基于光滑点插值方法的三维流固耦合问题研究

基于浸没式光滑点插值方法(IS-PIM)解决置于不可压缩粘性流体域内大变形非线性固体的三维流固耦合问题。流体域控制方程(N-S方程)采用半隐式特征分离法(CBS)进行求解;基于显示时间积分,采用光滑点插值方法(S-PIM)求解非线性固体的瞬态动力学响应。针对虚拟流体,采用虚拟流体具有真实流体的物理属性和固体的运动属性两项假设实现流固耦合条件的连续。相关数值研究表明,浸没光滑点插值方法具有在三维流固耦合问题中准确模拟固体运动或变形和流动的能力。     

基于面光滑有限元法的三维声传播问题研究

为解决标准有限元方法过刚的特性,采用一种基于面的光滑有限元法(FS-FEM)来求解三维声学问题,在FS-FEM模型当中,应用四节点的四面体单元来离散三维声场域,通过与四面体单元面相关的光滑域并运用伽辽金弱形式来建立线性离散系统的控制方程,在面光滑域上进行的梯度光滑操作能够软化原来过刚的FEM模型,因此能够减少数值离散误差。数值仿真结果表明:运用相同的网格密度,FS-FEM能够得到比FEM更加精确的计算结果。     

上游静止柱体对圆柱体结构尾激振动的影响

文章运用半隐式特征线分裂算子有限元算法对串列布置的静止上游柱体和下游圆柱的尾激振动问题进行了数值模拟研究。数值结果表明:上游柱体结构的形状、尺寸比(d/D)和折减速度(Ur)三个参数对下游圆柱体结构的动力响应、运动轨迹与涡脱落模态有着显著的影响,且与单圆柱工况相比存在明显区别;随着尺寸比的增大,上/下游柱体结构之间的互扰作用会由流致效应逐渐转变为尾流效应,使得频率特性发生变化,并会导致下游圆柱体结构的振动响应增强;当d/D=0.5和1.0时,下游圆柱体结构的运动轨迹主要为“8”字形;当d/D=1.5时,除了“8”字形外,运动轨迹还会呈现双弯刀形、“双8”字形和不规则形状。通过对流体力系数与位移时程曲线及位移PSD曲线特性进行分析,揭示了其相互作用的内在机理。另外,下游圆柱体结构的尾流场特性也会随参数的变化而变化,其涡脱落模态主要为2S、P+S和2P三种。     

基于数值波浪水池的柔性浸没短板流固耦合研究

浸没于水中的柔性板壳可作为水下防波堤、波浪能装置等海洋工程结构的简化模型。论文基于Stokes五阶波浪和人工阻尼消波理论对软件ANSYS Fluent进行二次开发,在构建的数值波浪水池中,对柔性浸没短板的有限元结构模型进行双向流固耦合计算。改变板壳结构刚度、沉没深度等参数,分析短板的水弹性振动和波浪的透射系数。仿真结果表明,短板在特定的板壳结构刚度和沉没深度下会发生共振,并能有效反射波浪。搭建的双向流固耦合计算平台能对复杂的流固耦合现象准确地仿真,为研究柔性浸没短板与波浪相互作用提供可靠的工具。     

浸没边界格子Boltzmann方法的改进及转动圆柱绕流模拟

针对浸没边界格子Boltzmann方法计算效率不足的问题,提出一种改进浸没边界格子Boltzmann方法。通过使用作用力格子Boltzmann模型,并简化流固耦合作用力的计算方法,使计算流程得到简化,同时,对比原方法转动圆柱绕流计算结果,计算时间缩短一半以上,提高了数值计算效率。结合改进算法研究转动圆柱绕流的流场升阻力系数、压力系数、流场速度等流体参数场随转速比的关系,揭示了一定的转动圆柱绕流动力学规律。研究结果表明,改进方法准确可靠。     

基于有限元法的流体与结构的耦合研究

对有限元法离散流固耦合方程进行了简要的介绍,给出了粘性流体与弹性结构的全耦合模型。流体采用k-ε湍流模型进行了有限元计算,采用ALE描述实现固体Lagrangian描述到流体Eulerian描述的过渡,使大变形带来的流体域网格畸变得以避免。对流固耦合方程,采用流固全耦合的迭代算法进行了迭代求解,最后模拟了高雷诺数下湍流流动中冲击致使涡轮结构旋转的过程。计算结果表明,流固耦合的算法是可靠的。     

基于功率方程的圆柱体涡激振动研究

针对预测结构涡激振动响应的半经验性模型,根据动力学普遍方程(达朗贝尔-拉格朗日原理)建立了自由振动圆柱的涡激振动功率方程模型。该模型的建立过程不需要引入经验性参数,是研究流固耦合问题的一般方法,适用性强,易于拓展。为了评估自由振动圆柱功率方程的可靠性,利用计算流体力学(CFD)数值模拟提供的流场信息对功率方程进行求解并与实验结果进行对比。结果表明该模型能够有效地预报圆柱的涡激振动响应。     

基于流固耦合模型的拖曳线列阵隔振模块隔振性能分析

为了进一步提高拖曳式声纳的工作性能,必须在声阵模块前、后插入性能优良的隔振模块。利用ANSYS有限元软件建立了拖曳线列阵隔振模块的流固耦合模型,计算了隔振模块VIM(Vibration Isolation Modules)的隔振性能。计算表明了流体、拉力、护套材料阻尼、护套材料弹性模量等对隔振模块的隔振性能都有一定的影响。模型中应充分考虑流体的作用;隔振效果随拉力的增大而减小,护套材料阻尼和弹性模量对隔振效果的影响均与激励频率有关。对于进一步改进和提高隔振模块性能具有参考价值。     

基于非线性有限元法的二维水下拖缆研究

水下拖缆研究是拖曳系统设计和使用的基础。由于受到水流力的作用,水下缆索呈现复杂的特性。本文首先推导了水下拖曳缆索的静力悬链线方程,将其结果作为非线性有限元方法的初始值;接着采用二节点等参索单元建立基于完全拉格朗日表述的增量平衡方程并使用牛顿-拉谱逊迭代法求解该方程;最后,采用Matlab编程,研究了该方法的收敛性及拖缆在重力、浮力和水流力作用下的形态与张力分布,得到了不同航速条件下缆索的形态及缆索张力的一些分布规律。     

基于双向流固耦合的航行体高速入水研究

基于弹性体假设对直径为0.533m、以100m/s速度入水的航行体建立了高精度流固双向耦合数值模型,并试验验证了该数值模型的有效性。进行了不同角度的入水仿真,获得空泡及载荷的演变规律。主要结论如下：随着入水角减小,喷溅水幕的闭合时间推迟,空泡非对称性加剧;弹性体在入水时承受的冲击载荷峰值小于刚性体,且呈振荡衰减趋势;航行体应力峰值呈圆环形分布,应力在入水初期出现峰值并振荡衰减,而且在尾部出现应力集中;斜入水时,应力分布及头部纵向变形不对称。随着入水角的增大,应力和应变的峰值增大,应力波传播时间缩短。     

Predicting the collapse of externally pressurised ring-stiffened cylinders using finite element analysis

This paper describes the application of finite element (FE) analysis to the prediction of the non-linear elasto-plastic collapse of ring-stiffened cylinders under hydrostatic loading. A range of legacy experimental test models have been analysed using FE idealisations generated using measured as-built shape data including out-of-circularity (OOC), frame alignment and tilt and other scantlings. The FE models also explicitly included the residual stresses caused by cold bending. Short and long ring-stiffened cylinders, which were designed to isolate interframe and overall collapse modes, respectively, were considered as were some intermediate length cylinders where the possibility of interactive collapse was also present. In general, the collapse pressures were predicted to within 6%. However, for some of the interframe collapse models, it was necessary to use the minimum measured plate thickness to achieve this. This was largely attributable to the limited measured plate thickness data.     

向量式有限元法在管土相互作用中的应用

向量式有限元法是基于向量式力学和数值计算的一种创新性的结构行为分析方法。文章采用三种弹簧模型模拟海床,将向量式有限元法用于钢悬链线立管触地段与海床土体相互作用研究中,编制相应Matlab求解程序,计算了端部施加一定位移下立管的位形和弯曲应力,并与他人基于有限差分法及ABAQUS的模拟结果进行对比,同时运用该方法分析了弹簧模型、土体刚度、土体吸力系数等参数对立管触地段变形和弯曲应力的影响。结果表明向量式有限元法在模拟静态端部位移加载下的管-土相互作用是准确和可行的,能够直接求解变形和内力,具有相对简洁性,此方法是对立管力学行为的模拟,符合实际运动变形过程。为模拟管-土相互作用提供了新方法,同时为进一步研究实际循环载荷下管-土相互作用奠定了基础。     

有限元法的方法论

  目的  艉部振动是研究船舶振动的重要组成部分,为了提高艉部振动的计算精度和效率,  方法  研究局部舱段模型建模范围和混合模型中舱段模型的建模比例。运用有限元法,对某直叶桨科考船分别建立不同的模型方案：6个不同比例的混合模型方案用于讨论详细舱段模型建模的比例;5个不同范围的局部舱段模型方案用于研究不同建模范围对固有频率的影响。此外,对刘易斯法和虚拟质量法考虑附连水质量的影响进行讨论。  结果  研究表明,混合模型的舱段模型建模比例在1/5L（船长）以上时,各方案的频率计算结果接近;当建模范围在振动节点附近时,局部舱段计算结果与混合模型计算结果吻合较好;使用刘易斯法和虚拟质量法对局部舱段模型进行计算时,计算结果差异较大。  结论  因此,建议用建模范围为1/4L的局部舱段模型研究船舶艉部振动,并推荐使用虚拟质量法考虑附连水的影响。     

桩-土-承台相互作用的有限元简化模型

针对低桩承台结构计算中往往只考虑桩土作用,忽视承台与土相互作用的问题,通过工程实例,建立考虑桩-土-承台相互作用的低桩承台有限元简化模型,分析桩间土的承载作用对承台和桩内力的影响。结果表明:在简化模型中考虑桩间土的承载作用后,承台弯矩和桩基轴力可减少35%～40%;桩身弯矩和剪力主要受水平力和土体m值影响;桩基轴力随地基土基床系数的增大而逐渐减小,但减幅逐渐趋缓。     

An inverse finite element method for the analysis of VIV data

This paper presents an algorithm for the frequency domain solution of dynamic linear “inverse” problems, that is for the processing of measurement data (strain, acceleration etc.) acquired on a mechanical structure, in order to estimate the loads acting on the structure and its corresponding response. The problem is formulated as a constrained (force equilibrium) optimization (small deviations from measurements, small loads) problem, which is transformed into an unconstrained problem, then into differential equations. The algorithm is applied to the estimation of hydrodynamic forces induced by the shedding of vortices from an offshore oil riser.     

不连续问题的扩展有限元法分析

改进的扩展有限元不需要经过后处理可以直接求得应力强度因子,从而为动态不连续问题的分析提供了便利.研究表明:不连续区域附近的积分方案,特别是裂尖区域的积分方案,对结果精度影响很大.文中采用一种新的积分方案对裂尖和裂缝贯穿单元进行积分,既方便积分,又可以减少计算量.采用改进的扩展有限元模拟了裂纹扩展.对于闭合裂缝,必须考虑缝面间的接触条件;裂缝面间若采用完全接触,得到的结点加强自由度近似为零.由于避免了传统有限元方法中的网格重构,改进的扩展有限元在静态和动态不连续问题分析方面具有广阔的应用前景.     

基于有限元法的船舶轮机叶片改进设计研究

为了对船舶轮机叶片进行改进优化,本文通过建立的叶片有限元模型,计算轮机叶片在以水作为介质状态下的应力和应变数据,并对应力和应变数据进行可靠性分析,同时为了保证轮机叶片的正常工作,通过对轮机叶片的材料进行改进,利用多物理场有限元仿真软件COMSOL,计算3种不同材料的轮机叶片在流场中的应力和应变并进行对比,对轮机叶片的设计和改进具有重要的参考价值。     

漂浮耐压体的有限元分析

潜艇的集体逃生舱是一种新型脱险装置,可有效地提高失事潜艇艇员的自救能力。本文在设计、计算中,采用求解结构的非线性屈曲问题,应用有限元分析软件ANSYS对漂浮耐压体结构进行有限元直接计算。     

塑性成形的刚塑性有限元方法概述

总结了国外有关塑性成形的刚塑性有限元方法的研究现状以及刚塑性有限元法的概述和基本理论.指出三维成形有限元模拟在工业设计生产中具有广泛的应用前景.