基于动网格降阶算法的机翼颤振边界预测

基于弹性体动网格技术,发展了一种用于机翼流场网格变形的降阶算法。将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体。以虚拟弹性体变形的静力平衡方程为基础,结合机翼的振动控制方程,推导了机翼与虚拟弹性体的整体的振动控制方程。通过模态叠加方法计算机翼和流场网格节点的位移,进而得到变形后的流场网格。考虑到机翼颤振多为1阶弯曲和扭转振动,所以在流场网格节点位移的计算中只需考虑1阶弯曲和扭转振型。为了保证计算精度,在计算中同时考虑了2阶弯曲和扭转振型。RANS方程为流体控制方程,采用Spalart-Allamras湍流模型,结合动网格降阶算法,对AGARD Wing 445.6颤振边界进行了流固耦合计算。计算结果相对于实验值的偏差小于2%,且与已有的弹性体动网格方法比,计算时间减少了54.8%。     

改进迭代过程的车轨耦合振动数值解法及应用

针对列车-轨道耦合振动迭代求解过程,结合Newmark-β 积分格式,提出一种基于有限元法与非线性接触理论的改进迭代过程数值解法。考虑分别建立车辆系统和轨道系统振动方程,在耦合和解耦迭代过程中,构造松弛因子函数和收敛准则函数,简化轮轨界面协调适应条件,利用轮轨相互作用力在两子系统之间的快速迭代实现动态耦合关系的高效求解。此算法增强了对迭代收敛精度、迭代过程稳定性的控制,同时也减小了程序设计的难度。应用此算法分别对竖错和路基沉降两类典型线路缺陷引起的车轨振动响应进行了算例对比和分析,计算结果表明,改进解法在迭代速度和迭代稳定性上具有优势,可广泛应用于高速铁路车辆运行和轨道结构动力学问题的分析中。     

超弹性柔性结构与流体耦合运动的浸入边界法研究

浸入边界法是模拟大变形柔性弹性结构和粘性流体相互作用的重要数值方法之一。该文有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法,对圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法求解,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。通过数值计算,得到柔性超弹性结构的耦合振动特性和流场动态分布特性,并将计算结果同其他文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。     

基于温度体模型的动网格生成方法及在流固耦合振动中的应用

提出温度体模型动网格生成方法,并将其应用于流固耦合算法,生成物体振动过程中的动态网格。温度体模型动网格方法将运动边界的位移映射为求解域的温度边界条件,以流体能量方程或固体导热方程作为控制方程求解得到计算域内的温度分布,将求解得到的温度分布作为网格节点的动态位移。基于温度体模型的动网格方法物理意义清晰,算法实现简单,能够快速而有效地生成高品质的动态网格,特别在边界位移大的情况下与其他网格生成方法相比有较大的优势。最后采用流固耦合有限元算法求解了定浆式轴流泵强迫振动过程中连锁特性和柱体由于旋涡脱落诱发自激振动两个工程问题。其中流场采用基于特征线方程的分离算法进行求解,固体场采用Newmark方法进行求解,在计算过程中采用温度体模型生成动态网格。结果表明该发展的算法性能优异,能有效解决流固耦合中的振动问题。     

无变形网格下运动参考系求解平动流固耦合问题

为模拟平动涡激振动,采用一种无变形网格的计算方法。通过运动参考系模拟整个求解域的运动,结合非结构网格下高精度算法,在NS方程中引入运动参考系引起的对流项及采用新的边界处理方式,通过构造合理的计算求解域,对低雷诺数下(Re=200)圆柱涡激振动进行了模拟,得到了圆柱涡激振动振幅以及详细流场结构,与实验结果和数值结果相比都得到了很好的一致性。并对不同阻尼比、频率比等参数进行研究,详细对比了不同振幅下尾流结构特征。结果证明了该计算方法是可行的、准确的。     

基于分区交错算法的高层建筑风振数值模拟平台及实例

基于分区交错算法,通过对商业流体软件Fluent和结构计算软件Ansys的二次开发,搭建了高层建筑风振数值模拟平台。耦合界面上非匹配网格的搜索配对和数据传递,以及流体域的网格更新均采用UDF(User Defined Functions)编程实现;流体计算采用大涡模拟方法配合使用流体并行计算技术,以兼顾计算效率和精度,通过UDF和Scheme语言编程实现流体域参数化求解,为确保流体和结构域时间步长一致,流体计算采用子迭代技术;结构计算采用APDL(Ansys Parametric Design Language)语言参数化编程;采用Visual C++语言编制数值模拟平台主进程实现模块间的相互调用。采用该方法,对大气紊流边界层风场内方形截面高层建筑的风振气弹响应进行了数值模拟,将计算结果与气弹模型风洞试验和文献数值模拟结果进行了对比;还通过有、无考虑气动弹性时结构位移响应的比较,分析了气动阻尼对结构风振响应的影响。结果表明,该数值模拟方法可以较精确地求解高层建筑结构的风振气弹响应问题。     

基于大涡模拟方法的多层动网格技术识别平板气动参数

【摘要】从弱耦合的角度出发,对流体计算软件fluent进行二次开发,利用其用户自定义函数(UDFs)描述结构的运动状态并结合动网格技术实现流固耦合。在保证动网格运动速度符合空间守恒法则的条件下,针对固体模型在流场中运动受网格尺寸限制且易造成网格变形过大导致计算失败的问题提出了多层动网格的解决方法。流体动力计算时考虑湍流的作用,采用大涡模拟方法求解N-S方程。数值模拟了平板做单自由度强迫振动的断面绕流流场,通过最小二乘法拟合气动力时程曲线获得气动导数。仿真结果与通过Theodorsen理论导出的平板气动导数具有良好的一致性。     

弹性薄壁壳体高速风洞耦合振动实验及数值模拟

针对弹性薄壁壳体在高速气流作用下的耦合振动特性进行了研究。采用迭代耦合法对风洞实验中薄壁模型的耦合振动响应进行了数值计算,计算中采用浸入边界法处理流场域网格与结构域网格的运动关系,给出了模型仪器舱段测点上的应变功率谱密度分布以及振动能量在仪器舱段及其相邻位置上的分布情况。研究表明:在与高速气流的相互作用下,模型的振动能量主要集中在高频内某一频率点附近,模型的振动并非一般的低阶模态响应;虽然模型的仪器舱段具有一定的迎风角度,但该段的振动并非最为强烈。通过风洞实验对数值模拟结果进行了验证,结果表明:通过该数值计算程序可以对高速气流作用下的结构动态特性进行定性分析,但还需要通过进一步的风洞实验数据对数值模拟结果进行修正。     

基于分布参数模型的换热器瞬态仿真改进算法

针对目前求解换热器瞬态模型的算法收敛性不稳定的问题,提出了一种改进算法.新算法增加了压力迭代初值的预测计算.在准确求解流场前,根据工质压力与总质量的单调关系,采用总质量作为压力迭代收敛的判据,确定出与当前工质质量对应的压力,作为迭代初值.对新算法的收敛性进行了分析,认为新算法的稳定性得到增强.并将新算法应用于实际换热器的仿真计算中.     

基于改进涡方法的膜结构流固耦合研究

采用改进涡方法对膜结构的流固耦合进行模拟。将非协调边界元计算势流的方法引入到传统涡方法中,即为改进涡方法。该算法可以精确计算三维粘性、不可压缩流场。采用改进涡方法可以得到每个时间步膜结构的单元节点流场压力,通过与ansys有限元模型提取出的整体刚度矩阵联合求解得到单元节点位移,并可以由单元节点位移求解出下一时间步的流场分布。由于本文引入了高效的预处理循环型广义极小残余迭代算法(GMRES),使得边界元法的优势得到了充分发挥,大幅度节省了计算时间。完成了方形平屋盖膜结构气弹模型风洞试验。采用本文算法对膜结构流固耦合效应计算得到的位移均值大部分与风洞试验吻合,计算结果表明本文提出的方法是模拟膜结构流固耦合问题的有益尝试。     

物质点法在风与膜结构耦合作用中的应用研究

为克服常用数值方法在风与膜结构的耦合计算中网格易畸变、耗费机时大的缺点,提出采用物质点法计算风与膜结构的耦合作用。结构域采用物质点法描述,流体域采用浸入边界法描述。结构对流体的作用通过对结构最边缘的网格节点施加边界条件来实现,流体对结构的作用通过在结构表面施加压力和剪力实现。分别给出了结构域、流体域和流固耦合计算的求解步骤。将该算法应用于二维膜结构的耦合计算,得到了结构响应和流体压力场等结果,与采用有限元法计算结果进行了对比,结果符合良好;同时与有限元法对比了计算效率,结果表明物质点法计算效率要高于有限元法。结果表明物质点法计算风与膜结构的流固耦合作用中可以得到准确的结果,且计算效率得到较大提升。     

车辆-轨道非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

运用有限元法建立车辆-轨道非线性耦合系统振动分析模型,该模型包含车辆、轨道两个子系统,其中车辆子系统为附有二系弹簧的整车模型,轨道结构子系统为离散的三层弹性梁模型。两子系统通过轮轨非线性接触力和位移协调条件实现耦合。针对车辆-轨道非线性耦合系统动力学方程提出了交叉迭代算法。为加速迭代收敛速度,引入松弛法对轮轨接触力进行修正。为证明算法的正确性,进行了算例验证。同时还给出了CRH3高速动车在有砟轨道上运行时引起车辆和轨道振动的实例,分析中考虑了轮轨线性和非线性接触及不同列车速度对车辆和轨道结构振动的影响。计算结果表明交叉迭代算法具有程序编制简单、收敛速度快、用时少、精度高的优点;采用轮轨线性接触模型得到的车辆和轨道结构的动力响应比轮轨非线性接触模型得到的结果要大,其中位移、加速度最大值和振幅增大范围约在15 %以内,轮轨接触力最大值和振幅增大范围约在5 %以内。     

基于CFD技术的流场/结构时域耦合求解方法研究

针对流场/结构耦合方程,基于Adams隐式方法发展了一种杂交的线性多步法（HLMS）,广义气动力项采用插值求解,结构项仍采用隐式格式计算,融合了显式方法耦合简单和隐式方法稳定性好的特点.该时域耦合迭代格式使用预估-校正法进行时间推进,仅需在预估步调用一次流场求解器,校正步的广义气动力项采用插值求解.算例运用非定常Euler方程计算了一个标准气动弹性模型（Isogai Wing）的颤振结果,并与几种经典的时域模拟方法进行了比较,证明该方法具有效率高、稳定性好、精度高的优点.     

基于流固耦合的管道双车振动运移水力特性研究

为了探究流固偶合作用对筒装料管道水力运输流场水力特性的影响,采用商用ANSYS Fluent 12.0软件对管道流场和管道双车结构响应进行联合求解,并分析管道双车在平直管道振动运移的水力特性。管道流场计算采用雷诺时均动量方程和RNG k-ε湍流模型,管道双车结构响应计算采用刚体运动方程。结合模型试验,分析轴向流速及测压管水头,并将模拟结果与试验结果对比。结果表明:模拟结果与试验结果一致,最大相对误差不超过5.36%,说明采用流固耦合方法求解管道双车在平直管道振动运移的水力特性是可行的;管道双车瞬时速度与间距均在微小范围内呈不规则振动变化,可将管道双车振动运移视为恒定运动。     

基于Woodbury非线性方法的迭代算法对比分析

在结构局部非线性求解过程中,刚度矩阵仅部分元素发生改变,此时切线刚度矩阵可写成初始刚度矩阵与其低秩修正矩阵和的形式,每个增量步的位移响应可用数学中快速求矩阵逆的Woodbury公式高效求解,但通常情况下迭代计算在结构非线性分析中是不可避免的,因此迭代算法的计算性能也对分析效率有重要影响。该文以基于Woodbury非线性方法为基础,分别采用Newton-Raphson （N-R）法、修正牛顿法、3阶两点法、4阶两点法及三点法求解其非线性平衡方程,并对比分析5种迭代算法的计算性能。利用算法时间复杂度理论,得到了5种迭代算法求解基于Woodbury非线性方法平衡方程的时间复杂度分析模型,定量对比了5种迭代算法的计算效率。通过2个数值算例,从收敛速度、时间复杂度和误差等方面对比了各迭代算法的计算性能,分析了各算法适用的非线性问题。最后,计算了5种算法求解基于Woodbury非线性方法平衡方程的综合性能指标。     

基于黏聚单元法的冰-柱碰撞流固耦合计算方法研究

在采用黏聚单元法模拟海洋结构物与海冰的相互作用过程中，大多未考虑水的作用，与实际应用场景不符。基于LS-DYNA有限元软件，构建两种不同厚度的黏聚单元冰模型，采用S-ALE流固耦合方法，对圆柱体直立结构与层冰碰撞进行了数值模拟，研究了碰撞过程中层冰的破坏模式及柱体所受冰载荷，数值模拟结果与实际观测现象相吻合。随后分析了流场网格大小对耦合效果及冰载荷的影响。结果表明：柱体所受冰载荷与流场网格呈正相关，当流场网格为冰体单元的2倍时，计算时间及耦合效果最佳。     

代数多重网格法在岩体力学有限元分析中的应用

代数多重网格法具有存贮量小、收敛精度高和计算时间少等优点,将代数多重网格方法引入到岩体力学有限元计算领域,论述了基于单元聚集和能量极小意义下适于岩体力学有限元求解的代数多重网格粗化策略与插值算子,并详细描述了相应的代数多重网格算法.数值试验表明:在岩体力学与工程问题的有限元数值计算中,代数多重网格求解法是高效的、适用的,较直接法和其他常用迭代方法具有明显的优越性.     

一种新的求解有阻尼结构动态响应的实模态分析算法

求解有阻尼多自由度结构系统的振动微分方程,实模态分析法是得到广泛应用的一种有效方法。但随着对阻尼的深入研究,发现广泛采用的 Rayleigh 比例阻尼假设,往往不符合实际情况。但若采用非比例型的阻尼,用实模态矩阵变换结构振动微分方程时,往往不能使之完全解耦而进行求解。通常的处理方法,可将阻尼耦合项忽略,但这样有时会使计算结果的精度很差。或者转而用复模态求解,这又使方程自由度数增加一倍,计算量大增,且占用计算机内存过多,使计算难以在容量有限的小型机上进行。本文针对这一问题,提出一种新的求解方法。在实模态分析法的基础上,计入模态阻尼耦合项,对计算结果进行反复迭代修正,使其逐渐逼近精确解。本文方法经数学证明,在一定条件下收敛,且收敛条件易获满足,因而具有一定实用价值。     

边界元法在膜结构与风耦合研究中的应用

膜结构是一种风敏感性结构,结构与风的耦合作用不容忽视。本文将膜结构所处的风场简化为不可压缩势流,运用边界元法求解绕流后作用在膜结构上的风压,然后计算在风压作用下膜结构产生的变形,修正膜结构形状,再次求解变形后膜结构周围流场及作用在其上的风压,这样依次迭代,直至得到收敛的解。这种方法的有效性通过典型算例和其他方法计算结果的对比得到验证。变换膜结构的矢跨比、初始预张力及风场平均风速,研究参数变化对流固耦合的影响,为膜结构抗风研究与工程实践提供参考。     

阻尼结构叶片强迫振动响应分析的改进时频域融合算法

为有效地分析阻尼结构叶片系统的动力学特性,本文对计算非线性动力学系统响应的时频域融合算法进行了改进。引入快速抗混迭傅立叶变换,提高时域与频域间转换运算的精度,减少计算时间;针对阻尼结构叶片系统的局部非线性特点,对线性自由度进行减缩,将迭代求解控制在仅和非线性相关的自由度范围之内;采用混合遗传算法改善计算收敛性。使用改进的时频域融合算法对某真实燃机叶片的非线性强迫振动响应进行了分析。在一定的参数条件下,改进的时频域融合算法计算时间为原算法计算时间的 ,且精度误差不超过 。研究表明：改进的时频域融合算法能够适用于复杂摩擦接触下阻尼结构叶片的振动响应计算。