SPH统一算法对自由流体冲击弹性结构体问题模拟

对自由流体冲击弹性结构体涉及的自由界面运动、弹塑性变形、流固耦合作用等问题进行模拟时要求能有效计算介质运动变形与流固间耦合作用。利用光滑粒子流体动力学方法将流体、弹性体视为连续介质,用统一的N-S方程与虚拟压缩状态方程求解。基于初始粒子类型划分提出新的介质接触算法,通过在结构体表面增加结构体表面粒子,使流体与弹性体介质间相互作用实现稳定传递。计算结果表明,所用SPH统一算法与接触算法能准确有效模拟自由流体冲击弹性结构体变形回弹过程。     

弹性圆柱薄壳在流体中的变形与内力分析

应用薄壳弹性理论及流体力学基本方程,给出了圆柱壳在流体中流固耦合问题的基本关系式。阐述并应用相容拉格朗日-欧拉方法推导出流体绕壳横向流动时弹性圆柱薄壳的小弯曲变形问题的方程,并求解了流场的速度势和壳体的变形及内力分布。通过具体算例,绘出了流场分布图,讨论了有关参数变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响。     

吊杆式船载起重机吊绳非线性动力学建模与分析

对吊杆式船载起重机建立传统集中质量数学模型,利用拉格朗日—欧拉法推导出该模型非线性动力学方程,利用数值分析技术,结合船载起重机的自身参数进行吊绳的非线性动力学分析,研究关键参数对货物振动的影响,研究工作对起重机的操纵有着参考意义。     

狭窄血管处管壁的变形与应力分析

该文根据血液流动连续性方程、运动方程及血管壁弹性力学方程,通过边界条件的耦合,在给定了血压波形函数的基础上,假设堵塞斑块与血管壁弹性性质相同时,求解了狭窄血管管壁的径向位移及环向应力;分析了不同狭窄程度对血管壁变形及应力的影响;给出了不同狭窄状态下,血管植入支架所需的支撑力,从而计算出植入支架后血管壁的径向位移及应力状态。该文的研究结果可为临床上对狭窄血管植入支架的变形与受力分析提供参考。     

基于接触协同作用结构非线性屈曲分析

工程结构中结构或构件之间存在接触摩擦现象是较为普遍的,接触协同作用使得结构非线性屈曲问题的数值求解变得困难。该文从这一实际问题出发,采用子结构凝聚自由度的有限元方法得到基于接触界面问题的非线性有限元平衡方程,通过增广拉格朗日乘子法对接触问题的约束条件进行处理,并与柱面弧长法结合,对非线性屈曲问题进行全过程跟踪求解。算例结果表明接触协同作用对结构的非线性屈曲过程影响明显,有必要在实际工程结构设计中考虑接触协同作用的影响。     

贮箱中弹性隔层板在流体作用下的振动分析

在文献[12]研究的基础上,采用单一拉格朗日法,对一水平放置、位于不同密度理想流体贮箱中矩形隔层板的耦合振动问题进行了研究。给出了单一拉格朗日法流体和隔板运动方程以及边界条件和解的一般形式。讨论了上下层流体的高度、隔层板的几何尺寸、流体密度、流体晃动频率等因素对隔层板动力特性的影响。通过算例,给出了隔层板的动力特性与相关因素之间的关系曲线。分析表明,上层流体的高度、隔板的厚度、板宽、上下层流体密度差对于隔层板的振幅影响较大,隔板的厚度、板宽对于隔层板的共振频率与反共振频率影响较大,而上下层流体密度差影响较小。     

充液压电阻尼圆柱壳的有限元建模

基于Mindlin板理论、压电理论、粘弹性理论和理想流体方程，对充液圆柱壳主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的建模进行了研究。利用拉格朗日方法得到结构的动力学方程，利用GHM方法描述粘弹性阻尼的本构关系，结合流体方程建立主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的动力学方程。建立从压电材料的电压到流固耦合边界下的圆柱壳结构振动的频响函数，利用实验结果对理论计算加以验证，结果表明该建模方法是可行的。     

复合材料迭层板柱状弯曲的非线性流固耦合动力响应分析

导出置于液面上的复合材料迭层板变形时流体作用力的近似表达式; 由Ham ilton 原理建立了考虑横向剪切变形以及流固耦合效应时迭层板的非线性动力方程; 采用差分方法求解了迭层板的非线性流固耦合动力响应; 讨论了不同载荷类型下流场深度及几何非线性对动力响应的影响。      

弯曲输流管道流固耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。以流固耦合理论为基础,对脉动压力作用下的弯曲输流管道建立流体动力学模型及固体运动模型,在ANSYS Workbench中分别进行双向流固耦合受力分析、单双向流固耦合对比分析和模态分析,并考虑脉动压力,壁厚和管径等参数的影响。结果表明,弯管最大应力发生在入口和出口附近上下部,最大变形发生在转角及中间处;双向耦合作用下弯管最大等效应力与最大变形量均大于单向耦合;双向耦合作用下弯管固有频率明显降低,且固有频率随壁厚和管径的增大呈非线性增长。     

相容拉格朗日-欧拉法求解黏性流体中弹性圆柱壳的振动

采用相容拉格朗日-欧拉法,研究圆柱壳表面不间断振动时黏性流体的速度以及壳体的推进速度。根据黏性流体分子的黏附条件简化接触面条件,变形后的变量通过变形前各量的泰勒级数展开式近似表示。假设雷诺数Re0.1,纳维-斯托克斯方程采用斯托克斯近似,考虑弹性圆柱壳表面发生横向振动与纵向振动。结果表明,弹性圆柱壳半径增大时,流体的速度趋近于薄板振动时的结果,纯横向振动时壳的位移方向与波的方向相反,纯纵向振动时二者方向相同,两种形式的振动均有,则方向可能相同,也可能相反。     

Coupling of fully Eulerian and arbitrary Lagrangian–Eulerian methods for fluid-structure interaction computations

We present a specific application of the fluid-solid interface-tracking/interface-capturing technique (FSITICT) for solving fluid-structure interaction. Specifically, in the FSITICT, we choose as interface-tracking technique the arbitrary Lagrangian–Eulerian method and as interface-capturing technique the fully Eulerian approach, leading to the Eulerian-arbitrary Lagrangian–Eulerian (EALE) technique. Using this approach, the domain is partitioned into two sub-domains in which the different methods are used for the numerical solution. The discretization is based on a monolithic solver in which finite differences are used for temporal integration and a Galerkin finite element method for spatial discretization. The nonlinear problem is treated with Newton’s method. The method combines advantages of both sub-frameworks, which is demonstrated with the help of some benchmarks.     

基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

提出基于ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的输水隧道地震动响应并行数值分析方法,采用ALE方法模拟内水和隧道的相互作用,提出基于耦合负载均衡的并行计算方法加快求解速度,采用显式中心差分法完成方程求解。针对某大型输水隧道,建立内水-隧道-土体耦合的全三维数值模型,分析其在非一致地震激励下的动力响应。模型中考虑材料非线性、接触及流固耦合非线性等实际情况,并采用PML （Perfectly Matched Layer）建立人工边界模拟无限区域。在曙光5000A超级计算机上,利用所提方法,完成该大规模非线性问题的求解。通过与附加质量法对比,验证ALE方法模拟内水-隧道耦合的可行性;分析输水隧道地震激励下的应力及变形情况;讨论内水量及变形缝对隧道动力响应的影响;分析并行计算效率。结果表明：环向应力较大值出现在靠近工作井的截面,隧道结构满足强度要求;隧道截面变形量处于安全范围内;满水隧道较空隧道承受更大应力;变形缝可以降低隧道的动力响应;所提并行计算方法可以获得较好的并行效率。     

考虑强液-固耦合效应的发动机液阻悬置动态特性仿真研究

以某轿车发动机液阻悬置为研究对象,运用INTESIM强液-固有限元方法建立了其动态特性分析的强液-固耦合有限元模型,仿真分析了其静、动刚度特性,并和实验结果进行了对比,验证了仿真研究结果的有效性,说明利用INTESIM强液-固耦合有限元方法可以有效的仿真液阻悬置的动态特性。     

Updated Lagrangian/Arbitrary Lagrangian–Eulerian framework for interaction between a compressible neo‐Hookean structure and an incompressible fluid

We propose a numerical method for a fluid–structure interaction problem. The material of the structure is homogeneous, isotropic, and it can be described by the compressible neo‐Hookean constitutive equation, while the fluid is governed by the Navier–Stokes equations. Our study does not use turbulence model. Updated Lagrangian method is used for the structure and fluid equations are written in Arbitrary Lagrangian–Eulerian coordinates. One global moving mesh is employed for the fluid–structure domain, where the fluid–structure interface is an ‘interior boundary’ of the global mesh. At each time step, we solve a monolithic system of unknown velocity and pressure defined on the global mesh. The continuity of velocity at the interface is automatically satisfied, while the continuity of stress does not appear explicitly in the monolithic fluid–structure system. This method is very fast because at each time step, we solve only one linear system. This linear system was obtained by the linearization of the structure around the previous position in the updated Lagrangian formulation and by the employment of a linear convection term for the fluid. Numerical results are presented. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

A particle‐based moving interface method (PMIM) for modeling the large deformation of boundaries in soft matter systems

The mechanics of the interaction between a fluid and a soft interface undergoing large deformations appear in many places, such as in biological systems or industrial processes. We present an Eulerian approach that describes the mechanics of an interface and its interactions with a surrounding fluid via the so‐called Navier boundary condition. The interface is modeled as a curvilinear surface with arbitrary mechanical properties across which discontinuities in pressure and tangential fluid velocity can be accounted for using a modified version of the extended finite element method. The coupling between the interface and the fluid is enforced through the use of Lagrange multipliers. The tracking and evolution of the interface are then handled in a Lagrangian step with the grid‐based particle method. We show that this method is ideal to describe large membrane deformations and Navier boundary conditions on the interface with velocity/pressure discontinuities. The validity of the model is assessed by evaluating the numerical convergence for a axisymmetrical flow past a spherical capsule with various surface properties. We show the effect of slip length on the shear flow past a two‐dimensional capsule and simulate the compression of an elastic membrane lying on a viscous fluid substrate. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.