有限元仿真模拟在超声喷水无损检测用水套设计中的应用

水套在超声喷水穿透检测中具有重要作用,为设计出具有良好耦合效果的水套,减少水流紊流对声波耦合的影响,本文通过构建探头套几何模型、物理建模、数值求解的有限元仿真方法对探头水套进行流体动力学仿真。结果表明,在无整流装置下,从入水口射入的水流撞击探头套内壁,产生严重紊流,进入出水管后,紊流状态仍然保持,水流流线方向杂乱。增加整流装置后,探头套内紊流得到很好的抑制,使得进入出水管的水流流线方向趋向一致,这种现象随着整流片增多而效果越加明显。本文为后续模拟水流经过出水口后的水柱状态,特别是随着初始水流速度加大后的水柱状态,以及利用有限元多物理场模拟功能,在加入声场后,模拟紊流状况下声场的变化打下了基础。

有限元仿真技术在力学教学中的应用及思政元素探索

探索力学课程教学改革的新途径对于提高力学课程的教学效果具有重要的指导作用和现实意义。对有限元仿真技术在力学教学中的应用进行了案例分析,并对教学内容中所蕴含的思政元素进行了探索。有限元仿真分析将计算结果可视化,以图画或者动画的方式生动展示构件变形或流体流动规律,加深了学生对理论知识的理解。思政元素的融入强化了学生的爱国热情、民族自豪感、职业道德和创新意识等。教学实践表明,有限元仿真、教材内容和思政理念的有机融合培养了学生独立思考和理论联系实际的能力,有效的提高了力学课程的教学效果。

基于有限元仿真的ECT感兴趣区域高分辨率图像重建

感兴趣区域的高分辨率图像重建是电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技术的研究热点之一。均匀电极分布的ECT模型仅在重建场域的边界位置具有较高的灵敏度系数,不适用于感兴趣区域成像。为改善感兴趣区域中的灵敏度分布,提高图像分辨率,提出了一种基于有限元仿真ECT感兴趣区域高分辨率图像重建方法,根据保角变换理论优化电极分布。进行了仿真实验,将均匀电极和优化电极分布的灵敏度矩阵代入Tikhonov算法、Landweber算法和ART算法,重建结果表明上述方法可有效提高感兴趣区域的图像重建精度。

煤矿液压定向钻机回转器结构设计校核及有限元仿真

以液压定向钻机回转器结构为研究对象,通过分析其传动原理,对其结构进行了设计,同时针对回转器组件开展了选型设计及强度校核,使其符合井下生产作业的需要。最后将回转器及其传动系统进行了有限元仿真分析,从极限载荷及动载效应两个角度出发,验证了所设计回转器的动态特性良好。

SPS多腔烧结碳化硅块材的有限元仿真及实验研究

通过设计加工具有3个模腔的石墨模具,并建立放电等离子烧结的有限元仿真模型,研究了烧结工艺对碳化硅块材物相及密度等的影响.结果表明,烧结时的电流主要通过石墨压头及样品产生热量实现样品的加热,且当模具温度高于1200 K时,样品中心与模具的温度差异逐步增大,烧结模具的中心区域温度高于模具的温度.此外,采用放电等离子烧结同时制得了3个碳化硅块体,实验结果表明,随烧结温度的增加,烧结助剂钇铝石榴石的含量逐渐减少,而碳化硅的含量及结晶性逐步增加,当烧结温度达到2023 K时,得到了纯相的碳化硅.烧结所得的碳化硅密度为(3.103±0.043)g/cm^(3),致密度为97%.

GH4169G高温合金车削切削力与切削温度有限元仿真研究

为研究GH4169G高温合金车削用量及刀具几何特性对切削力和切削温度的影响规律,基于ABAQUS有限元仿真软件,通过依次改变切削深度、切削速度和刀具几何角度,获得不同参数组合下切削力和切削温度的变化规律,进一步揭示车削参数和刀具几何角度对GH4169G高温合金切削过程中热—力耦合作用的影响机理,从而对切削工艺参数和刀具特性进行优选。

中耳力学:有限元仿真研究进展

中耳听骨链系统是一个构造精巧的传声装置,通过自身振动将空气中的压力变化(声)信号传导至内耳,克服空气和内耳淋巴液间的阻抗差异。各种中耳病变均会引起这一传声系统的工作异常,导致传导性听力损失。对中耳生理功能和病理机制的深入研究有助于相关临床诊断和治疗技术的发展。实验测量和仿真分析是中耳力学研究的常用方法[1]。实验测量手段的不足主要在于侵入测量困难,获取数据有限,且特殊病理状态的测试样本极难获得。有限元仿真方法基于动力学的理论,在计算机上对中耳传声过程进行再现,不仅成本低廉、可获得多种数据,而且便于研究一些实验中难以模拟的中耳状态。本文介绍有限元仿真技术在中耳生理功能和病理机制研究中的应用,尤其是近年来的进展。

拉毛针织面料热传递性能的有限元仿真

为探究拉毛针织面料的毛羽对面料热传递性能的影响规律,提出了一种预测拉毛针织面料热传递性能的方法,建立了针织线圈-毛羽层模型,在此基础上对拉毛针织面料的热传递性能进行有限元仿真分析,并通过实验验证模型的有效性。首先对实验面料进行测量,得到织物的几何结构参数,利用SolidWorks专业建模软件建立织物的针织线圈结构,利用ANSYS DesignModeler建立织物的毛羽层;然后借助有限元分析软件ANSYS Fluent,根据模拟环境设置边界条件,进行迭代运算,得到该模型的温度分布云图;最后将仿真模拟的结果与实验测试结果进行对比,对模型的有效性进行验证。研究结果表明:拉毛针织面料的模拟热阻值与实验热阻值相关系数接近0.993,最大差异小于17.7%,表明该有限元模型具有一定的可行性;拉毛针织面料的表面毛羽密度越高,织物的热阻值越大,但是毛羽密度达到一定范围后,织物热阻值发生较小变化。

数据驱动与有限元仿真融合的纱线断裂强力分析方法

为揭示机器人运动速度等参数对纱线性能的影响规律,考虑纱线夹持长度与拉伸速度对断裂强力分布的影响,分析了动态环境下环锭纺细纱断裂强力的分布特征。首先设计拉伸实验对环锭纺细纱性能进行分析,并构建了环锭纺短纤纱本构模型表征其强伸性能。其次建立有限元仿真模型模拟短纤纱的断裂过程,揭示了纤维间载荷传播的规律和纱体结构演化的4个阶段模型。最后对纱线强力数据的统计特征进行分析,建立了其分布参数模型。结果表明,分布检验与威布尔分布相比,对数正态分布的拟合误差最小,残差平方和为0.0006,进一步提高了动态环境下环锭纺细纱强力预测的可靠性。

网格密度对切削加工有限元仿真的影响研究

切削加工有限元仿真模型中,网格密度的选择多依赖于经验,缺少量化标准,一定程度上会影响计算精度,造成计算资源浪费。针对该问题,采用ABAQUS分析软件建立切削加工过程有限元仿真模型,并验证了仿真模型的准确性;对比分析了不同网格密度对计算精度以及仿真效率的影响,确定了与切削加工工艺相关联的网格密度标准,即网格尺寸为切削厚度ac的1/10,能够在最经济的计算成本前提下,保证切削加工仿真的计算精度。

磨粒间距和材料特性对磨削温度影响的有限元仿真研究

针对磨削过程中,磨粒间距和工件材料特性对工件表面温度的影响规律进行了有限元仿真研究,结果表明,随着磨削过程的进行,工件表面温度逐渐升高;磨削过程中,相比多磨粒磨削,单颗磨粒磨削的工件表面温度更低,且随时间增加上升速度更小;磨粒间距越大,工件表面温度越低且随磨削过程的进行变化速度越小;工件材料导热率越大,工件表面温度越低,当导热率大于1 W/(m·K)时,温度随导热率增大而下降的趋势不再明显;工件的比热容和密度对磨削温度的影响规律相似,随着比热容、密度增大,工件表面温度降低,且当比热容大于200 J/(kg·℃)、密度大于4000 kg/m3时,工件表面温度随比热容、密度持续增大而降低的趋势不再明显,且温度随时间推移而上升的速度下降。

拧紧力矩作用下螺栓预紧力的高保真有限元仿真与实验验证

针对实际螺栓结构,研究螺栓在拧紧力矩作用下的有限元仿真方法,得出了拧紧力矩和螺栓预紧力之间的定量关系。首先,建立了带三维斜螺纹的螺栓几何模型,并且使用Hypermesh软件进行带螺纹的有限元网格划分,并定义相应的力学接触状态;然后,利用Ansys Workbench软件对螺母下表面施加不同大小拧紧力矩来得到对应的轴向力的大小,从而得出拧紧力矩与螺栓拉力之间的函数关系;最后,设计了螺栓预紧力实验,并将实验、仿真结果以及理论公式计算结果三者进行对比验证。结果表明,与扭拉关系理论计算式相比,有限元仿真模型的计算结果与实验更为接近,能准确反映螺栓预紧过程。螺栓预紧高保真有限元模型为进一步精确分析螺栓拧紧时的力学机制提供了一种可行方法。

基于有限元仿真和光纤传感的隧道损伤监测

对苏州四号线支线红庄站至蠡墅站段地铁进行隧道结构开展静力场和动力场有限元仿真分析,并根据仿真结果和现场勘察结果,成功设计并布设了能够对隧道结构水平位移、裂缝、沉降、结构应力、结构表面应变、振动等信息进行实时监测的光纤传感网络,实现了对隧道结构健康状态的实时监测,然后利用光纤传感网络反过来验证有限元模型可靠性,从而得到更准确的有限元仿真模型。最后,结合两种技术,针对该地铁中三种主要断面建立了二维有限元模型,研究了三种断面在隧道结构有损伤基础和无损伤基础的两种情况下,受到地铁列车振动荷载影响产生的混凝土结构损伤分布规律,从而更好地为地铁安全运营提供技术保障。

3D打印TPU气道支架的有限元仿真分析及其力学性能

气道支架的可压缩性直接影响手术操作,植入后与气道的相互作用力对临床疗效影响大,开展支架植入气道的力学性能仿真分析可为产品研发和临床应用提供参考。采用计算机软件构建气道支架3D模型,以热塑性聚氨酯弹性体为打印材料,熔融沉积3D打印制备挤出率和壁厚不同的气道支架,采用万能试验机测试其支撑力、压缩强度和压缩弹性缩量,对支架植入气道狭窄简化模型中的受力情况进行有限元仿真分析。随着径向压缩率增大,支架的压缩强度和径向支撑力呈上升趋势,压缩弹性模量呈现下降趋势;随着打印挤出率的增大,支架中丝材堆积更紧密,压缩弹性模量、压缩强度和径向支撑力均呈上升趋势。有限元仿真分析结果表明,随着壁厚增加,支架变形困难,产生的支撑力增大;随着狭窄率的增加,支架所受压迫力增大,应力集中与支架变形能力、气道狭窄情况密切有关。

烟草薄片剪切断面形貌有限元仿真模拟优化

本研究对烟草薄片精密剪切过程进行了仿真研究,获得了材料力学性能和相互作用参数,为有限元仿真模拟提供了必要数据。建立了烟草薄片的力学模型,并构建了相应的有限元仿真模型。在仿真模拟过程中,重点分析了烟草薄片剪切断裂的形成过程及静水应力随时间的变化趋势。采用有限元仿真模拟与实验测量相结合的方法,综合分析剪切间隙对烟草薄片断面质量的影响。结果表明,随着剪切纵向间隙的增加,烟草薄片的塌角高度逐渐增加,剪切带高度总体呈现减小趋势,而断裂带高度则呈现增加趋势。然而,当剪切间隙为0.15 mm时,由于上、下剪刃的重合,导致剪切带高度略微增加,断裂带高度略微减小。有限元仿真模拟结果与实测结果相吻合,验证了本研究的可靠性和准确性。

索道用钢丝绳轴向弹性模量有限元仿真研究

轴向弹性模量是索道用钢丝绳重要的力学特性,影响着索道设计中对钢丝绳的选用。应用微分几何理论推导每根钢丝的中心线参数方程,通过Creo建立一个捻距长度的钢丝绳三维模型,将三维模型文件导入Hypermesh中划分网格、设置边界条件,最后利用Abaqus计算得到不同轴向拉力下钢丝绳的变形与等效应力云图,得出钢丝绳拉力与等效弹性模量的关系。结果表明,在拉力较小时,钢丝绳等效弹性模量随拉力增大而增大,当拉力到达一定值后,等效弹性模量稳定在钢丝材料弹性模量的0.64倍。

碳纤维拉索缺陷的电磁层析成像有限元仿真

碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀和抗疲劳等优点,是大跨度结构拉索的理想型材料。本文基于电磁层析成像技术采用有限元方法对碳纤维拉索的断股和脱粘缺陷进行仿真研究,设计了一种8线圈圆周型传感器阵列,探究了传感器尺寸、激励电流大小与磁感应强度的关系,根据仿真电磁信号研究了LBP算法、Tikhonov算法和Landweber算法3种重建算法对不同拉索缺陷重建图像质量的影响。结果表明,在研究范围内随着传感器线圈直径的减小和激励电流的增大,磁感应强度逐渐增大,并在线圈直径为5 mm和激励电流为1 A时达到最大值;与其他图像重建方法相比,Tikhonov算法能够更好的平衡图像重建效果和成像质量,更适用于碳纤维拉索缺陷检测图像的重建过程。此外,在传感器阵列固定的情况下将拉索缺陷旋转,分析了不同投影角度对缺陷成像效果的影响。本研究旨在为实验条件下碳纤维拉索的传感器阵列设计和缺陷检测成像提供参考依据。

基于梁结构等效模型的机器人铣削有限元仿真

机器人的弱刚度特性导致铣削加工过程中的末端变形是影响零件表面质量的重要因素。在刀具-工件有限元模型基础上,添加梁结构等效机器人末端,建立适用于机器人铣削加工的有限元模型,并通过对实际机器人进行力锤实验获取梁结构的等效力学参数。利用球头立铣刀进行6061铝合金铣削实验,对所提出的有限元模型进行验证,通过仿真对两种不同的机器人刚度性能指标进行对比分析。结果表明:所建立的模型能够正确模拟机器人的铣削加工过程,并可用于机器人铣削加工姿态的优化;考虑加工效率和需求,基于工件几何形状的曲面法向柔度系数指标更适用于优化机器人铣削加工曲面的姿态。

有限元仿真优化布局解决金金键合局域化问题

晶圆金金键合技术在集成电路封装、微机电系统(MEMS)器件制造、CMOS图像传感器制作及LED制造等行业中被广泛应用。在MEMS环形器的制造过程中,由于金金键合的压力分布不均匀,导致其键合有效区域仅限于键合区域的边缘位置,即存在键合局域化问题,因此器件的整体可靠性较差。结合有限元力学仿真和金金键合实验,优化了键合点的分布,确保键合压力分布更加均匀。将有效键合面积从20%提升到77%,单颗芯片的平均剪切力从41.5 N增大到80.3 N,有效提升了MEMS环形器的可靠性。

子午线轮胎静态力学特性的有限元仿真

以205/55R18子午线轮胎为例,采用有限元仿真方法分析子午线轮胎的静态力学特性。建立有限元模型,并验证该模型的可靠性,在此基础上分析径向负荷、充气压力和接地摩擦因数对轮胎接地压力、纵向刚度和横向刚度的影响。结果表明:轮胎的径向负荷增大时,轮胎的接地压力、纵向刚度和横向刚度相应增大;轮胎的充气压力增大时,轮胎的接地面积减小,接地压力和刚度增大;通过增大摩擦因数可以提高轮胎的接地性能和操控性能,但摩擦因数的影响程度相比于径向负荷和充气压力较小。