有限元-边界元耦合法在二维电磁场数值计算中的应用及优化措施

在二维电磁场数值分析中，有限元-边界元耦合法将有限元法与边界元法结合，可以同时发挥两种方法的优势．笔者在介绍有限元-边界元耦合法原理与算法的基础上，分别研究子域逼近有限元法、Mortar元法和并行计算与有限元-边界元耦合法结合使用分别为关心区域相对整体区域尺寸较小、求解区域中包含运动导体和大规模高自由度电磁问题的数值计算提供优化途径．

三维有限元-边界元耦合法的并行计算及优化措施

在应用有限元-边界元耦合法分析大规模三维电磁场数值计算问题时,采用并行计算方式可以有效地节省计算时间和提高求解精度.在介绍并行计算在线性单元和高阶单元问题实施原理的基础上,分别论述了应用自适应交叉逼近技术降低边界元求解区域内存消耗、应用分布式预处理共轭梯度法求解器对复杂且包含易变化部件求解区域进行基于相对编号的建模以提高并行机群的运行效果、应用Borland C＋＋Builder软件实现分析结果导出自动化以降低人工工作量这三种对有限元-边界元耦合法并行计算的优化措施.

流体-结构耦合问题的有限元并行计算研究

流体-结构耦合问题广泛存在于各种工程领域,本文采用ALE显式有限元法求解该类问题,并对该方法的并行性进行讨论。同时根据流体-结构耦合问题与ALE显式有限元的计算特点,在坐标递归分区方法的基础上设计并程序实现了基于流体-结构耦合均衡的分区算法。通过与坐标递归分区方法的计算结果相比较,对于流体-结构耦合问题的求解,耦合均衡并行分区方法具有更好的加速比和并行效率。

地铁振动预测的周期性有限元-边界元耦合模型

针对地铁列车运行引起的隧道结构和自由场中的振动响应问题,提出了一个在频率-波数域内的三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型,此模型中隧道结构采用有限元法计算,自由场采用边界元法模拟。此模型采用Floquet变换,利用隧道和自由场在隧道轴线方向上的周期性,把无限长的隧道及自由场的网格划分限制在一个基本元内,这样使动力学数值计算的效率大大提高。利用此模型计算了在隧道底板上施加固定单位谐振荷载情况下隧道-自由场相互作用系统的动力响应,结果表明此模型可应用于地铁列车运行引起的隧道和自由场中的动力响应预测。

用时域有限元边界元耦合法计算三维瞬态涡流场

文中首次应用时域有限元-边界元耦合法(T-FEBEM) 研究了涡流检测中有限厚平板导体中含有窄裂缝时的瞬态涡流场。采用伽辽金加权余量法,推导出A-φ位函数的时域有限元-边界元耦合算法,讨论了确定时间步长的基本方法, 用不完全分解共轭梯度法(ICCG)求解线性方程组。研究了平板导体中不同深度裂缝的时域响应,并与频域有限元- 边界元耦合法(FEBEM)和付里叶变换方法所得结果进行了对比。计算结果表明,时域有限元-边界元耦合法效率更高,是一种求解瞬态开域涡流场的有效方法。

一种计算轴对称磁场的边界元-有限元混合法的研究

由静磁场的基本方程和有限元的原理出发,研究了一种新的计算带非饱和磁介质轴对称磁场的边界元-有限元混合法,编制了计算电磁聚焦成象系统聚焦磁场的程序。这种方法解决了单纯使用有限元法的边界封闭问题,为成象系统及其它磁透镜的工程设计提供了一种有效方法。

月面手动插旗过程的离散元-有限元耦合分析

在月球表面插入旗帜对人类探索宇宙具有重要意义.本文采用离散元G有限元耦合算法对手动插旗过程进行数值分析,首先,建立月壤的离散元模型、旗杆的有限元模型以及月壤与旗杆相互作用的离散元G有限元耦合模型;然后,对旗杆的结构进行优化设计以提高其稳固性;最后,提出三种不同的插旗方式并讨论不同插旗方式下旗杆的动力特性.研究结果表明,离散元G有限元耦合算法对月面插旗过程的模拟是有效的;底部尖锐度及稳定支架开叉角度的合理设计有利于增大旗杆的入壤深度和旗杆的稳固性;增大直接插入法中轴向力、提高敲击插入法中敲击力和敲击频率均可以增加旗杆的入壤深度;旋转插入法中旋转速度和旋转频率对插入过程影响较小.以上研究可为月面手动插旗提供有效的方案和理论参考.

流-固耦合问题边界元-有限元耦合方法分析

利用边界元 -有限元耦合方法对流 -固耦合振动问题进行了分析 ,假设流体控制方程为 L aplace方程 ,利用非连续边界元对流体域进行离散 ,从而有效地解决了边界元分析中的“角点效应”问题。固体以平面梁为模型 ,采用有限元进行离散 ,对非连续边界元和有限元的耦合问题进行了分析 ,通过对悬臂梁在一侧受液体作用时的瞬态响应分析的数值解同解析解的比较 ,表明了本文所给方法的有效性 ,同时为利用边界元 -有限元耦合方法对流

基于重叠边界的有限元与离散元耦合异步长并行计算方法

为了减少有限元和离散元耦合领域问题的计算时间,本文建立了有限元-离散元耦合异步长并行计算方法。整个计算模型分为有限元和离散元两类计算区域,根据每个子域单元特性选择合适的积分时间步长。每个子分区均采用显式时间积分格式进行求解,采用重叠边界法处理边界耦合问题,不涉及子循环过程的插值和截断过程。数值算例表明该方法在保证高精度的同时有效降低了计算时间。

航天器结构声振耦合问题的有限元-边界元方法数值仿真研究

针对高超声速、结构轻量化带来的航天器复杂结构声振耦合动力学环境难以精准预示问题,提出一种基于有限元-边界元(FEM-BEM)方法的声振耦合问题数值仿真方法。分析国内外求解声振耦合问题的主要数值仿真方法,从影响航天器性能设计的低中频声振耦合动力学特性入手,采用有限元-边界元方法,以航天器典型结构截锥壳为研究对象,开展混响噪声作用下的声振耦合研究。建立了声振耦合模型,获得了主体结构、主要支撑结构及设备的声振耦合响应。提出的数值仿真方法和仿真分析过程,为航天器声振耦合分析提供了理论基础和仿真手段。

双层壳体的船舶动力舱振动与声辐射的有限元结合边界元数值计算

利用 ANSYS有限元软件 ,建立了双层壳体的船舶动力舱的水下结构流体耦合的声振模型。采用有限元结合边界元的方法 ,数值计算并分析了耐压壳体和轻质外壳的厚度变化对动力机械振动传递、水下外壳振动以及辐射噪声的影响。计算结果表明 ,本文的方法对大型复杂结构的水下声振预估有借鉴价值。

有限元–边界元耦合法在运动导体涡流场中的应用

基于A,φ-A法和库伦规范,推导了导体区域和非导体区域的有限元方程及自由空间的边界元方程,通过引入交界面条件,实现了将边界元矩阵等效为有限元矩阵求解的有限元-边界元耦合法(finite element and boundary element coupling method,FE-BECM)。将FE-BECM应用于TEAM-7问题的计算,验证了该方法处理开域涡流问题的有效性。当FE-BECM应用于运动导体涡流场(moving conductor eddy current,MCEC)问题时,用有限元离散源电流区域和运动部件,用边界元离散自由空间并关联相互独立的有限元区域。该方法克服了常规有限元法使用1套网格处理运动问题所遇到的麻烦。使用有限元-边界元耦合法对单级线圈炮问题进行了计算,验证了算法处理运动导体涡流场问题的有效性。

基于薄片有限元-无限元耦合模型的地铁列车振动环境影响分析

鉴于地铁运营引发隧道及地层沿线路纵向的振动水平及特性不甚明确,应用薄片有限元-无限元耦合模型对地铁列车运营引发隧道基底、隧道壁及地表在垂直于线路的水平方向、铅垂方向及线路纵向三个方向上的振动响应进行高精度分析及比较。分析结果表明:(1)地铁列车运营引发横向、垂向及纵向三个方向6 Hz以下的低频振动在地表均衰减得极其缓慢,且地表三个方向的振动速度、加速度响应具有相似的频率成分;(2)列车运营引起隧道壁的纵向振动响应在1~100 Hz频段内较小,在该频段内的大部分频率点处,其响应甚至小于地表的纵向振动响应;(3)在隧道基底及隧道壁,由列车运营引发的纵向振动响应在1~100 Hz频段以内显著小于由其引发的垂向振动响应,但在地表,由列车运营引发的纵向振动响应具有同横向、垂向响应相当的量值。

离散元与有限元耦合的时空多尺度计算方法

采用力学与动力学参数传递以及权值分配法,建立了离散元与有限元耦合的时空多尺度计算方法。弹性应力波传播算例模拟结果表明,时空多尺度计算方法具有时间与空间多尺度双重优势,有效提高了数值计算效率,并且模拟结果满足精确性要求。同时,将这一多尺度计算方法应用于激光辐照下受拉铝板破坏行为的数值模拟中,得到的模拟结果与实验结果基本一致。

基于2.5维有限元-边界元分析轨道随机不平顺影响下的铁路地基振动

建立了完善的2.5维有限元-边界元耦合模型分析移动谐荷载作用下钢轨、扣件、轨枕、道砟、路基和地基等各部分的振动响应;利用既有的车辆-轨道-路基-地基耦合系统垂向振动解析模型得到轨道谐波高低不平顺引起的垂向动态轮轨力;在此基础上,结合轨道随机不平顺功率谱密度,提出了列车运行引起的地基振动功率谱计算方法。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度级的理论计算与现场实测结果,证明了该模型的合理性。模型能有效地分析具有复杂横截面形状的轨道-路基-地基系统的振动响应以及多种轨道、地基减振隔振措施的影响,且具有较高的计算效率,适用于铁路线路设计阶段的方案比较研究。

自然边界元与有限元的直接耦合及其并行化实现

首先介绍了有限元和自然边界元的直接耦合法,然后以一个含3个裂纹等截面杆的扭转问题为例编写了并行求解程序,并同串行程序运行时间作了比较,从实践上说明了并行计算在有限元和自然边界元的直接耦合法中的可行性与有效性。

基于有限元法的福建沿岸天文潮-风暴潮耦合预报模式研究

采用有限元法建立了一个适用于福建沿岸的天文潮-风暴潮耦合预报模式(FETSCM),模式采用三角网格,在福建沿岸平均网格分辨率为1 km,最高500 m.利用福建沿岸6个潮位站的实测资料对模型进行了验证,天文潮模拟结果与实测吻合良好,5个站位平均绝对误差为22 cm;31场历史台风期间6个站位风暴潮后报模拟误差为24 cm;天文潮-风暴潮耦合总水位的平均极值误差为20 cm,表明该耦合预报模式对福建沿岸的台风灾害预警有较好实用价值.

面向对象有限元并行计算框架PANDA的多物理场耦合服务

针对结构分析软件面向多物理场的应用,分析讨论面向对象有限元并行计算框架PANDA的多物理场耦合服务设计,即多物理场分析类型的扩充能力、不同物理场间的数据传递和多物理场耦合分析的求解策略.在PANDA提供的多物理场耦合服务的基础上,开展热-力耦合分析功能的程序开发,实现热弹性分析功能.热弹性分析算例计算结果与ANSYS的计算结果完全一致,表明基于PANDA框架的多物理场耦合功能开发已取得一定进展.

饱和地基轴对称竖向振动有限元-无限元耦合解

根据饱和土弹性波动方程和波的传播特性,建立了饱和地基轴对称竖向振动问题的一种有限元-无限元耦合解法并编制了计算程序;对可蜕化为单相弹性地基的气饱和土(干土)与渗透性很差的水饱和土地基,应用该方法计算了Lamb问题的地表竖向位移,其结果与既有单相弹性地基的理论解吻合良好.所提出方法可为求解层状饱和地基轴对称动力问题、研究饱和土中单桩复合地基动测技术等提供一种较为简便而可靠的分析手段.

三维节理元与有限元和无界元的耦合原理及应用

提出了三维有限元、无界元与节理元的耦合系统，利用该系统模拟并分析了含有 节理夹层不均匀坝基的应力和位移分布情况．结果表明，该系统既反映了实际单元情 况，又具有良好的精确度．