基于SPH与FEM的结构入水分析方法

建立基于光滑粒子动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）、有限元法（finite element method, FEM）和无反射边界耦合的结构入水分析方法,将无限水域利用无反射边界条件截断成有限水域,将有限水域分为流体变形大的SPH区域、流体变形小的FEM区域和声学流体FEM区域,结构用FEM离散。采用通用接触算法模拟SPH与FEM的耦合,采用声固耦合方法处理FEM区域之间的耦合,建立流固耦合的SPH FEM分析方法。该方法结合SPH模拟大变形的优点和FEM的高效性,可实现含自由液面变形、液体飞溅和无限水域等特点的流固耦合问题的模拟,为结构入水分析缩小离散区域、降低自由度和SPH粒子数等提供一种有效的分析方法。     

大型水电站厂房结构流固耦联振动特性数值模拟

水电厂房内的多场耦合振动分析是工程界十分关心的问题.为了实现发电厂安全生产的目标,过去在对其进行共振校核时,往往只对结构进行模态分析,而忽略了流体的存在;但是厂房流道内存在着大量的流体,流体的存在改变了厂房结构的动力特性,是属于典型的流固耦合振动问题.因此,在对其进行共振校核时应该考虑流体的影响.由于机理的复杂性、建模、数值模拟的困难性,迄今为止关于这方面的分析研究成果很少.本文借助于2个实际工程,对厂房结构与流体复杂的耦合振动问题进行分析,并对其进行比较,详细的阐述了厂房结构-流体的耦合振动特点.本文的研究成果对于解决流体-结构相互作用问题具有重要的工程意义,同时对于解决其他类型的流固耦合振动问题也具有很高的参考价值.     

基于流固耦合的叶片颤振分析

研究航空发动机性能问题,叶片颤振过程属于流固耦合问题,为了对叶片颤振进行预测和分析,保证发动机稳定,在提出对流固耦合原理和求解过程进行分析的基础上,采用 ANSYS 进行结构计算,CFX 进行流场计算,并利用两者间的数据交互平台传递流场压力载荷和结构位移数据,实现了流固耦合数值仿真计算.在不同来流速度及攻角下进行叶片和流场的耦合计算,根据得到的叶片振动位移响应判断叶片是否会发生颤振.计算结果表明,颤振频率与叶片低阶固有频率一致,证明来流速度和攻角是影响叶片气动弹性稳定性的重要因素,并可做为叶片颤振的预测依据.     

面向高端装备制造CAE技术的机遇和挑战

针对高端装备制造在设计、分析、制造、服役和维护等全过程中对CAE的需求,从结构、流体以及流固耦合等3个方面概述CAE技术国内外进展及其面临的机遇和挑战,指出在发展具有能够对装备在极端服役环境下准确的结构、流体和流固耦合CAE分析技术的基础之上,需不断突破面向工程应用的多物理场耦合、跨尺度分析、多学科综合设计、产品性能评估和集成等关键技术,使CAE逐步向支持现代设计和全寿命周期管理转变.     

外流作用下管道流固耦合非线性动力学研究进展

管道广泛应用于海洋、核电以及航空航天等重大工程中,是采油平台、蒸汽发生器等重要工程装备的关键结构之一.当有外部流体经过时,管道会发生流固耦合振动行为,是导致重大装备振动破坏和失效的重要原因之一,已成为重大工程设计必须解决的关键问题.本文针对外流作用下柔性管道流固耦合非线性动力学机理这一科学问题,梳理了国内外学者的重要研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为.从实验研究、仿真分析和理论建模等方面进行了深入地探讨,揭示了外部流体对管道动力学行为的影响机制.最后,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究仍存在的难点与挑战.     

基于MWorks与Simulink的联合仿真

针对多领域统一建模和仿真问题,介绍模型耦合、求解器耦合和进程耦合等3种联合仿真途径,从模型的数学原理和软件架构方面研究多领域建模仿真平台MWorks与MATLAB/Simulink之间基于模型耦合的联合仿真,并基于Simulink的S-function和MWorks的COM实现两个建模仿真软件之间的联合仿真.多领域模型实例证明该联合仿真软件有效,可拓展Simulink的应用范围.     

MFX-ANSYS/CFX流固耦合计算及其在“魔方”上的应用

流体和固体之间的耦合作用在工程领域中有非常广泛的应用,对这类问题的求解一直是工程上的难点。本文介绍了一种流固耦合求解方法,采用CFX和ANSYS软件分别对流体域和结构域进行求解,其耦合面的数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台,并通过实例验证了流体和结构之间的耦合效应。同时,基于"魔方"高性能计算平台,探讨了这类问题的并行求解算法以及在不同处理器数目下的计算效率,为该类方法的大规模计算以及更好地发挥并行计算优势提供参考。     

大时间步长下体积守恒的实时水体模拟

摘 要：基于物理的流体仿真可以真实地捕捉水的运动,一种常用的实时模拟方法是基于 二维浅水方程进行水体仿真。首先介绍了二维浅水方程,并提出一种新的求解方法,通过一种 体积守恒的隐式半拉格朗日方法进行计算,在保持稳定的同时允许较大的时间步长,然后额外 增加修正步以保证计算过程中体积守恒。此外提出了一种基于动量守恒的流固耦合方法,可以 实时地模拟出较为真实的水体,并且保证了水体体积始终守恒,效果良好。     

超空泡射弹尾拍运动流固耦合动力学响应研究

基于ANSYS软件和CFX软件的双向隐式交错迭代法对超空泡射弹尾拍运动过程中的流固耦合响应进行了研究,结构响应仿真采用有限元法、流场仿真采用分相流模型和SST湍流模型,重点比较分析了流固耦合作用对射弹运动姿态和流体动力的影响,给出了尾拍过程中弹体应力的变化规律.     

民用飞机水上迫降数值模拟分析

针对民用飞机水上迫降撞击压力问题缺乏合适的理论分析方法的问题,基于Dytran考虑水一空气两相流体与飞机结构之间的相互耦合作用,通过一般耦合算法实现流固耦合计算;对民用飞机水上迫降过程中机身底部着水压力载荷和着水过程中的飞机俯仰角进行有效数值模拟与水上迫降载荷处理．飞机结构入水时压力在初期达到峰值,然后衰减,在峰值过后会出现小幅波动．     

真实感固流交互动画的统一物质点法模拟

固流交互模拟是基于物理的流体模拟技术的重要研究内容,其中如何解决非穿透 和滑移接触是难点。为此,提出一种真实感固流交互动画的统一物质点法模拟方法。首先,给 出一种基于物质点法的快速微可压缩流体模拟方法,并在统一背景欧拉网格上对固体和流体动 量方程进行求解;其次,检测固流接触区域并在其上构建局部多重背景网格,给出一种动量守 恒保持的速度修正方法对固体和流体各自网格结点进行速度修正,从而实现固流交互的非穿透 和滑移接触效果模拟。实验结果表明,该方法可以模拟稳定、真实的固流交互动画,适用于计 算机图形学和虚拟现实领域中的真实感模拟应用。     

Multi-solver algorithms for the partitioned simulation of fluid–structure interaction

In partitioned fluid–structure interaction simulations, the flow equations and the structural equations are solved separately. As a result, a coupling algorithm is needed to enforce the equilibrium on the fluid–structure interface in cases with strong interaction. This coupling algorithm performs coupling iterations between the solver of the flow equations and the solver of the structural equations. Current coupling algorithms couple one flow solver with one structural solver. Here, a new class of multi-solver quasi-Newton coupling algorithms for unsteady fluid–structure interaction simulations is presented. More than one flow solver and more than one structural solver are used for a single simulation. The numerical experiments demonstrate that the duration of a simulation decreases as the number of solvers is increased.     

Accelerated numerical simulations of a heaving floating body by coupling a motion solver with a two-phase fluid solver

This paper presents a study on the coupling between a fluid solver and a motion solver to perform fluid–structure interaction (FSI) simulations of floating bodies such as point absorber wave energy converters heaving under wave loading. The two-phase fluid solver with dynamic mesh handling, interDyMFoam, is a part of the Computational Fluid Dynamics (CFD) toolbox OpenFOAM. The incompressible Navier–Stokes (NS) equations are solved together with a conservation equation for the Volume of Fluid (VoF). The motion solver is computing the kinematic body motion induced by the fluid flow. A coupling algorithm is needed between the fluid solver and the motion solver to obtain a converged solution between the hydrodynamic flow field around and the kinematic motion of the body during each time step in the transient simulation. For body geometries with a significant added mass effect, simple coupling algorithms show slow convergence or even instabilities. In this paper, we identify the mechanism for the numerical instability and we derive an accelerated coupling algorithm (based on a Jacobian) to enhance the convergence speed between the fluid and motion solver. Secondly, we illustrate the coupling algorithm by presenting a free decay test of a heaving wave energy converter. Thirdly and most challenging, a water impact test of a free falling wedge with a significant added mass effect is successfully simulated. For both test cases, the numerical results obtained by using the accelerated coupling algorithm are in a very good agreement with the experimental measurements.     

刚柔耦合控制系统仿真研究

该文介绍了交互使用有限元分析软件和控制系统仿真软件实现具有刚柔耦合结构复杂系统的仿真方法。使用有限元技术建立弹性体模型,通过二次开发语言编程实现弹性体动力响应有限元分析全过程,将计算所得的弹性体位置和速度响应以文件形式保存并传递给在控制系统仿真软件中建立的弹性体环节作为该环节的输出。同时在控制系统仿真软件中建立刚体动力特性模型以及控制器反馈模型,用C语言编程实现仿真软件调用有限元分析程序的接口,从而实现整个系统的仿真。该方法能够仿真具有任意复杂结构弹性体的刚柔耦合控制系统的动态响应,由于使用有限元方法使得仿真结果较为精确。     

G70B列车油罐液固耦合模态分析

针对列车油罐因列车提速导致液固耦合作用突出的问题,运用ANSYS软件对轻型油罐车G70B型罐体的液固耦合模态响应进行实例分析和计算;建立车载油罐的液固耦合系统有限元模型;对轻型油罐车G70B型罐体进行在不同贮液比时的液固耦合模态分析,得出固有频率和模态振型图.结果表明:不同的贮液比对罐体结构的模态特性影响很大,油罐内液体质量越多,油罐结构耦合振动频率越低.分析结果可以为油罐的结构设计提供参考.     

螺旋滤波器的设计方法分析

介绍一种设计螺旋滤波器的方法,并给出一个滤波器的设计实例和仿真结果。设计时先用微波网络分析和滤波器设计理论计算出腔间耦合系教和外界Q值的理论值。在用高频结构仿真软件（HFSS）进行仿真时,采用了一种准螺旋结构得出实际的谐振腔的耦合结构,然后进行整体仿真优化,完成整个设计。应用这种方法可以简化螺旋滤波器仿真并大大减少有限元网格的划分时间,提高仿真效率,设计准确。     

多物理场耦合软件GTEA开发及应用

围绕多物理场耦合问题,基于连续介质假设,采用非结构化网格和有限体积方法开发多物理场耦合并行计算软件GTEA。该软件包括计算流体力学、结构应力波传播、流 声耦合和声 固耦合等4个功能模块。介绍GTEA前处理网格读取、网格格式转换、求解器开发等关键技术。通过柴油机缸内工作过程模拟、船舶水动力计算、自然对流与辐射传热耦合作用、流场动力噪声计算和结构 声耦合计算等5个典型应用展示该软件的应用能力和适用范围。     

关于液滴撞击弹性固体变形预测仿真

在液滴撞击弹性固体问题中,由于流固两相的动力学特性复杂且传统网格法求解困难,研究中通常将固体结构视为刚性壁面,不考虑固体在冲击下的变形情况及变形对液滴的影响,导致数值仿真精度较低。根据光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的基本原理和理论,采用连续介质力学的控制方程,引入非牛顿流体和弹性固体所遵循的本构关系,分析流固两相的相互作用,提出一种流固边界的耦合处理算法,建立流固耦合动力学模型,对非牛顿液滴撞击弹性固体的动态过程进行数值仿真。仿真结果表明,上述数值方法能够精细地预测出撞击过程中非牛顿液滴的形态变化和弹性固体结构的微变形情况,并探讨了具有不同弹性模量的固体在液滴撞击下的可变形性及对液滴的影响。