基于POD-αATS的油浸变压器瞬态温升降阶自适应变步长计算方法

针对油浸式电力变压器瞬态温升计算效率过低的问题,该文提出本征正交分解-αATS(proper orthogonal decomposition-adaptive time stepping based onαfactor,POD-αATS)降阶自适应变步长瞬态计算方法。首先,推导变压器绕组瞬态温升计算的有限元离散方程;其次,采用POD降阶算法改善传统瞬态计算中存在的条件数过大及方程阶数过高的问题;同时对于瞬态计算中的时间步长选择问题,提出适用于非线性问题的αATS变步长策略;然后,为验证方法的有效性,基于110 kV油浸式电力变压器绕组的基本结构建立二维八分区数值计算模型,同时将计算结果与基于110 kV绕组的温升实验结果进行对比。数值计算及实验结果表明,所提算法与全阶定步长算法在流场和温度场中的精度几乎相同,且流场计算效率提升约45倍,温度场计算效率提升约38倍,计算速度得到显著提高。这一点在温升实验中同样得到验证,说明该文所提算法的准确性、高效性及一定的工程实用性。

基于二阶ETP解析解的空调-建筑电热耦合系统辨识方法

对空调-建筑电热耦合系统进行建模是挖掘空调调节潜力的基础。为解决当前基于二阶等效热参数(ETP)建模研究中存在的拟合精度有限、电热耦合特性考虑不足等问题,文中首先推导了二阶ETP模型解析递推形式,具有高拟合精度、递推值有界、步长灵活可调的优势,可提高模型的准确性、可靠性以及对多样化数据采集技术的适应性。然后,采用平均能效比刻画空调电热转化过程,提出考虑平均能效比的空调-建筑电热耦合解析化模型参数辨识方法,综合利用室内气温拟合机制和制热量拟合机制进行参数寻优。最后,搭建实际测试环境对所提方法性能进行验证。结果表明,该方法能在现有基础上显著提升参数辨识的准确率,从而为能源系统仿真、空调负荷调控等应用提供更加准确可靠的模型基础。

船用机械密封环热-结构耦合有限元优化计算研究

以小锥度的收敛间隙为优化原则,以最大接触压力作为目标函数,以静环端面的磨损裕度为设计变量,采用一阶优化法进行机械密封环热-结构耦合有限元优化计算。优化结果表明:过大的磨损裕度使密封端面易产生外侧接触的倾向,密封系统稳定性差,外侧易出现严重磨损;过小的磨损裕度使密封端面内侧接触压力明显增大,易出现局部过度磨损现象。采用此优化方法,可以在保证内接触条件下提高密封端面接触均匀性和机械密封的热力学性能,对机械密封环的设计,制造及密封环热力状态的进一步研究具有重要的意义。

分数阶理论下实心球体受热冲击作用的渐进分析

基于分数阶广义热弹性理论,针对实心球体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析.利用热冲击的瞬时特征,借助于Laplace正、反变换技术及柱函数的渐进性质,推导了热冲击作用周期内位移场、温度场和应力场的渐进表达式.通过计算,得到了不同传热能力下受热冲击作用时热波、热弹性的传播规律以及位移场、温度场及应力场的分布规律.结果表明:分数阶参数取值的不同,热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均有所不同,分数阶参数可视为延迟时间的影响因子,通过改变延迟效应对热弹性行为的影响来改变热冲击的作用效果.

压电复合梁热机电耦合有限元模型

压电材料应用于航天结构形状或振动控制时,可能会受到热场、力场和电场的共同作用。为分析处于热场、力场和电场共同作用下的压电复合结构,文中基于高阶剪切变形理论、高阶电势模型和线性温度分布假设,利用虚功原理建立了压电复合梁结构的热-机-电耦合有限元模型。该模型可应用于热机电耦合压电复合结构的形状与振动控制研究。利用本文模型对压电双晶片梁、压电复合悬臂梁进行了数值仿真,仿真结果与文献给出的理论结果和实验值吻合良好,表明本文模型是正确有效的。

重载货车高摩擦因数制动闸瓦热负荷研究

采用热-结构顺序耦合对货车高摩擦因数合成制动闸瓦在紧急制动工况和长大坡道调速制动工况下进行热应力仿真分析。结果表明:在紧急制动工况下,闸瓦的最高温度出现在制动28s后,为206.2℃,最大应力出现在制动32 s后,为15.4 MPa;长大坡道调速制动时,最高温度和最大应力都出现在制动结束时,分别达到594.8℃、55.6MPa。仿真结果与实验结果一致,较为真实地反映了整个过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况,且闸瓦一次制动满足要求。

重载货车制动闸瓦温度场和应力场仿真分析

采用顺序耦合法对重载货车在长大下坡道上的踏面制动进行热-结构耦合分析,结果表明:摩擦热量主要集中于摩擦表面层,闸瓦温度和应力在制动过程中先升后降,但是应力最大值比温度最大值提前到达。仿真结果较真实的反映了整个过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况,为闸瓦的使用寿命和疲劳分析提供了理论基础。

高摩擦系数合成闸瓦热负荷研究

采用热-结构顺序耦合对货车高摩擦系数合成闸瓦在紧急制动工况和长大坡道调速制动工况下进行热应力仿真分析,并从材料的微观角度分析闸瓦摩擦表面的摩擦情况。结果表明:紧急制动时闸瓦的瞬态最高温度和最大应力满足要求;而调速制动时,最高温度和最大应力分别达到651.1℃、62.4 MPa,应力超出闸瓦的极限值。仿真结果较为真实地反映了整个制动过程中闸瓦的瞬态温度和应力变化情况,且闸瓦一次制动满足要求。

考虑滞回效应的锂离子电池二阶电热耦合模型

针对目前锂电池建模时电池滞回效应以及电池温度对建模精度的综合影响,在电池等效电模型和热模型基础上,建立了一种电热耦合模型。首先通过MATLAB参数拟合工具箱仿真得出电池的滞回电压,利用查表法建立等效电模型,然后使用最小二乘方法得出热模型的参数,再通过等效模型与热模型公式中的发热项进行电热耦合,最后通过实验,对不同温度下的电池模型恒流、动态工况进行对比分析。实验结果表明,所建立的电热耦合模型能够较好地贴合电池的工作特性,工况下与实验电压误差为10 mV左右,比传统二阶RC模型精度提高了约0.013 V。

考虑温湿度耦合的水工混凝土抗压强度分数阶模型探讨

养护温度、湿度、龄期对早期抗压强度的发展具有重要影响,综合考虑温度和湿度对水工混凝土的早期抗压强度影响研究偏少。本文结合掺粉煤灰水工混凝土,开展了不同养护条件(标准、包裹、裸露)的早龄期抗压强度发展规律影响试验,进而基于等效龄期理论建立了温湿度耦合作用下的水工混凝土抗压强度分数阶计算模型。试验结果表明,养护温度和湿度对混凝土抗压强度的初期影响较大,后期影响相对较小。不同养护条件下混凝土抗压强度大小规律为:标准养护下的抗压强度最大,包裹养护条件下的抗压强度次之,裸露养护下的抗压强度最小。虽然组合指数式、组合修正对数式、分数阶早期抗压强度计算模型均能较好地反映水工混凝土早期抗压强度的发展规律,但从与试验数据拟合效果来看,分数阶计算模型略优于其它计算模型。

基于二元耦联性解耦下多孔FGM梁的热-力耦合振动与屈曲特性

采用一种改进型广义微分求积(MGDQ)法,数值研究了初始轴向机械力作用下含均匀孔隙的功能梯度材料(FGM)梁在热环境中的耦合振动及耦合屈曲特性。考虑了材料性质随温度的相关性,温度沿梁的厚度方向按不同类型稳态分布,采用含孔隙率修正的Voigt混合幂率模型来表征多孔FGM梁的材料属性。采用一种n阶广义梁理论(GBT),在Hamilton体系下统一建立描述该系统耦合振动及屈曲问题力学模型的控制方程。通过引入边界控制参数,可实施3种典型边界梁动态响应MGDQ法求解的MATLAB统一化编程。基于两种静动态力学行为之间的二元耦联性,编写循环子程序用来获得屈曲静态响应,该分析方法极大地简化了解耦过程并提高了计算效率。通过算例主要探究了梁理论、边界条件、温度分布、升温、初始轴向机械力、热-力耦合效应、孔隙率、梯度指标、跨厚比等诸多参数对多孔FGM梁振动及屈曲特性的影响,同时刻画并揭示了两种静动态力学行为之间的二元耦联性。

基于内模控制的内部热耦合空分策略

内部热耦合空分塔(ITCASC)在空分流程中具有很大的节能前景,是内部热耦合技术应用的突破点。由于该过程具有很强的非线性和复杂的动态特性以及耦合性,导致控制方案的设计具有极大的困难,有效的控制方案是该技术广泛应用的基础。文中提出了一种降阶模型,并在此基础上建立了ITCASC内模控制方案。结果表明,该控制方案能很好地解决非线性和耦合性,是一种比PID更有效的ITCASC控制策略。

近固体表面拟有序液体边界层的导热研究

本文用分子动力学模拟方法研究了近固体壁面拟有序液体边界层及其导热特性。得出分子密度沿垂直壁面方向呈衰减分布,且拟有序层内的分子运动方式接近于晶体分子。结合径向分布函数定量分析得出拟有序层的有序程度随固液耦合作用加强而增加。用G-K公式计算了拟有序层的导热系数,发现其与物件尺度、边界条件有密切关系。但在相同的边界条件下,导热系数随有序程度的增加而增加。

热-动力学耦合多体系统建模与降阶

在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题,严重时会导致航天器失效.本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法.采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值,避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题,并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体.在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射.针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点,利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化,在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵,避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算,并使得基于模态的降阶手段得以应用.利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度.相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性.通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性.结果表明,本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模,提高了仿真计算效率.

适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法

针对高超声速巡航类飞行器面临的复杂流动下的热气动弹性问题,发展了一种时变热模态适用的非定常气动力降阶模型,建立了基于流-热-固时空耦合分析策略的热气动弹性分析方法,对高超声速飞行器前体进气压缩面进行了实际飞行加热过程的时变颤振分析。结果表明,在局部高热流载荷下,压缩面固有模态频率和振型随时间发生了大幅度变化,而所建方法能够适应上述变化,在获得高置信度非定常广义气动力的同时,避免了重复性的非定常气动力数值计算,可将热颤振分析中的气动力计算效率提升若干量级;此外,在达到热平衡后,进气压缩面的颤振动压降为初始时刻的0.64%,使得飞行包线大幅收窄。相关方法有效缓和了热气动弹性分析效率与精度的矛盾,提升了热气动弹性问题的工程分析能力。

功能梯度压电材料梁的热-机-电耦合振动及屈曲特性分析

为提高梁理论对静动态响应预测的可靠性和准确性,基于一种n阶广义梁理论,研究外驱动电压及轴向机械载荷共同作用下功能梯度压电材料(Functionally graded piezoelectric material,FGPM)梁在热环境中的耦合振动及屈曲特性。考虑温度沿梁厚按不同类型稳态分布,采用Voigt混合幂率模型表征FGPM梁的材料属性,应用Hamilton原理统一实施静动态建模,采用Navier法求解FGPM简支梁的动态响应。分析不同梁理论、不同温度分布、热-机-电耦合效应、材料组份梯度指标、跨厚比等诸多参数对梁振动频率和屈曲临界载荷特性的影响,揭示多因素影响下FGPM梁耦合屈曲和耦合振动这两类静动态力学行为之间的二元耦联性。结果表明,通过改变外驱动电压大小和极化方向均可实现FGPM梁在热-机-电耦合作用下的振动控制以及稳定性安全设计。

湿-热-机耦合作用下多孔功能梯度梁的振动及屈曲特性

采用一种拓展的n阶广义梁理论(GBT),研究了轴向机械载荷作用下多孔功能梯度材料(FGM)梁在湿热环境中的振动及屈曲特性。考虑了材料的物性随温度变化,湿-热沿梁厚按三种不同类型分布,采用含孔隙率的修正Voigt混合率模型描述多孔功能梯度梁的材料属性,在宏-细观力学模型框架下应用Hamilton原理统一建立了系统的自由振动及屈曲方程,采用Navier法求解FGM简支梁的静动态响应。通过算例验证并讨论了GBT阶数n的理想取值,可用于丰富梁理论。探讨了湿热效应、湿-热-机耦合、孔隙率、材料梯度指标、跨厚比对FGM梁振动及屈曲特性的影响。结果表明:湿-热加剧降低了FGM梁的频率和临界载荷,且不同类型的湿热分布对其减小程度有显著差异;随着孔隙率增大,梁结构的整体刚度虽有所弱化,但在湿热环境中频率反而增大,稳定性增强;湿-热效应对多孔FGM细长梁频率和稳定性影响十分显著,但对短粗梁的影响比较有限。