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基于代表体元法的根土复合体本构计算与验证
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作者 李绍领 黄建坤 +1 位作者 及金楠 陈丽华 《中国水土保持科学》 CSCD 北大核心 2023年第2期107-116,共10页
传统的根系固土计算方法没有考虑根系的存在对根土复合体弹性参数的影响,难以针对坡面数量庞大的根系进行高效地建模和计算。为研究植被根系对土体的增强作用和对边坡稳定性的影响,将根土复合体视为天然根系纤维增强复合材料,通过引入... 传统的根系固土计算方法没有考虑根系的存在对根土复合体弹性参数的影响,难以针对坡面数量庞大的根系进行高效地建模和计算。为研究植被根系对土体的增强作用和对边坡稳定性的影响,将根土复合体视为天然根系纤维增强复合材料,通过引入代表体元(RVE)法,直接建立根土复合体三维本构关系,量化根系对土体的增强作用;现场采集山西吉县刺槐根系及土壤,通过不同埋根方式的直剪试验及反复剪切试验验证RVE法理论结果;最后通过数值模拟验证,RVE法获得的根土复合体等效力学参数用于评价边坡稳定性的可行性。研究表明:RVE法能预测根土复合体的等效弹性参数,其剪切弹性模量提升率与反复剪试验结果相比,相差仅为0.24%。RVE法理论计算得到的强度参数黏聚力c和内摩擦角φ与试验结果仅分别相差2.45 kPa和3°,而Wu模型计算的黏聚力c比试验结果高估约5倍。与素土边坡相比,根土复合体试验结果计算得到的边坡安全系数提高7.20%,RVE模型边坡提高9.78%,而Wu模型边坡安全系数提高29.33%。相比于RVE模型,Wu模型存在高估边坡稳定性的风险;因此,RVE法能准确预测根土复合体的弹性参数和强度参数c和φ的变化,根系对土体的增强作用,不仅体现在黏聚力的增强上,内摩擦角和等效弹性参数同样有变化。代表体元结合数值仿真的方式,为实现含大量根系边坡的稳定计算提供了新的方法和技术手段。 展开更多
关键词 代表体元法 根系固土 直剪试验 边坡稳定性 等效力学参数
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卷绕式锂离子电池单体有限元建模方法研究与实验验证 被引量:4
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作者 曲杰 黄美华 +2 位作者 王超 刘明建 杜显赫 《重庆理工大学学报(自然科学)》 CAS 北大核心 2022年第1期171-178,共8页
为能够在产品开发阶段将电池置于产品中进行有效的CAE分析,需要建立具有高计算效率和精度的电池仿真模型。以某款商用卷绕式锂离子电池为研究对象,以代表体元法为基础,进行锂离子电池的建模方法研究。建立的精细电池模型包括铝塑膜、活... 为能够在产品开发阶段将电池置于产品中进行有效的CAE分析,需要建立具有高计算效率和精度的电池仿真模型。以某款商用卷绕式锂离子电池为研究对象,以代表体元法为基础,进行锂离子电池的建模方法研究。建立的精细电池模型包括铝塑膜、活性物质、集流器、隔膜、底黄胶等,使得模型具有较高的精度;基于代表体元法对电芯进行简化,以提高计算效率;进行电池的准静态平面挤压实验,并应用建立的电池模型进行准静态平面挤压仿真,发现简化模型和精细模型的仿真结果与测试结果均能较好吻合,但简化模型的计算效率提高90%以上,内存占有率减少了85%。局部球头挤压试验结果进一步证明了简化锂离子电池模型的有效性和可靠性。 展开更多
关键词 锂离子电池 机械损伤 有限元建模 代表体元法
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桁架板等效刚度分析 被引量:7
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作者 苏文政 刘书田 张永存 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第6期763-767,共5页
桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定... 桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。 展开更多
关键词 桁架材料 桁架板 等效刚度 代表体元法
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缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报 被引量:2
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作者 杨慧 张晓晶 汪海 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第3期600-603,共4页
针对复合材料泡沫夹芯结构的缝合工艺采用代表体元法,通过建立有限元模型,对这种新型复合材料结构的剪切刚度性能进行了预测。考察了缝合对材料弹性常数的影响,给出了弹性常数的计算方法,并着重探讨了纤维弯曲、富树脂区以及缝线刚度、... 针对复合材料泡沫夹芯结构的缝合工艺采用代表体元法,通过建立有限元模型,对这种新型复合材料结构的剪切刚度性能进行了预测。考察了缝合对材料弹性常数的影响,给出了弹性常数的计算方法,并着重探讨了纤维弯曲、富树脂区以及缝线刚度、缝线等效直径对结构剪切刚度的影响。对比发现:结构的面内剪切刚度与缝线直径成反比,与缝线的剪切刚度成正比;面外剪切刚度与缝线直径成正比,与缝线的剪切刚度成正比。数值分析结果与试验结果比较吻合。 展开更多
关键词 缝合 泡沫夹芯 复合材料 代表体元法
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基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型 被引量:2
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作者 苏文政 刘书田 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第6期776-785,共10页
考察了结构最小尺寸与材料特征长度量级相当的格栅材料等效性能,建议了基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型以及确定等效模量的代表体元模型,给出了相应的位移边界条件.在此基础上导出了正交各向异性偶应力介质的特征长度表达式和偶... 考察了结构最小尺寸与材料特征长度量级相当的格栅材料等效性能,建议了基于偶应力理论的格栅材料等效介质模型以及确定等效模量的代表体元模型,给出了相应的位移边界条件.在此基础上导出了正交各向异性偶应力介质的特征长度表达式和偶应力介质梁的抗弯刚度表达式,定义了偶应力影响因子δ以表征梁的偶应力效应.具体计算了几种典型的格栅材料的等效偶应力模量以及格栅梁在一定工况下的挠曲线,并与相应的有限元离散解进行对比,结果表明,等效结果具有较高精度,且当宏观结构的尺寸和微结构尺寸相差不大时,宏观结构表现出强烈的偶应力效应.偶应力介质的特征长度表征了偶应力效应的强弱,进而分析了格栅材料的相对密度,单胞尺寸以及几何构型对等效介质特征长度的影响. 展开更多
关键词 多孔固体 格栅材料 偶应力 特征长度 代表体元法
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双相X80管线钢塑性变形和损伤机制 被引量:1
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作者 张洋 王葛 +2 位作者 吕正芳 范利锋 秦淑琪 《塑性工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第4期127-136,共10页
针对油气管线在高压、大变形等运行工况下极易产生局部屈曲、失稳和延性断裂等与塑性损伤相关的失效行为,为了揭示管线钢塑性损伤行为的微观机制,以双相结构(贝氏体+多边形铁素体)X80管线钢为研究对象,采用有限元方法研究了双相X80管线... 针对油气管线在高压、大变形等运行工况下极易产生局部屈曲、失稳和延性断裂等与塑性损伤相关的失效行为,为了揭示管线钢塑性损伤行为的微观机制,以双相结构(贝氏体+多边形铁素体)X80管线钢为研究对象,采用有限元方法研究了双相X80管线钢微观塑性损伤演化规律。通过电子背向散射衍射技术分析了塑性损伤过程中的微观结构演化机制。结果表明,应变主要由铁素体承担,应力主要由贝氏体承担,在拉伸变形作用下,易在两相界面处发生位错堆积,导致应力集中,形成孔洞。随着应变的增加,孔洞逐渐地向铁素体内部扩展、聚集直至贯通;铁素体晶粒的主要变形机制是晶粒内部滑移系统的滑移和晶格的转动,造成了微孔洞的形成。 展开更多
关键词 双相X80管线钢 代表体元法 塑性损伤 EBSD
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仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计 被引量:10
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作者 郭新路 刘蓉 王永轩 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期402-409,共8页
目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分... 目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0. 17-0. 30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0. 17-0. 30,弹性模量误差在14%以下,最小的仅为3%,剪切模量误差范围在8%以下,基本符合最初的设计目标。结论利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。 展开更多
关键词 骨小梁 多孔结构 代表体元法 力学分析 拓扑优化
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考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计 被引量:4
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作者 王书恒 戴时 +2 位作者 吴鑫伟 马永彬 邓子辰 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1291-1302,共12页
增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情.然而,增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难.为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能,并实现点阵结构的弹性各向同性设计,首... 增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情.然而,增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难.为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能,并实现点阵结构的弹性各向同性设计,首先,本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为,通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数.然后,设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构,基于代表体元法,在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件.最后,根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度,并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件.研究结果表明,正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为,基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量.在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性.在考虑材料的各向异性之后,基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸,能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计. 展开更多
关键词 熔丝制造 正交各向异性 点阵结构 代表体元法 弹性各向同性设计
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约束阻尼板的黏弹性阻尼层细观拓扑优化设计 被引量:1
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作者 房占鹏 冉凯文 +2 位作者 田淑侠 肖艳秋 王猛 《郑州大学学报(工学版)》 CAS 北大核心 2022年第4期60-66,共7页
针对约束阻尼板的减振优化设计问题,提出一种约束阻尼板的黏弹性阻尼层细观拓扑优化方法。黏弹性阻尼层由三维单胞组成,采用代表体元法对三维单胞的等效材料属性进行分析。在对三维单胞施加边界条件时,考虑三维单胞上下表面受到约束层... 针对约束阻尼板的减振优化设计问题,提出一种约束阻尼板的黏弹性阻尼层细观拓扑优化方法。黏弹性阻尼层由三维单胞组成,采用代表体元法对三维单胞的等效材料属性进行分析。在对三维单胞施加边界条件时,考虑三维单胞上下表面受到约束层和基层约束的影响,在此基础上建立约束阻尼结构的宏观有限元模型。以宏观结构模态损耗因子最大化为优化目标,建立约束阻尼结构的黏弹性阻尼层细观结构拓扑优化模型。分析了优化目标函数关于设计变量的灵敏度,采用优化准则法对建立的优化模型求解。对建立的周期开孔的约束阻尼板有限元模型进行模态分析,与细分网格法对比,考虑边界约束的代表体元法计算得到的固有频率和模态损耗因子最大误差分别为0.09%和3.60%,而传统均匀化方法计算得到的固有频率和模态损耗因子最大误差分别为1.18%和6.59%,可见考虑边界约束的代表体元法的计算精度要高于传统均匀化方法。以黏弹性阻尼材料体积分数0.4为约束条件,分别以一阶、二阶和三阶模态损耗因子最大化为优化目标,对约束阻尼板的黏弹性阻尼层细观构型进行优化。结果表明,黏弹性阻尼层细观优化构型与目标阶次的模态振型和模态剪切应力方向相关;在黏弹性阻尼材料使用量减少了60%的情况下,优化结构的目标一阶、二阶和三阶模态损耗因子分别增加了3.70%、14.86%和10.22%,共振响应峰值分别减小了9.71%、10%和13.33%,验证了优化方法的正确性和有效性。 展开更多
关键词 黏弹性阻尼材料 代表体元法 细观拓扑优化 模态损耗因子
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