深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

为了研究深部大理岩的动态力学特性,首先基于离散元PFC(particle flow code)和有限差分FLAC(fast Lagrangian analysis of continua)耦合法,对大理岩的细观参数进行标定。接着,对三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击模拟中的动态应力平衡条件及均匀性假设进行数值验证。最后,对真三轴应力环境下大理岩的应力-应变响应、破碎特征及能量演化机理等问题进行深入分析。结果表明:基于PFC-FLAC耦合理论的真三轴SHPB试验数值结果满足应力均匀性假设,模拟得到的应力-应变曲线与室内试验数据高度一致。峰值应力、峰值应变随着冲击方向上预压(下称“轴向压力”)的增大呈下降趋势。在轴向压力相同时,试样峰值应力增幅随入射应力的提高逐渐变小;当入射应力固定时,轴向压力对试样峰值应力有削弱作用,垂直于冲击方向的侧压则会提升试样的抗压强度。加载过程中声发射事件爆发期整体上发生在应力峰后段,并在此阶段试样内形成较明显的宏观破碎带。在真三轴动态压缩下,大理岩试样主要以拉伸裂纹居多,在总裂纹数中占比超过80%。试样从加载至破坏的过程伴随有能量的变化,达到应力峰值点时试样的应变储能达到极限,之后转化为以耗散能为主、颗粒动能等为辅的能量形式。

融合N-K模型的复杂网络船舶自沉事故风险因素耦合分析

为定量分析船舶自沉风险因素间的影响关系,识别导致船舶自沉事故的关键因素,科学预防事故的发生,引入融合N-K模型的复杂网络研究船舶自沉事故风险耦合。首先结合中国海事局公布的136起船舶自沉事故案例,分析事故致因,将船舶自沉事故风险因素归纳为4个一级风险因素和15个二级风险因素,运用N-K模型计算出一级风险因素风险耦合的发生概率和风险值;然后,以二级风险因素为节点、致因关联为边,构建危险因子的关联网络,通过风险可达性分析和网络节点中心度分析,探究危险因子的作用机制,对危险因子进行初步识别,并以N-K模型计算的耦合值对节点中心度进行改进,获得最终的关键风险因素;最后,挖掘船舶自沉事故致因网络的凝聚子群并进行分析,得到密度矩阵,确定风险关联性最强的二级风险因素,以期从事故源头上采取有效措施,为船舶自沉事故的科学预防提供有益参考。结果表明:船舶自沉事故的发生与风险耦合值成正比,耦合因素越多则风险值越大;人的因素和船舶因素风险耦合易导致船舶自沉事故;导致船舶自沉事故的关键风险因素为安全意识淡薄、公司未履责、船舶管理不到位、公司管理不到位、船舶故障、船舶不适航,其中安全意识淡薄与其他风险关联性最大,须重点防范。

大前庭导水管综合征内耳三维数值模型建立及流固耦合分析

目的通过颞骨薄扫图像建立大前庭导水管综合征(LVAS)患者及正常人内耳三维重建模型,对其行流固耦合数值模拟分析,从生物力学的角度对该病的发病机制进行分析及验证。方法收集了5名儿童颞骨CT图像,通过Mimics、Geomagic软件建立含前庭导水管(VA)的内耳三维模型,并利用ANSYS软件建立圆窗膜模型和流固耦合模型,对其进行流固耦合分析。结果通过颞骨CT薄扫图像建立了7例VA扩大及1例正常的模型,并成功构建圆窗膜模型,最终组建流固耦合模型。在施加不同压力载荷时,圆窗膜均发生形变,且变形趋势与载荷变化趋势基本一致。圆窗膜的变形和应力随载荷的增大而增大;在相同载荷作用下,圆窗膜的变形和应力随VA宽度增大而增大。结论通过颞骨CT薄扫图像可以建立包含前庭导水管的内耳流固耦合模型。脑脊液压力波动可影响内耳压,VA对脑脊液压力有限制作用,且VA越大对压力的限制作用越小。

基于多物理场耦合分析的超导耦合器失超过程研究

基于多物理场耦合分析方法,建立耦合器的一维失超过程模型,并解决材料物性和内热源中非线性因素对数值求解精度和稳定性的影响问题。结果表明,耦合器铌管靠近常温端的漏热是影响失超的关键因素,延长铌管与液氦接触部分的长度或采用更高RRR值的铌材,均可以有效降低铌管温度。为了保证施加电磁场后耦合器整体不发生失超,应控制铌管靠近常温端的漏热不高于5.18 W。当此部分漏热量随着时间的推移而失超时,失超传播速度和失超区域的占比受漏热增长率和漏热量的共同影响。发生失超后,控制漏热量的变化可以使耦合器重新恢复超导,延迟时间约为0.2 s。

基于事故树的N-K模型施工事故风险耦合分析

为了研究水平定向钻施工事故风险,考虑事故树定性分析与N-K模型(N为系统的组件数量,K为每个组件与其他组件的交互数量)定量分析方法的缺点,从人为、设备、环境及管理4类风险因素构建一种基于事故树的N-K施工事故风险分析综合模型。通过建立事故树施工底层事件与N-K模型耦合风险因素集合映射关系,分别计算单因素、双因素以及多因素耦合风险概率,求解风险耦合值。结果表明:水平定向钻施工事故风险概率随着风险耦合因素的增加而增大;三因素耦合作用时,设备-环境-管理耦合作用值最大为0.2608,人为-设备-管理次之为0.2034;双因素耦合作用时,环境-管理耦合作用值最大为0.1554;水平定向钻施工事故共有50种引发事故的可能途径,可以按照准备阶段、导向孔钻进阶段、扩孔阶段、管道回拖阶段与规划管理阶段对整体事故风险进行分阶段预防。研究成果一方面可为风险研究提供新的综合模型,另一方面也可为水平定向钻安全施工提供重要的参考依据。

基于耦合分析的热流系统协同设计

作为综合能源系统的一部分,热流系统通常在稳态假设下设计其物理系统,在此基础上设计控制器.这种方法忽略了系统与控制器设计间的耦合关系,导致系统暂态性能不佳.为此,本文提出一种协同设计方法,以系统总质量、熵产率以及控制效果为设计度量,基于热流系统数学模型及其熵产率模型,结合嵌套设计方法和同步设计方法完成系统设计.考虑到设计过程中设计参数多、变量范围大的问题,引入时间序列模式距离,构造相关度度量函数来分析物理系统与控制器之间的耦合关系,从而减少非耦合参数.同时,利用数据分析方法进一步缩小了待设计参数范围.为验证方法的有效性,以一个理想热流系统为设计实例,仿真结果表明,通过相关度度量函数及其数据分析,可以将设计参数个数减少66%,选取范围缩小26%.相比于传统顺序设计方法,经过协同设计方法设计的系统控制误差可减少29%,且设计控制器抗扰能力也优于频域方法和SIMC方法.

通信卫星星箭耦合分析研究进展及建议

文章简要回顾国内外星箭耦合分析的基本方法,并以“东方红”系列通信卫星为实例,介绍了中国近年来在星箭耦合分析工作方面取得的一些研究进展,包括卫星有限元模型缩聚的二次缩聚方法、液体晃动对星箭耦合分析结果的影响;对比了国内外依据星箭耦合分析结果制定卫星正弦振动试验下凹条件的应用差异;讨论了星箭耦合分析的准确度、敏感度分析等问题;并对后续的星箭耦合分析工作提出若干研究发展建议。

典型光电系统强电磁脉冲耦合分析与加固方法

随着电磁环境的日益复杂,电子设备面临的电磁威胁愈加严峻。光电系统作为高灵敏集成化电子设备,强电磁脉冲能量耦合进入系统内部,影响防护能力本就薄弱的光电系统的正常运行。为明晰典型光电系统强电磁耦合过程,通过仿真分析不同强电磁辐照条件下筒型、侧窗型和多窗口型三种典型光电系统的强电磁耦合情况,提取了光电系统强电磁耦合特征及其制约因素,验证了光电系统进行强电磁防护加固的必要性和紧迫性。为解决光电系统强电磁防护能力薄弱的问题,通过仿真分析,验证了透明电磁防护窗口的强电磁加固效能;开展了基于支撑台阶与导电侧壁的电磁缝隙防护加固方法研究,分析了透明防护窗口缝隙耦合泄露的关键安装结构参数,提出了一种非电接触式装配缝隙强电磁防护加固方法。经测试,当缝隙防护结构长度为6 mm时,在0.2~4 GHz频率范围光电系统平均强电磁防护效能提升4.51 dB。研究结果为光电系统强电磁防护能力提升提供了理论指导和具体解决方案。

低温环境下橡胶O形圈密封性能的流固耦合分析

为探究温度、表面形貌特征、材料性能对橡胶密封圈的密封性能影响,通过实验获得不同温度下橡胶材料的力学性能参数;基于ABAQUS软件建立橡胶密封件的有限元仿真模型,对O形圈加压降温过程进行顺序耦合的固热分析,得到O形圈与密封界面处的接触应力分布;基于Kalker提出的接触变分原理,使用傅里叶变换进行接触力学分析,建立了接触应力与表面微观形貌的数值关系;采用Persson的渗流理论计算了O形圈密封件的泄漏率。结果表明:随着环境温度的降低,接触压力曲线发生明显变化,接触宽度减小;当温度降低至橡胶材料玻璃化转变温度附近,弹性模量陡增,橡胶材料失去回弹性能,O形圈密封性能降低,发生泄漏。

基于SiPESC.FEMS焊接热力耦合分析模块研发

文中基于集成计算仿真平台SiPESC的开放式有限元分析软件SiPESC.FEMS,研发了模拟焊接过程有限元分析模块.该分析模块可将焊接过程热瞬态分析所得节点温度场以热载荷形式映射到力学分析中,充分考虑焊接过程中温度变化对结构性能的影响,实现焊接结构全过程热力耦合数值仿真,并支持多步分析,可模拟多道焊接工序及复杂焊接过程.其中热瞬态分析可模拟焊接的非线性瞬态热传导过程,支持多种焊接移动热源和常用的热单元类型以及热对流和热辐射等复杂边界条件的处理.而焊接结构力学分析可自定义与温度相关的力学材料参数,支持热弹性和热弹塑性等本构模型.文中采用空心圆筒与带孔方形板沿圆筒外侧焊接的算例进行数值分析对比,采用顺序热力耦合分析方式,其中焊接热分析过程为瞬态热传导计算,结构静力分析过程为热弹塑性计算.计算结果与目前广泛应用的计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)商用软件ABAQUS相比,温度最大值偏差为0.000482%、位移最大值偏差为0.0231%、等效塑性应变最大值相同.该分析模块的计算精度和ABAQUS基本一致,验证了该焊接模块计算的有效性及解决工程实际问题的能力.

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

基于多体接触瞬态动力学的轴承故障与转子不平衡耦合分析

以典型带中介轴承的燃气轮机高压转子系统为研究对象,提出了复杂运动与接触状态下轴承、高压转子、柔性支承耦合多体动力学模拟方法,构建了滚动轴承-高压转子-局部薄壁支承系统的动力学模型,研究了单个滚动体、所有滚动体与轴承外圈瞬态接触力以及薄壁支承结构的振动速度和加速度响应。结果表明:轴承外圈故障与转子不平衡耦合状态下,轴承外圈故障特征频率被转频调制,其两侧存在差值为转频的边频带;不平衡量的位置离故障轴承越近,幅值调制现象越明显,转子转频和轴承外圈故障特征频率越大。

基于HIE-FDTD方法的电磁热耦合分析快速计算方法研究

基于混合显隐式时域有限差分(hybrid implicit-explicit finite-difference time-domain,HIE-FDTD)方法,提出了一种电磁热耦合分析快速计算方法。仿真电磁场时,采用HIE-FDTD方法求解Maxwell旋度方程;计算温度场时,采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法求解热传导方程。由于HIE-FDTD方法只对1维空间偏导数采用隐式差分方法进行离散,因此时间步长不受电磁目标精细结构所在方向网格大小的限制。采用电磁热耦合分析快速计算方法对十字缝隙频率选择表面的电磁热耦合效应进行分析,并将仿真结果与采用传统FDTD方法、CST软件以及COMSOL软件的仿真结果进行对比,所有结果均相互符合。十字缝隙频率选择表面算例结果表明:在保证计算精度的前提下,采用HIE-FDTD方法的仿真时间仅为传统FDTD方法仿真时间的1/6,有效提高了电磁热耦合仿真的计算效率。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

复杂社会网络与N-K模型的氢能储运系统风险因素耦合分析

将复杂社会网络(SNA)与N-K模型的融合风险因素分析体系引入氢能储运系统安全风险评价中。收集整理国内外近20年来氢能储运事故案例;运用N-K模型计算风险耦合值并确定事故耦合形式,利用SNA构建关联网络计算风险度量;结合复杂社会网络可达性分析与N-K模型修正出接近中心度以确定关键风险因素,并提出相关对策措施。结果表明:避免人-设-环-管多因素风险耦合形式是降低事故发生概率的关键方式;设-环-管三因素风险耦合形式最易引起事故的发生;人才队伍、管理执行力度、规章制度、文化水平、专业技能是需要重点防范的关键风险因素。

航空发动机内冷涡轮叶片使用载荷多场耦合分析

为准确估计航空发动机内冷涡轮叶片实际状态下的使用载荷,将气热耦合与热-结构有限元分析相结合,提出了一种使用载荷多场耦合分析方法。该方法首先通过气热耦合求解的方式对涡轮叶片的叶外燃气流、叶内冷却流及叶片固体传热进行计算,以获得叶片实际工作状态下准确的温度与气动分布,然后利用守恒插值程序实现耦合载荷信息向热-结构有限元模型的精确传递,进而通过热-结构有限元分析实现使用载荷多场耦合分析。实验数据验证与实例计算结果表明了气热耦合及使用载荷多场耦合分析的有效性与准确性。最后进行了参数敏感性分析定量给出了各边界条件不确定性对耦合计算结果的影响程度。

卧式多层热压机机架热力耦合分析及结构改进设计

卧式多层热压机较立式多层热压机在生产能力方面实现了新的突破,更适用于胶合板产业的发展。为研究热力耦合效应对卧式多层热压机机架力学性能的影响,以80层4′×8′卧式多层热压机为研究对象,根据胶合板热压工艺及卧式多层热压机的结构特点,确定闭合保压阶段机架的受载情况;利用有限元方法分别对力载荷和热力耦合效应作用下的机架状态进行分析。结果表明:在热力耦合效应作用下,机架的应力值和变形量显著增加,实际工况下机架不能满足卧式多层热压机闭合保压阶段所需要的强度和刚度要求。基于分析结果,对机架结构进行改进设计;经验证,改进后机架结构满足设计要求,为卧式多层热压机机架结构改进设计提供新的设计思路和手段,具有实际工程应用价值。

系统级HEMP耦合分析方法研究进展

高空电磁脉冲(high altitude electromagnetic pulse, HEMP)幅值强、频谱宽、覆盖范围广,可对大面积范围内的绝大多数未加固的电子电力系统造成损伤。系统级HEMP耦合分析是HEMP评估和加固防御的基础。本文介绍了作者团队近10年来在系统级HEMP耦合分析方法方面的研究进展,主要包括两方面:一是针对局域多尺度多元复杂系统HEMP耦合分析的瞬态电磁拓扑方法;二是针对广域分布式系统HEMP耦合分析的,基于有效耦合长度的网络耦合分析方法。

方坯结晶器内的热力耦合分析

建立了结晶器内方坯的热力耦合模型,采用间接耦合的数值模拟方法,分析了拉速对结晶器内铸坯的温度场、等效应力分布及坯壳凝固收缩的影响,结果表明,在一定的条件下,拉速越快,铸坯的整体温度越高,铸坯所受的等效应力及铸坯的凝固收缩越小。同时,在铸坯的同一横截面上,铸坯凝固收缩不均匀,铸坯角部的温度最低,所受的等效应力最大。

刚柔耦合分析在杠杆式基础制动装置中的应用

目前铁路货车所采用的基础制动装置大多为杠杆式制动装置。相比于单元式制动装置,杠杆式制动装置运动情况复杂,制动效率较低。对于货车车辆基础制动装置的研究,传统分析方法主要为现场试验法和理论计算法。而这两种方法的应用受到试验成本高、研发周期长、测量误差大以及计算复杂的限制。刚柔耦合分析采用ADAMS和ANSYS仿真软件进行多体动力学联合仿真,对货车基础制动装置性能进行分析研究。通过对比仿真分析数据、理论计算数据和现场试验数据,验证了基础制动装置刚柔耦合分析方法的正确性,对研究货车制动性能及解决基础制动装置所存在的问题提供了一种新的手段。