降阶单元的新进展:内置了最大模误差估计器的自适应有限元法初探

该文基于初值问题中降阶单元的成功实践,进一步对一般边值问题提出无需超收敛计算、无需结构化网格、无需结点位移修正的降阶单元;进而提出以降阶单元作为最终解,且内置了最大模误差估计器的自适应有限元算法。该文对这一研究进展做简要介绍,并给出一维和二维边值问题的初步算例,以展示本法的可行性、有效性和可靠性。

基于有限元法的油气田集输管网阴极保护布局优化

在利用有限元法建立外加电流阴极保护模型的基础上,借助Sobol灵敏度分析,确定了显著影响某油气田集输管网阴极保护效果的关键参数,并通过粒子群优化(PSO)算法对其系统布局进行优化。结果表明:由于外加电流阴极保护模型的模拟电位与测试桩的测定电位误差较小,故该模型能够较好地反映出油气田集输管网的电位分布现状;改变防护涂层电阻率等一阶敏感性系数较高的因素会对阴极保护效果产生较大影响,土壤电阻率、防护涂层电阻率以及管道埋深与其他参数之间可能存在明显交互作用;当利用PSO算法对油气田集输管网的阴极保护效果进行全局寻优时,该模型经过47700次粒子进化迭代后的最佳阴极保护系统有效覆盖率高达99.14%,优化效果显著。

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%。

基于有限元法的空间探测器复合材料结构安全裕度分析

针对复合材料结构强度和安全性评估问题,提出一种基于有限元法的复合材料层压板结构安全裕度(MS)分析方法。使用ABAQUS软件和Python二次开发前后处理程序,对火星环绕器复合材料结构进行安全裕度分析。通过与试验结果对比,验证了安全裕度分析方法的准确性和可靠性。根据分析结果,对火星环绕器主承力结构局部补强后,提高了结构刚度、强度和安全裕度。

基于网格自适应加密策略的隧道稳定性三维极限分析下限有限元法研究

网格分布形式对三维极限分析下限有限元法的计算精度影响较大,为获取精确下限解,通常需对破坏区域进行密集网格划分,从而极易导致计算规模过大,求解效率低下。针对上述问题,提出一种基于单元应力的三维极限分析下限有限元“后验”网格自适应加密策略。首先,构建基于Mohr-Coulomb(M-C)准则和半定规划技术的三维极限分析下限有限元模型,避免了屈服准则的近似处理。其次,引入基于M-C准则的网格自适应加密策略,通过判断各个单元应力接近屈服的程度,确定加密点的坐标。然后,将加密点与原先节点组合构成新的点集,并重新划分网格,建立新的下限有限元计算模型。最后,利用所提方法研究隧道稳定性问题,表明利用所提网格自适应加密策略能够以较少单元精确模拟破坏区域应力分布,从而获取高精度下限解。

基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

基于改进四叉树和比例边界有限元法的自适应设计域拓扑优化方法

针对大型结构拓扑优化计算成本高和固体各向同性材料惩罚模型(SIMP)在优化后结构边界处求解精度低的问题,提出了一种基于SIMP法的自适应设计域(ADD)拓扑优化方法。将改进四叉树法应用在拓扑优化的过程中,通过自动划分不同等级的网格单元来减少网格数量、减轻计算负担并提高边界处求解精度;采用比例边界有限元法(SBFEM)实时计算划分后结构的有限元信息,解决了不同等级网格间悬挂节点的问题。所提方法可在初始网格相对较少的情况下得到更加精确的结果,大幅度地降低了计算成本。数值算例结果表明,所提方法在最终结构边界处精度相同的情况下,计算时间最快可缩短为原来的1/100,可以为后续降低大型结构拓扑优化的计算成本提供参考。

三维有限元法应用于乳牙牙体修复的研究进展

有限元法是一种分析方法,其运作基于现代的计算机技术并应用于理论力学方面,且能够建立研究所需的省时、直观、具有明确结论的模型。迄今已广泛应用于工程技术领域,而对于口腔医学专业的载荷应力研究方面也具有很强的优势。三维有限元法应用在儿童口腔医学领域的相关力学研究已逐渐成为热点。

基于有限元法的永磁同步电机性能校核

针对纯电动汽车电机磁漏、能量转换及过载保护等多样化需求,提出一种自主设计的永磁同步驱动电机,围绕电机的建模、网格分层、电磁场特性及不同工况下的有限元解析等多维度进行研究。通过仿真软件Maxwell 2D建立完整的永磁同步电机模型;并进一步分析电机在空载状态下定子齿部磁密、轭部磁密、转子隔磁桥磁密及磁场漏磁等电磁场特性,确保永磁同步电机有限元模型准确可靠;在此基础上,对驱动电机在额定负载和过载工况下的特性进行分析。结果表明:电机在额定负载时,定子齿部的磁感应强度约为1.85 T,轭部约为1.44 T,未达到饱和状态,平均输出转矩约为66.22 N·m,转矩峰值约为72.65 N·m,磁力线分布较为均匀;电机在过载时,定子齿部及轭部磁密均已饱和,过载电流远超额定电流的2.5倍以上,平均输出转矩约为178.25 N·m,说明该电机具备出色的过载能力。

基于有限元法与机器学习相结合研究高温超导带材的动态电阻

高温超导体在直流输运过程中,当受到外部交变磁场的影响时,会产生高温超导体独有的动态电阻现象。在高温超导带材应用的仿真研究中,使用有限元方法可以快捷地计算和分析动态电阻。然而,由于生产工艺等因素的差异,实际高温超导带材的临界电流受磁场影响程度不同,表现出不同的输运特性,会给不同带材的有限元建模带来挑战。与使用经验公式或插值方法处理实际带材的临界电流数据不同,本文采用机器学习来处理三种不同商业带材的临界电流数据,并建立有限元模型来分析动态电阻特性。结果表明,机器学习具有建模高度非线性和多因素的超导临界电流特性的能力,结合了机器学习工具的有限元模型对超导动态电阻的讨论同样具有可靠的精确度及可行性。

有限元法预测颈椎前路椎间盘切除融合螺钉置入位置对内固定稳定性的影响

背景:在颈椎前路椎间盘切除融合过程中,螺钉放置角度会影响内固定系统的稳定性。目的:有限元分析法预测不同螺钉放置角度对颈椎前路椎间盘切除融合过程中内固定系统应力的影响,寻找螺钉最佳放置角度。方法:采用三维重建法建立颈椎力学模型,模拟颈椎侧弯、直立和前屈等3种不同的工况。在SolidWorks 2017软件中,建立颈椎前路钢板和螺钉模型,根据螺钉的不同放置角度建模,a为内侧偏移,b为理想位置,c为外侧偏移,d为向下偏移,e为向上偏移。观察不同螺钉放置角度下内固定的应力分布,并记录其应力和位移。结果与结论:①构建全颈椎及前路钢板置入后的有限元模型,在相同工况下,钢板上螺钉的不同置入角度对脊柱生物力学改变无明显差别;②但微观数值显示,在侧弯工况下,向外偏移(c)螺钉位置的抗侧弯性能最好;在直立工况下,向下偏移(d)螺钉承载效果最好;在反屈工况下,向外偏移(c)螺钉抗屈效果最好;③在不同的运动工况下,内固定装置的固定效果是相对稳定的;当螺钉向内侧、外侧、向下或向上放置时,3种工况下的内固定效果相差10%,但位移变化较小;这说明在临床实际操作中同时满足承重、抗弯、抗屈的最佳螺钉位置是不存在的;④提示颈椎前路间盘切除融合术中钢板螺钉的置入方向对颈椎的力学稳定性影响不大;在颈椎侧屈、直立、前屈运动时,不同方向的螺钉角度对颈椎内固定装置的稳定性影响不大;因此在临床手术中无需刻意追求螺钉的置入方向。

位移外推法和扩展有限元法计算应力强度因子的比较

作为评定裂缝是否扩展的重要参量,应力强度因子的计算精度影响材料性能的评估。通过含预制裂缝的三点弯曲梁、矩形板中心裂缝、矩形板中心斜裂缝和矩形板中心界面裂缝模型4个数值算例,采用位移外推法和扩展有限元法分别计算了裂缝尖端应力强度因子。将计算结果与解析解或其他数值方法参考解进行对比验证了上述两种方法的计算精度。此外,探讨了网格密度对应力强度因子求解精度的影响以及剔除裂尖附近的结果对位移外推法求解应力强度因子的影响。发现位移外推法可以通过对裂尖进行网格局部加密和去除裂尖奇异点来提高精度;扩展有限元法对网格密度要求相对较小,综合计算时间考虑,可以适当增加网格密度。结果可为求解应力强度因子和针对试验-数值耦合法计算断裂韧度提供参考。

第五届比例边界有限元法最新进展国际研讨会在我校成功召开

2023年11月24日至26日,由我校、澳大利亚新南威尔士大学和河海大学联合主办,我校土木工程防灾减灾湖北省引智创新示范基地和土木与建筑学院承办,大连理工大学、宁波大学协办的“第五届比例边界有限元法最新进展国际研讨会(SBFEM-2023)”在我校成功召开。本次研讨会由大连理工大学林皋院士担任名誉主席,澳大利亚新南威尔士大学宋崇民教授、三峡大学陈灯红教授、河海大学杜成斌教授担任主席。

基于有限元法的破冰弹头对海冰侵彻作用研究

针对环渤海地区的冬季海冰灾害,现有的破冰方法并不理想,破冰船破冰效率低,小吨位船舶在破冰后仍无法自行出入港口,炮弹炸冰危险性大,且受到作业条件的限制大。该文设计一种可以用于高厚度海冰的新型破冰弹头,通过建立新型破冰弹头几何模型,添加各向异性材料模型-海冰及Johnon失效准则,利用Autodyn显示动力学软件对其进行海冰的侵彻模拟,通过分析海冰的应力应变曲线以及损伤云图得出,新型弹头模拟侵彻海冰过程中,初生裂纹可以有效帮助爆破二次启动。

基于有限元法的叉车式AGV门架系统结构分析

叉车式AGV作为智能物流工具之一,是未来仓储物流、智能工厂的重要组成部分。本文以叉车式AGV为研究对象,通过有限元法建立其关键结构的分析模型,对其整体结构及关键零部件进行静力学和动力学分析与计算。结果表明,在极限受载状态下,门架系统各部分的结构强度、变形量及模态分析结果均符合设计要求,为验证叉车式AGV结构设计的合理性及后续结构优化提供了数据支撑和参考。

基于有限元法的新能源汽车电池包箱体轻量化设计

随着国家新能源汽车的快速发展,其关键零部件——动力电池也越来越受人们的重视。其性能的优劣对整车的动力性、经济性及安全性有很大的影响。相对于常规燃料汽车来说,新能源汽车的动力电池在整车中所占的比重超过了 60%。因此,提高新能源汽车动力电池性能指标,减轻动力电池重量对于提高车辆续航里程、降低车辆油耗具有重要意义。基于此,本文将从以下几个方面出发,详细阐述基于有限元法的新能源汽车电池包箱体轻量化设计策略,以期能够为相关研究人员提供一些必要的参考。

有限元法下的防汛墙影响性分析及围护施工应对措施

临近防汛墙区域的施工,必然会对防汛墙产生或多或少的影响。通过有限元法对不同状况荷载作用下防汛墙变形进行分析,充分了解防汛墙的受力特点和变形特征,以便在防汛墙附近施工时,采用相对应的措施,减少施工对防汛墙的影响,从而确保防汛墙的使用安全。

基于有限元法的中心牵引橡胶节点疲劳失效分析及改进研究

阐述某轨道车辆转向架用中心牵引橡胶节点结构特点及疲劳失效形式,通过有限元计算对失效位置进行复现,提出不同改进方案。利用有限元法对不同改进方案进行应力分析,选出最佳改进方案,并通过疲劳试验验证了产品的可靠性,可以为类似产品设计提供借鉴经验。

基于有限元法的串补站电场分布特性研究

串补工程所涉设备繁多,在布置上与常规站有明显差别,其对电站电磁环境有较大影响。采用三维有限元分析计算方法,结合国外某400 kV串补工程,建立三相完整模型,对串补站近地工频电场分布及其影响因素展开研究。通过模型的对比分析表明:设计尺寸下的串补站近地电场分布满足限值要求,单一因素的变化仅对相关设备邻近区域的电场分布有显著影响;在一定范围内,平台及围栏越高,线路距离越近,近地电场分布所受影响越趋积极。

基于热弹塑性有限元法的双腹加筋板焊接顺序研究

为进一步研究双腹加筋板不同焊接顺序下残余应力和变形的分布规律,基于热弹塑性有限元法,采用有限元软件Abaqus对双腹加筋板进行了焊接数值模拟,分析了双腹加筋板不同焊接顺序下残余应力和变形的分布规律。分别采用壳单元和实体单元对双腹加筋板远离焊缝区及焊缝区建模,以提高计算效率,并建立了壳单元与实体单元自由度之间的线性约束。计算比较了双腹板同步焊接与连续焊接下的加筋板焊接残余应力与变形,共计17种焊接顺序。结果表明:相比于连续焊接,双腹加筋板采用同步焊接产生的残余应力与角变形较小,双腹加筋板同步焊接角变形的幅值比连续焊接角变形幅值减小了47.1%。