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基于人工神经网络的颗粒材料本构关系及边值问题研究

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应用数学和力学 2024年第2期45卷 155-166页

作者：张广江杨德泽楚锡华武汉大学工程力学系武汉430072

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,... 详细信息

颗粒材料被广泛运用于工程实践中,通过数值模拟解决颗粒材料有关的边值问题,对于指导工程实践具有重要意义.通过应用人工神经网络算法,将基于离散颗粒模型的离散单元法与基于连续介质模型的有限单元法有机结合以求解颗粒材料边值问题,形成了一套新的、完整的模型及解决方案,即细观模型离线计算的细-宏观两尺度模型及求解系统.具体为:先基于离散单元法获取颗粒材料的主应力、主应变以及对应的应力-应变矩阵等数据;再将获取的数据利用人工神经网络算法构建在主空间上描述颗粒材料本构关系的人工神经网络模型;最后,通过用户自定义材料子程序UMAT将人工神经网络模型导入ABAQUS中求解颗粒材料边值问题.通过平板受压以及边坡稳定性数值试验,并与经典弹塑性模型求解结果进行对比,表明了训练后的人工神经网络模型能够有效地反映颗粒材料的本构关系,并能够运用于实践求解边值问题,验证了该求解方案的可行性.

关键词：颗粒材料人工神经网络离散元法有限元法边值问题

稀疏颗粒流体系统的微极流体模型描述：以顶盖驱动方腔流为例

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力学学报 2024年

作者：王连张永超楚锡华孙洪广河海大学力学与工程科学学院武汉大学土木建筑工程学院

因粒子和流体介质属性不同，稀疏颗粒流体系统常表现出相反的流动增强和减弱行为。为基于一组方程描述稀疏颗粒流体系统相反的流动行为，本文推荐了微极流体模型，并通过对微结构参数（耦合数和无量纲特征长度）的全面分析，尝试给出描... 详细信息

因粒子和流体介质属性不同，稀疏颗粒流体系统常表现出相反的流动增强和减弱行为。为基于一组方程描述稀疏颗粒流体系统相反的流动行为，本文推荐了微极流体模型，并通过对微结构参数（耦合数和无量纲特征长度）的全面分析，尝试给出描述不同流动行为的参数区间。首先，梳理微极流体模型和微结构参数的物理意义，基于OpenFOAM库建立了微极流体控制方程的有限体积离散求解方案，并在一维微极泊肃叶流动中验证了其准确性。随后，基于顶盖驱动方腔流，开展了大范围微结构参数组合下的流体动力学行为计算，分析各微结构参数及其组合对流体速度、微转动、动能以及总能的影响规律。结果表明微极流体模型能够描述稀疏颗粒流体系统呈现的流动增强和减弱行为，且存在一个微结构参数临界区间，当耦合数和无量纲特征长度的乘积N*L小于20.48时，微极流体模型可描述流动减弱现象；当N*L大于28.16时，可描述流动增强现象。微极流体模型较完备的物理参数使得其在描述不同颗粒流体系统行为时更具普适性，有望扩展颗粒流体系统研究的理论基础。

关键词：稀疏颗粒流体系统微极流体模型微结构参数流动行为

基于离散元法的SLM刮刀倾角对粉末铺展行为的影响研究

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力学学报 2024年第3期56卷 774-784页

作者：李雯刘其鹏高月华楚锡华张昭王振军南昌航空大学江西省航空构件成形与连接重点实验室南昌330063 武汉大学土木工程学院武汉430072 大连理工大学工程力学系辽宁大连116024

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉... 详细信息

刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响.基于离散元法建立铺粉数值模型,对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究.针对不同的刮刀倾角,提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估,获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律.根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域.针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究,包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等.研究发现:刮刀倾角小于0时,颗粒体系难以形成完整的环流运动,剪切带较小,流向沉积层的颗粒较少,颗粒间强力链较少,刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞,进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低.刮刀倾角大于0时,颗粒体系的环流运动较充分,剪切带较大,流向沉积层的颗粒增多,随倾角增大强力链增多,刮刀压实作用增强,有利于沉积层致密度和均匀性的提高.本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.

关键词：选区激光熔化离散单元法铺粉过程刮刀倾角流动机理

非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

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力学学报 2023年第2期55卷 369-380页

作者：李锡夔张松鸽楚锡华大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学工程力学系辽宁大连116024 武汉大学土木建筑工程学院工程力学系武汉457002

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Vor... 详细信息

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议,这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测.基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Voronoi胞元模型,利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息,文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量:非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力,导出了其表达式.所导出的有效压力公式表明,非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性,它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性,同时也对其剪切应力分量有影响.文章表明,非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力−力学效应的有效压力张量为各向同性.此外,为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力−力学响应具有十分重要效应的基质吸力.所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力各向同性效应的有效Bishop参数)可在以协同计算均匀化方法为代表的非饱和颗粒材料计算多尺度方法中上传到在宏观非饱和多孔连续体设置了表征元的局部材料点.

关键词：非饱和多孔介质离散颗粒-液桥-液膜介观结构表征元 Voronoi胞元网络各向异性有效压力张量广义Biot有效应力张量

基于Cosserat近场动力学的纤维混凝土破坏模拟

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固体力学学报 2022年第3期43卷 318-331页

作者：陈壮楚锡华段庆林武汉大学土木建筑工程学院武汉430072 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116023

论文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究.该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描... 详细信息

论文基于Cosserat近场动力学发展了一种纤维混凝土的近场动力学模型,对纤维混凝土的破坏现象进行研究.该模型考察了物质点独立的转动自由度和物质点间的力偶作用,而且有表征微结构尺寸的内禀长度,相比于传统的近场动力学模型,更适合描述纤维混凝土这类胶结颗粒材料的力学行为.论文采用完全离散的方式对纤维进行建模,引入了纤维拔出实验中拔出位移和切应力的关系,并且采用组构张量描述纤维的局部分布.数值算例部分模拟了单纤维拔出实验、带预制裂纹的平板拉伸实验和三点弯曲梁实验.数值结果和已有的数值模型以及实验进行了对比,验证了所提出模型的正确性.此外,论文还调查了微结构对纤维混凝土破坏的影响,数值结果显示Cosserat剪切模量和内禀长度会影响裂纹的局部分布,但是不会改变裂纹的主方向.

关键词： Cosserat近场动力学纤维混凝土微结构数值模拟裂纹扩展

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维诺梯度随机晶格结构多尺度设计及实验验证

Acta Mechanica Sinica 2023年第8期39卷 121-136页

作者：陈炼雄潘宇楚锡华刘辉王新忠 School of Civil Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment Dalian University of Technology Dalian 116000 China Department of Electronic Communication and Technology Shenzhen Institute of Information Technology Shenzhen 518000 China

增材制造技术凭借其生产几何复杂结构(如晶格结构)的能力而广受欢迎.在航天航空和汽车领域轻量化设计中,晶格结构具有极大的优势.众所周知,振动问题是航天航空结构设计广泛关注的问题之一,为了避免结构动力破坏,有必要开展结构振动频率... 详细信息

增材制造技术凭借其生产几何复杂结构(如晶格结构)的能力而广受欢迎.在航天航空和汽车领域轻量化设计中,晶格结构具有极大的优势.众所周知,振动问题是航天航空结构设计广泛关注的问题之一,为了避免结构动力破坏,有必要开展结构振动频率研究,尤其是结构自振频率研究.本文针对一阶频率最大化问题,提出了一种维诺梯度随机晶格结构多尺度优化设计方法.首先,在微观尺度上进行了维诺随机晶格微观结构生成和分析.然后,采用无惩罚密度法进行宏观结构优化.最后,基于得到的相对密度分布和映射关系,重构了全尺度维诺梯度随机晶格结构.数值算例验证了该方法在维诺梯度随机晶格结构设计中的正确性和有效性,振动试验也验证了所提出的多尺度方法的有效性和优化的梯度晶格结构在结构动力响应方面的优势.

关键词：晶格结构最大化问题多尺度方法结构自振频率结构动力响应密度法微观尺度结构设计

基于连续介质模型的颗粒材料孔隙度及孔隙水压力计算公式

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岩土工程学报 2009年第8期31卷 1255-1257页

作者：楚锡华武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

孔隙度是能够部分反映颗粒材料微观结构的一个宏观量,其数值及其演化对颗粒材料的宏观力学行为有重要影响。基于连续介质模型,在颗粒体积应变均匀的前提下推导了颗粒材料的孔隙度随颗粒集合局部平均体积应变的演化公式,并应用该关系式... 详细信息

孔隙度是能够部分反映颗粒材料微观结构的一个宏观量,其数值及其演化对颗粒材料的宏观力学行为有重要影响。基于连续介质模型,在颗粒体积应变均匀的前提下推导了颗粒材料的孔隙度随颗粒集合局部平均体积应变的演化公式,并应用该关系式结合孔隙水状态方程给出了饱和颗粒材料的孔隙水压力与孔隙度、固体颗粒体积模量、固体颗粒变形之间的关系。所得公式可用于饱和含液颗粒材料流–固耦合计算或饱和多孔介质宏观–细观多尺度流–固耦合渗流分析。

关键词：孔隙度孔隙水压力颗粒材料多孔介质连续模型

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颗粒材料数值样本的坐标排序生成技术

岩土力学 2011年第9期32卷 2852-2855,2860页

作者：楚锡华武汉大学工程力学系武汉430072 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

颗粒材料离散颗粒模型的数值模拟结果与颗粒材料的数值样本密切相关,随着离散单元在颗粒材料数值模拟领域的广泛应用,颗粒材料的数值样本生成技术日益受到重视。基于RSA模型研究如何使随机生成的颗粒材料更密实,对均匀颗粒而言亦即如何... 详细信息

颗粒材料离散颗粒模型的数值模拟结果与颗粒材料的数值样本密切相关,随着离散单元在颗粒材料数值模拟领域的广泛应用,颗粒材料的数值样本生成技术日益受到重视。基于RSA模型研究如何使随机生成的颗粒材料更密实,对均匀颗粒而言亦即如何在指定区域内生成更多的颗粒,讨论了4类修正方案,并建议了一种基于坐标排序的样本生成技术。研究表明,在传统的颗粒体随机生成技术基础上,通过对随机生成的x坐标序列或y坐标序列进行排序,可使生成的颗粒材料数值样本更密实。

关键词：颗粒材料数值模拟离散元法数值样本

单轴压缩下页岩类脆性材料细观损伤演化的离散元分析

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计算力学学报 2022年第3期39卷 324-331页

作者：钟寄宸王蕉李翔宇楚锡华西南交通大学四川省应用力学与结构安全重点实验室力学与航空航天学院成都610031 西南交通大学牵引动力国家重点实验室应用力学研究所成都610031 武汉大学工程力学系武汉430072

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度... 详细信息

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度和弹性模量。引入微裂纹的概念,通过定义裂纹密度函数,系统地研究了单轴压缩条件下,页岩层理角对细观结构的影响。此外基于平均配位数建立了配位数变化与细观损伤的联系,并根据配位数的变化与裂纹数量将加载过程分为三个阶段,分析了不同阶段配位数与裂纹数量的对应变化关系。研究表明,页岩的裂纹密度随着层理角的增加而增加,而试样的平均配位数在加载过程中先上升后剧烈下降,颗粒集合体在单轴压缩条件下的应力应变及裂纹数量曲线与平均配位数曲线有良好的一致性。该研究揭示了横观各向同性脆性岩石的破坏过程和内在机理,将为页岩类脆性材料的工程应用提供理论指导。

关键词：脆性材料 DEM 裂纹张量微结构平均配位数