基于Python的面向对象弹塑性有限元方法实现与数值模拟

随着有限元应用领域的不断扩大,对有限元的可扩充性提出了更高的要求。为克服传统有限元的缺陷,基于Python提出了一种简单、易扩充的面向对象弹塑性有限元程序框架,结合Python的特性,设计了前处理类、后处理类、线性求解类、应力积分类、分析类等有限元类。通过将程序框架应用于几类典型弹塑性问题的有限元分析与模拟,并与ABAQUS计算结果进行了对比,验证了基于Python的面向对象弹塑性有限元程序的准确性和有效性。     

基于有限元法人体腿部生物力学仿真研究

为了建立可用于手术预演和规划的可靠的虚拟生物组织力学模型进行人体腿部生物力学仿真研究,根据关键组织的三维重建结果,采用有限元方法自下到上的建立骨骼、皮肤和部分软组织的生物力学模型.针对CT图像无法精确重建肌肉的几何模型的问题,在充分考虑肌腱的生物力学特性,又体现肌纤维的微观解剖结构的基础上,提出一种新型的肌肉建模方法.最后,通过患者手术获得的力位数据与有限元仿真数据的对比分析,证明建立的人体生物力学模型的可信性.     

基于深度Alignment网络的足部测量

足部测量在很多领域有重要作用。三维足部测量受到设备和算法的限制,难以方便快捷地测量足部。结合图像测量和深度神经网络,提出一种方便快捷的足部测量方法。基于足部生理结构分析,提取足部关键点并基于关键点定义了测量参数;针对足部关键点检测,优化了DAN(Deep Alignment Network)模型的激活函数和损失函数,并定义了一种基于手持相机的数据采集方式;检测足部关键点,测量足部主要参数。结果显示,该方法基于手持相机采集数据能够便捷地测量足部参数,并具有较高的精度。     

手术模拟中软组织变形的实时有限元新算法

提出了一种模拟软组织变形的实时有限元新算法。该算法成功地扩展了实时有限元法,这能够处理手术中经常发生的软组织非线性变形和拓扑变化,从而为手术模拟提供了更好的物理真上分手术区域和非手术区域,在其中分别采用不同的有限元模型,同时利用预处理方法,使混合模型的有限元方程的阶数大数降低,,以至可做时处理。本文给出该算法二维情况下的应实用例,验玉的算法的有效性。     

双极器件LPNP辐照损伤效应的并行有限元数值模拟

在基于漂移扩散模型的半导体器件仿真模拟中,采用Zlamal有限元方法进行数值离散,结合提出的电离损伤耦合模型,对横向PNP(LPNP)双极晶体管(BJT,bipolarjunction transistors)的电离损伤效应进行模拟。基于三维并行自适应有限元软件平台PHG(Parallel Hierarchical Grid)实现了模型和算法,并通过数值计算的方式成功模拟出了LPNP受电离辐射影响后出现的基极电流增大及电流增益退化的现象。进行了网格规模达1亿单元、并行规模达1024进程的大规模数值实验,展示了算法良好的并行可扩展性。     

基于有限元模拟的20Gr模锻件切边变形机理及变形规律研究

研究了20Gr锻件的切边成形方法,运用有限元分析软件Deform对切边变形过程进行数值模拟仿真,仿真结果表明:(1)锻件切边过程分为弹性变形阶段、塑性变形阶段及断裂分离阶段;(2)切边过程中,最大切边力随着飞边厚度的增加而非线性增加,但单位厚度上所需的切边力随着飞边厚度的增加而逐渐减小;(3)当飞边厚度为7 mm时,最佳凸凹模间隙为11.3%t(0.6mm);(4)当飞边厚度为7 mm时,最佳凹模小圆角为r=2.1%t(1.5 mm).通过阐述变形机理为建立锻件切边工艺规范提供指导,并在实验中取得了较好的效果.     

液压劈裂机楔块组件的有限元模拟

液压劈裂器是液压劈裂机的关键部件,使用寿命如何直接影响到劈裂的效果和加工成本,从劈裂器的受力分析入手,应用ANSYS软件对内、外楔块进行了劈裂器各部分的应力分布分析,分别得出了内楔块和外楔块各部位的应力、变形值,其中外楔块的最大应力及变形值均发生在危险点的位置,并以此作为液压劈裂机提高楔块组件的性能提供了设计依据.     

初始模拟样本量的决定方法

针对在使用模拟技术时,初始模拟样本量的不同会对计算的结果产生很大影响,讨论了在选择初始模拟样本量时应该注意的两个问题:模拟样本方差处于稳定状态和模拟样本均值通过正态性检验,并且提供了分析和判断问题的方法和工具.     

基于有限元方法的吊环数值仿真

根据杆件弯曲变形的力学理论,结合实际工程问题,分析了某吊环的力学特性,并利用有限元分析软件对吊环进行了建模与计算。计算结果表明,用有限元分析软件解决工程实际问题是可行的。而后对吊环进行了重新设计,重新设计后的仿真结果显示,重新设计后的吊环的抗变形能力比新设计前的吊环有了显著的改善。应用该方法可对类似的构件变形问题提供参考。     

基于运动生物力学的三维人体运动模型

针对三维虚拟仿真中人体模型标准定义不统一的问题,从运动生物力学的角度出发,提出了层次化建立人体运动模型的方法。首先将人体运动中的关节进行了分类,然后描述了一种通用的人体模型并定义了其数据结构。对手、足、脊柱等具有特殊运动特性的器官进行了单独分析和定义。这一人体模型表示方法在具有生物力学特性的人体运动表示中有较好的通用性。     

基于有限元方法的破片侵彻装备损伤仿真

为了研究装备在破片高速冲击作用下的毁伤效应,利用非线性有限元仿真软件LS-DYiNA进行侵彻仿真;在此基础上,通过统计采样和变量聚类分析,确定了装备的抽象模型--靶板的损伤的评估指标;采用主成分分析方法,构造了靶板损伤的评估模型;利用方差分析,讨论了破片性质对于毁伤效应的影响程度.研究结果表明:在显著性水平α=0.05下,破片速度对靶板毁伤程度有显著影响,在水平α=0.01下,破片形状与破片密度的交互作用对于靶板毁伤程度的影响呈高度显著.探索了一种基于非线性有限元仿真试验的靶板损伤评估的新途径,该方法可进一步推广应用于其它类型毁伤因素对武器装备结构的损伤评估研究.     

基于小波有限元方法的复印纸张温度场仿真研究

复印机定影过程的温度场仿真研究对提高定影效果具有重要意义。由于定影过程温度场变化梯度大，用传统有限元分析时存在着明显的数值振荡，引起数值失真。本文利用Daubechies小波尺度函数，构造了适用于热传导问题分析的小波单元，对复印纸张复印过程的温度场变化进行了仿真研究，并与传统的有限元方法进行了比较，显示了小波单元对于大梯度问题分析的优越性，为了提高复印机的定影效果和改善复印机的性能研究提供了新方法。     

基于有限元法毫米波引信天线罩的仿真设计

针对玻璃纤维增强聚酰亚胺树脂毫米波引信天线罩,应用MATLAB编程分析其功率传输系数、反射系数,并利用有限元法仿真分析天线罩厚度、与天线距离等参数对天线性能的影响,得到天线罩最佳厚度及与天线的距离.     

ICF数值仿真研究中的保对称有限体元方法

在ICF数值仿真计算中,二维三温辐射热传导方程描述了内爆动力学过程中辐射能量在静止介质中的非线性传播过程。在求解二维三温辐射热传导方程的过程中,设计了一种新的保对称有限体元方法,并从理论上证明了该方法所得离散系统的对称性。新方法在离散化速度和能量守恒误差两个方面都优于经典的有限体元方法(FVEM)和有限元方法(FEM),相关数值试验结果也验证了新方法的这些特点。     

冲击射流的间断有限元仿真研究

采用间断有限元方法对轴对称可压缩Euler方程组进行数值离散,并对非稳态垂直冲击射流进行了仿真模拟。计算结果表明,采用该方法能够较好地捕捉到起始冲击波在平板上反射后形成的曲面激波、马赫反射以及三波交点等复杂流场波系结构;随着时间的发展,冲击平板中心区域有明显的回流现象;平板表面的压力系数分布曲线与实验测量结果吻合较好;表明该方法是有效的,为冲击射流的数值仿真提供一种新的手段。

Abstract：

Unsteady impinging jet was simulated numerically using discontinuous finite element method which discretized axisymmetric compressible Euler equations.The computed results show that the complicated shock wave structures of interest including bowed shock waves,Mach reflected wave and the triple point are well captured using this method.Recirculating flow near the center impinging zone of surface can be observed obviously with the lapse of time.Comparisons of Surface pressure coefficient distribution showed better agreements between the computed results and experimental measurements,which indicate that this method is efficient and provide a new means for simulating the impingement jet.     

基于有限元法的磁流变阻尼器三维仿真研究

针对所设计的磁流变阻尼器结构特点,应用有限元软件ANSYS提供的参数化设计语言,建立了阻尼器的1/16三维结构模型,基于磁流变液与磁芯材料具有不同的非线性磁导特性的特点,应用基于单元边法的Solid117单元建立了阻尼器的有限元模型,进行了三维静态非线性电磁场分析,在后处理器中,通过求得工作区域内平均磁场强度与磁感应强度的方法,获得了阻尼器的屈服力矩特性与漏磁系数等关键参数.     

基于非线性有限元方法的柔性网仿真研究

针对柔性结构的仿真研究是计算机仿真领域的热门课题,而对无约束的大变形柔性系统非线性特性的仿真研究更是难题之一.作为对该类问题的有效探索,基于有限元法,应用ANSYS/LS-DYNA对具有多种非线性特性的柔性网进行仿真建模.在研究绳索弹性性能的基础上进行了参数优化,动态模拟了其弹射飞行过程,与实物实验结果相吻合.所采用的方法与结论在工程上具有重要的应用价值.     

车削毛刺形成有限元仿真研究

根据刀具和工件的相对运动,建立了一种新型机热耦合车削毛刺形成有限元模型,利用撑板法解决了残留在工件侧面多余塑性变形对运算结果的影响,并大大提高了运算效率.根据车削毛刺形成过程模拟结果的分析,发现了在毛刺形成阶段工件被切削层材料既有弯曲塑性变形又有部分材料被切除的现象.结合AISI1045钢车削试验,对所建立的模型进行了验证,结果表明:车削毛刺尺寸模拟结果和试验结果取得了较好的吻合.该模型的建立为深入研究毛刺形成过程中切削热、切削力、工件材料形变、塑性流动等提供了一条有效的途径.     

分流组合模挤压过程的有限元分步模拟

基于刚粘塑性有限元法,在模拟过程中采用分步模拟的方法,对有限元网格进行分步重划分和步长的分步设置,并提出了解决体积损失问题的补偿方法,在Deform-3D有限元软件上实现了薄壁复杂截面铝型材的分流组合模挤压成形过程的三维数值模拟。分析了铝合金口琴管挤压过程中的金属的流动和变形行为,获得了速度场、温度场、应力场和应变场的分布图,数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。结果表明:采用有限元分步模拟可以在保证模拟精度的前提下大幅缩短模拟运算时间,是模拟薄壁复杂截面铝合金空心型材挤压成形过程的有效方法。