型线圈CICC导体绕组等效材料性能。该方法为进一步开展CFETR CS模型线圈乃至CFETR大型磁体的结构分析奠定了一定的基础。     

FMBEM求解直圆柱线性波绕射问题

运用快速多极子边界元法(Fast Multipole Boundary Element Method,FMBEM)求得单圆柱在线性波浪中的绕射问题的数值解.所谓的快速多极子边界元法就是采用快速多极子法(Fast Multipole Method,FMM)加速传统边界元法的求解速度.在文中通过求解二维的Helmholtz方程证明FMBEM法具有高精度和高效率,适用于求解大规模的数值问题.另外,给出了单圆柱线性平面波绕射问题中相关水动力学系数的数值计算结果.     

考虑力学约束的核石墨表面变形场测量研究

准确地测量核石墨表面变形场对研究其力学性能具有重要意义. 基于子区的数字图像相关（DIC）方法无法准确地获取试件边界的变形信息,测得的变形场不具有空间连续性,无法反映出核石墨表面真实的变形规律. 为了提高变形场的测量精度及实现边界变形测量,发展了一种考虑力学约束的DIC方法（MC-DIC）,该方法采用了具有空间连续性的8节点等参单元网格,基于子区DIC计算得到的信赖点对变形场进行空间重构. 结果表明:MC-DIC在测量非均匀复杂变形场时具有更高的测量精度,可以更准确地反映出核石墨试件受载下的全场变形状态.      

核反应堆压力容器模拟钢中纳米富Cu相的变形特征

提高了Cu含量的核反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)模拟钢样品,经过880 cC水淬、660℃调质处理和400℃1000～4000 h的等温时效处理,观察到纳米富Cu相的析出;随后进行20%～30%冷轧变形,采用萃取复型(extractionreplica,ER)和高分辨透射电镜(high resolution transmission electron microscopy,HRTEM)的方法研究纳米富Cu相的变形特征.研究结果表明,镶嵌在α-Fe基体中的纳米富Cu相,在冷轧变形时的变形机制较为复杂,存在多种变形方式.当纳米富Cu相的晶体处于有利取向时,可以跟随基体一起发生滑移变形,表现为"软"颗粒的特性;当晶体处于不利取向时,会发生孪生变形,甚至诱发马氏体相变,有时生成"轮毂辐条"状的孪晶结构,大大提高了纳米富Cu相继续变形时的抗力,表现为"硬"颗粒的特征,因而析出纳米富Cu相会产生明显的强化作用.     

尾矿坝变形细观力学机理的颗粒流数值模拟

以新建四川省盐源县平川铁矿黄草坪尾矿库为工程背景,通过堆坝模型试验与室内土工试验,获得尾矿坝干滩面几何特征、颗粒分布规律及尾矿力学性质。基于离散元理论,采用PFC2D数值模拟软件进行双轴试验,与土工试验结果对比,得到尾矿细观力学参数,并分析尾矿坝颗粒接触力分布、颗粒位移与坝体结构变形特征。结果显示:1)初期坝中颗粒间接触力较大,形成的力链大致呈45°倾斜向上;坝体尾矿颗粒接触力随着埋深的增加而增大,在基岩凸起处接触力较大且集中。2)初期坝颗粒位移不明显,堆积坝少数尾矿颗粒沿坡面向下滚动,具有较大位移;尾矿堆积坝存在较为典型的滑移面,滑移面上部区域颗粒位移较大。3)初期坝结构变化不明显,尾矿堆积坝中靠近初期坝内坡面附近结构变形显著。     

聚变堆用Nb_3Sn超导磁体设计分析

文章介绍了Nb3Sn CICC超导磁体的设计分析过程。根据超导磁体设计要求,以零维模型为基础,给出了磁体设计的基本方法与公式,得到了磁体运行的主要性能参数。计算结果表明,导体具有较大的温度裕度和稳定性裕度,磁体的设计是安全可靠的。     

全封闭碳纤维与高强钢丝复合拉索的弹性模量

探讨了全封闭复合拉索的协调工作机理,即要求芯部高强钢丝束与碳纤维筋弹性模量接近或相等;研究了高强钢丝束捻距与弹性模量间的关系;推导了37股高强钢丝束弹性模量的计算表达式,通过有限元分析验证了表达式的正确性.试验表明,碳纤维筋弹性模量可以达到与高强钢丝束的弹性模量相近的要求.结论表明:复合拉索中的索力按照碳纤维筋与高强钢...     

多种流形覆盖方式耦合的数值流形法及其应用

为了更好地利用数值流形法(NMM)模拟连续和非连续问题,根据NMM数学覆盖选择的灵活性,将有限元网格作为一种数学覆盖方式生成流形覆盖系统以避免细小流形单元的出现,并提出了将单个材料体描述为一个流形单元的独立覆盖方法。运用多种覆盖方式相耦合的方法模拟了混凝土的细观拉压模型,以及一个复杂结构岩质边坡模型,模拟结果较好地再现了相应的力学变形破坏过程。多种覆盖方式的耦合使得构建的NMM模拟模型更加合理;独立覆盖方式的使用降低了构建离散体系NMM模型的复杂程度,并减少了模型中的单元数量以及不连续面上的接触数量,提高了模拟计算效率。     

铁磁介质间超导直杆的稳定性

基于直杆弯曲的电磁力－变形耦合的数学模型，分析了两铁磁介质间超导直杆的自场稳定性，利用分离变量法和有限元方法，计算了初始磁场和挠动磁场，得到了超导直杆的临界电流，可以看到，由于耦合效应，单元性质较为复杂。     

一种由平面矩形单元转化而来的十字形平面刚架单元

文章提出了一种用平面刚架结构来替代平面问题连续体的有限元方法,将平面连续体离散为5结点15自由度矩形单元,再将矩形单元转化为十字形平面刚架单元;先求出外载荷作用下平面刚架结点位移、结点力,再由虚拟力求梁横截面变形引起的十字形单元结点力,将各次所求结点力叠加,得矩形单元结点力;并编制计算程序,进行数值计算和比较,表明该方法可行。     

不同Nb,Mo含量的Fe基微晶软磁合金磁性能的频谱特性

利用无磁场、纵向磁场和横向磁场３种热处理方式，制力求４种不同Ｎｂ、Ｍｏ含量的Ｆｅ７４．５Ｃｕ１Ｍ３Ｓｉ１２．５Ｂ９．５（Ｍ为Ｎｂ、Ｍｏ原子质量百分数之和）纳米晶试样，分别测量试样的复值磁导率｜μ｜Ｏ．３，矫顽力｜Ｈｃ｜和铁芯损耗Ｐｃｏ．２，分析试样的频谱特性和成分的影响．结果表明，不含Ｍｏ的Ｆｅ７４．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１２．５Ｂ９．５合金的｜μ｜０．３随频率增加而下降的趋势最小，需含Ｍｏ的Ｆｅ７４．５Ｃｕ１Ｎｂ２Ｍｏ１Ｓｉ１２．５Ｂ９．５合金的｜μ｜Ｏ．３值最大，且｜Ｈ｜和Ｐｃｏ．２的值最小．在３种磁场热处理中，无磁场热处理后的试样的｜μ｜０．３最大，且｜Ｈｃ｜和Ｐｃｏ．２的值最小；而纵向磁场热处理后的试样的｜μ｜０３最小，且｜Ｈｃ｜和Ｐｃ０２的值最大     

微量元素Cu、Nb对FeNiPB系纳米晶软磁材料微观结构和相变的影响

研究了微量元素Cu、Nb的加入对FeNiPB系软磁材料的微观结构和相变化的影响．结果表明：采用机械合金化法可以合成名义成分为Fe62Ni15Cu1Nb2P14B6的非晶合金粉末，经过压制成形和热处理可以获得非晶基底上弥散分布α-Fe晶粒的纳米晶组织．认为元素Cu可提高α-Fe晶粒的形核率而元素Nb可阻止α-Fe晶粒的长大并通过设计模型解释，X射线衍射分析(XRD)以及扫描电镜(SEM)的X射线能谱点分析(EDS)和电子通道花样分析(EBSD)进行了验证．     

基于数字图像相关的力学测试系统设计与应用

针对电测方法需在试件表面粘贴应变片及单点测量局限,将数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)引入到材料力学性能测试分析中。设计二维DIC系统,并将其应用于三点弯曲沥青混凝土梁的变形和应变全场测试。根据应变云图,可以直观地观察到弯曲正应变沿梁横截面线性分布的特点。实验结果表明,DIC方法可以实现变形和应变分布的全场非接触和准确测量,可为土木工程试验提供可靠的测试手段。     

可膨胀管膨胀过程三维有限元数值模拟

为合理设计膨胀工具及制订膨胀工艺,采用三维弹塑性接触问题有限单元法,建立了实体可膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型.通过对所建模型的求解,对可膨胀管膨胀过程中膨胀变形力、套管膨胀后的残余应力及轴向位移、膨胀工具模角的关系进行了深入细致的研究,找出了膨胀管与膨胀工具在不同的接触条件、可膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下,各参数之间相互制约的变化规律.通过实验测得的膨胀变形力与用本模型求得的结果符合得很好,相对误差仅为0.65%,完全可以满足实际工程的要求.