建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。

非连续边界元-有限元耦合方法分析

对边界元－有限元耦合方法进行了分析，采用非连续元离散边界积分方程，解决了耦合分析中自由度约束问题，给出了非连续边界元同有限元耦合的具体实施步骤，通过对二维弹性力学和流－固耦合问题分析，表明了该文方法的有效性．

层状地基上弹性地基梁的有限元-边界元耦合分析

将地基视为多层各向同性弹性体,对Euler-Bernoulli梁进行有限单元离散分析,对地基-梁接触面采用边界积分法求解,根据地基-梁接触面的竖向位移协调和光滑接触条件,应用有限元与边界元耦合的方法推导出各向同性成层弹性地基上的Euler-Bernoulli梁的半数值半解析解。基于文中理论,编制了相应的程序,通过与现有文献对比,验证了文中理论的正确性,对比分析了分层地基与等效均匀地基两种模型上的弹性地基梁。研究结果表明,分层地基与等效均匀地基两种模型上弹性地基梁性状差异较大,实际弹性地基梁计算中应采用分层地基模型。

几何边界变化的有限元、边界元耦合重分析理论

在一种新的变分原理的基础上,提出了利用边界元和有限元耦合进行几何边界变化的重分析理论。它不仅使分析人员的工作量大大减少,而且也节约了内存,提高了重分析的精度,使大型结构的重分析大为简化。

永磁无刷直流电动机场路耦合运动时步有限元分析

提出一种适用于永磁无刷直流电动机的场路耦合运动时步有限元分析方法,解决了电机在非正弦供电时的场路耦合分析问题。电路中考虑了开关元件换流重叠过程和绕组中点的电位波动。给出了控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元单元分析方法,采用改进的有限元运动边界处理方法——插值运动边界法解决转子运动问题。应用上述模型对1台无刷直流电动机的进行分析,计算结果和样机的实测波形吻合。该方法也适用于其他非正弦供电电机的场路耦合有限元分析。

边界无限元——半解析有限元耦合法分析核安全壳与基础相互作用问题

本文以核安全抗震分析为背景,研究 P 波,SV 波的动力作用,采用了边界无限元与半解析有限元结合的方法,利用子结构法导出壳体与介质相互作用耦合方程,在频域内求得最大响应,运用FFT 逆变换,在时域获得响应,对边界单元中的处理技术进行了探讨,结果表明,精度高,计算量小。

引入多重边界条件的GIS母线温度分布多场耦合计算及影响因素分析

GIS母线温度分布可为触头温度监测及载流能力评判提供参考。基于有限元方法建立实际GIS母线原型的多物理场耦合计算模型,并引入太阳辐射、空气流速、环境温度等多重边界条件,以分析外部气候条件对GIS母线温度分布的影响。开展GIS母线稳态温升实验,验证多重边界下多物理场耦合模型的有效性。基于所建仿真模型,分析负荷电流、环境温度、太阳辐射以及风速对GIS温度分布的影响,结果表明:导体和外壳温度增长率随着负荷增加而逐渐变大;环境温度改变导致GIS温度近似线性变化;太阳辐射导致GIS母线整体温度显著提高,外壳最热点向太阳直射方向偏移,外壳温度展开曲线近似为正弦形;风速导致外壳温度分布偏离正弦形,对导体的降温作用也受到SF6导热能力限制。最后,利用导体温度与GIS外壳最低点温度、环境温度、负荷电流三个条件的数值关系,给出了导体温度的计算方法,与实验值对比表明该方法的精度较高。

弹性空间结构系统的BEM-FEM耦合分析

提出一种供弹性空问结构系统进行数值计算的BEM—FEM耦合分析方法,适用于对称的和非对称的结构,可以承受分布的或集中的荷载作用。结合大直径圆筒结构算例的计算分析,证实这一方法在求解无限域或半无限域介质中弹性空间结构系统时,是一种很有效的方法。

复合环境激励下的声振耦合分析

基于有限元和边界元理论,建立了仪器舱典型结构的耦合模型,分析了声振耦合对结构响应的影响。当典型结构经受随机振动+混响声场复合环境激励时,采用随机分析的原理,用谱分析的分析方法定性的分析结构的动力响应情况,推导了节点响应谱密度的计算公式,解决了Sysnoise软件同时对声振复合环境进行数值模拟的问题。仿真结果表明:声振耦合影响结构的响应,且在各频率上影响程度不同,在低频时较弱,相当于附加阻尼的效果,随着频率的升高,耦合程度随之加强,改变了结构的响应分布;对声振复合环境数值模拟,在低频部分,随机振动激起的响应占主要部分,随着频率的升高,混响声场激起的响应占主要部分,混响声场激起的模态数也要多于随机振动激起来的。

大型风力机三维建模及流固耦合分析

以2MW风力发电机为研究对象,通过翼型设计软件Profili及Matlab推导出叶片翼型三维坐标。利用UG将此三维坐标拟合成叶片截面样条曲线,扫掠曲线得到叶片三维模型,然后在UG中建立塔架和机舱模型并完成风力机模型的整体装配。应用ANSYS对风力机进行流固耦合分析,得到了风力机在空气流场作用下的压力分布情况,将此压力加载到风力机上进行静力学分析,得出风力机在空气流场下的应力、应变分布情况并结合实际应用对仿真结果进行了详细的分析。研究成果对大型风力机的结构优化设计有重要的参考意义。

无界区域瞬时涡流问题有限元-边界元耦合的A-φ法的误差分析

针对三维无界区域带有凸多边形导体的瞬时涡流问题,本文提出了一种基于势场的有限元-边界元耦合的方法,从理论上讨论了其能量模误差估计.虽然电场被分解为电矢势A与磁标势φ的梯度之和后增加了方程与未知量的个数,但这种分解可以很好地处理不同介质间的间断.与传统的A-φ法不同,本文讨论了一种全离散的A-φ解耦形式,这样不仅可以避免传统格式所产生的鞍点问题的求解,又可以减少计算量.

波动问题中流体介质的动力人工边界

无限域流体介质的波动辐射效应是影响海域工程动力反应的重要因素,人工边界是实现此类开放系统近场波动问题数值分析的有效方法.基于位移格式的流体波动理论推导开放域流体介质的人工边界,分别给出一维、二维和三维空间中平面波、柱面波和球面波的流体介质动力人工边界条件,其中一维平面波动人工边界为经典的黏性边界,二维柱面波、三维球面波的人工边界处节点应力与节点速度和加速度成正比,可等效为由阻尼与质量系统构成的人工边界条件.讨论相应的数值模拟技术,给出流体介质动力人工边界在ANSYS软件平台的具体实现方法.近场流体介质动力反应问题的算例表明,所发展的流体动力人工边界对于轴对称波动与非轴对称波动在近场有限域截断处的透射吸收作用的模拟计算精度均较为良好,说明此流体介质人工边界具有较高的可靠性与实用性.所发展的流体介质动力人工边界可较为方便地与大型商用有限元软件结合,可为包括海域地形和海岛在内的海域工程的动力分析提供一定的方法借鉴.

基于直接微分法的水下结构声学快速敏感度分析

在降低结构振动噪声方面,结构声学优化方法展现了很高的应用潜力,并越来越受到研究者们的重视。通过结构声学敏感度分析建立辐射声场与结构材料属性和结构形状参数的关系,结合优化算法可设计出低辐射噪声和高声隐身性能的水下航行结构。发展耦合有限元法与快速多极高阶非连续边界元法进行流固耦合问题的敏感度分析,克服传统耦合算法的计算精度低,内存占有量高,难以进行大规模实际问题的计算等问题。设计变量可选为流体密度、结构密度、泊松比、杨氏模量、壳厚度和形状参数等。针对不同设计变量,采用直接微分法分别推导出结构声学系统和辐射声功率敏感度表达式。通过带有解析解的水下点激励球壳算例验证算法的正确性与有效性,并通过简化潜艇算例展示该算法在大规模实际问题上的应用潜力。

考虑芯层横向变形的粘弹性复合材料夹层板结构的声振特性分析

夹层板结构具有很高的比强度和比刚度。若芯层采用粘弹性阻尼材料,夹层板结构还具有良好的隔振和隔声特性,因此在工程结构中得到广泛应用。以往的夹层板理论大多忽略了芯层的横向正应变和横向正应力,在分析芯层较厚的夹层板或者夹层结构的高频振动问题时由于不能体现芯层的横向压缩变形,往往显得不够合理。针对这一不足,构造了一个复合材料夹层板单元:夹层板的上下面板采用基于一阶剪切变形理论的Mindlin假定以及层合板理论进行分析;采用文献[6,7]中提出的Timoshenko层合厚梁理论构造了单元每边的转角和剪应变场,消除了Mindlin板单元当板厚变小时的剪切锁死问题;假定芯层的位移沿厚度方向线性变化,并用上下面板的自由度表示,最终形成以上下面板自由度表示的系统总的运动方程。该单元不仅考虑了芯层的横向剪切变形,还考虑了芯层的横向压缩变形。数值计算结果表明:无论对于静力问题、动力问题还是声辐射等问题,考虑芯层的横向压缩变形是合理的,也是有必要的。

爆炸波作用下地下防护结构与围岩的非线性动力相互作用分析

针对实际地下工程中普遍存在的材料非线性以及半无限介质域的处理问题,给出了基于时间有关基本解的时域边界元法与非线性动力有限元法的耦合方法,应用该耦合方法计算了一马蹄形截面地下防护结构与围岩受爆炸冲击波作用下非线性相互作用的时间历程,并与线弹性情况进行了比较分析。结果表明:本文的方法具有较高精度,真实地再现了波在弹性层中传播以及反射的全过程。

基于连分式与有限元法的坝库耦合瞬态分析方法

为高效模拟地震激励下坝库耦合瞬态响应,建立了无限水库的连分式与有限元法的耦合公式。结合坝体有限元公式,利用坝库耦合项,发展了坝库耦合瞬态分析迭代算法。利用该算法分析了水平向地震激励下重力坝的瞬态响应。比较了基于连分式法、动态刚度矩阵法、动态质量矩阵法模拟坝库耦合问题的计算效率。数值算例表明该耦合算法模拟坝库耦合瞬态响应的正确性及高效性。该方法继承了比例边界有限元法的精度高、离散单元少等特点,又避免了其卷积积分,提升其计算效率,为坝库耦合瞬态响应提供了一种高效分析方法。

基于比例边界有限元法和有限元法的水下结构瞬态分析方法

针对冲击波作用下水下结构与无限声学水域的流固耦合问题,建立了基于比例边界有限元法和有限元法的瞬态分析方法。无限水域用比例边界有限元法离散,而水下结构等有限域用有限元法模拟。该方法利用声学近似法将无限水域施加给水下结构的载荷分解成冲击波载荷和散射波载荷。冲击波载荷由水下冲击波理论确定,而散射波载荷由比例边界有限元法估值。为改善比例边界有限元法动态质量矩阵的计算效率,发展了动态质量矩阵的时域递推公式。数值算例分析结果表明了所发展的瞬态分析方法和时域递推公式的正确性。

船用螺旋桨叶片振动辐射噪声数值分析

螺旋桨噪声是舰船水下噪声的重要组成部分,它会影响舰船的隐身性能。螺旋桨水下噪声可分为流体动力噪声和叶片振动辐射噪声。本文计算研究了螺旋桨叶片振动辐射噪声,首先采用CFD方法对螺旋桨敞水特征进行模拟,提取螺旋桨表面的压力波动作为外部载荷;再利用有限元方法对螺旋桨进行振动响应分析;最后以振动响应作为声辐射边界条件,利用边界元方法计算了螺旋桨的振动辐射噪声。

高温声载荷下火焰筒结构动力学响应特性分析

航空发动机火焰筒长期工作于严酷的高温、强噪声环境中,火焰筒结构在温度载荷与随机声激励载荷的耦合影响下极易发生疲劳破坏现象。采用耦合有限元/边界元的方法以某型单管火焰筒为原型,建立火焰筒简化模型,对高温随机声载荷下火焰筒结构进行数值仿真计算。通过功率谱密度法对结构非线性动力学响应特性进行分析,总结出火焰筒结构随温度和声压级变化时应力响应特性的规律。该研究方法、模型和结论对深入开展火焰筒薄壁结构动力学设计具有一定的参考价值。

热流环境下航空发动机短环形火焰筒动力学响应特性分析

采用数值仿真分析方法对航空发动机短环形火焰筒结构进行简化处理,构建短环形火焰筒结构模型。通过有限元方法对结构进行流固耦合分析计算,得到火焰筒壁面温度分布及气动压力分布,计算火焰筒结构热模态结果并分析。通过耦合的有限元/边界元法以扩散场的形式对火焰筒结构施加噪声激励载荷,对火焰筒结构多场耦合非线性动力学响应特性进行分析,获得了短环形火焰筒结构在温度载荷、气动力载荷与噪声载荷耦合作用下的动力学响应规律。