基于CFD-FEM的浮式结构水弹性响应数值模拟

开发并验证了一种基于CFD-FEM耦合的弹性浮体水弹性响应计算模拟方法。采用CFD方法建立黏性数值水池模拟非线性波浪,弹性浮板进行有限元离散,并在交界面进行数据交互实现耦合计算;通过与水池试验数据和三维板理论在各种波浪环境下的浮体垂向位移结果对比,证实CFD-FEM耦合方法的有效性。并进一步研究了浮板的厚度、入射波波幅和浮板的三维效应对浮板水弹性响应的影响。结论表明,波幅的增加会加剧弹性浮板的水弹性响应,浮板各点处的垂向位移随波幅的增加而增大;当浮板厚度改变时,不同厚度浮板自由端处的垂向位移差异较小,而在中部等位置处,厚度对浮板的水弹性响应有较大的影响。

基于耦合CFD-FEM方法的严重事故下RPV蠕变失效风险评估

核电站严重事故发生后,反应堆压力容器(RPV)的剩余固壁在高温差、内压、熔池重量等的作用下可能发生蠕变失效。本文以CPR1000 RPV为研究对象,基于FLUENT软件二次开发求解反应堆压力容器下封头烧蚀温度场,然后基于ANSYS Workbench开展耦合CFD-FEM力学分析,求解严重事故下RPV烧蚀温度场稳定后72 h内的等效应力、等效塑性应变和等效蠕变应变,并评估了RPV的蠕变失效风险。结果表明:当堆坑注水等措施投运后,RPV剩余固壁在72 h内不会发生蠕变失效和塑性变形失效,有效卸压可明显提升RPV结构完整性的安全裕度。

基于CFD-FEM方法的船舶水弹性计算

随着船舶尺度的增大,船体结构刚度变得越来越小,这意味着波浪激励频率和船体振动固有频率更加接近。准确地评估船体受到的波浪载荷及运动响应对船舶设计和安全性评估有重要意义。论文基于CFD-FEM耦合方法对一艘集装箱船建立水弹性模型并进行了数值计算。通过结构的升沉、纵摇,以及截面弯矩的数值计算和试验结果的比较,验证了该方法的准确性。与传统的势流水弹性方法相比,基于CFD-FEM方法能够充分考虑流场与结构相互作用过程中的非线性因素。对于一定的波长-船长比,当船体梁的固有频率较低时,波浪载荷的非线性强弱对船体梁垂向弯矩响应有较大的影响。

温度载荷条件下海上发射平台导流槽结构强度分析

为保证海上发射平台导流槽结构安全,明确海上发射过程中火箭燃气流对导流槽结构的影响,针对半潜式发射平台双侧楔型导流槽结构强度进行研究,提出一种基于CFD模型计算的燃气流载荷转换为结构有限元模型载荷的方法,并利用直接计算法及显式动力学求解方法,对导流槽区域进行静态与动态结构强度分析,参照CCS以及DNV相应规范进行校核。计算结果表明,一体化式导流槽最大应力位置在导流槽支撑结构两侧,应力值为304MPa,最大塑性应变位置在导流面下方支撑结构的圆形开孔处,应变值为1.61×10^(-3)。可拆解式导流槽最大应力位置出现在导流面与两侧结构连接处,应力值为321MPa,最大塑性应变位置在导流面下方支撑结构的圆形开孔处,应变值为1.76×10^(-3),均满足规范要求。

基于改进声学有限元法的主变压器室噪声场计算

传统声学有限元法(finite element method,FEM)难以准确表征温升效应引起的主变室大空间空气介质参数变化,导致温度场-声场耦合作用下变电站主变压器室噪声场计算误差过大。在声学FEM算法基础上,引入计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),提取大空间主变室的复杂空间介质参量,并对波动积分方程进行改进,提出一种基于改进声学FEM的主变室内噪声场求解算法。首先,建立温度场影响下的主变室流变模型,采用CFD表征主变室大空间温度场离散空间介质参量;然后,基于流-声网格映射理论,将温度场离散空间介质参量与声音网格进行映射,建立修正大空间空气介质参数后的声学FEM积分方程;最后,基于常规Gauss数值积分法和引入Kirchhoff-Helmholtz方程,对修正声学FEM积分方程进行联合求解。该算法在西安110 kV昌明变电站1号主变室噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值误差为2.168%。

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法(CFD-FEM)相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现.利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性.研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的"锁定"也始于阻力系数最小值处;在"锁定"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.

ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析

对ITER靠近中性束端口的标准屏蔽包层模块进行了热工水力与热应力计算与分析。首先用流体力学方法计算了两种导流管的阻力系数,然后通过合理简化计算了冷却管道系统的水力学,最后根据水力学的计算结果得到温度及应力的分布。分析结果表明,现有的屏蔽包层设计与旧的设计相比,能更有效地降低能量损失、提高冷却效率,满足设计要求。同时需要做局部改进,以确保安全运行。

考虑结构静气弹变形的连接机翼气动外形优化设计

以一种大展弦比连接翼布局的风洞模型机翼为优化设计例子,利用基于Euler方法的CFD分析软件和线化结构分析的FEM软件,采用CFD-FEM迭代正反设计方法,开展了考虑吹风模型机翼结构静气弹变形的机翼气动外形优化设计。风洞试验结果验证了设计良好效果,在设计点,优化设计的气动外形获得了约10%的升阻比收益。

柴油机气缸盖的耦合场分析及应用

应用现代设计方法实现了柴油机气缸盖流场、温度场、应力场的耦合分析,探索了柴油机热、流、固耦合计算的一般方法和具体实施技术。考察了关键结构对气缸盖温度及应力大小和分布的影响程度,并且就缸盖入口流量对缸盖冷却的影响进行了分析。

复合材料船用螺旋桨设计与CFD/FEM计算

将基于RANS方程的计算流体力学方法与有限元方法相结合,沿着螺旋桨水动力性能计算、复合材料螺旋桨建模及结构铺层设计、CFD/FEM载荷传递、复合材料螺旋桨结构力学性能计算,水动力性能收敛判定的设计分析流程,完成了某种螺旋桨桨叶的初步的设计过程.提出一种预变形策略以改进复合材料螺旋桨的综合性能.计算结果表明,该复合材料螺旋桨能够满足预定设计指标的要求,在达到传统金属螺旋桨水动力性能要求的同时,减重30%,运行效率增加.研究结果充分说明了所采用设计方法的可行性.

钛合金在炮口制退器上的应用

为减小炮口制退器质量,提高射击精度和密集度,对钛合金在炮口制退器上的应用进行研究。以计算流体动力学以及有限元理论为基础,综合应用计算流体力学数值仿真技术和有限元分析方法,完成了从炮口制退器炮口流场三维数值模拟到有限元分析的全过程,得出了TC4钛合金和炮钢材料下的炮口制退器应力分布和变形结果。结果表明:在满足使用条件的情况下,TC4材料的使用能减轻炮口制退器的质量,从而可减小其它部件的设计难度。

基于CFD分析的轴流式转轮叶片刚强度分析

本文采用雷诺时均的N-S方程和k-ε紊流模型,采用有限体积法和非结构化网格,对转轮区域内的流体运动进行数值模拟,获取叶片表面的受力信息,得到反映真实情况的叶片表面应力分布;将此应力分布加载至刚强度分析的叶片模型表面,采用有限元方法应力计算,实现了轴流式水轮机转轮叶片的刚强度分析。结果表明,在三个计算工况点中,算例中叶片的应力和变形最大值出现在最大水头额定出力工况。

复合材料风力机叶片流固耦合分析方法研究

以某2 MW复合材料风力机叶片为研究对象,基于计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析方法研究,重点探讨风力机叶片气动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面的数据传递问题。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟,获取的叶片表面分布压力载荷通过自编的自动加载程序完整精确地传递到有限元网格节点上进行静力分析,实现流体域到固体域的数据传递。同时,根据静力分析后输出的风力机叶片表面节点变形量,建立变形后新几何体的建模方法,从而实现固体域到流体域的数据传递。

薄膜结构风致耦合作用数值初探

采用迭代耦合的数值方法,结合有限元离散,对典型马鞍面封闭式薄膜结构的风致耦合作用进行了模拟研究,并对结构风致振动特性以及流场对结构振动的影响进行了探讨。数值结果表明,结构的平均位移与边界条件、风荷载分布及结构的振动形式有关;而脉动位移则与风场的涡形、演化规律以及结构形式的关系明显。钝体膜结构上出现周期性脱落的漩涡。在极低的预应力条件下,由于漩涡与结构的相互作用,薄膜上的结构振动呈现"行波"效应,薄膜上各部分的振动特性有明显区别,气流分离、漩涡脱落强烈以及"行波"尾端鞭梢效应明显的区域,脉动位移幅值及其振动频率较大。

国内内燃机数字化仿真技术应用现状

随着数字化仿真技术的不断丰富和快速发展,数字化仿真技术广泛应用于国内内燃机研究设计开发的诸多领域,并且取得了许多富有意义的成果。本文对使用燃烧过程数值模拟技术、有限元分析技术和虚拟样机技术进行内燃机数字化仿真的现状进行了综述。

双弹性管流固耦合振动的数值模拟

为研究反应堆结构中诸如燃料棒、蒸汽发生器和其他换热器等管束类结构的流固耦合振动问题,利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程,结合动网格技术,建立了三维流体诱发弹性管束振动的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的双向耦合。得到横流作用下单管的振动响应,并与已有的实验数据比较,证明了本文模型的合理性;对横流作用下的两串列管、两并列管的流固耦合振动进行了数值模拟,着重研究了节径比为1.2、1.6、2、3、4的两弹性管在不同流速作用下的动力学响应及流场特性;得到串列管、并列管的临界间距与临界流速。

热冲压模具冷却水道FEM-CFD耦合优化研究

基于FEM-CFD耦合优化方法对某车型B柱进行了连续热冲压数值模拟,获得了热冲压模具冷却水道优化设计方案并研究了热冲压设计参数对模具冷却性能的影响规律。结果表明:水道换热系数h c和水道与模面距离H能显著地影响冷却系统性能和模具温度分布。在设计冷却水道时通过引入水道换热系数h c对H、D(水道间距)、R(水道半径)参数进行了集成优化。该方法对热冲压模具冷却系统的设计具有重要意义。

三维横向流体诱发直管振动的数值模拟

基于有限体积法和有限元法,结合动网格控制技术,建立了横向流体作用下三维弹性直管流致振动计算的数值模型,实现了计算结构动力学与计算流体力学之间的联合仿真.首先,通过对刚性管的静止绕流计算,研究了网格离散方式和不同湍流模型对圆柱类结构静止绕流流场特征的影响和预测能力,得到了适用于双向耦合分析的CFD模型;其次,利用基于双向流固耦合方法的流致振动模型,计算并分析了流体力与结构位移间的相位关系,指出流体力与位移间的相位差是由流体力引起的,同时对双向耦合和单向耦合进行了比较分析;最后通过对直管流致振动的数值计算,联合管表面压力、尾流区时均速度、分离角等时均量,分析了尾流区的流场特征.

旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。