计算多介质电场节点场强的有限元-边界元法

为了解决节点有限元法在多介质电场计算中场域边界及介质分界面处场强计算精度不高的问题,提出了一种有限元-边界元混合算法。该算法首先应用节点有限元法计算多介质场域中的节点电位,然后将场域划分成多个单一介质的子域,子域边界处的电位通过有限元法计算的节点电位映射插值得到。接下来对各个子域分别采用边界元法计算边界处的法向场强,子域内部任意位置的场强则通过边界积分方程计算得到。数值计算结果表明该方法在场域边界以及分界面处节点场强的计算精度比传统的面积加权平均算法高,场域内部节点场强的计算误差也较低。所提方法不仅适合于静电场的计算问题,也适合于其它场强在介质分界面处不连续的矢量场计算问题。

用边界元-有限元法研究高架结构辐射噪声

高架结构是城市轨道交通的重要部分,其引起的结构辐射噪声问题引起了越来越多的关注。基于边界元Helmholtz积分公式和有限元流固耦合系统理论,推导了结构振动加速度与辐射声压之间的声传递向量,该传递向量可通过单元辐射叠加法求得,结合采用直线电机车辆的北京首都机场快轨线某段高架桥梁段现场试验结果进行了比较分析。结果表明:使用该方法计算的声压结果与实测结果的声压频谱分布及变化趋势吻合较好,该方法可用于城市轨道交通高架结构辐射噪声的预测研究。

半无限弹性空间中移动荷载动力响应的频域-波数域比例边界有限元法分析

基于Fourier积分变换和虚功原理,形成了频域-波数域比例边界有限元法,分析了移动荷载作用下半空间域弹性空间动力响应。首先对半无限域弹性体的动力控制方程进行时间到频域,荷载移动方向的空间域到波数的Fourier积分变换,然后选择比例中心,利用虚功原理,在地铁隧道孔洞横截面环向上采用有限元法意义离散,建立了频域-波数域比例边界有限元方程,进而形成了一阶微分矩阵方程形式的半无限空间动力刚度。文中理论推导表明:利用文中方法分析半无限域中沿地铁隧道结构纵轴向的移动荷载动力响应问题,不仅可避免无穷边界计算处理误差,而且可极大减小计算分析量。计算结果表明:半无限弹性地基的振动响应随移动荷载速度增大而增大,尤其是当荷载速度增大到土体剪切波速后,振动波传播到土体表面引起土体振动显著增大,土体振动性增大,将会对土体及表面结构的安全性形成一定影响,另一方面土体的振动在沿地铁隧道纵轴向的衰减比竖向慢。

列车车轮辐射声场的有限元法-边界元法研究

为探索车轮在轮轨表面粗糙度激励下的振动辐射声场特征,利用有限元法-边界元法相结合的方法,完成了建立车轮和轨道的三维有限元模型,根据有限元法分析其结构振动模态和位移导纳特性,通过声学边界元软件Virtual.Lab对车轮辐射声场及真实激励下辐射声功率级进行预测研究。结果表明:轮轨接触点处车轮径向导纳变化剧烈,在计算频率范围内自振频率较多,而钢轨的垂向导纳变化整体较为平和,在钢轨Pinned-Pinned频率附近变化较剧烈;车轮的声辐射具有较强的指向性,其声辐射效率在低频时较小,随着频率增大而增大,并逐渐趋于1;计算得到的每单位粗糙度的接触力与D.J Thompson根据轮轨相互作用模型计算出的结果基本相符,真实激励下的声辐射功率总体来看高频范围的声功率级大于低频范围。研究结果可为进一步探讨列车车轮在真实激励下的辐射噪声预测及控制提供帮助与参考。

一种开域静磁场双标量位混合有限元边界元法研究

研究了开域静磁场的双标量位混合有限元(FEM)边界元(BEM)方法。首先定义了全标量磁位与部分标量磁位,通过对不同媒质交界面处磁场连续性条件的处理,导出了全标量磁位与部分标量磁位在自由空间和铁磁区交界面的耦合边界条件,进而推导出开域静磁场的双标量位有限元与边界元耦合方程。仿真计算的结果验证了该算法的有效性。

复杂媒质电磁散射特性的有限元—边界元方法分析

通过有限元—边界元方法分析具有复杂媒质特性目标的电磁散射特性,如各向异性、双各向同性、双各向异性等。该混合方法能够利用有限元灵活地处理散射体内部的复杂材料,利用边界积分方法分析物体的非闭合区域,避免了使用吸收边界条件截断开放区域。通过推导基于有限元法的双各向异性媒质的泛函表达式,实现铁氧体、等离子体、手征等各类复杂媒质的统一建模,使该方法有很强的通用性。数值结果证明:本文发展的有限元—边界元方法对复杂媒质电磁散射问题分析的准确性和有效性。

边界棱边元FEM-BEM法在开域静磁场计算中的应用

为了解决电气工程与电磁散射和辐射领域中常遇到电磁场开域问题,对基于边界棱边元的混合有限元边界元法在开域静磁场计算中的应用进行了研究.在铁磁区采用标量磁位,空气区采用磁场强度矢量H,利用棱边单元离散边界面,将边界上H的切向分量用线性函数离散,法向分量设为常数.通过对不同媒质交界面处磁场连续性条件的处理,推导出铁磁区中的标量磁位与自由空间中的H在交界面处耦合的条件,进而推导出开域静磁场的有限元与边界元耦合算法.在以上分析的基础上编制了相应的FEM-BEM分析软件,采用MSC.Patran软件对铁磁体进行剖分,将剖分的体单元、面单元与节点的信息以文本的形式输出,然后用该软件进行读取.仿真计算的结果与解析值相比精度较高,说明本方法对开域静磁场问题有较好的适用性.

基于瞬态边界元法的箱梁声辐射

为进一步开展桥梁结构噪声的研究,基于有限元-瞬态边界元法理论,对铁路32 m简支箱梁桥进行了时域振动响应及声辐射特性分析.首先,利用有限元软件ANSYS建立轨道-桥梁有限元模型;然后,运用车-线-桥仿真程序(TTBSIM),仿真计算得到轮轨相互作用力,并作为有限元模型的外部激励进行了列车动荷载作用下桥梁的时域振动响应分析;最后,以桥梁振动响应为边界条件,利用声学边界元软件Sysnoise研究分析了由列车动荷载引起的桥梁瞬态辐射噪声,并将测点声压计算值与实测值进行了对比验证.研究结果表明,200 km/h高速列车作用下桥面板振动级明显大于桥底板和桥梁腹板,桥梁主要噪声辐射部位为桥面板;桥梁结构噪声主要集中于低频段;随距离增加,噪声幅值逐渐减小,且高频噪声衰减速度明显快于低频噪声.

坦克炮塔基体雷达隐身特性有限元仿真研究

利用有限元-边界元数值方法,建立了微缩坦克炮塔基体雷达散射截面(RCS)的仿真计算模型,研究了模型中各种边界层的设置条件,计算分析了单元尺寸、单元类型、PML单元层数以及模型外表面阻抗边界条件对目标RCS计算精度的影响.研究结果表明,应用一阶六面体HF120型单元离散等效源表面到PML外表面之间区域,可将厘米级目标RCS的计算时间缩短至20%,有限元模型中PML单元层数可减少到3层.

400 km/h高速铁路轮轨噪声与二次结构噪声预测及分析

为评估400 km/h高速铁路列车通过桥梁时产生的轮轨噪声与二次结构噪声,基于统计能量分析法、有限元-边界元法,建立轮轨噪声和二次结构噪声数值预测模型。在此基础上,从轮轨粗糙度、车速和扣件刚度3个方面,分析轮轨粗糙度变化、车速变化以及扣件刚度变化对高速铁路高架段轮轨噪声和二次结构噪声的影响。研究结果表明:(1)在仅改变轮轨粗糙度情况下,综合噪声的变化趋势一致,随着轮轨粗糙度的增大,综合噪声也呈现增大趋势,并且轮轨粗糙度每增加1 dB,声压级增加1 dB(A);(2)在仅改变车速情况下,综合噪声的变化趋势一致,随着车速的增大,综合噪声也呈现增大趋势,但是噪声增大的速率变缓;(3)在仅改变扣件刚度情况下,扣件刚度变化对综合噪声的影响,主要集中在50~800 Hz频段,在其他频段范围内,综合噪声几乎不受扣件刚度变化的影响。在50~200 Hz频段,随着扣件刚度的增大,综合噪声也相应增大;而在200~800 Hz频段,随着扣件刚度的增大综合噪声数值减小。

复杂加筋的锥-柱组合壳声振相似规律研究

[目的]旨在解决复杂加筋组合壳结构缩尺模型的声振试验结果难以准确换算至原型的难题,分析两者的声振相似规律,为水下复杂加筋壳结构声振缩尺模型的试验研究提供依据。[方法]使用面单元模拟加筋方法构建复杂锥-柱组合壳模型及其缩尺模型,基于有限元-边界元法(FEM-BEM)混合方法,计算模型壳体的声振响应,并结合加筋圆锥壳模型试验,验证采用上述方法计算复杂组合壳声振响应的准确性,系统研究复杂组合壳的声振相似规律。[结果]结果表明:在相同的模型材料参数、边界条件和激励力下,复杂组合壳的模态频率与缩尺比成反比,对应频率的模态振型相同;在相同的激励力下,复杂组合壳的振动响应与缩尺比成反比,其声压与缩尺比和场点距离的乘积成反比;缩尺模型与原型的水下声辐射效率及声压指向性相同。[结论]在模型相似条件下,复杂组合壳结构表现出了良好的声振相似规律,满足相似条件下采用缩尺模型试验研究组合壳原型结构的声振特性要求。

近直下型断层的地铁车站结构地震响应

目前在近断层场地中地下地铁车站抗震性能水平认识方面相对匮乏,鉴于此,提出了一种考虑发震断层-地下结构全过程地震响应的IBE-FEM联合求解分析方法。首先,基于运动学有限断层模型,采用间接边界元方法(IBE)求解直下型走滑断层错动作用下上覆软土沉积层场地内的地震波场,并验证了有限元法(FEM)间接求解地震波场的可行性;在此基础上,通过建立土-地下连续墙-主体结构非线性静-动力耦合的二维整体时域有限元模型,初步探究了断层-软土场地耦合效应对地铁车站抗震性能的影响规律。结果表明:在近断层区域,地铁车站结构震害具有典型的断层上盘效应和震害集中效应,更容易进入塑性变形发展阶段;在远断层区域,由于断层-场地效应耦合作用,断层下盘场地内地震波场衰减较缓,其内车站结构整体震害略大于断层上盘。本文研究方法为近断层场地条件下地下结构地震响应分析开辟新思路,也可为相关场地区域内的地下结构抗震设计提供技术参考。

吸声材料布局对铁路声屏障降噪效果影响研究

为研究吸声材料布局对铁路声屏障降噪效果的影响,以3 m直立型声屏障为研究对象,通过有限元和声学边界元相结合的方法进行建模,分析6种非全吸声屏体布局声屏障的降噪效果,并与全吸声和全反射型声屏障进行对比分析。结果表明:吸声屏体在上部、中部、下部分别对高频(1 000 Hz左右)、中频(630~800 Hz)和低频(100~500 Hz)噪声的插入损失影响较大;在水平方向上,随着下部吸声屏体面积增加,声屏障总的插入损失逐渐增大,声屏障下部屏体2 m范围内吸声对插入损失的改善起主要作用;竖直方向上,受声点7.5 m以上时,声屏障中上部屏体1.5~2.25 m范围内吸声对插入损失的改善起主要作用;随着距离增加,非全吸声屏板布局与全吸声、全反射布局之间的降噪效果差值逐渐变小。当受声点高度为1.5 m,距离声屏障2 m时,非全布局与全吸声和全反射工况的降噪效果相差8.6 dB(A),距离20 m位置时相差2.6 dB(A),距离30 m位置时相差为1.1dB(A)。

压剪复合型弹性车轮对市域桥梁结构噪声的影响

弹性车轮在地铁及城市轨道交通上的可应用性正在进行深入研究。我国市域线路也包括不少高架线路,因此有必要研究弹性车轮对高架桥梁结构噪声的影响。利用有限元-边界元法建立频域轮轨相互作用模型及桥梁振动声辐射模型,并利用文献测试结果对仿真模型进行验证。在此基础上,分析弹性车轮橡胶参数对桥梁结构噪声的影响,得到以下结论:弹性车轮橡胶弹性模量的变化对桥梁结构噪声辐射总声压级影响较大,当橡胶弹性模量取10 MPa时,桥梁结构噪声辐射总声压级较刚性车轮可降低4.56 dB,但随着橡胶弹性模量的增加,弹性车轮解耦频率也增加,桥梁结构噪声逐渐增大,并逐渐趋于刚性车轮情况下的桥梁噪声;弹性车轮橡胶结构阻尼比的变化对箱梁结构降噪量影响不明显,当橡胶阻尼比由0.1增至0.4时,桥梁结构噪声辐射总声压级只降低1.04 dB;弹性车轮橡胶泊松比的改变对桥梁结构噪声总声压级影响很小。研究成果对弹性车轮在城市轨道交通的推广应用提供一定的参考。

轮对声振特性及多边形发展与轮辋厚度相关性研究

影响轮对振动声辐射的重要因素之一是车轮几何形状,当列车长期运营时,轮辋自然磨耗和镟修使其慢慢变薄,这样一方面直接影响轮对振动声辐射,另一方面,间接影响车轮多边形的改变进而也会对振动噪声产生影响。通过对长期运营的高速列车车轮粗糙度、振动噪声跟踪测试以及对轮对声辐射仿真预测,针对轮辋厚度改变对轮对振动声辐射的影响进行研究。结果表明:在车轮表面粗糙度一样时,轮辋越薄,在高频范围内轴箱振动越大,但增加较小。此外,依据车轮定频整分原理,轮辋厚度改变对车轮多边形的发展会产生影响,而车轮多边形的改变又将直接对轮对振动噪声产生影响。

不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FEIBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在理论和计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏大,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,两种耦合模式在0~12Hz范围内求解结果近似,在12Hz^200Hz范围内求解结果差距较大,基于声固耦合模式的FEIBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法。合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。

船用柴油机油底壳声辐射计算及结构优化设计

以某船用高速柴油机油底壳为研究对象,通过测试获得油底壳激励载荷,分别利用声振耦合模式下有限元-边界元法及非耦合模式下有限元-边界元法计算油底壳辐射噪声。结果表明,不同模式下油底壳辐射声功率曲线基本吻合,油底壳与辐射介质间耦合作用可以忽略。分别利用非耦合模式下有限元-边界元法(FE-BEM)、有限元-匹配层技术(FE-AML)及有限元-无限元法(FE-IFEM)计算油底壳辐射噪声,探索了3种方法在建模规模、计算精度及计算耗时方面的差异性。研究发现,宜首选有限元-边界元法计算船用柴油机油底壳辐射噪声。为减小油底壳辐射噪声,对油底壳结构进行多目标形貌优化设计,结果表明,形貌优化可有效降低油底壳振动及辐射噪声,减少设计重复性并缩短设计周期。

轮对和轨道结构底部柔性对桥梁结构噪声的影响

目前对于桥梁结构噪声的研究大多采用有限元-边界元法,而且在进行轮轨力计算时把轮对和轨道结构底部看成是刚性,没有研究轮对柔性和轨道底部由桥梁提供的弹性对桥梁结构噪声的影响。基于此,以WJ-8扣件板式无砟轨道为例,利用频域轮轨相互作用模型及有限元-边界元法建立桥梁振动声辐射模型,研究轮对柔性、轨道结构底部柔性、列车运行速度等对桥梁结构噪声的影响。研究结果表明:若将轮对和轨道结构底部均考虑为刚性时,则会高估桥梁结构噪声达3.2 dB;随着列车运行速度的增加,桥梁结构噪声也增加,其增大程度主要取决于轮轨粗糙度谱;翼板对各个桥旁测点声压级的贡献量均不可忽略。

三相电抗器立体井型线声源等效模型的建立

随着社会发展和人民环保意识的提高,特高压(ultra high voltage,UHV)噪声污染的投诉与纠纷日益增多,已经成为制约电网绿色发展与建设的重要因素。通过对特高压变电站内主设备噪声的测量,发现三相电抗器噪声最大,且出现极大与极小值交替现象。说明电抗器噪声在传播过程中存在明显的干涉效应,这也是造成常用商业噪声软件的预测值与实测结果不符的主要原因。为解决此问题,基于有限元法(finite element method,FEM)声固耦合及有限元法-边界元法(FEM-boundary element method,FEM-BEM)耦合理论,使用数值仿真软件COMSOL对三相电抗器声源特性及声源等效模型建立方法展开研究。研究发现三相电抗器噪声频谱中100 Hz的声功率级占比全频带声功率级超过90%,说明100 Hz是造成干涉效应的主要频率。并基于此频率提出一种通过设置井型线声源的方法建立三相电抗器声源等效模型。结果显示:模型仿真计算的预测结果与实测值的趋势基本一致,差异在修正后实现了较高的吻合度。研究对于三相电抗器设备的噪声预测与治理具有现实指导意义,为特高压输变电工程的进一步精细化设计提供了一种有效思路与方法。

列车车轮滚动噪声的频域特性研究

为探究轮轨表面粗糙度激励下车轮的振动辐射声场特征,采用有限元法-边界元法相结合的方法,建立车轮和轨道的三维有限元模型。分析了其结构振动模态和位移导纳,并通过声学边界元软件LMS Virtual.Lab建模,对车轮辐射声场与真实激励下辐射声功率级进行预测研究。结果表明,轮轨接触点处车轮径向导纳变化剧烈,在计算频率范围内自振频率较多,而钢轨垂向导纳变化整体较为平和,仅在钢轨Pinned-Pinned频率附近变化较剧烈;车轮的声辐射效率在低频时较小,随着频率增大而增大,并逐渐趋近于1;计算得到的每单位粗糙度接触力与Thompson的计算结果基本相符,在国际标准BS EN ISO3095:2013激励下,高频范围的声功率级大于低频范围。研究结果为探讨轨道车轮在真实激励下的辐射噪声预测及控制提供了帮助与参考。