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计算动力学研究室(张雄课题组)

简介

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实验室简介

http://comdyn.hy.tsinghua.edu.cn/

计算动力学研究室主要从事计算力学基本理论、数值方法及其在科学与工程中的应用等方面的研究工作,尤其是强冲击载荷作用(如碰撞、冲击和爆炸)下材料与结构力学行为的多尺度、多种介质(刚体、固体、流体)、多物理场耦合(力、热、化学、电磁)数值分析方法(无网格法及粒子类方法、 有限元法及扩展有限元法、有限体积法)的研究。研究方向包括计算冲击动力学、流固耦合、超高速碰撞动力学、微纳米力学及多尺度分析、高性能计算和大型工程结构分析,在航天航空、国防、机械、土木、能源、交通等工程领域有广阔的应用背景。

研究室曾先后承担多项国家自然科学基金项目、973课题、863课题、教育部留学回国人员启动基金项目和横向科研项目。其中“反应堆结构核安全评审软件系统”项目荣获国家七五攻关重大科技成果奖。关于无网格数值方法的研究成果受到了国内外同行的关注,获2012年度中国百篇最具影响国内学术论文、第6届中国科协期刊优秀学术论文二等奖和教育部自然科学奖二等奖(2009年),并研发了冲击爆炸三维物质点法数值仿真软件MPM3D(计算机软件著作权登记2009SRBJ4761,2009.7)、三维显式有限元物质点法仿真软件FEMP3D(计算机软件著作权登记2012SR032143,2012.4)、毁伤效应无网格法数值仿真系统MaPoSS(计算机软件著作权登记2014SR085448)。开设《计算动力学》(清华大学研究生精品课) 、《理论力学》(国家精品课)、《有限元法基础》(清华大学挑战性示范课)、和《冲击动力学》,出版了《弹性理论基础》、《The Material Point Method - A Continuum-Based Particle Method for Extreme Loading Cases》、《物质点法》、《计算动力学》(第1版第2版)、《无网格法》、《物质点法数值仿真(软件)系统及应用》、《工程弹性力学与有限元法》、《理论力学》(第1版、第2版)和《冲击动力学》等教材与专著,其中《弹性理论基础》曾获得全国优秀教材二等奖。

本组论文获“1997-2006年《力学学报》影响力提升优秀贡献奖”

【转载】刘岩副教授荣获亚太计算力学学会青年学者奖

转自:http://www.hy.tsinghua.edu.cn/publish/hy/1477/2016/20160906103028534747055/20160906103028534747055_.html

7月25日,在韩国首尔召开的第十二届世界计算力学大会暨第六届亚太计算力学大会(WCCM XII & APCOM VI)上,航院刘岩副教授获颁亚太计算力学学会青年学者奖(APACM Award for Young Investigators in Computational Mechanics)。

据悉,亚太计算力学学会(APACM)由12个国家和地区的成员学会组成。亚太计算力学学会青年学者奖每三年评选一次,每次不超过6名获奖人,用以表彰在计算力学领域做出突出贡献的40岁以下的青年学者,此次颁奖刘岩副教授为国内唯一一名获奖人。

无网格法——杂交物质点有限元法

相关文章:廉艳平, 张雄, 周旭, 马志涛. A FE-MP method and its application in modeling dynamic response of reinforced concrete subjected to impact loading. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 200(17-20): 1659-1670, 2011. (DOI: 10.1016/j.cma. 2011.01.019).

 

        钢筋混凝土中钢筋的直径远远小于混凝土的尺寸,这种尺寸上的差异给离散带来了很大的困难。若将钢筋和混凝土采用同样的质点间距离散,则需要大量的物质点,计算量将不可接受;不考虑钢筋存在又无法准确把握钢筋混凝土的特性。为此,我们提出了一种新的杂交物质点有限元法。我们将有限元的索单元引入到物质点法中,构造了一种杂交杆单元。在每个时间步中,单元的节点如质点一样,其动量方程在背景网格上积分,但其本构方程在单元的高斯点上进行计算。基于该方法,我们用物质点离散素混凝土,杂交杆单元离散混凝土中的钢筋,如图1所示。通过背景网格,杆单元代表的钢筋和物质点代表的混凝土实现了相互作用,从而较好的模拟了钢筋混凝土材料。

图 1  钢筋混凝土离散示意图。其中混凝土离散成物质点(用圆圈表示),钢筋离散成有限杆单元(实心点及其连线表示)。

        我们用该方法模拟了钢筋混凝土侵彻实验,实验中卵形弹以不同的初始速度正侵彻钢筋混凝土靶。我们分别考虑了弹体未打中钢筋和弹体打中钢筋两种情况,所得相应的剩余弹速如图2所示。在未打中钢筋的情况下,钢筋对剩余弹速的影响较小,与实验结果吻合较好;在打中钢筋的情况下,钢筋对剩余弹速影响显著,降低了剩余弹速。图3给出了弹体打中钢筋的情况下,靶体和钢筋的变形损伤图。

       基于该思想,可以构造其它类型的有限单元如薄膜单元,以解决由于几何尺寸的巨大差异带来的离散困难的问题。

图2 不同初始速度下卵形弹的剩余速度实验值与模拟结果比较

 

图3 弹体打中钢筋工况下的靶体损伤图和钢筋的变形图

无网格法——耦合物质点有限元法

相关文章:廉艳平,张雄,刘岩. Coupling of finite element method with material point method by local multi-mesh contact method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 200: 3482–3494, 2011. (DOI: 10.1016/j.cma.2011.07.014)

 

       物质点法在模拟材料的大变形甚至破碎现象方面有着天然的优势,但是在模拟变形较小的材料时,其精度和效率不如显式有限元方法。如果将有限元和物质点法耦合起来模拟冲击侵彻和流固耦合类等问题,无疑将提高求解结果的精度和效率。为解决显式有限元和物质点法的耦合问题,我们提出了一种基于局部多重背景网格的物质点有限元耦合算法(CFEMP)。在该算法中,变形较小的物体采用有限元方法模拟,变形较大的物体采用物质点法模拟。两者之间的相互作用通过接触算法完成。如图1所示,物体r采用有限元模拟,物体s采用物质点模拟。在接触面上,将有限元材料区域的a、b、c结点的物理量映射到背景网格上。采用基于局部多重背景网格的接触方法,计算出接触力并将力作用两个物体上。

图1 物质点有限元耦合示意图

通过两个物体的对撞、斜坡上球体的滚动问题解析解与模拟结果的对比验证了该算法的效率和精度均高于物质点法。然后,我们利用该方法模拟了卵形钢弹斜侵彻铝靶的问题,其中弹体用有限元模拟,靶体用物质点法模拟。弹体的剩余弹速模拟结果与实验结果吻合较好,如表1所示,弹体的变形过程同实验结果相吻合,如图所示2。

表1:不同初速下弹体剩余弹速实验值同模拟结果的对比

(a)弹体初速为 400m/s的工况             (b) 弹体初始为575m/s的工况

图3  不同时刻弹体变形图实验图片同模拟结果的对比

我们还用该方法模拟了一流固耦合问题:水柱在重力作用下的垮塌并冲击弹性障碍物,其中水柱用物质点法模拟,障碍物用有限元模拟。模拟的结果同国际上其他的学者采用的其它方法模拟的结果一致,如图3所示。

(a)水柱垮塌问题尺寸示意图          (b) 障碍物左上角点挠度时间历程曲线

                                               图 3 水柱垮塌并冲击弹性障碍物问题模型尺寸及模拟结果

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