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。

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。

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。

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

永磁同步电机电主轴热-结构耦合计算方法

为了深入研究永磁同步电机电主轴热特性,综合考虑轴承热诱导预紧力及润滑油黏温效应等因素,并基于系统内部多参量耦合作用关系,建立永磁同步电机电主轴热-结构耦合计算方法.以某型号永磁同步电机电主轴为研究对象,进行了温升及热变形测量,试验结果与仿真计算对比表明所建立的计算方法具有足够的精度.采用该计算方法分析了永磁同步电机电主轴热特性,结果表明:电主轴转子温升较低,前后轴承受配合方式、装配位置及热诱导预紧力等因素影响,使轴芯沿轴向存在13℃左右的温差,导致电主轴轴向热伸长成为影响加工精度的主要原因.

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。

一类热流耦合模型边界条件的反演计算方法

提出一种裂隙岩体中热流耦合模型边界条件的反演计算方法。基于单裂隙热流耦合模型,利用部分温度观测数据,反演计算出岩体和流体接触边界上的温度、温度梯度和对流换热系数。首先,利用分离变量法将热传导边值问题转化成第一类Fredholm积分方程,然后,基于正则化方法求解积分方程,得到岩体和流体接触边界上的温度和温度梯度,再得到局部换热系数,再利用梯度下降法求解一类无约束优化问题,得到总体对流换热系数,最后,对热流耦合方程进行数值计算。结果表明,提出的计算方法能克服反演问题的不适定性,具有较高的精度和较好的稳定性。

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。

基于POD-αATS的油浸变压器瞬态温升降阶自适应变步长计算方法

针对油浸式电力变压器瞬态温升计算效率过低的问题,该文提出本征正交分解-αATS(proper orthogonal decomposition-adaptive time stepping based onαfactor,POD-αATS)降阶自适应变步长瞬态计算方法。首先,推导变压器绕组瞬态温升计算的有限元离散方程;其次,采用POD降阶算法改善传统瞬态计算中存在的条件数过大及方程阶数过高的问题;同时对于瞬态计算中的时间步长选择问题,提出适用于非线性问题的αATS变步长策略;然后,为验证方法的有效性,基于110 kV油浸式电力变压器绕组的基本结构建立二维八分区数值计算模型,同时将计算结果与基于110 kV绕组的温升实验结果进行对比。数值计算及实验结果表明,所提算法与全阶定步长算法在流场和温度场中的精度几乎相同,且流场计算效率提升约45倍,温度场计算效率提升约38倍,计算速度得到显著提高。这一点在温升实验中同样得到验证,说明该文所提算法的准确性、高效性及一定的工程实用性。

“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统程序与STAR-CCM+程序耦合计算方法

为更好地对“华龙一号”(Hua-long pressurized reactor 1000,HPR1000)非能动安全壳热量导出系统(passive containment heat removal system,PCS)周围的流场和浓度场进行分析,针对HPR1000 PCS基于漂移流模型开发了一套一维自然循环瞬态计算程序,并将该系统程序与STAR-CCM+程序开展耦合计算研究。PCS程序读取来自STAR-CCM+程序计算的温度、压力及气体组分参数开展计算,并将PCS传热管温度作为返回值传递给STAR-CCM+程序,通过在PCS传热管壁面附近第一层网格内设置冷凝通量的方法将PCS冷凝量及冷凝对应能量从系统中移除。研究结果表明,采用经过验证的PCS程序和耦合计算方法对PCS空间进行计算分析,可以有效控制空间内的温度和压力,PCS周围形成明显的温度和浓度梯度。本研究建立的PCS程序与STAR-CCM+程序耦合计算方法能够用于后续HPR1000及华龙后续机型的PCS研究。

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。

三维体声波滤波器芯片电-力-热耦合建模与仿真

为了直接、高效地建模和分析实际复杂的三维(3D)体声波(BAW)滤波器结构电-力-热耦合效应,文章采用一种基于有限元方法的电-力-热耦合算法。首先,建模BAW滤波器的3D几何模型,设置几何结构内部的材料属性以及材料参数。其次,构建基于有限元(FEM)算法的固体力学和静电场耦合的电-力耦合算法。然后,在电-力耦合算法基础之上考虑BAW滤波器内部由于压电材料在工作过程中机械损耗产生的热耗散问题,建立直接求解的电-力-热耦合算法。该电-力-热耦合算法使用COMOSL软件内部的一种新型自主化的画网格技术。最终,得出一个工作带宽在2.27~2.44GHz,带内损耗在3dB以内,带外抑制在-20dB以下的BAW滤波器内部电-力-热耦合仿真结果。

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。

电热综合能源系统稳态与区间潮流计算快速解耦新方法

综合能源系统稳态潮流计算是后续规划、运行等研究的基础。目前常采用的牛顿-拉夫逊法存在数值稳定性问题,且随着综合能源系统不确定因素增加,研究系统的区间潮流以实现综合能源系统的安全分析和评估变得越来越重要。首先,基于泰勒函数一阶展开和二阶展开,推导出热负荷流量和节点温度的解析表达式,该表达式实现了流量与温度的独立求解,无须解方程组即可得到系统稳态潮流。然后,分析流量和温度表达式的函数单调性,结合各热负荷值,确定了热负荷流量和热负荷节点温度的区间潮流解,所提方法在保证计算精度的同时,计算速度快且不存在数值稳定性问题。最后,通过算例分析验证了所提方法的有效性。

船用机械密封环热-结构耦合有限元优化计算研究

以小锥度的收敛间隙为优化原则,以最大接触压力作为目标函数,以静环端面的磨损裕度为设计变量,采用一阶优化法进行机械密封环热-结构耦合有限元优化计算。优化结果表明:过大的磨损裕度使密封端面易产生外侧接触的倾向,密封系统稳定性差,外侧易出现严重磨损;过小的磨损裕度使密封端面内侧接触压力明显增大,易出现局部过度磨损现象。采用此优化方法,可以在保证内接触条件下提高密封端面接触均匀性和机械密封的热力学性能,对机械密封环的设计,制造及密封环热力状态的进一步研究具有重要的意义。

HIAF强流重离子加速器真空室烘烤功率计算及热-结构耦合分析

针对薄壁真空室的使用特点,首先利用ANSYS有限元软件进行结构优化设计。其次通过理论计算和数值模拟相结合的方法计算出真空室烘烤功率,并给出在达到热平衡后真空室的温度分布规律。此外采用间接耦合法得到薄壁真空室在热-结构耦合状态下的变形及应力分布规律,结果表明升温阶段损失功率随时间而逐渐增加,真空室达到热平衡后损失功率保持恒定;仅大气压作用下真空室被压缩,高度方向的变形占主导地位,在烘烤过程中热载荷带来的影响较大,真空室长度方向的变形占主导地位;由于气体载荷和热载荷在某一点处所引起的应力方向不一致,所以真空室在热-结构耦合作用下的最大应力不是各个载荷应力值的线性叠加。

摆式电涡流TMD-钢框架结构的耦合计算方法与减震分析

摆式电涡流TMD作为一种新型阻尼器,多用于人致振动和风振控制,较少应用抗震工程,也缺乏较好的计算方法。为研究摆式电涡流TMD的减震性能及合理的质量比μm,根据摆式电涡流TMD的力学特性,提出一种基于联合仿真的耦合计算方法,根据现行建筑抗震设计规范,分别建立了5、10、20层钢框架结构模型,设计了5组不同μm的摆式电涡流TMD,并采用提出的耦合计算方法,对摆式电涡流TMD钢框架结构模型进行了动力时程分析,得到了罕遇地震作用下结构的层位移、层间位移角、层剪力和层加速度与μm的关系曲线,并与无TMD结构的地震响应进行了对比。研究结果表明:提出的耦合计算方法可行且有效,摆式电涡流TMD可有效降低钢框架结构的地震响应,当μm为3%时较为合理。其中,20层钢框架结构的层位移、层间位移角、层剪力和层加速度分别减小26.5%、20.9%、4.3%、7.3%。

船体-轴系耦合模型在船体结构直接计算中的应用

文中以某型船为例,利用MSC.Patran/Nastran,建立船体-轴系耦合三维有限元模型并计算分析,对比不考虑轴系时的计算结果.结果表明:轴系在耦合模型中能够有效降低船体梁变形,在分析特定船型的刚度问题时,建立船体与轴系一体式耦合模型是必要的.

高速电主轴热-结构耦合及选材分析

高速电主轴热变形问题一直是影响加工精度的重要因素。为降低电主轴的温升和轴向热伸长量,对某电主轴的热源及热边界条件进行分析,利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,得到电主轴温度场和热结构耦合场;搭建实验台测试电主轴系统的温度场和轴向热伸长,验证有限元模型建立的正确性。最后选用38CrMoAl、ZrO_(2)、Si_(3)N_(4)、玻璃陶瓷作为主轴材料进行热-结构耦合对比分析。结果表明:陶瓷材料在热态性能方面优于钢材,玻璃陶瓷材料热态性能最好。

基于不规则元胞的主轴温度-结构场耦合热拓扑优化设计方法

为了适应复杂的几何形状,避免传统的规则矩形元胞不能均匀地覆盖设计区域的问题,实现主轴结构耦合场热拓扑优化设计,提出基于不规则元胞的混合元胞自动机法(HCAM)耦合场主轴热拓扑优化设计方法.该方法以数值传热学的相关理论为基础,用三角形元胞来替代传统的矩形元胞,并引入局部网格细化的思想,在应力集中或应变急剧变化的区域实现局部元胞细化,使得整个结构的元胞尺寸自适应变化.通过案例对比分析验证了该方法的可行性,该方法可以有效地适应复杂结构形状、减少元胞单元和有限元网格的数量以及降低元胞单元与有限元网格之间映射的难度.利用不规则元胞的HCAM对主轴结构进行不同工况下的温度-结构场耦合热拓扑优化设计研究,最终获得的热拓扑优化构形结果不仅减少了主轴结构材料,而且改善了其热态特性.