基于异构网格耦合的产品多物理场有限元数据集成与可视化仿真

在产品虚拟样机多物理场的性能分析和仿真过程中,由于分析目的和分析工具各不相同,各种物理场的有限元网格模型和仿真结果数据都是异构的。如何将异构有限元网格模型的几何和物理信息进行耦合,集成到虚拟环境中进行网格图形显示与结果数据可视化仿真是亟待解决的问题。提出产品多物理场异构有限元网格的几何特征映射与仿真结果插值方法,分别提取各异构网格模型的拓扑信息,建立过渡网格模型,根据空间相对位置将各异构网格节点与过渡网格模型节点进行耦合映射,实现异构网格模型物理属性到几何特征的映射。开发基于异构网格耦合的机械产品虚拟样机多物理场可视化仿真系统。

基于网格耦合的数据流异常检测

基于网格的数据分析方法以网格为单位处理数据,避免了数据对象点对点的计算,极大提高了数据分析的效率。但是,传统基于网格的方法在数据分析过程中独立处理网格,忽略了网格之间的耦合关系,影响了分析的精确度。在应用网格检测数据流异常的过程中不再独立处理网格,而是考虑了网格之间的耦合关系,提出了一种基于网格耦合的数据流异常检测算法GCStream-OD。该算法通过网格耦合精确地表达了数据流对象之间的相关性,并通过剪枝策略提高算法的效率。在5个真实数据集上的实验结果表明,GCStream-OD算法具有较高的异常检测质量和效率。

基于网格耦合的数据流聚类

随着越来越多的应用程序产生数据流,数据流聚类分析的研究受到了广泛关注.基于网格的聚类通过将数据流映射到网格结构中形成数据概要,进而对概要进行聚类.这种方法通常具有较高的效率,但是每个网格独立处理,没有考虑网格之间的相互影响,因此聚类质量有待提高.在聚类过程中不再独立处理网格,而是考虑了网格之间的耦合关系,提出了一种基于网格耦合的数据流聚类算法.网格的耦合更加准确地表达了数据之间的相关性,从而提高了聚类的质量.在合成和真实数据流上的实验结果表明,所提算法具有较高的聚类质量和效率.

基于冲蚀-动网格耦合的绕丝筛管冲蚀过程数值模拟

砂砾对绕丝筛管的反复冲刷并造成筛管的筛网孔径变形等局部破坏,是最终造成绕丝筛管防砂失效的主要原因。对绕丝筛管冲蚀破坏的理论研究既要考虑筛管的质量损失,也要考虑筛网变形对绕丝筛管的防砂影响。基于冲蚀-动网格耦合理论,建立了CFD有限元模型,通过Mclaury磨损预测模型与Realizable k-ε湍流模型建立了绕丝筛管液-固两相流模型,分析防砂过程中砂砾对绕丝筛管的冲蚀进化影响。同时分析了流速、砂粒直径、含砂质量分数对筛管冲蚀磨损的影响规律。通过数值模拟结果和曲线拟合方法,建立了未堵塞工况下的冲蚀预测模型。研究发现:绕丝筛管冲蚀变形区域主要集中在绕丝下游一侧、绕丝正上方与基管孔周围,并随时间延长向外扩散,直观表示出绕丝筛管冲蚀破坏开始于何处;绕丝在冲蚀进化过程中,冲蚀变形量最高且随时间延长,与比冲蚀率呈负相关,与试验结果平均误差小于2%。在不考虑砂粒堵塞工况(粒径小于123μm)下,绕丝筛管冲蚀率随流体流速增加呈指数增大,随含砂质量分数及砂粒直径的增加呈线性增大。拟合出的计算公式与数值模拟数据基本一致。因此,基于冲蚀-动网格耦合的冲蚀数值计算结果对绕丝筛管的寿命预测具有参考意义。

基于网格耦合的混合属性大数据聚类算法研究

由于对聚类网格之间的相互影响未作出考虑,导致数据聚类算法出现聚类质量差等情况。因此,提出一种基于网格耦合的混合属性大数据聚类算法。通过网格耦合定义相关参量的基础,得到网格耦合过程中网格质心间距,利用网格进行大数据聚类,充分分析各个网格间权重影响情况。该聚类算法分别从在线和离线两个阶段开展:在线阶段更新网格特征向量,并根据属性动态变化划分网格;离线阶段构建无向图,顶点设置为网络中心点,质心距离以及中心点间距作为边构建无相图,根据该图获得最小生成树同时切断该树第r-1最大边,最终获取混合属性大数据的k个聚类,实现混合属性的准确聚类。实验结果表明,该算法在质心调节参数与质心距离取值较适中情况下具有良好聚类效果,且聚类质量与聚类效率较高。

基于冲蚀-动网格耦合的混流式水轮机泥沙磨损演化特性研究

含沙水流条件下,水轮机内泥沙颗粒与湍流两相介质相互作用时,泥沙冲蚀动态过程会磨损水轮机过流部件壁面,进而影响水轮机水力性能及运行安全。采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)中的冲蚀-动网格耦合模型,该文数值模拟了混流式水轮机全流道泥沙颗粒冲蚀磨损演化过程,对比了单相及固液两相流工况下的湍流场特性,分析了不同泥沙质量流率与泥沙颗粒形状对于导水机构与转轮的磨损部位、冲蚀变形量以及磨损率随冲蚀时间变化的影响。结果表明:泥沙注入后,尾水管内整体流态有所改善,湍流紊乱程度被明显削弱,相比于清水工况,注入泥沙可减小84%~90%转轮湍动能;座环鼻端及临近固定导叶前缘的上下两端出现的蚀痕以变形磨损为主,活动导叶迎水面头部发生切削磨损,转轮叶片进水边靠近下环处则呈现出明显的冲蚀磨损;活动导叶冲蚀变形量大于固定导叶,转轮叶片工作面磨损率显著高于背面;泥沙质量流率增加,导叶和转轮叶片的冲蚀变形量与磨损率成倍增大,磨损率表现出脉动特性;活动导叶和转轮叶片工作面冲蚀24h后,非球形颗粒冲蚀变形量均大于球形颗粒。该研究可为多泥沙河流中水力机组的维护检修和安全稳定运行提供理论依据和参考。

钢筋混凝土梁应力变形的有限元-无网格耦合分析

大变形处理是钢筋混凝土梁数值分析中的难点,有限元方法中的网格畸变会大大降低其求解精度,而无网格方法由于不受网格的束缚,能很好地处理钢筋混凝土大变形问题。为充分利用有限元和无网格方法的优点,更准确地求解大变形问题,建立有限元-无网格耦合计算方法,首先,通过有限元方计算得到大变形区域;然后,利用有限元-无网格耦合算法求解大变形问题,弥补有限元计算的局限性。通过对比纯有限元模型计算结果和有限元-无网格耦合模型计算结果,发现两者在变化趋势上差别不大,符合钢筋混凝土梁的变化规律,说明所建立的有限元-无网格耦合自适应算法能很好地模拟钢筋混凝土梁的应力变形,验证了有限元法-无网格法的自适应耦合算法的正确性。

边界元耦合径向基点插值无网格法在求解声散射问题中的应用

边界元耦合有限元方法(BEM-FEM)在求解无限域弹性结构声散射问题中得到广泛应用。传统有限元方法的计算精度依赖网格的类型和质量,而无网格方法离散问题域时不需要传统意义上的网格划分,其形函数构造不依赖网格且相对灵活。因此无网格方法相比传统有限元方法可以减少网格划分成本并减缓数值污染效应。将边界元方法(BEM)和径向基点插值无网格法(RPIM)结合,形成边界元耦合径向基点插值无网格法(BEMRPIM),用于求解无限域弹性结构声散射问题。本文分别从计算精度、收敛性和对不规则节点分布的适应性对BEM-RPIM和BEM-FEM进行比较,结果表明提出的BEM-RPIM在求解声散射问题中优于BEM-FEM。

有限元与无网格伽辽金耦合法分析二相连续多孔介质

将有限元法和无网格伽辽金法相结合,创造出一种新的数值计算方法,该法既能利用有限元法的优点,又能发挥无网格伽辽金法局部化技术的无单元特性,使其具有计算优势.推导了二相多孔介质的有限元法与无网格伽辽金法耦合的离散方法.给出了两个算例,在计算二维固结方程时,精度较高且处理液体流量准确,是有限元法的有力补充.

无网格-有限元直接耦合法

基于广义单元概念,发展了一种无网格-有限元耦合的新方法,即无网格-有限元直接耦合法。该方法将有限元、无网格中数值意义上的单元定义为广义单元,利用在每一个单元内假设的形函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。与其它耦合方法相比较,该方法既不需要构造过渡区形函数,又不增加额外的计算量。数值算例表明该方法具有效率高、简便实用的特点。

二维接触问题的无网格伽辽金-有限元耦合方法

研究了二维接触问题的无网格伽辽金 -有限元耦合方法。给出了接触问题的数学模型 ,对其中的线性规划法进行深入分析 ,并将它与无网格伽辽金 -有限元耦合方法结合求解接触问题。通过编程对光滑表面圆柱体与刚性平面的弹性接触问题以及粗糙表面与刚性平面的弹性 -理想塑性接触进行求解 ,在对无网格区域相关参数研究的基础上 ,指出了用无网格伽辽金

二维无网格伽辽金—有限元耦合方法的研究

论述无网格伽辽金方法 (element freeGalerkinmethod ,EFG)的基本原理———移动最小二乘原理 (movingleast square ,MLS)和EFG方法的位移近似函数 ,给出变分方程及离散方程。对无网格伽辽金—有限元耦合 (EFG FEcoupling)方法进行详细阐述。编制相应程序 ,通过算例表明拉格朗日乘子对强制边界条件的作用及无网格伽辽金方法在权函数参数变化时的收敛特性 。

基于积分弱形式的无网格—有限元法耦合方法研究

无网格伽辽金法是基于移动最小二乘法的一种求解偏微分方程非常有效的方法,但是对于一些规模较大的问题,其计算费用较高,将无网格法与有限元耦合可以极大提高求解效率。文中根据D.Hegen提出的基于积分弱形式耦合方法,进一步明确处理耦合区域部分的数学、物理意义,有效地引入一个综合控制因子反映权函数的紧支性,并经算例验证方法的正确性及控制因子的有效性。

侧向挤压过程的耦合无网格-有限元法数值模拟

应用刚塑性耦合无网格-有限元法,对平面侧向挤压过程进行数值模拟.采用修正的罚函数法约束体积不可压缩条件,避免体积闭锁现象.采用边界奇异核方法,直接、准确地施加本质边界条件.针对侧向挤压工艺的特点,将无网格节点布置在变形剧烈的区域,充分发挥其处理大变形问题的能力;在变形较小的区域采用有限元单元,利用其较高的计算效率.数值模拟结果表明,该耦合方法对于侧向挤压这类局部成形问题的求解具有良好的效果.

基于冲蚀耦合动网格方法的摇臂式喷灌喷头冲蚀变形数值模拟研究

喷灌喷头长期冲蚀磨损引起的喷嘴结构变形是影响其水力性能的主要原因之一。为了探究喷头的冲蚀变形及变形对其水力性能的影响规律,基于冲蚀耦合动网格方法以PY1-20sh型喷头为研究对象,利用标准k-ε湍流模型与Generic冲蚀模型建立喷头固-液两相流数值模型,针对3组不同水流含沙量工况开展喷头运行160 h内的冲蚀变形数值模拟研究。结果表明:喷头的冲蚀磨损主要发生在主喷嘴处,持续地冲蚀磨损使其质量减小,主喷嘴冲蚀变形表现为管壁向外不均匀扩张使得出口直径增大,变形程度与喷头运行时长及水流含沙量均呈正相关,变形速率随运行时间的延长而减缓,形状系数变大说明出口断面逐渐偏离圆形。喷头水力性能的变化表现为冲蚀变形使出口流量增加但流量系数减小,且由理论分析发现喷头射程随运行时长逐渐缩短,末端水滴直径逐渐减小但变化幅度不大。研究结果可为喷头的合理使用与结构设计提供参考依据。

基于时空无网格法的两种算法求解电报方程

从时空距离的角度出发,分别用时空MQ径向基无网格法和时空MQ径向基耦合时空多项式基的无网格法在时空尺度框架下离散电报方程,将问题转化为求解线性方程组问题,求出电报方程的数值解,并比较两种方法的精度。然而大多数情况下,会造成系数矩阵本身是病态而无法求得稳定解,因此引入了奇异值分解技术求解线性方程组。数值实验结果表明:两种方法都可以得到逼近效果较好的数值解,耦合时空多项式基可以提高精度和稳定性,更适合用来数值计算。

接触问题的自适应无网格伽辽金方法

针对接触问题提出了基于应变能梯度的自适应无网格伽辽金方法。通过对自适应无网格伽辽金方法的原理讨论,给出了基于背景网格的误差估计方法,并对自适应求解流程进行了阐述。研究了无网格节点加密技术和自适应搜索半径等关键技术。编程求解了圆柱体接触问题,并与理论解和均匀密化数值解进行比较,给出了接触计算中合理的参数范围,对真实粗糙表面接触问题进行了计算,计算结果表明,在相当计算精度下,自适应加密计算耗时仅为同等整体加密计算的18.6%。

焊接过程耦合场分析的一种新的直接耦合解法

TIG(钨极惰性气体保护电弧焊)焊接过程的数值模拟是一个不可压缩的流场与温度场相互耦合的问题,其数学模型是三维非定常、非线性偏微分方程组的定解问题.首先建立了焊接过程耦合场分析中贴体曲线坐标系下的数学模型,其次给出了多重网格法与有限差分法、牛顿迭代法相结合的一种新的直接耦合解法,最后通过对移动热源作用下Q235低碳钢板的焊接过程进行模拟,数值结果表明,所给出的方法比传统迭代法(有限差分法+牛顿迭代法+超松弛方法)在计算时间上至少减少了35%.

自适应无网格方法在涂层弹塑性接触中的应用

采用自适应无网格-有限元耦合方法研究多层介质表面弹塑性接触问题。将基于应变能梯度的自适应无网格法与线性规划-增量初应力法相结合,给出模型计算理论和算法实现,并在计算中考虑了材料的塑性应变。研究了一种涂层表面和圆柱体表面、粗糙表面的弹塑性接触,并分别与其均匀密化解进行比较。结果表明:在同等条件下采用自适应无网格方法对弹性-理想塑性接触问题进行计算能在较小的计算耗费下取得较好的计算结果。

碳纤维复合材料缠绕修复的压力管道断裂分析

采用耦合的有限元-无网格Galerkin数值算法,计算了碳纤维增强型复合材料缠绕修复的压力管道横向贯穿裂纹以及横向椭圆型表面裂纹前沿应力强度因子,据此分析了碳纤维增强型复合材料套袖长度对压力管道裂纹应力强度因子的影响。结果表明,本文所提算法能有效计算三维问题应力强度因子;含裂纹压力管道采用碳纤维增强型复合材料缠绕修复后,裂纹前沿的应力强度因子显著降低;修复套袖越长,修复效果越显著,但套袖长度超过一定范围后,应力强度因子的降低趋于缓慢,对修复效能的进一步提高贡献甚微。