深水隔水管-防喷器组耦合系统动力学建模与仿真验证

在深水钻井过程中,隔水管与防喷器组系统是整个作业环节的重要一环。由于在作业过程中面临着诸多风险,因此,建立精确的隔水管-防喷器组耦合系统力学分析模型,准确分析其力学行为和性能,对指导钻井作业安全进行具有重要意义。目前大多只关注于对隔水管的独立建模而忽视防喷器组的潜在影响,这将导致所建模型与实际情况存在差异,使得隔水管系统的力学特性无法得到精确分析。提出了隔水管与防喷器组刚柔耦合概念,推导耦合系统动能、势能,采用拉格朗日方法建立理论模型,用Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。采用ADAMS软件进行了仿真建模,开展不同工况条件下的动态响应对比分析。结果表明,理论模型得到的隔水管横向位移包络线、弯矩包络线、隔水管中部节点横向位移时程曲线和底部弯矩时程曲线与ADAMS仿真结果吻合良好,从而表明了该理论模型的重要性,可为我国隔水管的设计和分析提供参考和支持。

基于DEM-MBD耦合的液压挖掘机动力学仿真分析

在实际工况下,液压挖掘机工作装置受到的载荷较大且具有强时变性,因此工作装置各组成杆件及液压缸较易出现各种形式的失效。针对以上问题,选取某型号液压挖掘机作为研究对象,根据液压挖掘机工作装置实际挖掘物料工况,利用多体动力学软件ADAMS建立液压挖掘机虚拟样机模型并利用离散元软件EDEM建立物料模型。通过DEM-MBD耦合仿真分析方法,对液压挖掘机工作装置进行动力学仿真分析,主要获取挖掘物料过程中铲斗受力变化曲线、不同时刻铲斗受力云图,通过对其分析,能够获取铲斗在挖掘作业过程中受力变化情况,为铲斗的有限元分析、优化设计提供理论依据。

BMS电路板多模块协同热-力耦合建模及仿真分析

针对现有电动汽车电池管理系统(BMS)电路板研究仅仅考虑单一功能模块的温度场及其散热效果,缺乏考虑BMS多个功能模块在温度场和力场下的相互影响及协同效应的研究的情况,以某商用BMS电路板为研究对象,采用ANSYS构建了表征BMS多模块协同作用下的热-力耦合数值仿真分析模型并验证了其有效性.在此基础上,针对BMS电路板各功能模块温度场及热变形行为开展了数值仿真研究.结果表明:BMS电路板温度分布不均,最大温差达20.5℃.均衡模块存在积热,温度高达54.4℃.高温导致电路板组件发生热膨胀变形,同时电路板约束诱发均衡模块及供电模块边缘的贴片电阻出现热应力集中,两者共同作用致使BMS均衡模块、供电模块产生凸起翘曲变形,且Z轴热变形量随着温度升高而增大,最大变形量达9.5μm,应针对BMS电路板上积热模块开展散热优化设计.

全齿轮耦合机器人齿侧间隙建模与公差仿真

鉴于全齿轮耦合机器人齿轮传动链长、反转频率高的特点,分析机器人的结构和传动原理.为了减小侧隙对机器人传动精度的影响,提出齿侧间隙理论建模及三维公差仿真分析方法.针对驱动端的圆柱齿轮机构,对齿侧间隙进行理论建模和公差仿真分析,两者相吻合.针对关节处的圆锥齿轮机构,提出将圆锥齿轮副等效为假想圆柱齿轮副的侧隙建模方法,与公差仿真分析结果吻合.以机器人肩关节偏摆传动链为分析对象计算机器人末端误差,为了降低齿侧间隙及其导致的传动链回程误差,提出圆锥齿轮加垫的计算方法和电机转角补偿方法,通过实验验证该补偿方法的有效性.

锂电池在机械滥用下的耦合仿真模型研究

随着新能源汽车保有量的增加,因锂电池故障而引起的起火、爆炸等问题引起了各界的密切关注。锂电池在机械滥用下的热失控行为复杂、实验成本高、可重复性低,难以为研究提供有效、完备的数据。因此,利用高置信度仿真模型研究和评估锂电池的安全性能是一种可行的途径。基于Ls-Dyna软件建立了锂电池机-电-热耦合仿真模型。结果表明,该模型能够准确预测电池在受到压痕时的机械响应和电响应,且能合理地模拟电池的温度分布,具有较高的置信度。利用该模型对控制因素(压头半径,冲压方式)进行了研究,并综合分析了相关参数对锂电池安全性能的影响。所获得的结果可为车载锂电池包的设计和安全系统构建提供参考。

二尖瓣运动的流固耦合仿真

目的 建立包含左心和血液的二尖瓣理想模型,用流固耦合仿真研究二尖瓣在血流中的运动特性。方法 基于解剖学参数建立二尖瓣、左心和血液模型,流固耦合仿真采用有限元结合浸没边界法,使用有限元软件LS-DYNA模拟二尖瓣运动,获取形态学、力学和血液动力学参数,并与结构仿真结果进行对比。结果 两种仿真下二尖瓣形态学结果差异较大,流固耦合结果与超声影像吻合。流固耦合仿真和结构仿真的瓣叶应力分布结果一致,最大第一主应力分别为1.48、1.53 MPa,相对误差为3.27%。左心流场有较为复杂的涡旋结构,舒张期二尖瓣最大流速为1.02 m/s,与健康人体生理数据(0.89±0.15) m/s相吻合。结论 二尖瓣流固耦合仿真可以获取更贴近于生理的形态学结果;流固耦合仿真可以提供临床诊断不可或缺的流场参数信息;单研究瓣叶应力分布问题时,结构仿真更高效。

基于电-热流场双向耦合的直流继电器温升特性仿真研究

高压直流继电器体积小、散热能力有限,长期工作下存在局部过热的风险,发热严重时甚至影响到接触稳定性和继电器工作寿命。针对200 A直流继电器,综合考虑导体回路通电下欧姆损耗发热,在大空间的自然热对流、热传导以及热辐射、材料电阻率随温度变化等因素,建立继电器在额定工况下电-热流场双向耦合模型,设置电阻率随温度变化函数,进行耦合计算。最后,搭建对应的样机测温平台,对仿真正确性进行验证。结果表明双向耦合结果比单向耦合结果高约5.1%,与实验测量值误差小于6.2%,验证了电热流场双向耦合的有效性。

硅基三维异构集成射频微系统的多物理场耦合仿真与设计

利用硅基三维异构集成工艺设计一款射频微系统,以满足设备对射频模组高性能、小型化的需求。为了在设计初期充分评估该微系统的潜在可靠性风险,根据工艺特征以及产品在多物理场中的耦合现象,建立一种面向硅基三维异构集成工艺射频微系统的多物理场一体化仿真流程,逐一分析所涉及的电-热耦合和热-力耦合过程,预判产品在工作条件下的热学和力学特性,为设计环节提供针对性的指导,预先规避可靠性风险,从而有效提高一次性设计成功率。

基于EDEM-Fluent耦合仿真的射流式挖藕机设计与优化

为解决大面积的浅水藕田地区的莲藕采收机执行部件高压喷头的个数较多,容易出现各喷头间流速差过大的现象,导致莲藕采收率的下降和莲藕品质的参差不齐的问题,对莲藕采收机射流系统执行部件进行优化。喷头作为执行机构的重要组件,其射流的稳定性对莲藕采收的效率以及冲刷效果有着重大的影响。为揭示高压喷头的连接工艺和喷头形状、口径对射流稳定性的影响,基于EDEM-Fluent软件对内部流场进行环境建模以及对执行部件的喷头进行耦合仿真模拟。试验发现:改变喷头的形状增加倒角,调整各喷头出水口直径到恰当的差值对喷头出水稳定性有明显的改观,流速波动标准差由0.164 m/s改变为0.020 m/s;平均挖掘深度由33.50 cm改变为36.07 cm,挖掘深度标准差由1.71 cm改为0.69 cm。

小电流真空电弧多物理场仿真耦合机理研究

真空开关开断过程中产生的真空电弧涉及电、磁、热等多物理场耦合及多物性参数变化,研究其特性对于改进真空开关至关重要。为此,建立小电流真空电弧多物理场耦合模型,利用COMSOL Multiphysics对燃烧过程中的温度、压力、速度、电流密度、磁场强度等关键参量进行仿真,并分析多物理场间耦合机理。结果表明:等离子体温度、压力、电流密度最大值均在阴极表面中心处,磁场最大处靠近阴极侧,速度最大处靠近阳极侧;温度场、电流密度场、磁场随时间变化波动趋势基本一致,速度场波动滞后于压力场。

基于多物理场耦合的大容量干式空心并联电抗器温度场仿真研究

干式空心电抗器的温度场研究对电抗器的设计和制造至关重要。文中对大容量干式空心并联电抗器,采用电磁—流热多物理场耦合方法,考虑了温度对铝导线电导率的影响,建立了包含星型架、撑条和包封绝缘的三维电抗器有限元仿真模型。对于110 kV输电系统中BKGKL-40000/110电抗器进行了仿真分析,分析结果表明电抗器温度分布总体呈现上高下低的趋势,在电抗器上部中心的空气流速最高,将结果与试验测温结果相比较,两者较为接近,说明了仿真方法的准确性。此外,对加设防雨罩后的电抗器仿真结果进行了分析比较。通过分析电抗器的温度分布特点,为干式空心并联电抗器的设计与制造提供参考。

基于流固耦合的全封闭往复式压缩机数值仿真及吸气舌簧阀的优化

为了考察用于制冷的小型往复式压缩机在吸排气过程中的吸气舌簧阀和排气舌簧阀的最大接触冲击力和量化吸入与排出气缸中的冷媒气体量,以某型号往复式压缩机的实际结构为基础,建立了该型号往复式压缩机的数值仿真计算模型,对其吸排气过程进行了数值仿真计算,并根据仿真计算结果对吸气舌簧阀进行了优化。研究结果表明,吸气舌簧阀优化前后与其阀座的最大接触冲击力分别为102.3 N和98.2 N,最大接触冲击应力分别为151.1 MPa和148.3 MPa,分别减小了4.1 N和2.8 MPa;优化前后一个周期内吸入气缸的气体质量分别为9.8×10^(-3)g和1.05×10^(-2)g,增加了7×10^(-4)g;优化前后吸气舌簧阀位移升程最大颤振幅值分别为1.49 mm和0.56 mm,减小了0.93 mm,吸气舌簧阀初次冲击阀座后的最大反弹位移分别为0.48 mm和0.28 mm,减小了0.2 mm。优化后,吸气舌簧阀最大接触冲击力、最大接触冲击应力和位移升程颤振幅度减小,吸入气缸的气体质量增加,结果可为提高吸气舌簧阀的使用寿命和往复式压缩机的工作效率提供有力的支撑。

电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

植物茎秆柔性夹持装置刚柔耦合仿真与试验

针对现有植物茎秆夹持装置存在夹伤茎秆、夹持行程及夹持力不可调等问题,设计一种植物茎秆柔性夹持装置,夹持手内置弹簧可实现植物茎秆柔性夹持,能进行夹持力与夹持行程双调节,更好适应植物茎秆在力学试验、嫁接、茎秆切割试验等领域夹持需求。基于所建立夹持装置刚柔耦合仿真模型,进行夹持力、夹持行程、弹簧刚度等多因素动力学对比仿真与试验分析,以弹簧刚度为设计变量进行灵敏度及稳定性分析,研究不同弹簧刚度对柔性夹持装置夹持性能的影响。仿真与试验结果表明:装置最大夹持直径为68.8 mm,基于所构建夹持装置精准夹持力模型,可平稳调控夹持行程、速度及夹持力;随着弹簧刚度的增加,夹持力逐渐变大,夹持稳定性增加,综合比较发现当弹簧刚度为10 N/mm时,可满足装置施加400 N切割力时植物茎秆稳定夹持需求,柔性夹持力波动较小,能有效避免损伤植物茎秆。

钛合金板翅式结构双热源真空钎焊过程热流耦合仿真研究

本文构建了电阻生热与辐射加热双热源耦合作用下的钛合金板翅结构真空钎焊过程热-流耦合模型,对比分析了单热源与双热源温度场的差异性,探明了双热源作用下的钛合金板翅结构真空钎焊过程温度场分布与钎料流动规律。结果表明,板翅式结构外侧区域温度高,中心区域温度低,双热源作用下板翅构件表面温度较高。这是由于热传导传温效率更高,双热源作用下板翅结构的升温速率更快。整个加热过程中,单热源加热的板翅结构温差最大约155 K;在双热源作用下,板翅结构温差最大约70 K。因此,在辐射-电阻双热源的共同作用下工件的温度均匀性得到了明显改善。钎料流动分布同温度场分布相似,温度越高钎料熔化越充分,流动性越好。

基于输电线路运行电热耦合的虚拟仿真交互实践教学研究

通过建立基于输电线路运行电热耦合的虚拟仿真交互实践教学系统,有效克服传统电力系统课程的不足。在虚拟仿真技术的支持下,通过分析电热耦合模型,建立了电力系统电热耦合潮流模型和算法;结合导体本身热惯性的特点,研究了在不同外界条件变化情况下的电热耦合过程,揭示了制约输电线路电热耦合特性的影响因素。实践证明,该实践教学系统能够有效提高学生的实际操作水平。

磁耦合WPT系统中的线圈特性仿真分析

针对磁耦合谐振无线电能传输系统的性能问题,提出利用互感耦合理论分析及Maxwell软件建模相结合的方法,探索线圈结构参数及位置对系统传输效率的影响。首先,运用互感耦合理论对磁耦合谐振无线电能传输系统进行理论分析,得到系统传输效率与耦合因数k的理论关系。然后利用Maxwell软件实现对互感线圈的建模与仿真,得到线圈结构参数以及一定范围内任意发射线圈的空间位置对系统传输性能的影响。根据仿真结果分析得出在一定范围内匝数、线径、内径的增加,系统的性能会得到幅度逐渐降低的提升。当线圈同时发生水平和垂直偏移时,较小偏移量情况下,垂直偏移对系统的性能影响更大。发生较大偏移量时,水平偏移对系统的性能影响更大。

基于ADAMS-EDEM耦合仿真的月壤挖掘阻力分析

围绕月球资源开发的需求,提出一种五杆月壤挖洞机构。运用封闭矢量环法进行运动学分析,得出该机构末端点位移方程。根据Bekker半经验公式和朗肯被动土压力理论分别对挖掘铲的铲尖及铲面进行受力分析,得出挖掘铲进行月壤挖洞时所受合力方程。运用ADAMS-EDEM耦合仿真验证上述力学模型,证明该模型对机构挖洞时的阻力具有预测作用。

挠性印制电路板内置熔断体的多物理场耦合仿真

基于一种应用于新能源汽车动力电池模组集成母排上的挠性印制电路板(FPCB)内置熔断体结构,建立电-热-结构多物理场耦合仿真模型,对熔断体进行多场耦合仿真分析。仿真结果表明:室温环境下,电流密度最大值出现在熔断体弯折处;最高温度出现在熔断体中间熔体部分;环境温度越高或对流传热系数越小,熔断体升温速率越快。基于仿真模型发现,增大电流后熔断时间缩减。仿真结果可为FPCB内置熔断体结构设计、生产及测试提供重要参考。

基于流固耦合的碳化硅衬底CMP过程温度场仿真分析

在碳化硅衬底化学机械抛光过程中,抛光界面温度是影响抛光效率的关键因素之一,掌握抛光界面温度分布情况,有助于更深入理解CMP机理并为工艺优化提供理论指导。为此,对碳化硅衬底的CMP过程中温度场分布情况进行了探究,分析了不同抛光工艺参数和抛光液组分对抛光界面温度的影响。利用有限元分析软件ANSYS的流固耦合模块,综合考虑抛光垫与抛光液对SiC衬底的磨削作用,得到抛光过程中SiC衬底表面温度分布。仿真结果表明,SiC衬底径向温度从中心到边缘逐渐增大,边缘处上升趋势逐渐减小甚至出现温度小幅下降,最大温差接近0.4℃(约为4%)。通过单因素实验探究不同影响因素与温度之间的关系,得出结论:随着抛光转速和抛光压力的增大,SiC表面平均温度上升,均近似成线性关系,并且边缘点与中心点温度变化相差越来越大;同时,衬底界面温度随着抛光液磨料浓度的增加而上升,但变化相对较小。