基于Lagrange显式算法的井壁侧钻过程动态破碎规律

在煤层气多分支水平井裸眼悬空侧钻过程中,理解并掌握井眼连接段在地应力及钻具作用下的破碎及稳定机理对指导钻井过程尤为重要。结合Z1井岩芯样品的三轴抗压实验数据,运用Lagrange显式算法建立钻头-井壁-钻井液相互作用的瞬态显式有限元模型。采用DruckerPrager准则对裸眼悬空侧钻过程进行动态仿真模拟,研究钻头旋转冲击破岩过程中非线性动力作用及螺杆钻具接触对分支井眼形成过程的影响。将侧钻破岩至井眼形成阶段定义为"刻蚀过程",并细分为初、中、末3个阶段。通过大规模并行仿真计算,得到3个刻蚀阶段的井壁岩石的应力波动、破碎状态及刻蚀成井的钻压控制条件等参数;研究了"刻蚀过程"中井壁在地应力、钻具、钻井液等多种因素影响下的破碎规律,揭示了侧钻形成分支井眼过程中井壁的破碎机理。

单步无条件稳定显式结构动力学算法

在结构动力学分析中,数值积分方法通常被用来高效和准确地求解复杂结构系统在动态负载下的响应。基于量纲分析的原理,提出一种求解结构动力学问题的单步无条件稳定显式算法。首先对所构造的关于位移和速度的函数关系式进行无量纲化处理,然后通过算法精度要求、无条件稳定条件和数值阻尼可控条件确定了其最终递推格式,并根据算法最终递推格式分析得出算法耗散与弥散特性、超调和自启动特性和多自由度系统计算步骤,最后通过数值算例验证了算法的收敛精度、可控数值阻尼和计算效率优势。研究结果表明:对于线性和非线性系统,该算法都兼具显式算法的非迭代特性和隐式算法的无条件稳定特性;该算法能实现真正意义上的自启动并且在速度和位移上均无超调;该算法的数值阻尼由单自由参数控制,数值耗散和弥散对系统低模态响应的影响可以忽略不计,与具有代表性的非迭代显式算法KR-α法相比,该算法在引入数值阻尼滤除虚假高频模态的同时更真实地保留了低阶振型的贡献,从而表现出更好的计算精度;该算法在求解非线性结构动力学问题时相较于常用隐式算法有着显著的计算效率优势,并略优于两求解器非迭代显式算法KR-α法。研究结果很有希望成为求解非线性结构动力学问题的最新且更加有效的显式算法。

一种基于成对显式龙格-库塔时间积分的大气平流算法

为解决大气输送仿真中保形、正定及计算效率等问题,本研究发展了基于水平-多矩有限体积/垂直-有限差分混合格式和显式成对龙格-库塔方法的高效、高保真平流方程时空离散方案。为去除高阶算法在间断分布附近产生的数值振荡,平流方案在水平和垂直方向分别使用了基于加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)和总变差减小(total variation diminishing,TVD)方法的斜率限制器。在时间积分中,算法使用了二阶成对显式龙格-库塔方法,通过在垂直方向增加内循环中空间离散调用次数增大求解器可用CFL数。成对龙格-库塔时间积分方法能有效缓解大气模式垂直小网格距对积分时间步长的限制,使水平、垂直方向稳定性条件允许的最大时间步长尽可能接近,从而改善模式计算效率。论文中还设计了可用于库朗(Courant-Friedrichs-Lewy,CFL)数大于1情形的迭代正定修正算法,能保证平流方程计算结果严格非负。本文采用二维标准算例对所提出的平流方程算法进行了测试和比较分析。数值试验结果表明:本文提出的算法为解决高分辨、可扩展非静力大气模式中平流输送高保真计算难题提供了一条有效途径。

显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性,结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法,提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法,并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程,在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明,采用动力显式分析时,稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果,满足远域地基的回弹性能;振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小,且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。

采用粘弹性人工边界时显式算法稳定性的改善研究

在显式动力计算中引入粘弹性人工边界时,受人工边界刚度和阻尼等因素影响,整体模型的数值积分稳定性将变得更为严格,这在一定程度上限制了粘弹性人工边界在大规模显式动力计算中的应用。该文基于对采用粘弹性人工边界的显式时域逐步积分算法稳定性条件的分析及其影响因素的研究,提出通过对人工边界附加集中质量来改善其数值积分稳定性的方法,发展了稳定性更优的改进粘弹性人工边界。为确定合理的人工边界质量值,利用基于局部子系统的稳定性分析方法推导得到改进粘弹性人工边界的稳定性条件,通过比较分析给出人工边界质量参数的建议值。采用该建议值后,粘弹性人工边界区的数值积分稳定性条件优于内部计算域的稳定性条件,整体计算模型的稳定性由内部计算域控制,此时可以用常规的稳定性判别准则来确定临界时间积分步长。数值算例表明,该文提出的粘弹性人工边界数值积分稳定性改善方法在提高计算效率的同时保持原人工边界的计算精度,具有较强的实用性。

基于显式算法的水下连接器密封圈碰撞分析

文章介绍了水下连接器密封圈碰撞分析的意义和方法。在显式算法及有限元理论的基础上,研究出一套使用有限元分析软件ANSYS Workbench的Explicit Dynamics模块对水下连接器密封圈碰撞过程的分析计算方法。并具体介绍了分析过程中建立三维模型、设置材料属性、划分网格、设置边界条件和碰撞参数的方法。对分析计算结果进行了详细分析,得到了对接临界速度值,为卡箍式水下连接器对接速度的选择提供了理论依据。

一类带高频耗散的动力学显式算法

带数值耗散的算法因其能有效过滤虚假高频响应的影响而备受关注。基于离散控制理论Z变换,提出一类带数值耗散的结构动力学显式算法。该算法采用CR法的速度和位移递推式,满足零振幅衰减率,且对线性系统和非线性刚度软化系统为无条件稳定,对刚度硬化系统则是条件稳定的;该算法由单个参数ρ控制数值耗散能力。通过对振幅衰减和周期延长的理论分析表明,系数a可调节算法的精度和非线性稳定区间,给出精度最优时系数的取值。对特定的系数取值该算法可转变为CR法。通过算例对线性系统和非线性系统的分析验证了新算法具有良好的精度、稳定性和数值耗散,表明新算法是正确有效的。

三维笛卡儿坐标系中Lagrange流体力学的显式相容有限元方法(英文)

将Caramana等人提出的相容算法思想和有限元方法相结合,提出三维笛卡儿坐标系中Lagrange流体力学的显式相容有限元方法.采用三线性六面体单元和交错网格进行空间离散,利用质量集中进行显式求解,无需求解线性代数方程组.时间离散可采用两步显式Runge-Kutta格式.用边人工粘性消除激波振荡,用子网格扰动压力抑制网格的非物理变形.给出若干标准算例.数值算例表明,该方法具有较高的计算精度和计算效率,同时具有很好的对称性和总能量守恒性,总能量计算误差为计算机浮点计算截断误差.

一个新的显式半Lagrange差分格式

构造了一种新的完全能量守恒的显式半Lagrange格式,大气重力波方程数值计算表明,守恒格式在10000步之后仍保持12位有效数字不变,而传统格式只能保持5位有效数字不变。

随机装卸工问题的Lagrange松弛启发式算法

提出了随机装卸工问题及其求解策略.根据问题模型的特点设计了简捷高效的Lagrange松弛启发式算法,通过数值算例验证了算法的求解效果.

一种新型高精度半显式基于模型的积分算法

提出了一种新型高精度基于模型的积分算法,该算法采用了半显式Chang算法的速度、位移表达式,但是具有不同的积分参数。采用离散控制理论中“零极点匹配”和二阶Pade近似推导出新算法的积分参数。对算法的精度、稳定性、周期延长和振幅衰减等数值特性进行分析。与Newmark族积分算法和两种典型的基于模型的积分算法相比,新算法具备四阶精度,并且有非常小的周期误差。最后,通过三个数值算例验证了新算法的高精度特性。

地铁地下结构抗震分析并行计算显式与隐式算法比较

基于EM64T硬件构架、双路Intel Xeon处理器、Linux操作系统、64位ABAQUS软件、千兆以太网络为集群子网络构建的32CPU并行计算集群平台,对有限元并行计算中心差分显式算法与Hilber-Hughes-Taylor隐式算法的计算精度和效率以及ABAQUS软件中设置黏弹性人工边界计算精度进行比较验证。结果表明:显式与隐式算法计算精度基本相当,但显式算法计算效率远高于隐式算法。对地铁地下结构三维和二维非线性地震反应分析有限元并行计算显式和隐式算法进行对比研究,结果表明:对于自由度数为387 426的地铁车站结构三维非线性地震反应分析,8、16、32CPU并行计算显式和隐式算法耗时比依次为21.89%、23.10%、4.32%;对于自由度数为10 516的地铁车站结构二维非线性地震反应分析,1、2、4CPU并行计算隐式和显式算法计算耗时比依次为41.4%、45.3%、51.8%;多CPU并行计算显式算法适合求解大规模数值计算问题,多CPU并行计算隐式算法适合求解小规模数值计算问题。

机械系统接触碰撞界面显式计算的算法综述

接触碰撞界面的计算是机械系统CAE动态分析的关键技术之一,高效、精确、可靠的接触算法,包括接触搜寻算法和接触力算法,是接触碰撞界面计算的核心部分。结合机械系统的动态显式有限元计算,描述接触碰撞界面模型;重点探讨并对比接触碰撞界面计算中常用的计算模型和接触算法,指出其各自的优缺点;给出机械系统的动态显式有限元计算的一般流程;对接触算法的一些影响因素和误差分析作出简要说明,并对接触算法在接触碰撞界面计算中的进一步研究提出一些看法。

一种适用于分布式发电系统的显式—隐式混合积分算法

针对分布式发电系统的典型特征,提出了一种适用于分布式发电系统的显式—隐式混合积分算法。分布式发电系统中电力电子元件具有较快的动态特性,而分布式电源本身如燃料电池、风机、微型燃气轮机、蓄电池等动态响应较慢,根据这一特性设计了算法的划分原则,针对快动态电力电子元件采用隐式积分算法,针对慢动态分布式电源采用显式积分算法,同时兼顾了显式积分算法计算速度快,隐式积分算法数值稳定性好的优点,且对微电网变结构操作具有较好的适应性。最后,在仿真平台上验证了所提出算法的正确性与有效性。

结构动力学中的广义多步显式积分算法

为了开发新的时间积分算法,通过对独立变量加速度的加权,提出了广义多步显式积分算法(GMEM).首先,在加速度显式法的基础上给出了通用的积分格式;其次,分析了所提算法的稳定性、数值耗散、数值色散和精度;最后,通过2个算例对3个广义多步显式积分算法(GMEM1、GMEM2和GMEM3-2)以及HHT-α法和Newmark法进行了对比分析.分析结果表明:本文所提算法是条件稳定的,在无阻尼系统中谱半径恒等于1;3步广义多步显式法最高具有3阶精度,在无阻尼系统中不存在数值耗散;GMEM2的均方根误差约为Newmark法的1/2,约为GMEM3-2的1.8倍.

板料成形有限元分析的显式算法

本文基于连续介质力学及有限变形理论，建立了退化四节点壳单元的动力有限元模型，用于三维板料成形过程分析。数学模型采用物质坐标系中的ＵｐｄａｔｅＬａｇｒａｎｇｅ描述，用动力显式积分的方法，使位移计算显式化，避免了由材料几何等高度非线性引起的计算收敛问题。根据此模型编制的程序模拟了一盒形零件的成形过程。

动力显式算法在汽车覆盖件成形过程有限元模拟中的应用

论述了汽车覆盖件成形过程有限元模拟的动力显式算法.详细分析了动力显式算法中虚功方程的空间域有限元离散方法和有限元方程的时间域中心差分离散方法.分别采用LS-DYNA3D和ABAQUS对江铃五十铃汽车有限公司J116车门和匹卡车第一横梁进行了显式算法的有限元数值模拟.算例表明:动力显式算法可以获得比较满意的结果.

非线性动力学问题的一个显式精细积分算法

对于非线性动力学问题 ,给出了一个显式的精细积分算法 ,适用于多自由度、强非线性、非保守系统。算例表明本方法精度高。

变薄拉深过程模拟的有限元动力显式算法

为研究变薄拉深工艺中材料流动变形,开发了基于单点积分和粘性阻尼沙漏控制算法相结合的八节点六面体单元的有限元动力显式算法程序。采用粘性沙漏控制算法有效控制了由于单点积分造成的沙漏模式,节省了计算时间。同时,沿厚向划分多层网格、三维的本构关系以及双面接触算法,可以精确获取板料应力应变状态。最后给出了圆筒件的变薄拉深成形模拟实例,通过与实验结果的比较,验证了此实体单元的实用性。

基于双步长的显式积分算法

为了建立精度更高、稳定性更好的显式积分算法,在双步长线性加速度假设的条件下,通过积分推导,提出了双步长显式法和修正双步长显式法。对这两种新方法进行了稳定性、精度和截断误差分析,并通过算例对两种新方法、中心差分法和解析解进行比较。结果表明,无阻尼情况下,双步长显式法是不稳定的,而修正双步长显式法与中心差分法具有相同的稳定条件;大步长情况下修正双步长显式法和中心差分法的幅值误差小于双步长显式法;小步长情况下修正双步长显式法的阻尼比误差和周期误差都比中心差分法小,具有良好的综合性能。