COMSOL中挠曲电圆筒的力电耦合行为分析

针对目前商业有限元软件中缺少挠曲电模块且有限元自主编程数值模拟挠曲电问题的复杂性问题,提出在COMSOL软件中的偏微分方程模块(PDE模块),对考虑挠曲电效应的力电耦合问题直接进行数值模拟的方法.首先,通过数值计算固定边界位移的挠曲电圆筒,验证有限元数值计算方法的正确性.接着,研究挠曲电系数和不同材料梯度指数对圆筒力电耦合的影响.数值结果表明：在微米尺度下,增大挠曲电系数对径向位移的影响很小,但是对圆筒内部的电势和电位移分布影响很大.增大材料梯度指数对挠曲电圆筒内部力电耦合影响非常明显,圆筒内部径向位移相对边界处变化范围逐渐减小,圆筒内部电势呈现负值逐渐减小后转为正数的趋势,而圆筒内部电位移值负值逐渐增大.本工作可以为挠曲电效应数值计算及挠曲电结构设计提供帮助.     

微纳挠曲电结构力电耦合响应的数值模拟方法

微纳米尺度下挠曲电效应相对于传统压电效应具有较高的机电耦合转换效率,其在传感、致动和俘能领域极具应用前景。然而目前多数商用有限元软件未包含挠曲电本构模型,无法对挠曲电结构进行有效的数值模拟。本研究基于Abaqus用户自定义单元（UEL）子程序进行二次开发,将挠曲电效应内化到计算模型。首先,结合配点混合有限元法（CMFEM）,推导了挠曲电结构的力电耦合方程,并在Abaqus中开发了挠曲电单元,提供了挠曲电结构响应分析的数值模拟技术。与传统的混合有限元法（MFEM）相比,该方法的优点是易于建模,降低了计算自由度,提高了计算效率,节省了运算成本,并且挠度与电场强度指标都比其他方法更接近解析解。然后,通过上述数值模拟方法,建立了挠曲电结构响应分析数值模型,开展了矩形梁及弧形梁在不同边界条件下的力电耦合响应计算与分析。分析结果展示了梁的几何参数影响结构应变梯度|η₁₁₃|的作用机制,表明在使用同一材料设计挠曲电梁时,可通过控制变形梯度来控制输出电压的大小。研究表明,改变梁的弯曲程度,可有效提高梁输出的开路电压,减小梁的挠度。相同程度弯曲下,弧形悬臂梁向下弯曲的开路电压大于弧形悬臂梁向上弯曲的开路电压。当向上弯曲弧形梁的圆心角为38°,左边缘为滑动支座,右边缘为铰链支座时,开路电压最大,可达214.07 mV,比悬臂矩形梁增加5倍。此外,相同模型若仅考虑压电效应,开路电压将下降89.3%。     

基于COMSOL Multiphysics数学模块的冻土水热耦合分析

多年冻土内部的水热过程是影响冻土区生态环境演变、干旱区水资源利用及地表工程结构稳定性的重要因素。然而传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和土体中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。以垂直土柱单向冻结实验为基础,通过COMSOL Multiphysics软件的数学模块实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了冻土水分对流与温度变化的关系。结果表明:(1)COMSOL可以实现冻土水热参数、冰水相变潜热以及边界条件的灵活定义,容易实现水热两场耦合分析;(2)对于含水量较高的土体,水分对流传热作用不可忽略。     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方...     

基于MEMsFEM 的功能梯度压电板力电耦合分析

功能梯度压电材料(FGPM)是一类材料特性连续变化的力电耦合材料． 由于材料性能的不均匀性,相应的力学分析具有很大挑战． 基于混合扩展多尺度有限元法(MEMs-FEM)建立了 FGPM 力电耦合问题的分析模型． 采用传统多尺度有限元法构造电势多尺度基函数,用扩展多尺度有限元法在不同坐标方向构造位移多尺度基函数,并通过引入耦合附加项考虑各坐标方向位移场间的耦合作用． 多尺度基函数的构造可以有效捕捉材料的非均质性,由此可以在粗尺度上对问题进行求解,明显减少了计算量． 最后通过数值算例验证了 MEMsFEM 的有效性和高效性． 文中模型为功能梯度材料力学行为的数值模拟提供了有效途径．     

各种对称性下挠曲电系数的Kronecker张量积表示

Kronecker张量积在描述材料系数的对称性方面具有重要作用.通过首次构建符合挠曲电系数对称性的正交旋转张量4次Kronecker幂,推导了7大晶系、32类晶体点群及各向同性下挠曲电系数的矩阵结构表示,这些结果包含了独立的挠曲电系数个数及其具体的分量形式.通过与前人的工作对比,验证了本文结果的正确性.     

矿山压力问题的离散元-有限元耦合分析

本文介绍了离散元的基本理论,提出了离散元锚杆模拟基本原理,离散元与有限元耦合计算式,并用自编D-I-1程序分析了两个典型算例。     

基于正交有限元的深井巷道三场耦合分析

为了研究深井开采条件下的巷道围岩控制，阐述了深井巷道围岩体中存在的温度场、应力场和应变场的耦合作用，并且用塑性带厚度来表征它们的共同作用；采用正交有限元方法来考察不同参数、不同水平的变化对塑性带厚度的影响。根据正交实验结果，提出了改善深井巷道围岩体稳定性的措施。     

力电耦合场中带电小球的最速降线解

通过变分原理的方法研究力电耦合场中带电小球的最速降线问题,导出其轨迹控制方程,即Euler-Lagrange方程.对此强非线性的两点边值问题,通过打靶法编制相应程序进行求解,得到带电小球在电场强度和电场方向变化时的最速降落轨迹.同时讨论最速降线为直线时电场强度与电场方向应满足的条件,并求得此时降落所需要的总时间.结果表明,最速降线是可以通过外场进行定量调控的.     

基于C1型Bell三角形单元的挠曲电效应分析

采用C¹连续性Bell三角形单元,进行了挠曲电效应的机理研究,求解了厚壁筒的平面应变边值问题,并利用挠曲电结构的非对称性产生压电效应。通过算例分析,验证了Bell单元的准确性和收敛性,研究了梯度弹性理论中内禀尺度对挠曲电结构变形的影响,分析了挠曲电的尺寸效应。该工作为挠曲电效应分析和结构设计提供了基础和依据。     

卡箍式柔性接管的有限元分析

使用结构分析程序(SAP5)对卡箍式管道接管进行有限元分析,求出接管的危险断面。分析结果可为接管的可靠性优化设计打下基础。     

新型安全环联轴器及其受力分析

本文介绍了轧钢机主传动系统中所使用的一种新型安全环联轴器，并采用有限单元法对其安全环的受力情况进行了分析，给出了在载荷作用下安全环内各方住应力分布的曲线，为掌握这种新型安全联轴器的工作原理以及确定安全环的合理结构尺寸提供了可靠的依据。     

特殊配筋小跨高比洞口连梁的有限元模拟

已有试验研究表明,对角、菱形混合配筋的小跨高比洞口连梁的抗震性能优于普通配筋连梁,是一种比较理想的配筋方式.由于这种小跨高比连梁属于非伯努利区,正截面受力不符合平截面假定,传统的弯曲理论已不再适用,为此,通过运用非线性有限元程序进行模拟分析,对连梁内部钢筋的应力分布规律与试验结果进行了对比,确认了所用非线性有限元分析程序模拟这类连梁钢筋应力分布规律的有效性.     

6E160柴油机活塞组有限元三维耦合分析

为提高6E160柴油机的可靠性,采用三维有限元分析的 方法对活塞、活塞环、气缸套和活塞销进行了组合分析,对活塞组进行了机械负荷和热负荷的耦合分析,计算了活塞的温度场和耦合应力场,以深入了解 活塞的热负荷状态及综合应力分布情况,进而为完成降低热负荷、改善应力分布的改进设计和进一步强化奠定理论基础,为提高温度场的分析精度,采用了活塞组－缸套耦合模型进行分析,计算结果与实测值吻合很好。     

盘式制动器制动时的热应力分析

制动器摩擦副的温度/应力场耦合分析计算是制动器设计的重要内容和选择摩擦副材料的重要理论依据。文章以制动中的盘式制动器为研究对象,建立了盘式制动器的有限元模型;模型考虑了制动盘和摩擦衬片间的滑动,利用非线性有限元多物理场方法,模拟了制动过程中的温度应力分布情况。     

基于壳梁单元耦合理论的车身有限元分析及其轻量化设计

在梁单元的基础上,采用壳单元和梁单元混合模型,并对壳元和梁元的边界耦合的刚度矩阵进行了详细的推导.利用通用有限元分析软件ANSYS计算了天然气公交客车在弯曲、扭转、转弯、刹车4种工况下的应力及变形.根据计算结果提出了轻量化的方案,并对应力集中点进行了结构优化,利用ANSYS对改进后的车型进行计算,结果表明改进方案可行.     

基于COMSOL的电容层析成像系统灵敏度场的计算

电容层析成像技术是检测两相流或多相流的过程检测技术,在工业领域中有着广泛的用途.要实现电容层析成像的图像重建工作必须先获得精确的灵敏度场数据,但是求取电容层析成像系统的灵敏度场矩阵十分复杂,而且编写有限元网格剖分模型的程序也相对繁琐和困难,且设定好的网格不易于快速修改.鉴于此,提出一种利用有限元软件COMSOL和电势分布来求解灵敏度场矩阵的方法.最后通过仿真实验进行了验证.仿真实验结果也证明了这种灵敏度场计算的有效性和可靠性.     

固体推进剂药柱热-机耦合分析及应用

基于有限元分析的基本原理,建立了热-机耦合问题分析的有限元基本方程,并对固体火箭发动机药柱在固化冷却过程进行了数值仿真.算例表明,热-机耦合分析方法能较好地仿真固体火箭发动机药柱的温度场和应力应变场,对药柱的结构完整性分析提供了一种分析方法.     

考虑梁板共同作用的现浇混凝土楼盖分析

现浇混凝土梁板式楼盖体系中,梁与板形成整体,在竖向荷载作用下共同受力.然而传统的简化分析方法很少考虑梁板的共同作用机理.本文在对现浇混凝土梁板式楼盖有限元分析的典型单元类型,即3D梁单元、膜单元、板单元及壳单元作简要概述的基础上,应用三维结构有限元程序SAP2000对典型的现浇混凝土梁板式楼盖进行建模分析,通过与传统简...