基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于电磁-流热双向耦合的变压器绕组温升计算及结构参数优化

变压器温升是影响其运行状态和使用寿命的关键因素。为了更准确地得到油浸式变压器绕组区域的温度场分布,采用有限元法对绕组的电磁-流热耦合过程进行了数值研究。根据电磁场及流体-温度场分布的特点,建立了变压器及绕组区域的计算模型。基于异构网格节点数据映射方法,将电磁场分析得到的绕组非平均损耗作为热源边界条件加载到流体-温度场计算网格中,并根据每次迭代时的温度对该热源进行修正,实现电磁-流热的双向耦合。在此基础上,建立热点温度与绕组结构参数之间的响应面,开展了对绕组热点温度及导体材料用量最小化的多目标优化研究。采用非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)获得了Pareto最优解,并对Pareto前沿面上的4种优化方案进行了分析。结果表明,优化后的绕组热点温度及导体用量明显降低。该文研究为变压器结构的优化设计提供了一种可行方法。

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

基于流-固耦合的后处理系统热管理仿真分析

基于流-固耦合仿真方法,采用流体仿真软件STAR-CCM+建立卡车的整车三维辐射模型,仿真分析高速(车速为60 km/h)和驻车2种工况下后处理系统的流场和温度场,并开展后处理系统的热管理。结果表明:由于车速影响,传热损失增加,后处理系统的温度无法满足工作要求;在后处理系统增加保温层后,后处理系统固体壁面温度大幅提升,固体壁面最低温度在高速工况提高了58.83℃,驻车工况下提高了58.50℃;保温效果随着保温层厚度的增加而增加,但保温效果的提高幅度随保温层厚度的增加而减小。

台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

基于ANSYS的电力耐张线夹监测装置热-结构耦合有限元分析

耐张线夹是架空输电线路的重要组成部件之一,其损坏导致电力系统安全运行成本的增加,因此需要大量相关监测装置。设计了一款耐张线夹监测装置,用于耐张线夹运行状况的监测。利用ANSYS对装置进行环境载荷下的热-结构耦合的有限元分析,记录监测装置在不同安装接触情况下各部位的应力和变形,所得结果表明面接触安装方式优于点接触和线接触。选取面接触安装方式与NY400型耐张线夹三维模型完成装配,进行引流板接触位置180℃情况下的瞬态热有限元分析,获取监测装置对引流板接触位置温度变化的响应情况。

BMS电路板多模块协同热-力耦合建模及仿真分析

针对现有电动汽车电池管理系统(BMS)电路板研究仅仅考虑单一功能模块的温度场及其散热效果,缺乏考虑BMS多个功能模块在温度场和力场下的相互影响及协同效应的研究的情况,以某商用BMS电路板为研究对象,采用ANSYS构建了表征BMS多模块协同作用下的热-力耦合数值仿真分析模型并验证了其有效性.在此基础上,针对BMS电路板各功能模块温度场及热变形行为开展了数值仿真研究.结果表明:BMS电路板温度分布不均,最大温差达20.5℃.均衡模块存在积热,温度高达54.4℃.高温导致电路板组件发生热膨胀变形,同时电路板约束诱发均衡模块及供电模块边缘的贴片电阻出现热应力集中,两者共同作用致使BMS均衡模块、供电模块产生凸起翘曲变形,且Z轴热变形量随着温度升高而增大,最大变形量达9.5μm,应针对BMS电路板上积热模块开展散热优化设计.

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

热-流耦合与热-流-固耦合作用下的水气交替及间歇注入对咸水层CO_(2)溶解封存的影响

基于TOUGH+软件架构,结合更为准确的物理性质计算模型,建立了适用于咸水层CO_(2)封存的热-流耦合模拟方法,并使用固定应力分割迭代耦合模型将其与RGMS软件耦合,改进了热-流-固双向耦合模拟方法,建立了准确性更高的热-流-固迭代耦合模拟方法。基于鄂尔多斯盆地地质特征构建的地质模型,使用热-流与热-流-固迭代耦合方法模拟咸水层CO_(2)溶解封存过程,研究了水气交替及间歇注入方案对CO_(2)溶解量、孔隙压力和地层形变的影响。结果表明:热-流-固迭代耦合模拟能帮助设计更加合理的注入方案;仅用水气交替注入方式可提高CO_(2)溶解量;间歇注入有助于孔隙压力与地层形变恢复。研究结果可为咸水层CO_(2)溶解封存提供理论指导。

电-热-流多物理场耦合作用下脐带缆温度场及载流量计算研究

脐带缆被誉为连接水下生产系统和上部设施的“神经生命线”,准确分析其温度场分布和载流量是安全开展海洋油气勘探和开采任务的关键保障。不同于传统海缆,脐带缆因结构复杂、功能多样,在位运行时存在复杂的电-热-流多物理场耦合效应,传统解析法难以确定其温度场分布和载流量。本文基于有限元软件Comsol建立脐带缆电-热-流多物理场耦合截面精细模型,通过控制变量法研究3种典型敷设方式、环境等因素对导体温度和稳态载流量的影响。结果表明:当电流较小时,影响脐带缆截面温度和稳态载流量的主导因素是管中液体温度;导体温度的变化趋势能够反映稳态载流量的变化情况;直埋时,埋设深度与外界流体温度的增加皆会削弱脐带缆的散热能力;平铺时,海水流动会明显降低脐带缆温度,在低流速下,流速增加对脐带缆的降温效果十分显著,但高流速的海水会在紧贴脐带缆的表面形成具有温度梯度的边界层,使热量的传递受到限制,降温效果反而不明显;绝缘老化对脐带缆整体温度分布的影响较小,但会影响截面最高温度。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

注塑机模板的热-结构耦合仿真及拓扑优化

为了提高注塑制品的质量和降低注塑机制造成本,以1600 kN双曲肘注塑机的定模板和动模板为研究对象,采用传热学理论和有限元仿真分析,运用ANSYS对定模板和动模板进行了系统的热-结构耦合计算,分析了模板的温度场和热-结构耦合的影响。在此基础上运用拓扑优化方法对模板进行了轻量化设计,优化后模板的总变形量有所增加。动模板应力增加了9.94 MPa,定模板应力增加了10.27 MPa,但均在工程许用范围内,合模机构质量相较原始模型减轻了10.5%。

电梯块式制动器热-结构耦合仿真及其热疲劳寿命预测

电梯紧急制动工况下,块式制动器制动轮与闸瓦在摩擦生热作用下使制动器强度减弱,最终导致制动器热疲劳失效,因此制动器热疲劳寿命受热-结构耦合特性影响。通过对电梯块式制动器热-结构耦合仿真,得到制动器温度场和应力场相互耦合,且两者分布不均匀;同时考虑在紧急制动工况下制动轮与闸瓦接触表面轴向、径向以及周向三向对应力场的影响,并获取制动轮与闸瓦接触区域的三向应力分布,根据制动器热-结构耦合仿真结果分析确定紧急制动时制动器易发生热疲劳部位。在紧急制动工况下,基于制动轮材料的S-N曲线采用Manson-Coffin公式,完成紧急制动工况下制动轮的热疲劳寿命预测,为电梯制动器的优化设计和维护提供依据。

高速列车盘形制动器热-结构耦合方法研究

盘形制动器热负荷计算是高速列车制动盘研发设计的关键环节,其计算结果是列车运行参数配置的依据。开发合适的计算方法建立计算精度高、工况适用性广的热-结构耦合计算模型是盘形制动器热负荷计算的关键问题。针对动车组用轴装制动盘制动过程,充分考虑制动闸片和制动盘的几何特性、运动特性和载荷工况,提出位移梯度循环法,基于ABAQUS软件建立盘形制动器摩擦副三维瞬态传热有限元模型,运用位移梯度循环法推导出热流加载式,用以计算制动过程中产生的摩擦热流,解决摩擦作用沿制动盘周向差异造成的耦合结果偏差。运用位移梯度循环法对制动盘进行热-结构耦合分析,并将仿真结果与试验数据、现场调研成果进行对比,通过仿真与试验结果的峰值温度误差率、相关性系数等统计学指标及现场调研观测结果评定该模型的计算精度及工况适用性。研究结果表明:基于位移梯度循环法的热-结构耦合模型可有效模拟制动盘在制动过程中温度变化规律且具有良好的重复性与稳定性,结构场分析出的制动盘热裂纹失效易发位置与该型号制动盘装车运用情况相符。研究成果可有效模拟高速列车在制动时制动盘的热-结构耦合过程,尤其在大轴重下的持续制动或间隔制动工况下,制动时间越长,计算精度越高。

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

热-力-电耦合下天线罩电性能仿真及分析

在实际飞行工况下,热力载荷会改变高速飞行器天线罩原有的电磁特性,从而影响制导性能。提出了一种基于六面体网格划分的热-力-电耦合模型及仿真方法,可准确表征高速飞行工况下天线罩介电温漂和结构变形对电性能的影响。基于天线罩热-力-电共享网格模型,首先通过瞬态热仿真得到天线罩响应温度场,通过静力分析得到天线罩结构变形场。然后,将天线罩介电温漂和结构变形准确传递到其电磁仿真模型中,并采用三维射线跟踪法计算其电性能。最后通过一个典型算例对高速飞行工况下天线罩电性能的变化进行仿真和分析,结果表明电性能变化非常明显,也进一步说明了所提方法的可行性和研究的必要性。

深部煤层注气强化开采的流-固-热耦合数值模拟研究

为研究温度效应对深部煤层注CO_(2)增抽瓦斯的影响规律,根据煤体变形特征和瓦斯渗流特性基本理论,建立了同时考虑非等温吸附、二元气体竞争吸附、气体渗流和扩散、热传递和热对流的注CO_(2)强化煤层抽采的流-固-热耦合模型,探究了温度效应对煤储层参数和产气演化规律的影响。结果表明:煤层温度降低引起的煤基质收缩促进了CH_(4)解吸,忽略温度效应的流-固耦合模型会低估瓦斯产气量;在初始渗透率为3.95×10^(-17) m^(2),CO_(2)注气压力为8 MPa时,对于韩城矿区3#煤层埋深1400 m的深部煤体而言,考虑温度效应(319.5 K)的流-固-热耦合模型相比流-固耦合模型,瓦斯抽采3650 d,煤层平均瓦斯压力下降0.69%,A点渗透率增幅11.02%,产气速率增幅13.51%,累计产气量增幅13.76%。

板-梁耦合结构振动功率流与声辐射特性研究

针对车身低频结构噪声控制问题,首先以车身典型板-梁耦合结构简化模型为研究对象,推导出一种以CBAR焊点单元轴向位移响应和速度响应为计算参数的净功率流简化计算公式。然后以振动净功率流和等效辐射声功率(ERP)为评价参数,研究了板-梁耦合结构振动辐射噪声产生机理,从中可知不可忽视焊点对板、梁之间功率流传递的影响,而且合理设计焊点布局有利于提高辐射噪声水平。最后,基于净功率流简化计算公式,提出了一种焊点布局拓扑优化方法,结合板-梁耦合结构振动辐射噪声控制算例验证了其有效性。上述研究成果可为车身NVH品质的提高提供一种新的思路和方法,具有良好的工程实用价值和应用前景。

核桃烘干装置内部热-流-固耦合传热分析与参数优化

针对刚采摘的青核桃含水率高的问题,设计一个核桃烘干装置模型,对青核桃进行预烘干处理及确定最优的核桃烘干参数。通过3因素3水平正交试验探究不同入口温度、入口风速和烘干时间对烘干装置内部温度、速度场以及核桃温度的影响。使用Fluent软件将核桃建模成一个3层球体,分别为核桃外壳、核桃气隙、核桃仁;分别对不同烘干参数下的烘干装置与核桃进行数值模拟研究,获得烘干装置内部温度场、速度场的分布情况以及核桃温度变化规律,得到烘干装置内部与核桃的温度变化曲线。结果表明,当入口温度为393 K,入口风速为1.7 m/s,烘干时间为45 min,烘干装置内部以及核桃的温度场分布最好,变化最均匀;通过试验验证仿真数据的可靠性,试验结果与仿真结果变化曲线一致。研究结果为确定核桃预烘干最佳工艺参数提供理论依据。

基于热-应力耦合的LNG储罐泄漏状态下外罐壁受力分析

为分析LNG全容罐在内罐泄漏状态下的外罐壁液密性,采用大型通用有限元分析软件对外罐在正常使用、夏季高中低液位及局部冷点泄漏状态下的结构响应进行了非线性有限元分析,并验证分析了热角保护结构的可靠性。研究结果表明:正常使用阶段外罐壁向内轻微收缩,外罐壁外侧根部出现轻微受拉损伤。泄漏阶段外罐壁收缩明显增大,外罐壁内侧出现大范围受拉损伤,钢筋应力水平显著增加,但外罐壁液密性指标满足要求。热角保护结构在内罐泄漏状态下可有效保证外罐壁底部不直接接触低温液体。