正交各向异性材料结构的传热拓扑优化研究

基于变密度法建立了正交各向异性材料结构的稳态传热拓扑优化模型,完成了变截面梁和圆锯片的传热拓扑优化,散热弱度最大分别降低了68.78%和74.82%,同时减重39.03%和23.75%;重点研究了各向异性因子和材料方向角对各向异性材料结构最优拓扑构型及散热效果的影响。结果表明:散热效果均随各向异性因子增加而增强,当各向异性因子小于和大于1时,各向异性材料结构的散热性能分别劣于和优于各向同性材料结构。变截面梁的材料方向角及各向异性因子对其最优拓扑构型及散热效果影响很大;而对于几何形状及热载荷均对称的圆锯片,其材料方向角对最优拓扑构型及温度分布无影响。变截面梁的材料方向角建议在60°～75°之间取值,在各向异性材料结构传热拓扑优化中,合理选择各向异性因子和材料方向角可获得较优拓扑构型。     

选区激光烧结过程传热分析的高效无网格法

增材制造是通过材料逐层堆积来实现构件无模成形的新型制造技术,近年来受到人们的广泛关注。基于无单元伽辽金法(无网格法)提出了一种可高效模拟以粉末床为主要技术特征的选区激光烧结增材制造过程的数值模拟技术。相应于材料逐层增加过程,逐层引入计算节点和背景积分单元。充分利用无单元法建立近似函数仅依赖于节点而非网格单元的优点,对远离当前加工层的区域自适应地进行网格粗化以减小计算规模。为进一步提高计算效率,引入稳定相容节点积分技术,大幅度减少了积分点数目。数值结果表明,所发展方法能够有效模拟选区激光烧结增材制造的热传导过程,再现温度场的演化历程。与使用通用有限元软件的模拟方法以及使用高斯积分的标准无网格法相比,该方法大幅度缩短了计算时间,显著提高了选区激光烧结过程传热分析的计算效率。     

基于无网格法径向滑动轴承的承载能力分析

采用了无网格法来求解滑径向动轴承的无量纲油膜压力分布。此无网格法是基于径向基函数插值的配点法。在构造径向基插值时添入了线性多项式,避免了奇异性和提高了精度。将此方法计算出的结果和经典结果进行了比较,验证了此方法的可行性。并对某一给定参数的滑动轴承的油膜压力和承载能力进行了计算。     

基于金属成形塑性分析的无网格法应用

在金属弹塑性变形、金属体积成形、板料成形等金属成形加工方面,分析比较了有限元法与无网格法的优缺点,总结了无网格法各种算法的优势与现状,得出了无网格法在金属成形塑性分析中的巨大潜力,同时,分析了无网格法的不足、亟待继续深入解决的问题,并展望了无网格法在金属成形塑性分析中的发展.     

结构连接区开口正交各向异性板的应力仿真分析

针对工程中常见的连接结构中含圆孔的复合材料板,根据非均质各向异性弹性理论建立计算模型.文中的应力场是借助于仿射变换的方法通过复变应力函数得到的.按照所建立的计算模型对含有圆形孔的复合材料板进行应力分析.对不同的荷载作用情况下,以及他们对孔边应力集中系数的影响进行探讨.并对两个主方向的杨氏模量的变化对孔边应力的影响进行仿真分析.     

用随机无网格法和免疫算法分析结构可靠性

本文首先用摄动随机无网格伽辽金法(PSEFGM)求解随机结构的响应。摄动随机无网格伽辽金法具有不需要划分单元和精度高等特点。然后应用人工免疫遗传算法对结构可靠性进行了分析。人工免疫遗传算法是一种新的综合人工免疫算法和遗传算法的智能优化算法,它避免了遗传算法易出现早熟。搜索效率低和不能很好地保持个体多样性等问题。数值实例表明在随机结构可靠性分析方面随机无网格迦辽金法与人工免疫遗传算法具有明显的优势和广泛的应用前景。     

无网格法的研究进展

对现有的无网格法（Meshless methods）进行了综述。描述了无网格法的近似方案、权函数的选择、变分形式和离散方程以及数值求解的实现。研究了无网格法对不连续问题和边界条件的处理、无网格法与有限元法的耦合。采用Element-free Galerkin（无网格伽辽金,EFG）方法编制了相应程序,并给出了两个计算例子。在现有研究的基础上提出了无网格法未来发展的几个方向。     

基于无网格法的风力发电机塔架门框强度分析

针对风力发电机的塔架门框强度分析中,传统有限元方法建模复杂耗时的问题,提出一种基于无网格法的仿真模型。采用ANSYS和Simsolid软件,分别建立五组机型（3.6～6.25MW）塔架门框的有限元和无网格仿真模型;计算塔架变形、门框极限应力,以及焊缝热点应力,比较两类模型的计算结果。研究结果表明：两类模型计算塔架变形趋势一致,最大位移相对误差0.94%～1.87%;在门框、焊缝极限应力方面,模型的相对误差分别在0.36%～4.63%之间、-0.50%～3.38%之间;无网格法在刚度、应力计算可靠的同时,建模效率显著提高,为塔架门框快速仿真评价提供了一种新的研究思路。     

几何非线性问题的无网格法分析

用局部Petrov-Galerkin方法求解几何非线性问题,这是一种真正的无网格方法。这种方法采用移动最小二乘近似函数作为试函数;只包含巾心在所考虑点处的规则局部区域上以及局部边界上的积分;所得系统矩阵是一个带状稀疏矩阵。该方法可以容易推广到求解非线性问题以及非均匀介质力学问题。在涉及几何非线性问题的数值方法中,通常都采用增量和迭代分析的方法。本文从虚功原理出发,用移动最小二乘近似函数的权函数替代虚位移,并在整个分析过程中所有变量的表达格式都是采用全拉格朗日格式。数值算例表明,无网格局部Petrov-Galerkin方法在求解几何非线性问题时仍具有很好的精度。     

弹塑性力学问题的无网格法分析

提出弹塑性力学问题的无网格局部Petrov—Galerkin(meshless local Petrov—Galerkin,MLPG)方法,这是一种真正的无网格方法。这种方法采用移动最小二乘近似函数作为试函数,并且采用移动最小二乘近似函数的权函数作为加权残值法的权函数,本质边界条件用罚因子法施加。文中采用Newton—Raphson法进行计算。计算实例表明．局部Petrov—Galerkin方法是一种很有效的求解弹塑性力学问题的方法。     

无网格法在固有频率分析中的应用

针对复合材料层合板的固有频率问题,结合径向基插值函数和修正后的H-R变分原理,推导了Hamilton正则方程的无网格列式,使得无网格法的优越性与弹性力学Hamilton正则方程的半解析法得到了有机的结合,为Hamilton正则方程提出了一种无网格半解析方法。     

用Taylor展开随机无网格法和免疫算法分析结构可靠性

首先用Taylor展开随机无网格伽辽金法(Taylor expansion stochastic element-free Galerkin method,TSEFGM)进行随机结构分析.在无网格伽辽金法中,所求解问题的域由分布的节点表示,并采用移动最小二乘函数近似试函数.以及用罚函数法施加本质边界条件.同时利用Taylor展开法,建立随机结构分析的Taylor展开随机无网格伽辽金法;然后应用人工免疫遗传算法对结构可靠性进行分析.人工免疫遗传算法是一种新的综合人工免疫算法和遗传算法的智能优化算法,它避免了遗传算法易出现早熟、搜索效率低和不能很好地保持个体多样性等问题.数值实例表明,在随机结构与可靠性分析方面,Tlaylor展开随机无网格伽辽金法与人工免疫遗传算法具有明显的优势和广泛的应用前景.     

棒材拉拔问题的弹塑性无网格法分析

建立了一种基于初始构形及热力学第二定律的有限变形的弹塑性本构关系,并由空间描述的Galerkin能量弱变分原理,经一致转换得一整体拉格朗日方程描述下的平衡方程。同时经线性化处理给出了显示中心差分法求解格式,以棒材通过锥形模的拉拔成形为例,对拉拔成形中的材料特性参数、减缩率、拉模锥角、摩擦和拉拔力相互作用以及回弹量等进行了全面的EFG法数值模拟,从而证明了有限变形弹塑性:EFG法对实际金属塑性成形工艺分析、优化及设计的有效性。     

基于局部自然邻近无网格法的形状优化

把自然邻近无网格法中控制方程的局部积分“弱”形式应用于连续型物质导数法灵敏度分析中,使用直接微分法导出了基于局部子域积分方程的连续型灵敏度分析公式,采用自然邻近无网格法对其离散求解,以获得各结点处的灵敏度信息。使用该灵敏度分析方法,把自然邻近无网格法与非线性规划理论相结合,采用约束变尺度序列二次规划法,构建了一种形状优化方法。算例表明,该灵敏度计算方法只使用离散结点信息,计算精度高,无需额外的背景积分网格,优化过程不需要网格重构,具有较高的收敛速度,使用较少的设计变量就可以获得良好的优化效果。     

正交各向异性矩形板面内自由振动分析

以正交各向异性矩形板结构为研究对象,采用改进傅里叶级数方法(Improved Fourier Series Method,IFSM)构建了任意边界条件下正交各向异性矩形板面内自由振动分析模型。面内振动位移容许函数被不变地描述为包含正弦项的改进三角级数形式,并能够有效解决在边界处存在的不连续或者跳跃现象。将未知级数展开系数看作广义坐标,基于Rayleigh-Ritz法推导了板结构面内振动特征方程,并通过求解一个标准特征值问题来获得面内自由振动特征参数。通过大量的数值算例,并与现有文献解和有限元方法结果对比来验证文中方法的正确性。     

无网格法在金属成形模拟分析中的应用

利用无网格再生核质点法对金属塑性变形过程进行模拟仿真分析,讨论了无网格法的研究进展,无网格PKPM技术的基本原理和方法,以及应用无网格法进行金属成形过程仿真分析的关键技术,并通过塑性材料数值分析实例,验证无网格法框架下进行金属成形过程模拟分析的可行性和有效性。     

三维体积成形过程的并行无网格法仿真分析

将显示无网格法引入三维体积成形仿真过程,设计了基于再生核质点法(Reproducing kernel particle method, RKPM)无网格法理论的并行算法。在前处理过程中,采用了多层次二分法对几何模型进行分区;在仿真计算过程中,设计基于消息传递机制的粗粒度并行程序,针对接触搜寻算法的特点,提出了接触问题并行化的新策略。并编制了相应的程序,成功地对三维体积成形问题进行了求解,准确地处理了网格严重畸变的问题,并验证了该算法的准确性和有效性。     

无网格法在金属成形塑性分析中的应用

比较了有限元法与无网格法在金属成形应用中的优缺点,分析描述了无网格法在金属弹塑性变形、金属体积成形、板料成形等金属成形加工方面的应用现状,并阐述了无网格法的不足、亟待继续深入解决的问题以及未来的展望.