jyx123321的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jyx123321 高分子材料/复合材料/物理凝胶 山东大学材料科学与工程学院教授

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由大三学生课后质疑想到的多尺度结构力学模拟仿真与分布式在线安全监测的协同必要性

已有 3409 次阅读 2019-4-13 11:30 |个人分类:未分类|系统分类:教学心得| 本科教学, 学生质疑, 教师答疑, 计算机模拟, 在线监测

 

329日(周五)下午我给高分子材料与工程2016级(大学三年级)的授课内容《第二章 材料科学研究中常用的数值分析方法  第二节 有限元法》中,我播放了一个7分钟左右的教学案例视频,是关于水库大坝承受水压而变形的有限元模拟分析的流程的。在410日收到了一名同学的E-Mail

贾老师好,我是16高分子班的Zhong J,关于课上的防水堤坝的问题,有一个想法请教老师。

在演示的数学建模的过程中,防水堤是按照一个整体来进行讨论的,但是堤坝的建设并不是仅仅一种材料可以完成的,大多数使用增强材料和填充材料两部分,因此该模型的建立并没有考虑到这两部分材料之间的作用力大小而是仅仅计算了整体的承受能力,那就有可能出现一种情况即临界弯曲力大于材料之间的承受能力却小于堤坝的整体受力。这样即使在这个模型下堤坝只会发生轻微变形,但真实情况下可能已经倒塌。

这就可能导致理论数据与实际情况差距较大,因此该模型的建立是否过于简单,应该外加考虑各种材料之间的作用力呢?

我感到这位大三同学的课后质疑很使人振奋,真的是让人眼前一亮,很有思考的深度,也很能把握这个7分钟视频的致命学术漏洞。

因此,在昨天下午的课堂教学中,我就首先向同学们展示了这个问题,然后阐述了我的学术观点,整理如下:

首先,Zhong J同学的这个问题非常好,其实这也是很多工程技术人员特别感到困惑的问题。其实,这需要多尺度/多层次的计算机模拟仿真的有效无缝结合技术。举例来说,首先需要构建整个大坝结构的全尺度有限元模型(命名为模型A),确定宏观上的整体力学约束和承载条件;这时候,为了能利用现实可行的计算机软硬件资源,就需要把大坝材料做均质化处理。在得到模型A的仿真分析结果后,针对工程技术人员关心的某个局部坝体结构,例如某个具体的水闸,建立这个水闸结构的全尺度有限元模型(命名为模型B),其中模型B的边界力学约束就可以引用模型A的仿真分析结果,施加模型B的具体承载细节,把模型B的材料也做均质化处理,得到模型B的应变和变形。针对水闸结构里的某个特别关心的细节,例如水闸的升降连接部位,建立这个水闸细节结构的全尺度有限元模型(命名为模型C),只是这时候要把模型C的材料按照真实的复合材料结构建模,再引用模型B的仿真分析结果,施加模型C的边界力学约束和具体承载细节,得到模型C的仿真分析结果。假如需要获得两相界面、每一相里更加细节的应力应变信息,例如纤维铺层之间的应力应变、纤维束之间的应力应变、甚至纤维束里的纤维和纤维之间的应力应变信息,就需要依次建立模型DEF……

如果同时开展了该大坝结构健康状态的分布式在线监测,其每个传感器的检测信号所对应的真实物理意义,就可以结合上述的多尺度/多层次的有限元模拟仿真结果,加以辨识(首先确定属于哪个具体尺度的应变、再确定属于哪个具体材料的应变、最后确定属于哪个具体方向的应变分量),进而应用和推演(根据上述依次确定的尺度、材料及其方向的应变,借助相应的有限元模拟结果,获得这个材料在这个位置的其他方向上的应变分量,进而获得这个材料在这个位置的各个方向的应力分量、这个尺度上每个材料的每个单元上的应力应变状态,再获得其他尺度上的每个单元上的应力应变状态)。引用合适的损伤及裂纹扩展判据,就可以定量预测损伤及裂纹扩展情况了。

为了避免鸡蛋放在一个篮子里的风险,采用分布式传感网络就变得很必要,可以多点同时开展在线监测结果和有限元模拟结果的量化比对,避免漏检和误检。

从上述讨论也可以看得出来,单独的分布式传感信息、单独的多尺度有限元模拟信息,都不足以能做到复杂结构的使役健康状态评估,需要多尺度结构力学有限元模拟仿真与分布式在线安全监测的协同,相辅相成,缺一不可。

当然,这些有限元模拟仿真是需要紧密结合复杂结构的设计和制造技术,在使役之前最好就提前精确完成的,在使役现场就仅仅通过人工神经网络、专家系统等人工智能技术,实现实时检测、实时计算和决策、实时控制。

对于化工装置而言,同时构建气体种类和浓度的分布式在线监测网络,结合化工装置周边气体环境的流体力学模拟仿真,就可以建立化工装置的力学损伤和气体泄漏的并行、双重安检大门。



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