基于混合ES-FE-SEA方法的中频声固耦合分析

结构声学的中频预测问题是一直是业界的一个难点和热点。结构声学中频响应复杂,单一确定性的低频方法和统计性的高频方法都不合适中频问题的分析与预测。针对中频结构声学问题,引入基于单元边的梯度光滑技术,软化三维声学系统的刚度,结合统计能量法,构造基于光滑有限元和统计能量法的混合方法(ES-FE-SEA)的理论框架。算例表明,新构造的混合ES-FE-SEA能够在声固耦合系统的频响分析中得到比传统的FE-SEA混合方法更好的精度。     

基于一种新型三角形壳元的汽车车身部件模态分析

针对现有的三角形壳元难以用于汽车车身模态分析的问题,提出一种基于边光滑的三角形壳元用于汽车车身部件的模态分析.壳单元公式基于一阶剪切变形理论,并采用离散剪切间隙有效地消除剪切自锁.问题模型首先离散成可自动生成的非结构三角形网格,并在三角形网格的基础上进一步形成基于边的积分区域.提出一种基于边的局部坐标系统,并在局部坐标系内通过梯度光滑技术获得积分域内的光滑应变,从而调节系统刚度,有效地改善结果的精度.基于光滑迦辽金格式构造离散系统方程,并建立基于边光滑三角形壳元的刚度矩阵和质量矩阵列式,对复杂的汽车车身部件进行模态分析.通过与现有软件和参考结果的对比,验证所提算法的有效性和高精度.     

基于一种新型数值算法的电磁场仿真研究

在电磁场的数值计算中,一般采用有限元法进行模拟仿真。但由于传统有限元法系统解的精度受剖分单元数目以及计算阶数复杂程度的影响,使得有限元法的计算效率并不高。为了提高电磁场数值计算效率,在有限元法中引入梯度光滑操作,提出一种新型基于边的光滑有限元算法,利用Matlab对长直接地金属槽和电动车整车二维电/磁场两个算例进行编程仿真分析。结果表明梯度光滑操作能使离散系统更接近连续系统,计算精度和计算效率都得到明显的提高。     

壳结构声场耦合分析的光滑有限元-有限元法

为提高壳结构-声场耦合分析的计算精度,将光滑有限元法(smoothed finite element method,SFEM)推广到壳结构-声场耦合问题的结构域分析中,推导了光滑有限元-有限元法分析壳结构-声场耦合问题的计算公式。结构-声场耦合系统方程在结构中用位移法表示;在流体中用声压法表示。在结构域中应用分区应力光滑技术,提高了弯曲刚度矩阵和膜刚度矩阵的计算精度和效率;在流体域中应用标准有限元模型进行分析。以六面体声场-结构耦合模型和简化的微车声固耦合模型为研究对象,结果表明,与有限元相比,该方法在分析结构-声场耦合问题时具有更高的精度。     

二维声学数值计算的光滑有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元不规则网格计算精度低甚至结果错误的问题,将光滑有限元法(Smoothed finite element method, SFEM)应用到不规则四边形网格的声学计算中,推导出光滑有限元法分析二维声学问题的原理公式.声学SFEM将声压梯度光滑处理技术结合到标准有限元法中,对声压梯度进行分区光滑处理,用光滑声压梯度来计算声学刚度矩阵,光滑域内对形函数梯度的积分转变为域边界上形函数积分,消除了坐标变换,提高了计算效率.以二维管道声腔和车内声腔模型为数值算例,研究结果表明,与标准有限元法相比,对扭曲严重的四边形网格,声学光滑有限元法具有更高的精度和准确度,特别是高频计算时.因此,光滑有限元法可以很好地应用于二维声学不规则网格的计算中,具有广阔的应用前景.     

基于边光滑有限元法的二维复合弹性空腔声振特性分析

基于弹性梁的弯曲理论和黏弹层线粘弹性理论及黏弹层的耗散性能,将敷设黏弹层和约束层的二维复合弹性空腔的结构域等效成被动约束阻尼梁结构,并考虑结构域与声腔域的声振耦合作用,建立了二维复合弹性空腔的边光滑有限元耦合动力学控制方程。以二维全敷设复合矩形空腔模型为数值算例,通过与标准有限元法的比较,证明了边光滑有限元法具有更高的精确性和收敛性。最后,把边光滑有限元法应用于敷设有CLD结构某汽车耦合模型,得到了黏弹层和约束层厚度参数跟耦合系统减振性能的正相关结论。     

二维声学数值计算的径向插值有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将无网格径向插值技术引入到标准有限元中,构造径向插值形函数,推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method,RIFEM)的二维声学数值计算公式。二维声学RIFEM采用标准有限元法形函数构造系统离散方程的声学刚度矩阵和边界积分矢量,保证了声压梯度和边界条件在区域边界的积分精度;采用径向插值形函数构造系统离散方程的质量矩阵,提高了声压数值近似函数的插值精度。对管道二维声腔模型和某轿车二维声腔模型的数值分析结果表明,与标准有限元法和SFEM相比,RIFEM的计算精度更高,对波数、单元尺寸和网格扭曲程度的灵敏度更低。因此RIFEM可以很好地应用于二维声学数值分析,具有广阔的工程应用前景。     

自由场声辐射预报的可变阶波包络单元与有限元耦合方法

在可变阶波包络单元法和声有限元法的基础上,研究了预报无限域自由场结构声辐射的可变阶波包络单元与有限元耦合方法,推导了预报声压的耦合计算公式。在该方法中,结构外区域自由场空间分为使用有限元单元离散的内区域和可变阶波包络单元离散的外区域,根据外区域波包络单元构成的刚度矩阵的组成特性,对其进行分解,并对总系统耦合矩阵方程进行了重组,使得刚度矩阵的计算独立于频率,提高了频段上声压预报的效率。质量、刚度及载荷矩阵的元素需通过积分运算获取,积分精度对最终声场预报的精度具有很大的影响,为确保积分精度,提出了一种混合自适应高斯积分来计算相关矩阵的元素。具有解析解的无限长圆柱和脉动球源算例表明,对可变阶波包络单元组成的刚度矩阵进行分解后,计算效率得以显著提高;采用数值仿真和试验对该耦合方法进行了验证,结果表明该耦合方法具有较好的精度和收敛性。     

基于声学灵敏度的汽车噪声声-固耦合有限元分析

车身结构声辐射的预测对于噪声的控制和降低有着重要的意义.首先推导了声-固耦合有限元的控制方程,并得到模态参与因子和板块声学贡献量的计算方法;然后以某商务车为研究对象,应用虚拟试验场技术,建立声-固耦合有限元模型,包括车身与汽车室内空腔的有限元模型;选择车身与底盘的连接点作为声学灵敏度分析的激励点,采用声-固耦合有限元法,计算得到各悬置点至驾驶员耳旁的声学灵敏度;从声学灵敏度分析结果中发现,车身模态在共振峰70、138、200 Hz处均存在较大的峰值;研究这三个峰值的频率点及其结构,并计算结构模态和声学模态参与因子以及车身板块的声学贡献量,最终得出对车内声学响应影响最大的板块和结构模态.     

驾驶室结构振动及其声固耦合噪声响应分析

利用有限元分析软件ANSYS和声学分析软件SYSNO ISE对卡车驾驶室的振动与内部声场耦合做了数值计算分析研究。介绍了振动频响分析方法,动力学计算与声学边界元模型耦合的具体步骤。通过计算分析,分别研究了驾驶室结构的声固耦合模型与非耦合模型对室内声场的影响,从而找出在不同的壁板厚度条件下,声固耦合作用对室内噪声的影响,以及驾驶室内声场的变化规律。     

三维耦合运动零件系统热传导计算机模拟研究

采用有限元技术，开发了预测耦合三维移动零件-润滑油膜-零件系统非稳态温度分布的热传导计算软件。通过将润滑油膜假设为一维热阻，建立了移动零件-润滑油膜-零件之间的传热联系，并建立了三维系统的离散模型。建立了基于上述模型的有限元理论，并采用新的数值技术求解了大而复杂的刚度矩阵，采用适当的方法解决了离散系统系数矩阵中由于移动边界条件引起的移动数组的存储和系数矩阵的消元。利用开发的软件计算了相应耦合模型的传热过程。     

基于新型快速收敛ES-FEM-T的三维固体黏弹塑性研究

虽然四面体网格具有强大的几何表征能力,但因其“过硬”特性而工程实践中较少采用。如何使四面体网格“变软”是目前数值计算研究重点。通过采用广义的应变光滑操作,对四面体网格采用一种新型基于四面体边的应变光滑方法(Edge-based smoothed finite element method of tetrahedron, ES-FEM-T),并将该方法拓展到三维固体中黏弹塑性材料分析中。数值算例表明：在相同的网格时,ES-FEM-T 计算效率要高于有限元和基于面光滑操作的有限元。由于该方法既继承四面体强大的几何表征能力,具有较好的计算效率和精度,具有广阔的工程运用前景。     

车辆发动机悬置处的动态刚度仿真研究

基于有限元分析方法,采用无质量和阻尼的单自由度振动系统的加速度导纳作为评价准则,提出了一种用加速度导纳频率响应函数来对发动机悬置在车身上安装点的动态刚度进行评价的方法。通过建立某轿车的车身和发动机悬置支架的有限元模型及其与车身室内声腔的声固耦合模型,对该安装点的静态刚度和动态刚度进行了对比分析,并计算出该安装点在单位简谐载荷作用下的驾驶员耳旁声压响应,以便研究动态刚度对车身振动和噪声的影响。研究结果表明,动态刚度分析与静态刚度以及声学响应分析结果基本一致,因而采用加速度导纳进行动态刚度评价能够全面地反映车身的噪声、振动与舒适性能。     

有限元法在扭转杆计算中的应用

使用弹性力学解决扭转问题实际上就是求解偏微分方程组,很难得到解析解,有时甚至得不到解析解.为了克服弹性力学解决扭转问题的缺陷,采用有限元法来解决扭转问题,首先以三节点的三角形单元划分网格,并对应力函数进行插值,构造了可用于描述各个子域的场函数.然后利用最小余能原理推导出了扭转问题的泛函,通过求解泛函极值,得到了单元刚度矩阵,最后用Matlab编写了对应的程序用于模拟有限元计算过程.数值算例表明,随着网格的细化,数值解越来越精确,只要网格划分得当,有限元的解能够较好地逼近解析解.     

三维流固两相流的颗粒群轨道柔性模型

将离散单元法(DEM)拓展到三维流固两相流的数值模拟中，提出了颗粒群轨道柔性模型。即在Euler坐标系中表达流体连续相，在Lagrangian坐标系中运用离散单元法表达颗粒离散相，同时考虑颗粒和流体的双向耦合作用，对三维管道中的气固两相流的建模和典型实例进行了可视化的数值模拟。     

混流式水轮机转轮流场单向、双向流固耦合数值的分析比较研究

针对水轮机转轮单向流固耦合和双向流固耦合计算结果的比较问题,建立了精确的水轮机流场及结构场模型,分别对低水头、低转速和高水头、高转速两种工况下转轮单向、双向流固耦合进行了数值模拟。对比了两种工况在单向、双向耦合时转轮表面流体域的最大压力、最大速度及转轮结构域的最大应力、最大应变、最大总位移,最后结合流固耦合公式对计算结果作了进一步的分析。研究结果表明,在使用单向流固耦合进行数值计算时,流固耦合作用越强,则计算偏差越大;通过同一流场和结构场的单向流固耦合和双向流固耦合计算值对比可知,无论是流体域还是结构域的计算值,相同节点的单向耦合计算值均小于理论上更为精确的双向耦合计算值。     

在ANSYS中模拟功能梯度材料的方法研究

介绍一种在ANSYS软件中模拟功能梯度材料的方法。对于功能梯度材料板,考虑到其弹性模量E和泊松比v都是沿长度方向变化的函数。可以将板用三角形单元离散化,求出每个三角形单元的等效模量和泊松比,再用命令流的方法赋予每个单元,则可以实现在ANSYS中对功能梯度材料板的模拟。     

基于流固耦合的超声污垢检测数值模拟

基于Comsol Multipysics仿真软件,建立了声发射耦合的板材-污垢多层有限元模型。以弹性动力学和压力声学为理论基础,推导了薄平板型试样在平面波辐射下的声波振动控制方程,研究了流相与固相区域超声传播特性规律,实现了二维平板污垢纵、横波分离的弹性数值模拟,通过分离后的波场提取,对薄层平板沉积污垢厚度进行高精度检测。数值模拟结果表明:流相区域服从微小声波波动方程传播规律,固相区域也能很好的实现弹性纵横波的完全分离提取;超声波对薄层平板沉积污垢的检测误差在5%以内,证明了数值模拟的可行性与准确性,对于实际换热系统的运行和清污具有很好的指导作用。     

开口薄壁结构声固耦合问题的计算方法

对于开口薄壁结构的声辐射问题,很难用解析法直接计算,可采用多种数值方法进行仿真分析。文中研究了有限元法、边界元法与无限元法几种数值方法及其耦合的理论基础,研究了求解不封闭声腔声辐射问题的几种数值方法。在考虑声固耦合的前提下,分析了间接边界元法、直接边界元内外声场耦合法、有限元与边界元耦合法、有限元与无限元耦合法4种方法求解开口结构声场问题的系统方程及求解过程,以具体开口薄壁结构为实例采用4种方法进行了模拟计算,并对结果进行了分析比较,得出相关结论。     

全地域机动车驾驶室声学特性分析

以某全地域机动车驾驶室为研究对象,建立驾驶室的有限元模型,验证了有限元模型的有效性。以此有限元模型为基础构建驾驶室谐响应模型,进行谐响应分析,发现驾驶室后壁板的振动是引起驾驶室内部噪声的主要原因。研究驾驶室内部噪声特性,分别进行了声学空腔模态分析和声固耦合模态分析,发现声固耦合系统声压分布比较均匀,大部分呈现局部模态,主要原因可能是驾驶室后壁板的振动。通过驾驶员耳旁声压分析发现增加驾驶室后壁板的厚度,可以在一定程度内降低驾驶室内部噪声对驾驶员的影响,为同类驾驶室通过依靠结构改进来改善声场环境提供了案例依据。