基于等几何分析的风力机叶片PHT样条细分研究

等几何分析方法作为一种新型数值分析方法得到了广泛关注。针对传统等几何分析过程中,非均匀有理B样条(NURBS)曲线建模存在控制点较多、局部细化薄弱以及多面片拼接导致模型空间连续性较差等问题,提出一种基于PHT样条分层细分的等几何分析(IGA)方法。以某型风力机叶片为研究对象,分析了PHT样条细分对风力机叶片模型求解精度的影响,并通过有限元仿真结果进行对比分析。结果表明:细分前基于NURBS的风力机叶片模型等几何分析结果与有限元结果的相对误差为5.9%,细分后IGA结果与有限元结果的相对误差为3.7%,证明了经过PHT样条细分,风力机叶片的等几何分析求解精度得到了有效提高。提出的方法对后续风力机叶片的数值仿真和优化设计具有一定的参考意义。

基于等几何分析的板壳结构形状拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题,采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时,难以获得高质量的网格以精准描述几何模型,且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状拓扑协同优化方法,该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤,在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制,极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性,结果表明,与经典等几何拓扑优化方法相比,可得到更高性能的优化结构,有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。

水平轴风力机叶片曲面建模与等几何分析研究

针对传统水平轴风力机叶片气动外形建模与结构特性分析,大多采用不同的基函数,从而使叶片可动边界及结构分析模型存在较大误差,进而影响计算精度与求解效率等问题,利用等几何分析法将叶片几何形状与结构模型无缝连接,直接将叶片气动外形的非均匀有理B样条(NURBS)控制向量作为叶片结构控制参数,通过与有限元方法对比,两种方法得出位移最大值偏差为6.133%,应变最大值偏差为6.277%,最大值点位移与应变随时间变化趋势都呈线性变化,直线斜率K值近似相同,验证了等几何分析的正确性与可行性。

基于等几何分析的柔性多体系统建模方法研究

近三十年来,柔性多体系统动力学取得长足进步,尤其是以绝对节点坐标方法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)为代表的非线性有限元已被用来处理复杂的柔性多体系统动力学问题.但绝对节点坐标方法采用斜率矢量作为广义坐标,导致系统自由度多,计算效率低.针对柔性多体系统,基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)曲线和曲面分别提出了Euler-Bernoulli细长梁单元和Kirchhoff-Love薄壳单元,在完全拉格朗日格式下,根据Green应变张量对单元变形进行描述,结合第二类Piola-Kirchhoff应力张量给出单元应变能公式,推导了单元的弹性力和弹性力雅可比矩阵表达式,最后通过静力学及动力学数值算例对提出的两类单元的性能进行对比和验证,为柔性多体系统建模提供了一种精确高效的新单元.

面向等几何分析的低扭曲B样条体参数化

计算域的体参数化是等几何分析的基础问题,针对现有方法的结果扭曲过高的问题,提出一种面向等几何分析的低扭曲B样条体参数化方法.该方法将参数域的几何形状引入优化来降低扭曲.对于输入的计算域,首先生成计算域到参数域的映射,构造一个边界对应关系;然后根据该初始边界对应关系生成离散体参数化映射,并更新边界对应关系;最后利用B样条基拟合离散体参数化映射得到低扭曲B样条体参数化.在一个包含215个复杂三维模型的数据集上进行实验,验证了所提方法的鲁棒性和有效性;与2种对比方法相比,该方法的对称Dirichlet扭曲能量分别平均降低30.91%和29.74%.

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚−液−柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.

三维固体稳态传热问题的等几何分析

在芯片微电子、增材制造等领域的机械结构设计中,设备的工作温度往往会影响整体性能,而等几何分析方法作为近年来比较热门的新型数值计算方法,在动力学以及流体力学领域已有部分应用。本文尝试发挥等几何分析不会损失几何精度的特点推展到三维稳态传热分析问题,利用多片拼接NURBS体参数化模型实现几何的多样性,并提出了对三维空间的等几何方式离散,以及对热传导及热对流两种状态下的数值分析结果。实验结果表明等几何分析法在大幅提高计算小效率的同时,在传热分析计算精度上能够等效于传统有限元方法。

基于等几何分析的边界元法求解二维Laplace方程

针对二维Laplace问题,提出了基于非均匀有理B样条的等几何边界单元法(IGABEM),并利用径向积分法来处理奇异积分。该方法实现了几何与求解域的无缝融合,不仅实现了求解域与几何的完美匹配,而且节约了前处理时间。该方法可以很容易地实现模型的细分,并且在仅增加少量自由度的情况下获得更高的精度。数值算例表明,该方法能够有效地求解二维Laplace方程,且具有非常好的计算精度。

瞬态非牛顿流体非定常流动问题的等几何分析

非牛顿流体非定常流动问题是指流动过程中流体的物理性质随时间变化的复杂流动问题,为了改进传统分析方法在处理复杂流动问题上精度及效率不足的缺陷。本文从经典N-S方程入手,推导出了一种高效等几何求解方法,通过选择合适的等效流动参数,确定等价定常流动条件,将复杂非定常问题转化为一组等价的定常流动问题。最后以平板拖曳模型为例,得到了各时刻流体的速度分布,并与商业分析软件进行对比,通过不同的迭代步长的计算精度,来验证该方法的计算效率。该方法能帮助工程人员更好地理解流体的流动特性,为设计优化工艺过程和提高机器设备的效率提供重要的理论依据。

热传导问题的比例边界等几何分析

提出比例边界等几何分析SBIGA(Scaled Boundary IsoGeometric Analysis)方法来求解热传导问题。SBIGA兼具比例边界有限元和等几何分析的优势,特别适用于求解包含无限域和奇异物理场的问题。该方法造型十分方便,在径向具有半解析性质,仅需在计算域边界上用NURBS基函数自然离散,为实现CAD/CAE无缝融合提供了新的途径,大大节约前处理和计算耗时。此外,SBIGA无需进一步与CAD系统数据交换就可以保型细分。三个基准算例证明了其在热传导分析中的有效性。与传统比例边界有限元相比,SBIGA模型消除了几何模型误差,并显示出更高的计算精度和收敛速度。

等几何分析研究概述

提出等几何分析(Isogeometric analysis,IGA)是一种新的物理场数值求解方法,它可实现CAE数值分析与CAD建模工具的集成,给出一条使设计、分析和优化紧密结合的新途径。以等几何分析方法的计算框架为基础,详细介绍等几何分析方法中样条几何模型的描述方式和建模方法;并以NURBS为例,阐述了IGA中的分析模型的参数化表示以及网格模型的细化方法;结合现有的经典有限元的分析过程,简单介绍IGA的离散方法、边界条件和积分方法;系统总结等几何分析在热、流体、接触和优化方面的应用,并给出了一个简单的二维问题的IGA求解实例。

等几何分析的多重网格共轭梯度法

提高NURBS基函数阶数可以提高等几何分析的精度,同时也会降低多重网格迭代收敛速度.将共轭梯度法与多重网格方法相结合,提出了一种提高收敛速度的方法,该方法用共轭梯度法作为基础迭代算法,用多重网格进行预处理.对Poisson(泊松)方程分别用多重网格方法和多重网格共轭梯度法进行了求解,计算结果表明:等几何分析中采用高阶NURBS基函数处理三维问题时,多重网格共轭梯度法比多重网格法的收敛速度更快.

面向等几何分析的几何计算

等几何分析方法是一种直接基于CAD模型的精确几何表示进行物理性能仿真分析的新方法.文中从几何计算的视角出发,对等几何分析方法的基本框架,以及面向等几何分析的几何设计与计算的相关工作进行了介绍,重点介绍适合分析的计算域参数化、适合分析的新型样条理论、等几何配点法、面向等几何分析的并行计算等4个方向的研究进展.最后对需要进一步深入研究的关键问题进行了探讨.

基于三阶剪切变形理论的压电功能梯度板静力学等几何分析

针对压电功能梯度板的静力学问题,建立了一种基于三阶剪切变形理论的等几何分析求解方法。其中,定义功能梯度板的材料属性为板厚方向的幂函数分布,并假设压电功能梯度板中的机械位移场与电势场相互独立。利用压电材料的第二类本构方程以及哈密顿变分原理,推导出压电功能梯度板的相关等几何有限元方程。在压电功能梯度板的自由振动分析中,研究了各类机械边界条件的等几何数值方法的收敛性及精度问题。并分析了开短、路状电学边界条件、功能梯度指数n、功能梯度层的宽厚比、压电层与功能梯度层的厚度比对其固有频率的影响。分析了机械载荷、电载荷以及机电耦合情况下,压电功能梯度板的静态弯曲行为,并利用位移反馈控制规律实现了压电功能梯度板的闭环变形控制。通过算例及相关文献对比,表明了本文求解方法的精确性和可靠性。

固体介质瞬态传热问题的等几何分析

为拓展等几何分析法在瞬态或者动力学问题领域的应用,以固体介质的瞬态热传导为例,将等几何分析方法扩展到瞬态问题,并提出了先对问题的空间域进行等几何方式离散,再对时间域进行有限差分离散的"半离散化"方法,得到了问题的后向差分格式。给出了一种鲁棒的边界约束处理方法,解决了非均匀有理B样条基函数缺乏插值性所造成的Dirichlet边界处理误差。实验结果表明,等几何分析的收敛速度优于传统有限元方法。

基于PHT-样条加强等几何分析配置方法

结合传统等几何分析配置法和传统等几何分析伽辽金法,提出一种基于PHT-样条函数的加强等几何分析配置方法.对于一个偏微分方程问题,基于具有局部细分特性的PHT-样条基础函数,应用传统等几何分析配置法在问题域内配置点定义线性方程组,并应用传统等几何分析伽辽金法施加边界条件,以保证多片结构连接的稳定;再将2组线性方程组及施加的边界条件合成一个整体系统.实例计算结果表明,该方法既具有配置法固有的计算效率高的优点,又改善了边界计算出现的不稳定问题,可有效地用于局部细分和多片结构的计算.

等几何分析中的r-p型细化方法

在CAD模型的性能模拟分析过程中,经常需要对计算域模型进行细化以提高模拟的精度.针对等几何分析这一新兴的模拟分析方法,提出一种新的细化方法,称之为r-p型细化方法.该细化方法包括2个步骤:首先通过极小化后验误差估计,对初始计算域的内部控制顶点的位置进行优化(即r型细化);然后对通过r型细化得到的计算域模型进行升阶操作以增加自由度(即p型细化).将r-p型细化方法应用于二维热传导问题的等几何模拟分析,通过实例验证了r-p型细化方法在等几何分析中的有效性,并与经典的h型细化方法进行了比较.

等几何分析中采用Nitsche法施加位移边界条件

等几何分析使用NURBS基函数统一表示几何和分析模型,消除了传统有限元的网格离散误差,容易构造高阶连续的协调单元.对于结构分析,选择合适的几何参数可以得到光滑的应力解,避免了后置处理的应力磨平.但是由于NURBS基函数不具备插值性,难以直接施加位移边界条件.针对这一问题,提出一种基于Nitsche变分原理的边界位移条件"弱"处理方法,它具有一致稳定的弱形式,不增加自由度,方程组对称正定和不会产生病态矩阵等优点.同时给出方法的稳定性条件,并通过求解广义特征值问题计算稳定性系数.最后,数值算例表明Nitsche方法在h细化策略下能获得最优收敛率,其结果要明显优于在控制顶点处直接施加位移约束.

等几何分析中Dirichlet边界条件的配点施加方法

相对于传统有限元,等几何分析使用NURBS基函数统一表示几何和分析模型,它能消除传统有限元的网格离散误差,容易构造高阶协调单元。但是由于NURBS基函数缺乏插值性,控制顶点也不一定位于几何边界上,使得难以直接施加Dirichlet边界条件。针对这一问题,提出一种基于样条拟合的Dirichlet边界条件施加方法,通过引入一组边界配点来拟合边界条件。注意到不合适的配点策略会使得边界插值方程组奇异或者条件数过大,详细讨论配点选取的基本准则,提出两种鲁棒的配点方案:Greville横标和Chebyshev插值点法。并且将配点方法扩展到最小二乘形式,设计一种快速的场变量消去算法。通过实例验证上述方法的可行性和有效性。试验结果表明,各种配点策略的收敛率基本保持在一个量级,因此配点法的关键是选择稳定的配点方案。

基于等几何分析的边界元法求解Helmholtz问题

将基于一类局部双变量B样条函数的等几何分析方法和Burton-Miller方法相结合,分析三维Helmholtz问题.对于某些从二维参数域映射到三维空间具有奇异点的参数曲面,该方法可以有效地避免奇异点处大量奇异与近奇异积分的计算.数值算例表明该方法具有较好的计算精度和计算效率.复杂问题的分析表明,该方法具有良好的工程应用前景.