封闭腔体通风散热系统仿真分析北大核心CSCD

为了解决封闭腔体内器件散热的问题,设计了通风散热系统,基于COMSOL的多场耦合仿真,对其进行有限元分析,研究对比了不同的通风口位置、腔体结构的散热效果,得到温度和气流的仿真结果,分析了不同位置的通风口对于系统散热的利弊,以及腔体和器件内气体的流向。结果表明:腔体通风口的布局对于散热有明显的影响,优化的布局可以提高散热效率;通过在腔体内增加挡板的方式,将腔体分割成两部分,配合器件的内部结构,形成了良好的风道,能够提高散热效率。     

封闭腔体通风散热系统仿真分析

为了解决封闭腔体内器件散热的问题,设计了通风散热系统,基于COMSOL的多场耦合仿真,对其进行有限元分析,研究对比了不同的通风口位置、腔体结构的散热效果,得到温度和气流的仿真结果,分析了不同位置的通风口对于系统散热的利弊,以及腔体和器件内气体的流向。结果表明:腔体通风口的布局对于散热有明显的影响,优化的布局可以提高散热效率;通过在腔体内增加挡板的方式,将腔体分割成两部分,配合器件的内部结构,形成了良好的风道,能够提高散热效率。     

压电复合材料层板弱界面的四种力电热物理模型

基于对压电复合材料层合结构弱界面弹性场、电场、温度场的宏观和细观尺度分析, 构建了四种界面力-电-热模型, 分别为非耦合型、耦合型和混合型。依据这些界面模型, 得到了柱面弯曲简支压电复合材料层板的力-电-热多场耦合解。结果表明, 损伤界面的多场耦合物理描述介于宏观和细观尺度之间, 需要多尺度考虑, 且基于不同尺度的描述也可获得相似的规律。在热载和力载下, 不同的界面模型对弹性场影响趋同、差异甚小, 而对电场和温度场, 四种模型的影响各异、但规律相似; 在电载作用下, 不同的界面模型无论对弹性场还是电场, 都有显著的影响。     

基于热弹性耦合理论的功能梯度材料薄壁旋转碟片力学性能

基于热弹性耦合理论,对处于热载荷下的Al-Al₂O₃功能梯度材料（FGM）薄壁旋转碟片进行研究。根据FGM构造理论结合碟片轴对称特性,得到其力学特性全场分布。分别采用函数构造方法和热耦合传导方程推导得到模型所处温度场,并加以分析对比。建立了统一温度场的热耦合本构方程,并根据平面应力情况下热弹性材料力学特性基本原理,拟合确定其物性系数。通过微分求积方法（DQM）求解不同温度场下不同FGM构造形式模型的位移控制方程。结果表明:常温下,热耦合本构方程可以退化到胡克定律;经典热弹性理论与热弹性耦合理论下的碟片径向位移误差可达41.7%;热弹性耦合理论的结果随温度非线性变化,这种变化趋势也体现在大量科学实验中;碟片外表面温度变化、转速和所处的温度场显著地影响其热弹性场。      

高孔隙率多孔氮化硅构件较高马赫数下流-热-固耦合力学特性分析

以凝胶注模技术制备的固相含量为40%、45%、50%(质量分数,下同),孔隙率高达65.24%、63.26%、61.19%的多孔氮化硅天线罩材料作为研究对象。将测得的材料性能参数作为有限元分析模拟的数据支撑,构件模型载体选择正切尖拱形,使用FLUENT模拟流场,结构场采用ANSYS软件,热力耦合得到不同固相含量的材料在不同马赫数下流-热-固耦合后的热应力强度,对其力学特性进行分析。结果表明,较高马赫数下的飞行构件的尾部连接端是受热应力最大的部位,也是失稳较为严重的部位。飞行构件的结构稳定性需通过加固尾部连接端来提高;气动热是引起天线罩构件失稳的首要问题,解决结构失稳的关键在于解决气动热,可通过在天线罩构件外增加耐热隔层,使其免受气动热;多孔氮化硅材料的孔隙率与失稳时对应的马赫数成正比,热导率是影响多孔氮化硅天线罩构件在较高马赫数下受到热应力大小的关键因素。     

深地能源工程热水力多场耦合效应高效模拟方法

深地能源工程多场耦合效应数值模拟面临的主要难题有深部岩体的非线性力学特性、复杂的赋存环境、以及围岩-结构尺寸相差悬殊的计算瓶颈。针对深地能源工程井筒结构独特的细长型几何特点，将井筒简化为一维线单元，考虑井筒内流体沿井筒轴向的渗流传热，而井筒内流体与周围岩体的换热过程则采用等效换热系数近似考虑，套管和砂浆层的影响包含在等效换热系数中，利用该方法实现了远场尺度深地能源工程热-水-力多场耦合效应的高效模拟。依托中国京津冀及周边地区典型水热型地热田群井系统开展案例研究，不仅证明了该文所提出的数值模拟方法可兼顾百平方千米尺度深地能源工程多场耦合效应模拟分析的精度与效率，还揭示了深部热储温度场、渗流场、变形场的长期演化特征。     

基于热-力耦合模型的纤维丝束带铺放残余应力的模拟及实验研究

采用有限元分析计算和实验测试2种方法,在热-力耦合载荷作用下,对纤维丝束带铺放成型时的残余应力进行了研究。首先,建立纤维丝束带铺放的热-力耦合模型,利用有限元分析研究了不同温度和压力参数条件下纤维丝束带铺放残余应力的模拟结果。其次,对结果进行分析比较得到各个因素对纤维丝束带铺放残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对纤维丝束带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究,以验证热-力耦合有限元模型计算结果的正确性。结果表明:2种方法得到的残余应力分布基本一致,只是残余应力的最大值之间存在着差别。      

压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。     

不同形状电子元件对冷却效果影响的数值研究

对不同形状电子元件冷却在系统中的速度场和温度场进行了模拟,建立二稳态流场及温度场模型,并运用壁面函数法进行流固边界耦合,在电子元件的散热面积为定值的条件下改变其形状,采用成熟的CFD软件进行数值求解,从而得出冷却空间二维压力场、流场及温度场分布图形。     

压电复合材料层板弱界面力-电-热多场耦合研究

压电复合材料层合结构界面缺陷的物理描述呈现出多场耦合现象。界面弹性场由位移跃变与横向应力的关系来描述;界面温度场由温度跃变与横向位移跃变的经验公式来描述;界面电场分别由电可导通假设、电不可导通假设和电半可导通假设来描述,获取了界面位移、温度和电势跃变的线性表达。基于这些界面假设,得到了柱面弯曲简支压电复合材料层板的力-电-热多场耦合解。算例表明,不同的界面电学假设对弹性场的影响有限,对电场的影响显著,其中电不可导通假设在各种载荷下均产生最大的界面电势跃变。算例提供的数值结果可作为后续研究比较之用。     

考虑热-结构耦合关系下空间结构动力响应随机性分析

以空间薄壁圆管为研究对象,分析其在持续热流作用下并同时考虑热-结构耦合关系及参数具有随机性时的动力响应问题.为了便于分析由截面温差引起的热振动,将温度场分解为平均温度和扰动温度两部分,在此基础上建立了热-结构耦合动力学有限元模型,并采用时间域内温度场和动力响应交替迭代进行的近似计算方法,其中温度场的求解利用时间差分法和牛顿迭代法,动力响应则利用Newmark积分法.从各响应的求解迭代格式出发,分别使用矩法和随机因子法推导了温度场及动力响应的数字特征表达式,并通过各时间步内对温度场和动力响应的交替迭计算可求得整个时间域内的温度和动力响应均值与方差.最后以哈勃太空望远镜为算例考察了热-结构耦合对其悬臂薄壁圆管梁的热颤振影响以及参数的随机性对响应分散性的影响,并利用Monte Carlo法验证了该方法的可行性.     

双螺杆真空泵腔内间隙的模拟计算

采用有限元热-力直接耦合的方法,通过加载第一、三类热边界条件以及力、位移边界条件对转子进行数值模拟,得出了两转子温度场分布和变形情况。结果表明,转子径向变形在各级之间是不同的。因此本文对泵腔内间隙做出了详尽的要求,并进行了计算。计算结果为双螺杆真空泵腔内间隙的确定提供了理论依据。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

空间结构在考虑热-结构耦合关系下的动力响应随机性分析

以空间薄壁圆管为研究对象,分析其在持续热流作用下并同时考虑热-结构耦合关系及参数具有随机性时的动力响应问题。为了便于分析由截面温差引起的热振动,将温度场分解为平均温度和扰动温度两部分,在此基础上建立了热-结构耦合动力学有限元模型,并采用时间域内温度场和动力响应交替迭代进行的近似计算方法,其中温度场的求解利用时间差分法和牛顿迭代法,动力响应则利用Newmark积分法。从各响应的求解迭代格式出发,分别使用矩法和随机因子法推导了温度场及动力响应的数字特征表达式,并通过各时间步内对温度场和动力响应的交替迭计算可求得整个时间域内的温度和动力响应均值与方差。最后以哈勃太空望远镜为算例考察了热-结构耦合对其悬臂薄壁圆管梁的热颤振影响以及参数的随机性对响应分散性的影响,并利用Monte-Carlo法验证了文中方法的可行性。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

基于CFX和Workbench的数值仿真技术

为分析超音速风洞中飞行器模型支撑机构工作可靠性,利用Ansys CFX和Workbench软件,研究了此结构的强度和刚度.首先在CFX中进行外流场分析,再将得到的固体表面温度和压力导入Workbench中进行热结构耦合分析,从而实现了流热固耦合仿真分析,得到结构应力和变形.该方法涉及流场、温度场和应力场,可以大大提高数值仿真效率,对于CAE工程分析人员具有很大的借鉴意义.     

耦合共振型进气消声器声学特性分析

为了拓宽消声频带、提高消声量,克服传统串并联腔体结构安装空间大等缺点,研究了一种新型耦合共振型进气消声器．利用一维平面波理论探究了Helmholtz消声器的消声机理;为准确模拟消声器突变结构处的高阶次声波,建立了并联共振腔结构和新型结构Helmholtz消声器的声学有限元计算模型;计算、分析、比较了各结构的消声特性,重点研究了新型结构尺寸参数对其共振频率与传递损失的影响．计算结果表明：由于腔体间空气耦合共振作用,两腔耦合共振型Helmholtz消声器具有3个共振频率;两共振腔连接管的长度与直径是影响该结构消声性能的关键尺寸,减小连接管长度或者增大直径都可以拓宽消声器的消声频带,提高消声性能．这将为主动、被动耦合共振型进气消声器的设计提供重要参考．     

旋叶式压缩机多刚柔耦合建模与叶片动态接触激励分析EI北大核心CSCD

为揭示圆弧-简谐曲线组合型旋叶式压缩机叶片与缸体、转子间的动态接触激励机理,基于刚柔耦合理论,建立压缩机柔性叶片、刚性转子与缸体多刚柔耦合动力学模型。将基元腔压力测试数据以无质量块形式耦合至柔性叶片、背压腔压力施加于叶片背部作为力学边界条件,研究旋叶式压缩机多刚柔耦合动力学特性;而后,基于等距曲线包络原理建立压缩机叶片-缸体型线运动学解析模型,得到叶片位移/速度解析值,与刚柔耦合分析值对比,验证刚柔耦合模型的合理性;进而,研究转速、背压等工况参数和叶片结构参数对动态接触力的影响规律。研究表明:旋叶式压缩机叶片运动位移、速度解析值与仿真值规律吻合较为良好,验证了旋叶式压缩机刚柔耦合建模与约束关系的合理性;为降低摩擦损耗,应对压缩机背压腔压力进行合理的动态控制。叶片动态接触激励力可为后续旋叶式压缩机振动噪声预估与控制提供力学边界数据。     

火灾环境下钢结构响应行为的FDS-ABAQUS热力耦合方法研究

火灾环境下钢结构热力耦合分析普遍采用ISO834标准升温曲线（或火灾升温经验公式）描述结构的升温过程,然而这种方法并不能准确描述真实火灾环境下结构的升温过程。为了分析钢结构在真实火灾温度场下的热响应行为,该文以整体结构作为研究对象,提出了基于FDS和ABAQUS的火-热-结构耦合分析方法。该方法通过创建FDS-ABAQUS耦合接口,将FDS模拟得到的火灾动态温度场数据传输到有限元软件ABAQUS中,使用ABAQUS对整体结构进行热力耦合计算,得到整体结构在特定火灾场景下的力学响应特性。案例分析表明,该文创建的耦合方法可将FDS模拟得到的温度场数据传输到ABAQUS模型,分析结果显示传输温度场数据最大误差为2.18%;模拟整体结构热响应行为时考虑不均匀热膨胀引起的内力,模拟结果更接近真实火灾场景下的力学响应。     

高温下张弦梁结构力学特征解析解

在实腹钢梁或钢桁架下部张拉预应力高强钢索形成预应力张弦梁结构,然而钢索的预应力对温度变化敏感,因此火灾是危及张弦梁结构安全性的重要灾害,求解高温下结构的力学特征解析解是进一步研究其火灾安全性能的理论基础。考虑高温下钢材材性的衰减、非线性热应变以及几何形变的耦合,建立张弦梁结构高温下梁单元与索单元建立基本平衡微分方程,分别推导出在均布荷载作用下张弦梁结构在均匀温度场及非均匀温度场中,结构跨中挠度、预应力索水平张力和撑杆轴力的解析解;并且基于张弦梁结构力学特征解析解,对比分析了张弦梁结构热力耦合数值分析模型的可靠性,可为后继设计张弦梁受火试验方案及研究其受火破坏机理提供参考。