基于等几何有限元法的功能梯度板自由振动分析

基于一阶剪切变形板理论,建立了分析金属-陶瓷功能梯度板自由振动问题的非均匀有理B样条(NURBS)等几何有限元格式。功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化。采用等几何有限元法,讨论了梯度指数、边界条件及长厚比对四种典型功能梯度材料(Al/Al2O3、Al/ZrO2、Ti-6Al-4V/Aluminum oxide和SUS304/Si3N4)板自振频率的影响。数值算例表明,等几何有限元法具有高精度和高收敛率优点,能有效求解功能梯度板的动响应。

等几何分析与有限元直接耦合法

等几何分析(IsoGeometric Analysis,IGA)具有几何模型精确,分析精度高和收敛速度快等优点,但积分效率不高、边界条件处理复杂.因此,提出一种IGA与有限元直接耦合的方法,将有限元与IGA交界处节点自由度用等几何控制节点直接表示出来,从而形成IGA与有限元的耦合单元.算例分析表明,该方法与常规有限元法相比具有精度高的特点,与IGA相比具有施加边界条件方便的优点.

槽罐车泄漏事故原因分析及预防建议

据统计,近年来,我国危险化学品事故呈明显上升趋势,群众生命财产遭受重大损失,同时使环境受到污染,造成严重社会影响。本文结合近年来公路运输中槽罐泄漏典型事故,从人为因素、设备本身缺陷、道路环境以及运输管理四个方面分析槽罐车泄漏特性及原因,并提出预防建议。

复杂多断层区域地应力场特征及其精细刻画方法

探明储层深部三维地应力场是确保水力压裂储层改造成功的关键前提.目前获取储层地应力最直接的方法是进行现场应力测量,但是现场测量的方法受井点位置和数量的限制,无法完整反映三维地应力场分布.因此,数值模拟被用于解释挖掘现场地应力测试结果,重构地应力场三维空间分布.断层交汇处地应力场变化复杂,断层相互作用对地应力的影响机理尚不清楚.为此,以顺北断溶体储层为研究对象,建立了储层区域不同断层交汇类型的地质力学模型,并利用AiFrac研究了不同断层交汇处三维地应力大小和方向分布.研究结果表明,不同断层交汇类型对该储层地应力场有显著影响:远离断层区域水平最大主应力主要受远场构造地应力控制;断层内部力学性质弱化,水平最大主应力明显降低;断层端部地应力集中,导致水平最大主应力明显增加,水平最大主应力方向发生对称性偏转;平行断层之间地应力值在靠近中间的部分稍小,在接近区域两端的部分稍大;当交叉断层走向与区域最大水平主应力方向越接近平行,断层内部应力减小幅度越大,且断层边界处水平最大主应力方向发生剧烈偏转.本文研究成果为优化储层改造井眼轨迹设计提供了理论支持.

车载智能香氛流体仿真与降噪研究

国内现有的小型化车载智能香氛装置普遍存在风量小、噪声大等问题,导致用户体验感不佳。针对上述问题,首先,基于Catia软件设计了一款小型化车载智能香氛装置。其次,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对车载智能香氛装置进行流场仿真分析,并使用改进风路和改进风口大小的方法优化风量。优化后的风量为1.2 m^(3)/h,较优化前提升了16.7%,验证了优化方法的可行性。最后,基于西门子Simcenter Test-lab系统,对车载智能香氛装置进行降噪研究,提出了采用隔离振动源与调节电动机细分的方案来降低噪声。试验结果表明,整机噪声减小了5.61 dB(A),验证了降噪方法的有效性。所用的结构设计方法、风量优化方法,以及降噪技术方案,对车载电子领域的产品开发具有很强的借鉴意义。

平板断裂问题的多尺度扩展有限元法

采用渐进弯曲奇异函数和跨过裂纹面的不连续函数,加强常规的位移逼近空间,从而使计算网格独立于裂纹,建立了贯穿裂纹Reissner-Mindlin板的多尺度扩展有限元法。在裂纹附近区域采用小尺度网格,其他区域采用大尺度网格。在计算代价不大的情况下,考虑大型结构中小裂纹的存在或者提高裂纹附近的精度。所有尺度单元都采用四结点四边形板单元,四边形任意结点板单元连接不同尺度单元。用互作用积分法计算裂尖应力强度因子,算例分析检验了本文方法的精度和有效性。

考虑多种失效模式耦合的复合材料损伤分析

复合材料的损伤失效形式是多样的,其损伤失效形式包括层合板损伤、胶体裂纹扩展和界面脱黏。为了探讨层合板损伤、胶体裂纹扩展、界面脱黏3种损伤失效之间的内在联系,先利用ABAQUS/Explicit软件建立混合型弯曲(MMB)断裂有限元模型,通过数值仿真结果与实验结果的比较,从而证明MMB模型的准确性。然后结合Hashin失效准则、扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)来研究3种失效模式的内在联系。结果表明:层合板损伤不仅可以影响界面脱黏失效发生时间,同时也能影响胶体中裂纹扩展路径,为复合材料损伤问题数值分析提供了一定的参考。

BCC点阵结构优化及防撞应用

为研究优化后的BCC点阵结构在海上风力发电机单桩基础碰撞中的应用,设计了一种防撞装置模型。基于Workbench分析平台,对BCC点阵结构的单胞尺寸进行多目标优化,并将优化前后的仿真结果进行对比,验证了优化尺寸的可靠性;利用渐进均匀化理论,建立BCC点阵结构等效模型,对比分析海上风力发电机单桩基础防撞装置模型在碰撞中的仿真性能。研究表明,该防撞装置不仅具有缓冲性,还能有效减少单桩基础遭遇碰撞后的损伤程度。

基于Bézier提取的三维等几何分析

等几何分析(IGA)将非均匀有理B样条(NURBS)函数作为有限元形函数,具有几何精确、高阶连续和精度高等优点。与常规有限元法C0连续的形函数不同,高阶IGA基函数不是定义在一个单元上,而是跨越由几个单元组成的参数空间,因而编程复杂且无法嵌入现有的有限元法计算框架及相应算法。本文建立了基于Bézier提取的三维IGA,将NURBS函数分解成伯恩斯坦多项式的线性组合,从而实现把NURBS单元分解为C0连续Bézier单元,这些单元与Lagrange单元相似,使IGA的实现和常规有限元一样,以便将IGA分析嵌入现有的有限元软件中。两个三维算例结果表明,基于Bézier提取的IGA和传统IGA的收敛性和精度相同。

项目驱动式教学在机械类CAE课程中的改革探索

CAE课程是机械类专业的核心专业课程,它能够很好地利用数值计算模拟复杂多学科交叉工程问题。通过讨论传统CAE课程教学方法在教学过程中存在的问题,基于项目驱动式方法,从实际项目出发,明确教学重点,优化整合传统教学方法,进行基于项目驱动式CAE课程改革与实践,并详细阐述了该方法在机械类CAE教学的实践过程。通过项目驱动式CAE课程改革可以提高学生解决复杂工程问题的能力,为培养新时代高技术水平人才提供教学参考。

基于等几何边界元法和粒子群优化算法的结构形状优化

等几何边界元法是将计算机辅助几何设计(CAGD)中描述几何边界的非均匀有理B样条(NURBS)基函数作为边界元法中的形函数。该方法不仅能精确地描述几何边界,且几何设计、仿真分析和形状优化采用统一的数学描述即NURBS,从而避免了重复地划分网格和优化中的网格畸变问题,提高设计、仿真和优化效率。本文将等几何边界元法和粒子群优化算法相结合,讨论了二维线弹性结构的形状优化。相对基于梯度的优化算法,无梯度的粒子群优化算法可以避免繁杂的敏感性分析过程,使优化的实现过程更为简便。数值算例验证了基于粒子群优化算法的等几何边界元法在结构形状优化中的有效性和精度。

基于等几何有限元法的功能梯度微板热力耦合屈曲预测

基于修正偶应力理论和Kirchhoff板理论,建立了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元模型。该模型仅包含一个材料尺度参数,能够描述尺度效应现象,且满足修正偶应力理论的高阶连续性要求。基于虚功原理推导了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元方程。通过对板的典型算例分析,讨论了材料尺度参数、边长比及梯度指数对板稳定性的影响。结果表明,本文模型预测的屈曲载荷总是大于宏观理论的结果,即捕捉到了尺度效应现象;随着临界屈曲力的增加,临界屈曲热载荷线性减少;此外,边长比和梯度指数也对微板的稳定性产生一定影响。

某型装甲车制动器热-应力-磨损耦合仿真分析

为提高鼓式制动器在热-应力耦合影响下磨损计算的准确性,考虑实际制动过程中温度升高对制动器性能的影响,通过增加温度与磨损率的变化关系修正传统Archard磨损模型,对某型装甲车鼓式制动器进行仿真计算。分析结果表明,在热-应力有限元迭代求解过程中,采用完全耦合法持续更新制动器磨损面的几何形状可以不断地修正热-应力的计算结果,因此能更真实地描述制动过程中热-应力-磨损的复杂耦合现象。仿真得到制动器在4种典型工况下的磨损规律,为制动器的优化设计提供依据。

模拟动断裂问题的多尺度扩展有限元方法

提出一种分析弹性固体动态断裂的多尺度扩展有限元方法。该方法采用局部网格细化对网格模型中裂纹部分进行处理,并利用可变结点单元连接不同尺度网格单元,在提高数值计算精度的基础上,节省了计算成本;利用隐式Newmark时间积分和相互作用积分求动应力强度因子。通过算例数值计算结果与已有文献结果进行对比,验证方法优劣性。结果表明:多尺度扩展有限元方法是模拟弹性结构动断裂的一种有效数值方法,相较于标准扩展有限元方法具有更高的精度。