三维圆柱体-弹性板非线性流固耦合数值计算

采用彼得罗夫-盖尔金有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续盖尔金有限元法进行离散.使用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法分别求解流固两相,进而将其应用于流固耦合问题的数值计算.根据一系列的网格划分方案,通过改流体和固体网格之间的网格数量系统地进行了网格收敛性测试,同时将开发的求解方法应用于三维标准的圆柱体-柔性板问题,并与文献中标准解进行对比.结果表明:开发的求解器在流固耦合问题中具有较好的准确性和可靠性.     

流固耦合法模拟岩石爆破时耦合范围的确定

为研究岩石爆破问题模拟中的流固耦合算法以及提高计算效率,文章采用LS-DYNA软件开展大量计算,分别讨论了不同装药半径(r)、不耦合系数(K)和网格精度条件下流固耦合区域半径(R)对单元峰值应力衰减曲线的影响,并结合应力云图和应力时程曲线分析,确定出合理的流固耦合范围。结果表明:随着耦合装药半径r的增大,最小合理流固耦合半径R_(min)与r比值呈减小趋势;相同装药半径下随着K增大,R_(min)/r逐渐增大;网格精度对流固耦合半径取值影响较小;相同条件下,当R较小时,应力云图不稳定且应力时程曲线后期会迅速衰减,适当增大流固耦合半径会逐渐消除该现象。对于一般的岩石爆破问题,建议R/r取5～10。     

复合材料螺旋桨非定常流固耦合特性数值分析

针对船用复合材料螺旋桨在非均匀流中的水弹性问题,采用雷诺平均纳维-斯托克斯方法(RANS)和有限元方法(FEM)分别求解螺旋桨流场和结构场,并结合滑移网格和动网格技术,建立了船用复合材料螺旋桨双向瞬态流固耦合计算方法.以DTMB4381桨为对象,采用ANSYS ACP构建复合材料桨有限元模型,计算了正交各向异性碳纤维复合材料(CFP)桨在均匀流场和非均匀流场中的水动力性能和结构响应.研究表明:CFP桨的流固耦合效应较小,在均匀流中具有与刚性桨基本相当的水动力性能;CFP桨在非均匀流中桨叶结构响应(位移、速度和加速度)在高伴流区域、叶梢和导边区域较大,变化也更为剧烈.     

Common-Refinement方法在三维流固耦合数值计算中误差分析与并行效率

本文成功实现了基于非匹配网格的三维Common-Refinement方法,可将其应用于离散后流体与弹性体的非重叠子区域之间的接触面,用于数值求解三维非定常流固耦合问题.首先,为了满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,本文系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性.本文根据一系列的不同拓扑结构的网格划分方案,通过改流体和结构网格之间的网格匹配系数系统地评估Common-Refinement方法的准确性和精度,证明了Common-Refinement方法沿界面的流体和固体网格的数据传输具有稳定的二阶精度.进而将Common-Refinement方法应用于非定常流固耦合算例,研究了非定常计算中的误差累积以及Common-Refinement方法的并行效率.最后本文将本方法应用于三维标准的圆柱体-弹性板问题,并与文献中标准解进行了对比.求解结果证明了Common-Refinement方法在三维非定常流固耦合数值计算中能够保持全场二阶精度.     

基于整场离散的气缸盖热流固多物理场耦合状态数值模拟

针对柴油机气缸盖工作状态数值模拟的复杂性及高耗时性,提出一种基于整场离散的高温燃气(热)、冷却液(流)、机械负荷(固)之间多物理场耦合分析方法.首先分析了热-流-固耦合的基本原理及关键问题,构建了气缸盖流固耦合传热的物理模型及有限元模型,采用整场离散法对气缸盖流固传热状态进行了耦合求解,得到了气缸盖的温度场,并在此基础上进一步与机械负荷产生的应力场进行耦合求解,得到多场共同作用下气缸盖的温度场及应力场,并分析了产生原因,实现了柴油机气缸盖热-流-固多物理场的耦合状态分析.结果表明:文中研究通过对流固耦合传热区域建立控制方程,使得传热交界面成了求解区域的内部,简化了热-流-固边界区域之间的反复迭代,相比于传统的分区计算-边界耦合法,提高了计算效率.      

基于S-ALE流固耦合方法的飞机水上迫降动力学数值分析

对飞机水上迫降数值分析而言,结构与流体耦合作用方式是水上迫降研究的核心问题,在一定程度上决定了数值分析的成败。一种基于结构化任意拉格朗日-欧拉算法(S-ALE)的耦合方法用于刻画水上迫降过程中的飞机与水的相互作用。采用S-ALE流固耦合方法开展了飞机水上迫降动力学分析,提取飞机的俯仰姿态和过载的变化规律,并与传统的ALE罚函数耦合方法以及相关实验结果进行对比。结果显示:相对于传统的ALE罚函数耦合方法,S-ALE流固耦合方法较好地避免了流体的渗漏,能够有效预测飞机的二次抬头现象。与实验对比,S-ALE流固耦合方法所预测到的俯仰姿态角和过载曲线与实验数据基本吻合。     

基于虚拟弹性体的快速动网格方法

为减少流固耦合的计算时间,在现有弹性体方法的基础上,发展了一种快速动网格方法。首先根据弹性体方法的基本假设,将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体,然后将结构与该虚拟弹性体视为一个整体系统,并计算其固有振动的振型及频率,最后以结构受到的流体作用力为激励,通过振型叠加法计算结构网格及流场网格节点的位移。考虑到实际结构的流固耦合振动多为低阶模态的振动,在流固耦合计算中可以通过低阶模态的叠加计算流场网格节点的位移,从而达到快速更新流场网格的目的。采用该快速动网格算法,对某弹性梁颤振问题进行了流固耦合分析,计算结果与已有文献的结果吻合很好,说明了该算法的正确性。与现有的弹性体方法相比,该算法使流固耦合计算时间减少了65.5%。对Wing 445.6模型的颤振问题进行了分析,得到颤振边界与实验值吻合良好,且与现有弹性体法相比,可以减少计算时间54.8%。     

考虑流固耦合的桥梁桩基地震反应研究现状

大型桥梁桩基地震反应分析是防灾减灾领域的研究热点之一.为追踪这一课题的研究现状,基于深水桥梁桩基地震反应基本特征,总结其流固耦合、场地效应、行波效应等几个重要特征;概括该课题在这些方面的进展,针对其研究现状,指出考虑流体与桥梁基础的动力耦合作用是这一课题研究的重要研究方向:根据流固耦合问题的求解思路,从耦合算法、耦合面数据传递、流场网格运动控制几个方面总结其常用方法.基于大型桥梁桩基地震反应的特点和流固耦合力学的成果,提出将流固耦合力学研究成果引入该领域是一个重要方向;并给出实现该思路的方法和难点.     

油藏热流固耦合渗流问题的有限元方法

提出了一种有效实用的求解油藏热流固耦合渗流问题的数值计算方法。该方法以有限元法为主,结合有限差分法,用有限元法求解耦合温度场方程和岩石耦合变形方程,用有限差分法求解流体耦合渗流方程,发挥有限元法网格技术和单元划分灵活的特点及处理复杂的油藏边界优势,兼顾了有限差分法在流场分析方面的成熟应用,使复杂的热流固耦合数学模型得以完整求解,取得了单由有限元法或有限差分法难以取得的效果,是一种新型的油藏数值模拟方法。     

一种用于流固耦合分析的有限元网格简捷更新方法

针对流固耦合分析中的移动边界问题,在拟固体二步法的基础上,提出一种新的有限元网格更新方法:第一步(预测步),将流体网格作为指定位移边界条件下的拟固体,进行线弹性分析;第二步(校正步),根据第一步计算得到的应变场,采用主剪应变方法,赋予主剪应变较大的单元以较大的杨氏模量,对所构造的非均质固体进行运动分析,得到理想的更新网格.采用不同算法对不同运动类型(包括平动、转动、变形)和不同运动幅度下的二维、三维网格运动进行计算,结果表明:与一步法和Chiandussi法相比,文中提出的方法具有较强的适用性,能显著地减小单元的畸变,使网格保持优良的计算性能,适用于大变形流固耦合问题中的网格更新计算.     

两点边值抛物型耦合方程组的数值方法研究

研究一类非线性两点边值问题,其方程具有抛物型特征,速度场与温度切需耦合求解．提出了该类方程组的两种数值求解方法．以幂次流体沿竖直平板层流自然对流为例,进行了数值模拟,并将求解方法与“盒式”方法进行了对比．结果表明,数值方法适合该类非线性两点边值抛物型耦合方程组的求解,并具有推导简单、数值求解易于收敛,且计算稳定的特点．     

盘式制动器热弹性耦合分析

探讨了汽车盘式制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性问题及其分析方法.利用有限元分析软件ANSYS 8.1建立盘式制动器热弹性耦合分析的三维有限元模型,确定对模型求解的边界条件、载荷步及模拟工况,研究进行制动器热弹性耦合分析的过程,通过仿真计算得到制动器工作过程中制动盘瞬态温度场、应力场等重要信息.     

地下工程中的流─固耦合问题的探讨

叙述了涉及媒岩体一流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固－流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

地下工程中的流—固耦合问题的探讨

叙述了涉及煤岩体－流体相互作用的地下流－固耦合理论的进展概况和流－固耦合作用的基本概念以及存在的工程背景。主要讨论了地下工程中液＋固、气－固、气－液－固、热－固、流等耦合作用的机理、建模方法、如系模型、数值分析思路及方法及未来工程应用中主要存在的问题。研究结果表明,进一步发展地下流－固耦合理论对解决地下工程的一系列问题有着重要意义,多因素耦合分析是今后研究流－固耦合问题的关键。     

基于人工神经网络的圆孔电磁耦合预测

孔缝电磁耦合问题历来是电磁兼容领域中的一个重要部分,多年来人们已经采用多种方法对孔缝电磁耦合问题进行了深入研究.随着电子系统的日益复杂,无论是全波分析还是解析方法在孔缝电磁耦合问题研究中都存在很大的局限性.为了更好的解决这个问题,本文探讨了人工神经网络用于孔缝耦合分析的可行性.以大量数值计算结果为训练样本,建立了适用于...     

第一类抛物型变分不等式问题的微分求积法

将MQ微分求积方法(MQDQ)和局部MQ微分求积方法(LMQDQ)推广到第一类抛物型变分不等式问题的计算。首先介绍了第一类抛物型变分不等式问题,给出了时间半离散后等价的椭圆型变分不等式及经典的Uzawa格式;其次构造了Uzawa耦合格式下的MQDQ、LMQDQ方法;最后实现了数值算例,说明了方法的有效性及精度,并讨论了方法参数对解的影响。     

基于工程实例的非线性问题数值软件选取分析

针对工程材料的非线性问题,首先对数值模拟进行概括性分类总结并对其发展趋势进行简要分析,在此基础上,结合具体工程实例,就非线性问题的数值软件选取有关内容进行详细分析.根据分析结果,数值模拟的发展趋势为:多相及多物理场耦合、计算方法耦合以及二次开发数值模拟;数值软件选取时的主要考虑因素为:实际工程地质概况、研究内容及目的 、与其他研究手段相对应、研究对象及行业领域、其他因素(具体因素);测点、测线的设置应遵循的原则有:以研究内容、对象及目的 为依据、具有一定的区域代表性或宏观代表性、避免重复设置、差异性设置;测点数据呈现出较强的规律性,并与相关论文结论一致;数据规律印证了本次对于软件选取、模型建立、开挖模拟以及测点布设的相对正确性与合理性;所得结论具有一定的宏观代表性,可为相关非线性问题的数值软件选取及建模过程提供参考.     

有限元-边界元耦合法在二维电磁场数值计算中的应用及优化措施

在二维电磁场数值分析中,有限元-边界元耦合法将有限元法与边界元法结合,可以同时发挥两种方法的优势．笔者在介绍有限元-边界元耦合法原理与算法的基础上,分别研究子域逼近有限元法、Mortar元法和并行计算与有限元-边界元耦合法结合使用分别为关心区域相对整体区域尺寸较小、求解区域中包含运动导体和大规模高自由度电磁问题的数值计算提供优化途径．     

地下流固耦合理论的研究进展及应用

论述了涉及岩体 -流体相互作用的地下流固耦合理论的进展概况。重点讨论了在理论研究方面存在的几个主要问题 ,包括有效应力定律、理论模型描述、流固耦合程度及数值算法研究等。就该理论在石油开发领域注水引致的套管损坏及产层出砂问题的具体应用进行了简单的讨论。研究结果表明 ,进一步发展地下流固耦合理论对解决石油生产中的一系列地质力学问题有着重要的意义。     

有限元与边界元耦合问题的探讨

本文阐述有限元与边界元耦合的基本方法,并对地下工程中线弹性问题的耦合法进行了尝试。