基于混合有限元法的油浸式变压器稳态流-热耦合场并行计算方法

针对油浸式变压器2维流-热耦合仿真计算效率低的问题,提出了基于混合有限元法的并行计算方法。首先,在Visual Studio 2019中采用C++语言实现无量纲最小二乘有限元法以及迎风有限元法的串行计算方法。然后,基于图形处理器(graphic processing unit,GPU)实现流体场的并行计算,针对单分区分匝模型对比分析了不同GPU卡在不同网格条件下的并行计算效率,分析结果表明数据规模越大,GPU卡流处理器越多并行效果越好。其次,基于Intel MKL(Intel math kernel library)函数库结合共享存储并行编程(open multi-processing,OpenMP)实现了2维温度场的并行计算,并对比分析了不同网格数量对并行效率的影响。最后,在此基础上提出了根据不同仿真条件的混合并行计算方法,并应用到大型油浸式变压器绕组模型的2维温升热点分析中。结果表明,相较于串行程序,混合有限元并行计算方法的加速比达到了69.5,实验测试结果进一步验证了并行计算结果的准确性,研究成果为大型油浸式变压器流-热耦合问题的快速计算奠定了基础。

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%。

机械加工中有限元技术的计算精度优化研究

有限元模型技术被广泛应用于机械加工领域,其也是实现数字控制与现代加工的核心理论技术,得到了各领域研究者的广泛关注与深入探讨。基于有限元模型的计算仿真模拟技术能够大幅提升机械加工制造的精度,大量的机械加工零件实验也为有限元模型提供详细的数据参考。文中通过总结有限元分析技术的研究历史,分析归纳了当前有限元分析技术中精度优化的核心策略及其不足之处,展望了在机械加工过程中有限元分析技术的未来发展方向。

FreeFem++与偏微分方程有限元数值计算

有限元方法是当今工程分析和计算中不可缺少的重要工具之一。阐述了使用有限元方法数值求解偏微分方程的一般过程,讨论了基于FreeFem++的有限元编程方法;并通过计算流体力学中两个典型问题的数值模拟,说明了使用FreeFem++进行有限元编程与计算的简单和高效。

昆都仑泄洪冲沙洞结构静动力三维有限元配筋计算

昆都仑水库是一座以防洪、供水为主的综合利用的中型水库。为改善水库泄洪条件,新建泄洪冲沙洞并布置于库区右岸山体内。首先,构建了泄洪冲沙洞三维有限元模型,模拟了各结构的精细构造部位;然后,采用三维线性有限单元法对泄洪冲沙洞开展静动力工况下变形、应力分析计算,基于有限元内力法进行内力计算并提出相应配筋方案;最后,进行结构限裂复核验算。选取的配筋计算方案实用可靠,为工程设计提供指导、验证复核作用并成功付诸实施。

基于MPI+FreeFem++的有限元并行计算

有限元方法是一种灵活而高效的数值求解偏微分方程的计算方法,是工程分析和计算中不可缺少的重要工具之一。在计算机技术的快速发展使得并行机的价格日益下降的今天,并行有限元计算方法受到了学术界和工程界的普遍关注。讨论了基于MPI+FreeFem++的有限元并行计算环境的构建,阐述了在该环境下有限元并行程序的编写、编译及运行等过程,并通过具体编程实例,说明了MPI+FreeFem++环境下的有限元并行编程的简单和高效。

面向SW26010间断有限元算法的多级并行计算

间断有限元算法(Discontinuous Galerkin Finite Element Method,DGM)是一种高精度的数值求解算法,针对电磁工程应用中DGM并行计算效率低、计算量较大的问题,提出了基于SW26010平台的并行DGM算法。通过区域分解、数据结构重构、热点函数从核并行计算、计算与通信重叠及从核缓冲优化技术完成了DGM算法的并行优化。实现结果表明,与基于MPI进程级的DGM并行算法相比,可以获得46.8的平均加速比。

新工科视域下“工程有限元与数值计算”双语课程体系探索与实践

在新工科视域下,培养具有国际化视野的创新交叉型工科人才成为课程的重要目标。面向新工科人才的培养需求,“工程有限元与数值计算”课程的双语建设势在必行。西安交通大学持续开展课程双语建设,在分析教学难点的基础上,通过课程目标修订、教学内容改进及考核体系的完善,充分结合翻转课堂、教研融合型实验、前沿牵引的PBL项目式教学改革,提升了双语教学效果。提出的双语课程体系可作为工科专业课程双语改革的参考。

大体积混凝土水化热有限元计算及温控措施探讨

大体积混凝土水化热导致的温度效应直接关系到桥梁结构的安全和正常使用,为避免混凝土在施工过程产生温度裂缝,需要在大体积混凝土施工前进行水化热分析,并在施工过程中采取温度控制措施(以下简称温控措施)。文章以某斜拉桥辅助墩承台大体积混凝土工程为实例,采用有限元方法测算承台中布设的3层冷却管对大体积混凝土水化热的影响,根据计算结果布置承台温度测点,并将实测数据与有限元解法进行对比分析,结果显示两者符合度较好,可采用有限元解法指导实际施工。此外,研究发现将适量粉煤灰中掺入大体积混凝土,可有效降低温升峰值和延缓温升峰值的出现,防止混凝土产生温度裂缝;冷却管的应用有效调节了大体积混凝土的温度场,其降温效果比未布置冷却水管的混凝土降低了1℃~7℃,降温作用显著。该研究可用于指导大体积混凝土的设计和施工,并为类似工程提供参考。

基于Freefem++的有限元数值计算在计算物理中的应用

有限元软件Freefem++以语句简洁,容易上手而著称,非常适合于教学和科研。该软件仅提供直角坐标系的梯度和法方向程序单元,没有极坐标系的,不利用极坐标系物理问题的处理。针对该问题,文章导出了直角坐标系与极坐标系中梯度与法方向的转换关系,成功地应用于1/4圆域的泊松方程中,并设计了基于Freefem++的有限元程序。结果表明,除坐标原点外,数值计算结果与解析解表现出良好的一致性和稳定性,验证了文章中推导的极坐标系梯度和法方向公式的合理性。

小井眼套管整圆工具有限元力学计算

玛湖地区是重要的非常规油气聚集区块。在开发过程中发现,压力窜逸引起套管变形损坏,常规套管修复工具无法满足修复要求。因此,设计小井眼套管整圆工具。为评价小井眼套管整圆工具的修复效果,建立套管整圆评价函数,并采用有限元方法建立∅127 mm套管变形模型,模拟玛湖地区因压力窜逸引起的套管变形过程,在此基础上建立膨胀锥-变形套管力学模型,模拟小井眼套管整圆工具对变形套管的无损修复过程。在模拟中,变形套管管内面积从8354.54 mm^(2)修复至8500.71 mm^(2),管内面积平均增加约146.17 mm^(2),套管平均整圆效率约为53.83%。结果表明,小井眼套管整圆工具具有显著的修复效果。本技术可为井筒完整性长生命周期提供技术借鉴。

基于遗传算法和有限元计算联合仿真的尾翼轻量化设计

针对尾翼轻量化设计,提出了一种联合仿真优化设计方法,以改进遗传算法为寻优算法,用有限元计算完成受力分析,编写程序使寻优过程和有限元计算过程联合对结构进行优化。将结构参数离散为设计参数并编码,将有限元计算结果作为约束条件,零件体积为优化目标,通过外点法将约束和目标转换为适应度函数,经过迭代获得最优结构参数。仿真结果表明:用该方法优化对某型火箭弹尾翼进行优化,在满足原工况下的受力要求的同时,减轻了约30%的结构质量,该优化方法具有一定的可行性;在联合仿真寻优的过程中,多种群遗传算法相对于普通遗传算法有更好的搜索效果。

某高层住宅项目铝合金墙模板安全计算及有限元分析

根据我公司施工的天悦国际建设项目2#住宅楼铝合金模板体系,墙模板采用内四外五背楞体系,结合有限元方法对墙模板进行安全计算分析。通过有限元建模分析体系内应力及挠度变形,找出模板体系最不利受力位置,分析最大挠度变形及最大应力,并控制在规范允许范围内,从而保证了铝合金墙模板体系可靠性,为以后铝合金墙模板施工提供参考借鉴作用。

有限元计算在汽轮机转子应力分析的应用

基于国内某燃机电厂进口汽轮机提高进汽温度的技术改造,以汽轮机转子为研究对象,采用有限元计算分析方法构建了汽轮机转子几何模型,对汽轮机转子在启动及带负荷运行阶段的温度场、热应力分布、离心应力分布以及耦合应力分布状况进行计算,获得转子关键部位最大等效应力的时间变化历程,明确转子耦合应力最大值的位置和特征时刻。计算结果表明,高低压转子最大耦合应力均在转子材料的屈服强度范围内。对于汽轮机提升温度改造后转子服役的安全性评估,有限元应力分析方法提供了理论计算依据,具有一定的工程应用价值。

装配式后浇竖缝剪力墙结构计算及有限元分析

针对装配式后浇竖缝剪力墙的结构性能表现,文章制备了四组剪力墙试件,对L型和凸型竖缝形式进行了正交试验,探究了不同轴压比(0.2和0.3)下的性能,计算得到墙体与地梁、加载梁连接的强度,通过施加荷载作用,模拟弹性至弹塑性状态的转变,分别对剪力墙的正截面和斜截面的刚度和承载力进行计算分析,采用ANSYS有限元软件,模拟分析了荷载作用下的开裂行为和峰值荷载响应,为装配式后浇竖缝剪力墙的工程实践提供了技术支撑。

基于有限元法对小箱梁桥抗震计算

文章采用了有限元法对呼和浩特地区某处8~20 m桥梁进行了抗震计算,建立了桥梁的有限元模型,然后施加地震荷载,通过软件计算分析桥梁在地震作用下的反应。详细阐述了模型建立的原则、步骤和注意事项,介绍了计算过程中需要用到的公式和规范,以确保计算结果的准确性和可靠性。结果表明,该桥梁在地震作用下的性能满足规范要求。

基于有限元的轴孔耳板强度计算研究

针对轴孔耳板水平截面强度计算公式精度低的问题,建立矩形界面模型和有限元模型,以有限元结果为评价指标,分析不同耳板强度计算方法的误差。依据工程经验选择9种载荷耳板,对比不同计算方法得出水平截面应力和平均安全系数,发现弹性曲梁公式计算结果更接近有限元分析值。

基于有限元法的桥梁抗船撞性能计算分析

跨越内河通航水域的桥梁不断增多,船舶大型化发展已成为大发展趋势,船舶碰撞桥梁的风险日趋加大,迫切需要按照航道区段标准统一的要求,提出实施范围航道区段设防代表船型、船队,并在此基础上开展桥梁安全风险隐患自查评估。针对桥梁的船撞性能进行研究,包括:墩/柱抗弯强度验算、墩/柱抗剪强度验算、墩/柱弯曲变形性能验算等,在此基础上给出增设固定式钢覆复合材料防撞设施、加装主动预警装置等有效建议,提高桥墩的抗撞性能,对日后防范桥梁安全风险隐患有重要意义。

倾斜建基面上的高堆石坝三维有限元计算分析

以某岩溶地区抽水蓄能电站上水库挡水建筑物为例,受岩溶发育影响,该工程用于抽水蓄能电站中面板堆石坝的筑坝料料源岩性十分复杂,且上水库两座大坝均为百米级高堆石坝,大坝坐落在倾向下游的倾斜建基面上,形成长贴坡坝体,地形地质条件较为复杂,研究倾斜建基面上筑坝的可靠安全性非常必要。为保证坝体安全设计的合理性,通过建立三维有限元模型,采用邓肯-张E-B静力本构模型和等价粘弹性动力本构模型,对该工程坝体进行静、动力计算,分析坝体变形的合理性及永久变形量。结果表明:各个工况下坝体位移不大,沉降率均不超过坝高的1%,满足设计要求。

南新泾泵闸大体积混凝土闸底板温度应力场有限元计算分析

为研究不同工况条件下大体积混凝土温控措施的可行性,开展了大体积混凝土闸底板温度应力场有限元计算分析。以上海南新泾泵闸工程为例,对闸室底板段大体积混凝土不同截面处的温度进行仿真计算,并将成果数据与相应截面的温度实测数据比对,验证模型及参数的准确性。在模型的准确性得到验证之后,以温度为荷载进一步对底板应力进行计算,确定底板拉应力的分布规律。结果表明:有限元计算分析的底板整体受力符合大体积混凝土受力状态分布规律,大体积混凝土闸底板底层浇筑区和两侧齿墙边缘棱角处出现了拉应力集中,可为“内部降温、外部保温”的温控防裂策略提供依据。