Conjugate Heat Transfer Analysis of an Ultrasonic Molten Metal Treatment System

In piezoceramic ultrasonic devices,the piezoceramic stacks may fail permanently or function improperly if their working temperatures overstep the Curie temperature of the piezoceramic material.While the end of the horn usually serves near the melting point of the molten metal and is enclosed in an airtight chamber,so that it is difficult to experimentally measure the temperature of the transducer and its variation with time,which bring heavy difficulty to the design of the ultrasonic molten metal treatment system.To find a way out,conjugate heat transfer analysis of an ultrasonic molten metal treatment system is performed with coupled fluid and heat transfer finite element method.In modeling of the system,the RNG model and the SIMPLE algorithm are adopted for turbulence and nonlinear coupling between the momentum equation and the energy equation.Forced air cooling as well as natural air cooling is analyzed to compare the difference of temperature evolution.Numerical results show that,after about 350 s of working time,temperatures in the surface of the ceramic stacks in forced air cooling drop about 7 K compared with that in natural cooling.At 240 s,The molten metal surface emits heat radiation with a maximum rate of about 19 036 W/m2,while the heat insulation disc absorbs heat radiation at a maximum rate of about 7922 W/m2,which indicates the effectiveness of heat insulation of the asbestos pad.Transient heat transfer film coefficient and its distribution,which are difficult to be measured experimentally are also obtained through numerical simulation.At 240 s,the heat transfer film coefficient in the surface of the transducer ranges from–17.86 to 20.17 W/（m2？K）.Compared with the trial and error method based on the test,the proposed research provides a more effective way in the design and analysis of the temperature control of the molten metal treatment system.

Structural Optimization and Analysis of Magnetic Coupled Inductive Power Transfer System

Along with the prosperous of magnetic coupled inductive power transfer( MCIPT) technology which is widely used in industrial applications such as electric vehicle charging,the topology of double D coils( DD coils) with a spatial quadrature Q coil arises with great research interest. The Q coil, however, has been thoroughly studied by adding to the receiving side but seldom to the transmitting side. By using finite element simulation, this paper presents a preliminary study on the effectiveness of Q coil in the transmitting side,and its inner dimension is optimized for optimal compensating the misalignment between the transmitting and receiver sides. Simulation results show that the windings of the Q coil should be placed in the center of the aperture of the DD coils,and these results render a useful guidance for mechanical structural design and circuit controller design of MCIPT.

Non-isothermal Mold Filling and Curing Simulation for Resin Transfer Molding

A numerical model of 2.5D non-isothermal resin transfer molding simulation is developed for thin part based on the control volume/finite element method. The non-uniform temperature distribution and the heat generation during the filling stage are modeled with the lumped temperature system and the species balance. Numerical algorithm of the simulation are studied. The molding simulation for a part is performed to show the effectiveness of simulating filling time, temperature distribution and curing degree.

Design of transfer device for magnetic thin sheet material

In order to realize the processing and retrieval of magnetic thin sheet materials in industrial production, this paper proposed a kind of transfer device for magnetic thin sheet raw material, which uses rodless cylinders as the main motive device and the programmable logic controller （PLC） to achieve the required functions, and applies the finite element analysis method to analyze its main components in the end of the design.

Reduced-order modeling and vibration transfer analysis of a fluid-delivering branch pipeline that consider fluid–solid interactions

The efficient dynamic modeling and vibration transfer analysis of a fluid-delivering branch pipeline(FDBP)are essential for analyzing vibration coupling effects and implementing vibration reduction optimization.Therefore,this study proposes a reduced-order dynamic modeling method suitable for FDBPs and then analyzes the vibration transfer characteristics.For the modeling method,the finite element method and absorbing transfer matrix method(ATMM)are integrated,considering the fluid–structure coupling effect and fluid disturbances.The dual-domain dynamic substructure method is developed to perform the reduced-order modeling of FDBP,and ATMM is adopted to reduce the matrix order when solving fluid disturbances.Furthermore,the modeling method is validated by experiments on an H-shaped branch pipeline.Finally,transient and steady-state vibration transfer analyses of FDBP are performed,and the effects of branch locations on natural characteristics and vibration transfer behavior are analyzed.Results show that transient vibration transfer represents the transfer and conversion of the kinematic,strain,and damping energies,while steady-state vibration transfer characteristics are related to the vibration mode.In addition,multiple-order mode exchanges are triggered when branch locations vary in frequency-shift regions,and the mode-exchange regions are also the transformation ones for vibration transfer patterns.

外部激励下增压器轴系振动规律研究

车辆行驶过程中路谱激励通过车轮和车身传递到发动机,加之发动机本身运作时产生的振动激励,最终传递到涡轮增压器上,统称为外部激励。外部激励作用在涡轮增压器壳体和轴承体上,经由两个浮环轴承传递到轴上,影响增压器轴系运动的稳定性。通过采用有限元的分析方法,建立了涡轮增压器总成多体动力学模型,在此基础上模拟增压器总成受到来自发动机的外部激励时轴系的振动响应。在激振试验台上模拟增压器总成受到外部激励时的响应情况,分别施加原始振动信号和该信号缩小至原来的0.5倍、0.25倍和0.125倍后的振动信号,轴系的振动响应也呈现出对应的线性规律,采用4种振动信号求得的传递函数也基本一致。通过激振台试验验证有限元模型仿真结果的准确性,发现在0~800 Hz频率段轴系振动的试验值与仿真值基本吻合,验证了有限元方法用于计算轴系振动响应的可行性,为解决增压器轴系振动问题提供了新的解决办法。

半自由声场下车辆开闭件的时频优化

乘用车关门工况下半自由声场测量需要在整车制造完成之后才能进行,因此对关门声辐射的提前预测与优化分析显得至关重要。首先,通过设计整车试验和台架试验获取加速度振动响应和频率响应函数,实现关门工况下瞬态冲击载荷的离散化,进一步联合传递路径分析(TPA)与连续小波变换(CWT)提出TPA-CWT方法进行离散化瞬态冲击载荷时频分析。其次,根据关门工况下车门的动力学特性,将求取的离散化瞬态冲击载荷输入至已建立的车门有限元模型中,进而将车门有限元瞬态加速度振动响应映射至车身时域边界元模型预测半自由声场辐射噪声,并与整车试验中麦克风处的实测结果进行对比,声压曲线整体趋势与局部峰值的一致性证明了时域边界元仿真可以精准捕捉到关门工况下瞬态声压特性;最后,通过等效辐射声功率选取低频噪声贡献量前3的部件作为设计变量,再利用多目标粒子群优化对车门质量与关门声辐射进行优化,优化后车门质量减小1.8%,关门声辐射减小1.7%,达到了多目标优化的目的。结果表明,仿真数据与试验结果一致性较好,验证了通过将车门关闭瞬态载荷离散化处理方式和声固耦合分析在关门工况下多目标优化中的可行性,并为后续改款车型的车门设计提供一定的指导方向。

基于分片传递函数法的声振耦合

强耦合条件下,复杂系统的有限元分析受到自由度的影响计算成本高昂。虽然模态叠加技术能减少耦合系统的自由度,但基于忽略不同子系统间高阶模态和低阶模态耦合作用的假设,若使用非耦合模态可能导致收敛性差。基于无阻尼声振耦合方程,本文采用分片传递函数法(Patch transfer function method,PTFM)将耦合面处理成一系列独立的分片,每个分片上所属单元节点值的平均值定义为分片传递函数,通过使用连续性关系计算耦合系统的分片传递函数。将耦合矩阵的求逆简化为源点到响应点的传递函数,可以快速计算耦合系统响应值。分别利用直接耦合法(Direct coupling method,DCM)和分片传递函数法计算板和空气声腔耦合模型,验证分片传递函数法的有效性,并讨论了分片传递函数的算法原理和计算误差。

基于Riccati传递矩阵法的永磁涡流联轴器固有频率分析

在对永磁涡流联轴器进行模态特性研究时,为了提高对联轴器转子系统的固有频率分析计算的准确度,利用传递矩阵法构建了转子的动力学分析模型。将永磁体的磁力统一化为零质量铰链连接,简化了涡流联轴器的磁电作用力,将复杂的研究模型转化为一个机械强度问题,使用Riccati传递矩阵法对完成等效化处理的转子进行模态分析,得到联轴器的固有频率与对应振型。在此基础上,将分析结果与精细三维有限元仿真结果进行了对比。结果表明,该方法能够较准确地对永磁涡流联轴器进行固有频率分析,与高精度仿真模型分析产生的结果误差不超过8%。通过改进计算数据与有限元分析结果进行对比研究,为永磁涡流联轴器的动力学特性研究提供了理论依据。

铝合金在接触固溶处理工艺中的界面传热系数

采用有限元模拟和反演优化(IO)方法测定7075铝合金在不同压力、表面粗糙度和温度下接触固溶处理过程中的界面传热系数(IHTC)值,并分析这些因素对IHTC的影响。结果表明:随着压力的增加,IHTC值先增加,然后保持稳定;IHTC值随表面粗糙度的增大而减小;随着板温的升高,瞬时IHTC值先增大后减小。基于压力、表面粗糙度和温度的综合影响规律,建立多因素影响的IHTC理论模型。使用此模型能较好地预测不同条件下合金的瞬时IHTC值。

套管式太阳能相变蓄热器强化传热数值模拟

因太阳能相变蓄热技术节约资源、保护环境,符合我国目前的能源发展要求,而受到研究人员的关注。而太阳能具有间歇性、不稳定等特点增加了其利用的难度。通过有限元数值分析方法对套管式相变蓄热器进行模拟,探究相变材料(phase change materials,PCM)在太阳能相变蓄热器中的作用。结果表明,添加膨胀石墨可大幅度提升太阳能蓄热器的蓄放热效率。相比于传统石蜡蓄热,在入口速度、环境温度等初始条件相同时,添加质量分数为20%的膨胀石墨的石蜡蓄热时长缩短了91.11%,起到强化传热的效果。该研究为研制太阳能热水器、高效换热器及建筑节能和其他领域的热能储存等提供重要参考。

偏滤器部件中W/Cu模块传热的数值模拟分析

利用理论公式和CFX仿真分别对偏滤器部件中平板型W/Cu模块进行稳态热分析,获得了不同热流密度下W/Cu模块的温度场和应力场的变化。理论计算得到的对流传热系数约为52304W·(m^(2)·K)^(‒1),而用CFX仿真分析得到的为35168~52186W·(m^(2)·K)^(‒1)。此外,两种稳态热分析方式得到的W/Cu模块的温度场数值相近;在20MW·m^(‒2)热流密度下,W/Cu模块的温度场、应力场分析结果均超出了对应材料的许用范围,严重影响了偏滤器部件的稳定运行。

基于夹持粘贴式的光纤光栅传感器力热耦合测试

针对力热耦合环境中对结构件应变测试的准确获取问题,提出一种基于夹持粘贴式与温度补偿解耦的裸光纤光栅传感器应变测试方法。首先,通过有限元分析对比夹持粘贴式、表面粘贴式两种与基材集成方式的应变传递率,两者应变传递率分别为99.47%与95.8%;然后,以光纤胶粘应变传递理论及有限元仿真分析不同标距比对夹持粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响,发现随着标距比增加,应变传递率逐渐衰减。基于粘贴形式与标距比分析结果,选取标距比为1的夹持式裸光纤光栅与基材粘贴集成为试验件,同时集联一条裸光纤光栅温度传感器,在完成对光纤光栅温度/应变标定测试后,进行100~250℃、3 000με范围内的试验件梯度高温拉伸测试。实验结果表明,利用温度补偿法解耦出光纤光栅传感器测量的应变结果与标准高温应变片结果的平均相对误差最大值为2.26%。该研究结果对高温下光纤光栅传感器应变测量与集成的工程应用具有一定参考意义。

带式转载机连接托架的力学特性分析及优化设计

为了充分提高带式转载机机械结构强度,设计了一种带式转载机连接托架结构模型。运用有限元分析软件,充分考虑连接托架受到的应力、应变,从静力学属性角度对连接托架进行研究,均衡连接托架的应力分布,减少应力集中区域,优化连接托架结构设计,达到机械强度进一步提高的目的。

桥式转载机的密封式中间架结构设计与研究

由于煤矿掘进巷道高度低、空间狭小,巷道内需要安放掘进机、桥式转载机、通风管道等大型设备,存在安装困难、设备互相干扰等问题。将传统桥式转载机的刚性架设计成了一种矩形密封式刚性中间架结构。该密封式中间架可以作为通风管道使用,对该结构进行有限元分析,结果表明矩形密封式中间架受力弯曲变形较小,结构设计具有合理性和可靠性。

隧道上盖建筑厚板转换及高位二次转换结构设计

广州某隧道上盖建筑结构同时存在隧道顶部的厚板转换层和裙楼顶部的高位转换层,形成二次转换结构体系。本文基于性能化的抗震设计方法,对结构上、下部设置不同的性能目标,进行相应的抗震性能分析,提出对应的加强措施。针对高位及二次转换结构,补充了转换厚板有限元分析、钢管剪力墙稳定性及两个关键连接节点的专项分析。各项分析结果表明,结构整体及各构件的抗震性能均能达到预期目标,结构安全可靠。对设计和施工中的难题提出了创新解决思路,为同类型高层结构或转换体系的设计方法提供参考。

某超高层裙房带混凝土转换桁架结构的不同力学模型分析

以合肥某超高层带裙房结构的东北角角柱不能落地情况为例,采用多种数值模拟方法对带斜撑的混凝土转换桁架结构抗震性能展开研究。在多遇地震下,分别采用SATWE程序对整体结构弹性分析和ABAQUS有限元软件对转换桁架区域隔离体弹性分析;在罕遇地震下,采用MidasBuilding软件分别对整体结构进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析。结果表明:转换桁架对主体结构的侧移刚度影响有限,混凝土转换桁架在没有内置型钢的情况下可满足工程使用安全。

基于有限元分析的深海机器人用脐带缆传热特性研究

为研究水上堆叠的脐带缆在海上运行过程中的温升情况,对不同堆叠层数以及缠绕圈数的脐带缆,采用有限元法,分析了脐带缆的最高温度,同时研究了电流、环境温度和太阳辐射对堆叠6层脐带缆最高温度的影响,并利用最小二乘法得到了回归方程。结果表明,堆叠一层与堆叠两层时,脐带缆的最高温度几乎不变。而后每增加1层,最高温度上升2℃左右。随着缠绕圈数的增加,脐带缆温度先增加后减少,为保证良好的脐带缆散热条件,脐带缆缠绕圈数要大于等于6圈。以电流、环境温度和太阳辐射与脐带缆最高温度之间的变化规律所提出的回归方程,最大误差为1.73%,可为水上堆叠脐带缆最高温度的计算提供一种更简便快速的方法。

一种基于传递路径分析的车身钣金振动对车内噪声影响分析及控制方法

为解决某车型在粗糙沥青路面30 km/h时速下产生的35-40 Hz频段路噪问题,通过仿真与测试的方法进行分析。基于结构噪声传递路径分析(TPA)理论与节点贡献量分析,确定问题频率噪声主要由车身钣金件的低频振动导致。为此,根据局部共振原理,设计了一种可根据钣金形状及钣金局部空间进行工业化设计的局部共振结构,该结构由金属支架与金属块组成。将该结构添加至贡献较大的钣金处,通过仿真得到,该结构降低了钣金的振动,从而优化了车内噪声,前排与后排噪声峰值分别降低了8.6和6.4 dB。同时,实车试验结果表明车内噪声前排与后排噪声峰值分别改善了7.0和5.8 dB。为控制钣金部件振动和辐射的低频噪声提供了一种新的研究方法和优化方案。

钢筋混凝土类桁架式转换结构的设计与研究

提出了一种新型钢筋混凝土类桁架式转换结构。以番禺天河城为例,阐述了类桁架式转换与传统梁式转换、钢桁架转换的优缺点,并对比分析了这三种转换方案的整体指标和材料用量。除验算其中震安全性、揭示其受力机理外,还对类桁架转换层构件在大震、超大震下的弹塑性损伤做了评估,揭示其屈服机制。通过类桁架转换节点的三维有限元分析,验证其连接可靠性,并提出相应的节点施工措施。研究结果表明:钢筋混凝土类桁架式转换结构具有良好的受力性能,能拓展建筑使用空间,节省工程造价,方便施工,可实现高层框支结构的合理转换。