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基于voronoi模型的脆性岩石微观结构数值模拟

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力学与实践 2021年第2期43卷 244-251页

作者：邱鑫林缅郑思平陈天宇中国科学院力学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室沈阳110819

基于离散元软件UDEC中的voronoi模型,构建了致密岩石的标准压缩数值试件;应用FISH语言编译相关程序,监测不同脆性致密岩石的裂纹数量和密度在压缩过程中的变化特征。研究发现,随着岩石脆性指数的增加,岩石的起裂应力逐渐增加,而起裂点... 详细信息

基于离散元软件UDEC中的voronoi模型,构建了致密岩石的标准压缩数值试件;应用FISH语言编译相关程序,监测不同脆性致密岩石的裂纹数量和密度在压缩过程中的变化特征。研究发现,随着岩石脆性指数的增加,岩石的起裂应力逐渐增加,而起裂点裂纹密度逐渐减小,高脆性岩石则是在较高的应力状态和较低的裂纹损伤状态下达到裂纹起裂点。岩石的峰值应力随着脆性指数的增加而增加,峰值点裂纹密度和脆性指数符合一拟合公式,根据该公式可以对峰值应力处岩石的裂纹损伤程度进行估计。可以把脆性指数0.6作为区分页岩脆性的经验值。

关键词：离散元方法 voronoi模型脆性岩石岩石微结构裂纹密度

蒙特卡罗法模拟晶粒生长过程中的voronoi模型

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机械工程材料 2006年第3期30卷 11-13页

作者：沈满德余圣甫王宁华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074

晶粒生长过程的蒙特卡罗法计算机模拟是研究晶粒生长过程的重要内容,而voronoi模型的建立是该计算机模拟的关键。详细介绍了voronoi模型的原理、方法和程序实现,并在程序中引入链表结构。试验表明：链表结构的引入可大幅度提高模拟效率。

关键词：计算机模拟蒙特卡罗法晶粒生长 voronoi模型

基于voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

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含能材料 2017年第7期25卷 546-551页

作者：王竟成罗景润中国工程物理研究院总体工程研究所四川绵阳621999

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。... 详细信息

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(>85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。

关键词：有效弹性模量高聚物粘接炸药(PBX) voronoi模型有限元细观结构

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随机壁厚三维实体泡沫铝建模及压缩仿真

吉林大学学报（工学版） 2022年第8期52卷 1777-1785页

作者：庄蔚敏王恩铭吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022

针对壳体泡沫铝模型在几何建模及仿真计算中存在的问题,基于voronoi模型提出了具有随机壁厚的三维实体泡沫铝模型的建模方法及其实现流程。通过使用Python语言编写的ABAQUS泡沫铝建模插件建立了实体泡沫铝模型,进行了泡沫铝的准静态压... 详细信息

针对壳体泡沫铝模型在几何建模及仿真计算中存在的问题,基于voronoi模型提出了具有随机壁厚的三维实体泡沫铝模型的建模方法及其实现流程。通过使用Python语言编写的ABAQUS泡沫铝建模插件建立了实体泡沫铝模型,进行了泡沫铝的准静态压缩有限元仿真分析。对实体模型和壳体模型在仿真中的力学行为、变形模式及计算所得的材料应力-应变曲线进行了对比分析。研究结果表明:实体模型的仿真结果和变形模式与实验更接近;实体模型计算得到的应力-应变曲线波动更小、更加平滑;实体模型较壳体模型在压缩过程中受力和内部结构的模式更加合理。

关键词：金属材料闭孔泡沫铝 voronoi模型随机壁厚实体模型准静态压缩

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晶体塑性本构模型材料参数识别方法研究

推进技术 2023年第3期44卷 195-204页

作者：隋天校石多奇杨秦政付强巩萃颖董成利杨晓光北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 中国航空发动机集团有限公司中国航空发动机研究院北京101300 中国航发北京航空材料研究院北京100095

为建立简单高效的晶体塑性本构模型材料参数识别方法,将传统voronoi多晶/柱晶微结构模型进行了简化,探索了简化微结构模型的建模策略,验证了利用简化微结构模型进行材料参数识别的合理性,分别形成了针对多晶、柱晶与单晶合金的材料参数... 详细信息

为建立简单高效的晶体塑性本构模型材料参数识别方法,将传统voronoi多晶/柱晶微结构模型进行了简化,探索了简化微结构模型的建模策略,验证了利用简化微结构模型进行材料参数识别的合理性,分别形成了针对多晶、柱晶与单晶合金的材料参数识别策略,获得了ZSGH4169,DZ125与DD6合金共15组材料参数。结果显示:简化模型的网格数量远远低于传统voronoi微结构模型,极大地降低了计算代价;为保证简化模型的结果合理且计算代价适中,简化多晶模型需大致含有125个晶粒;相同材料参数条件下,简化模型与传统voronoi模型的计算结果基本一致;3类合金仿真/实验结果间的最大误差均不超过5%。文中所开发材料参数识别方法计算成本小、操作难度低、运行效率高。

关键词：晶体塑性材料参数识别 voronoi模型晶粒微结构建模

基于微观结构苹果不同组织穿刺质地的模拟分析

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基于微观结构苹果不同组织穿刺质地的模拟分析

作者：蒋冰瑶山西农业大学

学位级别：硕士

苹果营养丰富,耐贮藏且风味较好,是我国的一种重要水果。对苹果穿刺力学特性与微观结构关系的构建能够为不同品种苹果力学特性差异的原因给出解释;对不同加载速度下苹果各部位穿刺力学的差异分析可以为苹果的采摘、运输及贮藏提供参考... 详细信息

苹果营养丰富,耐贮藏且风味较好,是我国的一种重要水果。对苹果穿刺力学特性与微观结构关系的构建能够为不同品种苹果力学特性差异的原因给出解释;对不同加载速度下苹果各部位穿刺力学的差异分析可以为苹果的采摘、运输及贮藏提供参考。本文通过对苹果果皮、果肉、果核3部位穿刺力学特性进行试验研究,分析苹果各部位力学特性及其对于整果力学特性的影响;通过观察苹果各部位微观结构特性,分析不同微观结构对于穿刺力学特性的影响,构建宏观力学特性与微观结构的关系;分析苹果各部位穿刺力学特性,得到果肉、果核的材料属性,采用微观结构观察所得的组织特点辅助进行有限元仿真试验,构建有效的整果模型。主要研究内容及结论如下:(1)对3个品种苹果果皮、果肉与果核进行穿刺力学试验,分析其质地差异性。果皮穿刺强度随加载速度的增加而逐渐上升、部分加载速度下出现了下降的趋势,导致穿刺强度-速度曲线出现三个峰值,体现了生物材料的不稳定性。加载速度及品种对于穿刺强度的影响率较高,其中果皮穿刺强度差别较大的情况集中在5mm/s以下的加载速度中。丹霞品种穿刺强度峰值最大,出现在1-1.5mm/s加载速度区间内,富士品种穿刺强度峰值大小居中,出现在2-5mm/s加载速度区间内,金冠品种穿刺强度峰值最小,出现在5-9mm/s加载速度区间内。3个品种苹果果肉、果核断裂力、断裂变形量以富士与丹霞品种的较大,金冠品种的较小。不同品种苹果果肉、果核断裂力随加载速度的增加而逐渐上升,断裂力是受加载速度影响最大的穿刺力学特性参数,能够代表果肉、果核质地。果肉各项穿刺力学特性参数在0.5mm/s加载速度下,果核各项穿刺力学特性参数在0.01mm/s加载速度下受品种的影响最大。对于不同的品种及加载速度,断裂力参数受影响最大,表明该参数的敏感性较高。(2)对3个品种果皮、果肉与果核进行微观结构观察,对果皮进行扫描电镜方法观察,对果肉、果核进行激光共聚焦显微镜方式观察。采用扫描电镜方式对3个品种苹果果皮进行微观结构观察与分析,表明各个品种果皮微裂纹都较浅,丹霞品种果皮微裂纹平均宽度最小,金冠品种果皮微裂纹平均宽度最大。对果肉采用激光共聚焦显微镜进行观察,提取细胞及孔隙的欧式几何学参数,不同品种苹果果肉组织细胞及孔隙的面积、周长及等效直径进行比较,金冠品种最大,圆形率以金冠品种为最小。富士与丹霞品种果肉组织的细胞形状规则,孔隙面积较小,整体结构紧密;金冠品种果肉组织细胞形状较圆且面积较大,孔隙面积也较大,细胞间结合松散。对果核微观结构进行观察,结果与果肉微观结构情况相同,对比果肉,果核的质地更紧密,细胞及孔隙更大,圆形率更小。(3)对苹果果皮、果肉与果核微观结构观察结果与穿刺力学特性试验结果进行结合分析,建立二者之间的联系。微裂纹的宽度直接影响果皮的穿刺强度,微裂纹越宽,果皮越脆弱。丹霞品种果皮更善于应对低速冲击,金冠品种更善于应对较高速冲击。在相同的试样体积下,细胞及孔隙面积越大,圆形率越小,组织结构越为稀松,质地更脆弱。金冠组织细胞及孔隙都更接近圆形,细胞间连接较少,果肉及果核组织更为脆弱,受到加载速度变化而导致的力学性质改变较大,富士与丹霞品种情况相反。在穿刺力学试验与微观结构观察的基础上进行穿刺力学仿真试验,建立果肉、果核损伤模型与三维模型,模型正确,且精度较高,可以为整果穿刺试验提供参考。

关键词：穿刺试验加载速度微观结构 voronoi模型仿真试验

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基于晶体塑性理论的筒形件微冲压成形研究

基于晶体塑性理论的筒形件微冲压成形研究

作者：燕艳太原科技大学

学位级别：硕士

随着精密化和轻量化的迅速发展,各行各业对微型设备和产品的需求增加,推动了微成形理论和微制造技术的进步。微塑性成形具有高效率、高精、低成本等优点,被广泛用于航空航天、电子工艺、生物医疗等领域精密微型零件的加工制造。然而,当... 详细信息

随着精密化和轻量化的迅速发展,各行各业对微型设备和产品的需求增加,推动了微成形理论和微制造技术的进步。微塑性成形具有高效率、高精、低成本等优点,被广泛用于航空航天、电子工艺、生物医疗等领域精密微型零件的加工制造。然而,当微型零件的产品精度达到微米级,材料的变形特点表现出不同于传统塑性变形的现象,即存在“尺寸效应”,尺寸效应导致宏观塑性成形理论也不在适用于微塑性变形的分析。晶体塑性理论是将材料微观尺度的位错运动与宏观尺度的塑性成形相结合,为微细观尺度下材料力学行为的研究提供了重要方法。本文在经典的晶体塑性理论框架下,以T2纯铜箔为研究材料,通过数值模拟与实验验证相结合的方法,开展微细尺度下筒形件微冲压成形研究,主要的研究内容如下:(1)定义了新的材料本构子程序UMAT,与ABAQUS主程序实现信息交互;基于voronoi图算法原理,使用Matlab软件编写程序,生成所需要边界类型的二维、三维晶粒模型;将模型的边界信息通过Python脚本程序提取到ABAQUS中,并进行材料属性赋予,完成voronoi多晶体有限元模型的建立。(2)通过不同工艺下退火实验获得不同晶粒尺寸的实验材料,基于实验的晶粒信息,建立voronoi单轴拉伸晶体塑性模型,分析结果表明,晶粒数量、晶粒不规整程度、单元尺寸、晶界类型都对voronoi模型的精度影响很大,优化了影响因素的范围;进行了单轴拉伸实验,对比模拟的结果,验证了voronoi模型的准确性。(3)建立了T2纯铜箔voronoi微冲压晶体塑性模型,并进行晶界网格单元的几何优化,降低了晶界附近的应力集中现象;通过对微冲压过程中不同阶段金属的流动趋势和不同接触区的变形情况进行分析,确定了T2纯铜箔在微冲压过程中成形规律和容易引起的成形缺陷;研究了不同晶粒尺寸下的尺寸效应,结果表明晶粒尺寸的大小会引起几何形状、冲压力变化曲线的尺寸效应。(4)通过对不同模具结构参数微冲压成形中冲压力、变形不均匀性的影响规律分析,研究了不同模具结构参数下筒形件成形规律和缺陷问题,即应力最大值主要集中在凹模圆角区域。不同凹模圆角和冲头倒角下,冲压力变化曲线出现明显双峰。凹模倒角半径为0.2mm时,筒壁区发生过薄失效,0.35mm时,凹模圆角区出现褶皱缺陷;铜箔厚度减薄集中在冲头倒角区域,冲头倒角半径为0.1mm时,筒形件被拉偏,底部冲头倒角区发生破裂失效,0.3mm时,冲头倒角区出现严重的应力集中,筒壁边缘出现过厚的缺陷。(5)进行微冲压成形实验,确定了微冲压成形中晶粒尺寸的大小会引起的尺寸效应。在筒形冲压件的顶部呈现波浪状,随着晶粒尺寸的增大,制耳现象更加明显,冲压件成形质量变差,边缘轮廓的参差不齐程度增加;晶粒尺寸的大小会引起冲压力变化曲线、冲压力峰值的尺寸效应。

关键词：晶体塑性有限元 voronoi模型微冲压尺寸效应

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纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

复合材料学报 2016年第9期33卷 2115-2122页

作者：卢子兴何海洋袁泽帅北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映... 详细信息

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明：由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。

关键词：纳米纤维复合泡沫材料 voronoi模型有限元力学性能

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低密度开孔泡沫蠕变松弛特性分析

固体力学学报 2009年第6期30卷 558-564页

作者：范志庚陈常青卢天健西安交通大学航天航空学院强度与振动教育部重点实验室西安710049 中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621900 清华大学工程力学系北京100084

利用三维voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明,低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度... 详细信息

利用三维voronoi模型和有限元方法分析了胞壁材料具有粘弹特性的低密度开孔泡沫的蠕变和应力松弛行为.采用了三参量标准线性固体模型来描述胞壁材料的粘弹特性.所得结果表明,低密度开孔泡沫具有与其胞壁材料相同的松弛时间,当相对密度较低时(低于1%)开孔泡沫的松弛模量与胞壁材料的松弛模量和泡沫相对密度平方成正比.此外,计算结果还表明,低密度开孔泡沫在较小的初始应力条件下具有与其胞壁材料相同的延迟时间,其蠕变柔度与胞壁材料的蠕变柔度和泡沫相对密度平方倒数基本成正比.但随着初始应力值的增大,泡沫的延迟时间将会显著增加.

关键词：开孔泡沫 voronoi模型线粘弹性蠕变应力松弛