基于Newmark隐式时间积分方案的裂纹动态扩展的数值计算方法

扩展有限单元法(XFEM)是基于单位分解的思想,在常规有限元的位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,避免了常规有限单元法计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新划分网格的不便以及繁重的计算量,并且裂纹的扩展独立于网格.标准有限元在处理时间积分时,在裂纹不断扩展的过程中整体刚度矩阵的自由度也会不断地增大,从而导致迭代计算无法进行.本文基于扩展有限单元法模拟动态裂纹扩展的方法,提出了新的Newmark隐式时间积分方案.此方法将所有节点都富集Heaviside函数和裂纹尖端的渐近位移场函数,即每个节点都有12个自由度,从而使得总体刚度矩阵式保持一致,避免迭代计算无法进行.同时,提出了一种稀疏矩阵技术来解决矩阵所占内存大和计算时间长的问题.     

基于相对自由度壳的非线性动态分析

为了简便有效地解决板壳结构的大变形问题 ,针对16节点相对自由度壳单元进行研究。该单元的位移场由壳的中面节点位移和上表面节点的相对位移组成 ,不带有转动变量。所有的研究都是基于完全的三维位移、应力、应变场。利用 Hu- Washinzu变分原理 ,采用拟应变法 ,对应变场另行假设 ,能够改善该单元在大变形情况下的计算精度。通过引入 Wilson非协调模式 ,构造了大变形情况下的拟应变场表达式 ,给出了该单元用于解决非线性动力分析问题的有限元求解方程。算例表明 :该文针对相对自由度壳单元提出的方法及推导的公式 ,能够解决壳的弹塑性大变形动力分析问题     

基于区域分解的混合法计算节点电场强度

针对基于节点电位有限元方法计算节点电场强度,尤其是针对多媒质问题时边界及交界面上的电场强度计算精度低的问题,提出了基于区域分解的混合法计算研究区域内的节点电场强度以及边界电场强度法向分量和切向分量的方法.根据材料属性的不同将计算区域进行分解,然后对各区域分别采用加权平均法、边界电场约束法以及反距离加权平均法计算区域内部节点电场强度、边界(或交界面)节点电场强度的法向分量和切向分量.对一个具有解析解的同轴电缆模型,分别用混合法和Ansys软件进行计算,对比结果表明混合法的计算精度明显高于Ansys软件方法.     

基于预处理共轭梯度的大地电磁快速正演

针对大地电磁法有限元模拟中计算量大的特点,采用按行压缩存储方式的不完全LDLT预处理共轭梯度法快速求解大型复系数方程组。引入不完全LDLT预处理,提出快速求解(LDLT)-1r的方法,以加快预处理共轭梯度法的收敛速度。研究结果表明:当网格节点自由度超过1万时,压缩率达到99.9%,求解方程组时间在1 s以内,为进一步快速反演奠定了基础。     

联合控制策略与多物理域有限元仿真的异步电机软启动瞬态振动分析

为抑制异步电机软启动过程因电磁力所致的瞬态振动,提出了一种联合控制策略与多物理域有限元仿真的电机瞬态振动分析方法。构建了电机软启动过程的电磁力解析模型,用于定性分析低阶电磁力波频率和幅值在启动过程中的变化规律。以直流换流站的主泵电机为研究对象,考虑电机输入和负载之间的耦合影响,建立其软启动过程的仿真模型,为后续的电磁力分析提供初始条件;基于准稳态假设将电机软启动过程看作是多个离散的准稳态工况点的集合;采用二维电磁有限元计算每个准稳态工况点的瞬态磁场,对所有准稳态下的电磁力插值拟合以获取整个启动过程的电磁力,作为振动仿真的激励;通过三维完全法瞬态动力学计算随时空变化的瞬态电磁力所引起的结构振动响应。仿真结果在时域波形和频域成分两方面均与现场实测振动信号较好地吻合,该方法可为分析各型电机在非稳态工况下产生的瞬态振动提供参考。     

A-?方法在高频电磁场计算中的应用

基于节点的有限元方法具有网格剖分、构造高阶基函数容易的优点。由于在节点上定义场量,节点有限元更适用于多物理问题。但节点有限元方法直接求解电磁场会出现伪解,场量在不均匀介质中不连续等问题。基于节点的A-φ方法可以有效避免传统节点有限元方法存在的问题。本文研究A-φ方法的工程应用,研究开域和闭域问题中如何设置关于矢势和标势函数的边界条件,特别是波导问题和理想导体球的散射问题,讨论了端口边界条件,辐射边界条件的使用方法。对于理想导体边界条件采用了阻抗边界条件,与端口条件配合,克服方程的奇异性。数值卖验比较分析了A-φ法节点有限元和棱边法有限元的计算结果,验证了A-φ法节点有限元的正确性和有效性。     

高阶板理论的无网格弱-强式法(MWS)

基于局部弱式和强式配点相结合的无网格弱-强式法(meshfree weak-strong method,MWS)求解中厚板问题.MWS法对问题域使用整体离散节点表征和强形式配点法进行计算,在自然边界条件上或靠近自然边界条件的区域采用局部弱形式Petrov-Galerkin法计算,用移动最小二乘法或径向点插值法来构造形函数,是一种理想的真正无网格法.采用中厚板的高阶理论对弯曲问题和能量误差进行计算.算例结果和对比分析表明,无网格弱-强式法(MWS)可以自然协调处理两类边界条件,计算效率高、数值结果稳定;对计算域采用规则节点布置,其解与弹性力学理论解以及有限元解都吻合很好.     

带有ABS系统的汽车制动效能的研究

基于制动过程的能量转换及摩擦生热,通过对盘式制动器实际工作条件的分析和理论计算,建立了紧急制动过程中制动盘与摩擦片瞬态温度场分析的有限元模型.采用直接热力耦合有限元方法来分析制动器摩擦热的产生及其温度的瞬态分布.讨论在汽车制动时ABS系统对汽车制动效能的影响.     

损伤梁单元等效节点荷载的计算及应用

分析了基于有限元刚度法形成单元等效节点荷载的局限性,通过引入截面割线柔度,研究了基于有限元柔度法理论计算损伤梁单元等效节点荷载的方法.由于不需要迭代,该方法能与经典结构非线性分析体系完全兼容.采用自主开发的结构非线性分析软件,对钢筋混凝土框架结构进行非线性全过程分析.研究表明,考虑了损伤的梁单元等效节点荷载,可更准确地反映结构在强非线性阶段的实际受力情况,提高计算效率,改善结构非线性分析的收敛性和稳定性.     

一种基于代数图论的有限元模型节点排序方法

提出了一种基于有限元模型中节点自由度构造赋权单元团图的方法,根据代数图论的理论,应用赋权单元团图的拉普拉斯矩阵的Fiedler向量,对有限元模型的节点进行排序,以达到减少结构刚度矩阵的半带宽和外形的目的,该方法不但能适用于一般有限元模型,而且适用于包含不同类型单元、具有不同自由度节点的混合节点模型,对于混合节点模型,该方法比基于单元团图的拉普拉斯矩阵的代数图论方法能够取得更加满意的结果,据此编制的前处理程序,可以对任意编号的模型进行优化处理,数值算例结果表明本方法是有效的.     

基于多物理场耦合的非晶合金变压器短路特性分析

非晶合金变压器具有显著的节能优势,但是抗短路能力不足。针对在实际试验研究中非晶合金变压器绕组短路系列故障设置困难问题,本文基于电磁场-结构力场-温度场的瞬态多物理场耦合理论,建立变压器有限元三维模型。仿真了低压侧出口三相短路条件下非晶合金变压器矩形绕组的短路特性,研究了非晶合金变压器发生短路时温度剧烈升高所带来的热应力对绕组形变的影响。并对单独电磁力作用和电磁力热应力耦合作用下的绕组应力和形变进行了对比,计算结果表明热效应会对变压器形变产生较大影响,造成矩形绕组多处严重变形损坏。短路温升是变压器变形损坏不可忽略的因素,同时也是提升变压器抗短路能力中需要重点考虑的问题。     

用结构参数法研究变压器绕组变形判据

为准确判断变压器在短路后的绕组变形情况,对频率响应法的测试和判定标准进行了研究。采用变压器绕组等效电路模型,研究绕组承受出口短路电动力作用、发生变形后电路特性的变化。提出了研究绕组变形的结构参数法。针对变压器绕组发生不同形式和程度变形后的结构变异,进行等效电路参数变化的分析,计算由此引起的变压器绕组频响谱线的变化,用谱线的均差方根值作为判断绕组变形程度的依据,给出测试和判断标准,并且得到了一些现场实例的验证。     

基于Comsol多物理场仿真的短路工况下变压器轴向电磁力的计算

过大的短路电磁力会影响变压器的安全运行及电网的稳定性。为了计算研究短路条件下变压器绕组的轴向电磁力,本文建立了110 kV/38.5 kV/10.5 kV的变压器“磁场-电路”耦合模型,使用Comsol Multiphysics软件对三相高压对中压绕组短路工况下的变压器进行了仿真,并得到了铁心磁密和内部辐向漏磁磁密的分布,B相高压中压绕组所受的轴向电磁力,以及在不同电流载荷下绕组所受轴向电磁力的变化规律。结果表明,变压器内部辐向漏磁磁密主要集中在绕组端部,峰值可达0.03 T,绕组中间位置,辐向漏磁磁密为0。绕组所受轴向电磁力的频率主要为50 Hz和100 Hz,且随着短路时间的增加,其二倍频特性愈加明显。随着短路励磁电流增加,绕组受到的轴向电磁力也会增大,且轴向电磁力增幅等于电流增幅的平方。     

变压器纵绝缘设计中冲击响应电压分布的仿真分析

讨论了不同频率下电力变压器绕组等值电路的建立原则,提出了一种适用于高频冲击作用的变压器绕组等值电路模型。采用pspice仿真软件对雷电波冲击作用下变压器绕组的暂态响应电压进行了仿真分析,比较了两种不同设计方案中变压器绕组的冲击响应电压分布情况,验证了变压器绕组分区绝缘结构的合理性。     

基于FRA的变压器绕组变形的分频段研究

变压器绕组在较高频率的电压作用下,每个绕组本身均可视为一个由线性电阻、电容、电感等分布参数构成的无源线性双口网络,通过对该双口网络的研究可以得到变压器绕组在各个频段的等效模型.频率响应分析(frequency response analysis,FRA)是变压器绕组分频段研究的主要方法.介绍了FRA的原理,分析绕组参数变化对不同频段频响曲线的影响,给出了变压器绕组在不同频段的具体等效模型.     

基于磁-热-流耦合的非晶合金变压器运行特征分析

非晶合金变压器绕组及其铁心一般采用矩形结构,其运行损耗引起的不平衡温升更易导致绕组绝缘劣化,影响供电可靠性。针对非晶合金变压器特殊的绕组结构,分析计算非晶合金变压器绕组温升,预测其热点温度,对矩形绕组结构变压器的设计优化和运行控制具有理论指导意义。本文基于三维磁-热-流多物理场耦合仿真计算和温升试验,以一台型号为SBH15-M-200/10的三相油浸式非晶合金配电变压器为研究对象,分析其额定负载下的运行特征,仿真计算各绕组的热点温度,并通过短路法温升试验对仿真结果的正确性进行了验证。研究表明：三维磁-热-流多物理场耦合计算非晶合金变压器绕组热点温度值与温升试验结果的相对误差小于5%,所研究非晶合金变压器绕组的热点温度出现在B相低压绕组的中上部,热点温度达到64.77℃     

基于顶层油温的变压器绕组热点温度计算改进模型

油浸式电力变压器绕组热点温度是影响变压器绝缘寿命的重?瘟浚氡溲蛊鞫ゲ阌臀旅芮邢喙亍？悸欠窍咝匀茸?变压器断路阻抗、油粘滞度以及绕组损耗随温度的变化,引入粘滞度与损耗关于温度变化的修正因子,提出一种基于顶层油温的变压器绕组热点温度改进模型。模型参数选用Levenberg Marquardt算法进行估算。对比实验室温升用试验变压器实测数据,该模型在欠负载(90%)、额定负载(100%)以及过负载(110%)下,显示了较好的一致性,特别在动态负载下,能够较好地描述各暂态温度变化情况,为变压器绕组热点温度计算提     

暂态分析中变压器线圈等值参数的确定

提出了暂态分析中变压器线圈改进的等值电路，介绍了变压器线圈电感的物理模型和计算公式。实测试验表明，在变压器低压线圈短路时，高压线圈与空心线圈的电感相同，且电感随频率的增加而减小，其低频值与计算值相当，但电容在低频和高频时几乎不变。最后根据计算与实测结果分析提出了确定等值电路中各项参数的方法。     

大型水轮发电机电磁场模型及其对温度场的影响

为了准确分析大型水轮发电机的损耗和发热问题,分别建立了2维稳态电磁场、运动电磁场和场路耦合的有限元模型,并以1台36MW贯流式水轮发电机为例,对转子铁芯损耗和阻尼绕组损耗进行了计算。在此基础上,结合3维温度场有限元计算,分析了3种不同电磁场模型对转子热源和温度计算结果的影响,并与试验数据进行了对比。结果表明,场路耦合模型计算精度更高,额定工况时每根阻尼条的损耗不等,背风面阻尼条的发热明显大于迎风面的阻尼条,转子最高温度位于阻尼绕组而非励磁绕组。研究结果对提高大型水轮发电机转子损耗和温度场的计算精度以及设计、运行的可靠性具有参考价值。     

大型水轮发电机转子偏心下电感参数的有限元计算

由于实际生产中,大型水轮发电机的转子往往存在不同程度的偏心现象,造成气隙磁场分布畸变,直接影响发电机运行,故为探讨发电机偏心下的运行性能,需要计算转子偏心时的电机参数。采用二维磁场有限元法,计算了大型水轮发电机在转子偏心下的磁场分布以及定子和转子绕组的自感、互感参数。有限元分析和磁导法计算结果比较表明:转子偏心造成定子支路间、定转子支路间的电感不再对称,偏心朝向处的定子支路自感和定转子支路互感变大,反向处则变小。