多尺度数值模拟的有限点集-网格元法

为了对不均匀介质中物理场进行更有效的多尺度模拟,提出一种称为有限点集-网格元法的数值方法(finite point-grid element method ,FPGEM).FPGEM是对传统有限元方法的改造,它把网格与节点分离成独立的两套覆盖,采用离散的有限点集对物理场进行多尺度逼近,同时采用网格剖分作为介质分布的几何载体;点集和网格各自扮演不同的角色,发挥不同的功能.FPGEM主要的优点是:由于其节点和网格分离,对场的非均匀性及介质非均匀分布具有双重的多尺度模拟的优势,为一些地球物理问题中的多尺度模拟提供了一种更加灵活、自然的计算框架.     

高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。基于Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性,满足两者之间液体和弹性体耦合界面间牵引力的平衡条件。本方将Common-Refinement方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明:本文方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的准确性和可靠性。     

多铁性材料中螺型位错与含弱界面圆形夹杂的相互作用

考虑无穷远反平面力载荷和平面内电磁载荷情况下,横观各向同性的压电磁介质中广义螺型位错与含非完整界面的圆形夹杂的电磁弹性耦合效应。广义螺型位错位于基体的任意一点处并且在其位错核上作用有点力、点电荷和线电流。通过运用复变函数方法,得到了电磁弹性场的解析解。借助于广义的Peach-Koehler公式,求解出了广义螺型位错上位错力的精确表达式。研究了非完整界面对夹杂区域中电磁弹性场的影响。讨论了各种参数(非完整界面,材料匹配性和位错位置)对作用在非完整界面附近广义螺型位错上位错力的影响规律。这些基本解可以作为分析压电磁介质中相应裂纹问题的格林函数。     

基于生物多孔介质的对流干燥数值模拟

为了研究多孔介质在干燥过程中内部的传热、传质规律以及应力、应变变化,基于Fick第二扩散定律、Fourier导热定律以及弹性力学本构原理,建立在对流干燥条件下片状生物多孔介质(马铃薯)的热-湿-力(THM)的三维多物理场耦合模型。运用COMSOL有限元仿真软件,通过PDE(偏微分方程)模块实现THM三物理场耦合数值模拟计算,可得到不同时间步长中多孔介质内部不同位置的温度、含湿量分布情况以及整体平均干燥曲线。     

高精度深海立管涡激振动数值预报

针对深海立管涡激振动问题,提出一种高精度的数值预报方法。基于三维Common-Refinement方法,研究了离散后不可压缩流体与非线性超弹性体的非重叠子区域之间的耦合接触面的空间插值。采用Petrov-Galerkin有限元法离散不可压缩流体,并对大变形弹性结构体使用连续Galerkin有限元法行离散。同时使用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)方法处理流固网格的大幅变形,并且采用全解耦的隐式分区方法去分别求解流体域和结构域。为了去满足两者之间液体和弹性耦合界面间牵引力的平衡条件,系统研究了Common-Refinement方法的空间插值的准确性和可靠性。根据一系列的网格划分方案,对非匹配网格之间的瞬态数据传输做了系统的误差分析,表明了在非匹配网格中非定常流固耦合系统的物理量能够通过Common-Refinement方法进行精确传递。最后将本方法应用深海立管涡激振动问题,并与文献进行了对比。求解结果表明了这种方法在海洋工程流固耦合问题中具有足够的的准确性和可靠性。     

基于LTNE的二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合数值分析

针对目前多孔介质热流固耦合数学模型多为不完全耦合模型,且物理模型多为一维或一维轴对称模型的现状,对二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合问题进行数学建模和数值分析. 采用强耦合方式实现热流固3个物理场的完全耦合. 在平板左侧施加30 ℃流体和固体温度边界条件及固定位移边界条件,平板其他边界温度场和位移场假设为自然边界条件,平板四周加载0 Pa的孔隙压力边界条件. 利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件的偏微分方程（PDEs）模式实现上述完全耦合模型的求解,得到渗流场、应变场以及双温度场的数值解. 数值结果表明,随时间增加,流体和固体温度、应变及孔隙压力沿x轴方向传递,同时发现x轴方向应变远大于y轴方向应变. 此外,随时间增加,y轴方向应变和孔隙压力最大值逐渐减小. 研究建立的数学模型和数值解有助于深入认识二维饱和多孔介质热流固完全耦合力学行为.     

基于尺度解析模拟的HC375液力变矩器的流场分析与特性预测

针对传统的一维束流研究方法无法描述大功率液力变矩器工作腔内复杂的时变瞬态湍流的流动状态,采用多物理场耦合方法构建了一种介质流动与传热的动态耦合数值模型,并给出了液力变矩器瞬态仿真设计方法.通过定性和定量分析液力变矩器内部的流动结构发现,动态混合模型(Dynamic hybrid RANS - LES, DHRL)中的SBES(Stress -blended eddy simulation)方法能够充分识别工作腔内边界层的流动状态,可实现对多流域耦合复杂流动现象的精准捕捉.通过台架实验表明,采用DES模型和     

计算多介质电场节点场强的有限元-边界元法

为了解决节点有限元法在多介质电场计算中场域边界及介质分界面处场强计算精度不高的问题,提出了一种有限元-边界元混合算法。该算法首先应用节点有限元法计算多介质场域中的节点电位,然后将场域划分成多个单一介质的子域,子域边界处的电位通过有限元法计算的节点电位映射插值得到。接下来对各个子域分别采用边界元法计算边界处的法向场强,子域内部任意位置的场强则通过边界积分方程计算得到。数值计算结果表明该方法在场域边界以及分界面处节点场强的计算精度比传统的面积加权平均算法高,场域内部节点场强的计算误差也较低。所提方法不仅适合于静电场的计算问题,也适合于其它场强在介质分界面处不连续的矢量场计算问题。     

非均匀介质中弹性波的传播

对弹性波在非均匀介质传播时的波幅进行了研究,用解析方法探讨了非均匀区域性质变化时对弹性波波幅的影响,将非均匀区域离散成薄层,建立了波动方程和波幅传递矩阵,通过数值计算结果与解析解的比较,为弹性波在工程中的应用提供了计算分析的依据.     

层状压电复合材料均匀化研究

基于细观力学、连续介质力学的平均场均匀化理论和相邻界面的连续性条件,对平面多层压电复合材料进行了均匀化处理,得到了该类材料的一般性描述及其有效模量的均匀化表达式.将经典弹性问题的均匀化理论推广到了压电耦合问题,并可应用于更加复杂的线性耦合问题的研究.     

载流管道固液耦合振动计算

根据Hamilton原理,用有限元法推导载流管道的固液耦合振动方程,用QR法计算不同边界条件下管道的临界速度和固有的频率,用Newmanrk计算了管道对阶跃载载荷的响应,所得结果可用于火箭发动机燃料馈给管道,水轮机供水管道和其他管道的设计与研究。     

Critical velocity and dynamic respondency of pipe conveying fluid

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＩｔｉｓｓｈｏｗｎｉｎＦｉｇ .1ｔｈａｔｔｈｅｎａｔｕｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｌｕ ｉｄ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇｐｉｐｅｓｒｅｄｕｃｅｗｈｅｎｔｈｅｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅ .Ｉｆｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｏｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｖａｌｕｅ ,ｐｉｐｅｓｗｉｌｌｂｅｕｎｓｔａｂｌｅ .Ｆｏｒｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ ,ｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ ,ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｌｏｗｉｎｇｖｅ …     

流体在管道中流动时管道的自振特性研究

基于三维弹性理论及欧拉线性方程,采用位移-压力格式有限元方法,得到附加矩阵。通过叠加附加矩阵把流固耦合结构振动问题化成普通的结构振动问题,建立了流体在管道中流动时结构振动的有限元方程,研究了流体在管道中流动时结构的自振特性,重点研究了流体速度对管道自振频率的影响。研究表明,管道各阶自振频率随着流体速度的递增呈递减的趋势。     

Vibration and Control of Pipes Conveying Fluid

ＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＰｉｐｅｓＣｏｎｖｅｙｉｎｇＦｌｕｉｄＷＡＮＧＳｈｉｚｈｏｎｇ；ＳＨＥＮＹｉ；ＧＥＳｈｅｎｇｍｉｎ；ＺＨＡＯＣｈａｎｇｊｉａｎｇ（王世忠，沈毅，葛升民，赵长江）（Ｄｅｐｔ．ｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓＥｎｇｉ...     

用直接法求简支输送管道的极限流速

根据变分原理导出了输送管道自由振动的积分-变分方程,这是一个流-固耦合问题,不可能得到它的解析解,只能求近似解或数值解.目前广泛应用的数值算法是有限元法、传递矩阵法、摄动法.本文采用Galerkin直接解法,首先选取满足自然边界条件的试函数,而后求出了系统固有频率的近似解析公式,同时也得到了极限流速的近似解析公式.算例结果表明,采用该方法不仅得到了问题的近似解析解,而且具有相当高的精度,这是其它数值算法难以做到的.因此可以说,Galerkin直接法为解决这类流-固耦合复杂问题提供了一种强有力的分析手段.     

用直接法求简支输送管道的极限流速

根据变分原理导出了输送管道自由振动的积分．变分方程，这是一个流一固耦合问题，不可能得到它的解析解，只能求近似解或数值解．目前广泛应用的数值算法是有限元法、传递矩阵法、摄动法．本文采用Galerkin直接解法，首先选取满足自然边界每件的试函数，而后求出了系统固有频率的近似解析公式。同时也得到了极限流速的近似解析公式．算例结果表明，采用该方法不仅得到了问题的近似解析解，而且具有相当高的精度，这是其它数值算法难以做到的．因此可以说。Galerkin直接法为解决这类流．固耦合复杂问题提供了一种强有力的分析手段．     

输液管道振动的流体流动效应

研究了在石油行业、化学工业以及核电工程中广泛运用的弹性输液管道振动问题,采用欧拉梁理论和哈密顿原理,在考虑科氏力影响的情况下建立数学模型,运用伽辽金法对模型进行求解,并对所得解进行分析得到相应的结论.     

输送流体管道的固液耦合振动分析

用有限元法推导输送流体管道固液耦合振动方程,用QR法计算管道基频、不同边界条件管道的临界速度和前四阶固有频率,用Newmark法计算输送流体管道的动力响应,分析了被输送流体的速度对管道固有频率的影响。对于飞机、火箭发动机燃料供给管道、水轮机供水管道等的设计有参考价值。     

非线性血流脉搏波在动脉内传播的有限元模型

文献[1]在前人研究的基础上提出了一个新的血流脉搏在动脉内传播的理论模型，导出了血液，动脉及其外周组织组成的流固耦合系统的无量纲运动微分方程组。将文献[1]导出的运动微分方程组进行离散，对空间域采用有限元方法，对时间域采用差分格式。     

Experimental Investigation on the Dynamics of Pipes Conveying Fluid Based on Strain Gauge Test

基于应变测试的输流管动力学特性实验研究

赵云龙,车驰东,周勇

（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院）

创新点说明：

在假设流体阻尼和结构阻尼的基础上,推导了简支输流管道弯曲振动方程,同时计入了流动及科氏加速度的影响,并利用伽辽金法对方程进行求解。随后,基于应变测试的方法对空管和输流管分别进行了模态识别,并测量了流体的等效粘性阻尼系数。

研究目的：

船舶管路系统为船舶动力系统提供工作所必须的水、油等,其动力学特性对于船舶动力系统的可靠性及船员的适居性有很大的影响。本文对输流管的动力学特性进行分析,为输流管道的可靠性研究提供理论依据

研究方法：

本文的理论分析采用了伽辽金法,实验是采用应变测试的方法

结论：

输流管的固有频率和阻尼比均小于空管,但两者振型区别不大;管道的初始形变大小对于结构的阻尼比和流体等效粘性阻尼系数的影响很大;在大变形下,流体的存在会减小系统的等效阻尼。

关键词：输流管;模态识别;应变测试;阻尼比