An interval finite element method for electromagnetic problems with spatially uncertain parameters

During the manufacturing process of dielectric materials used in electromagnetic engineering, the electromagnetic parameters are often spatially uncertain due to the processing technology, environmental temperature, personal operations, etc. Traditionally,the random field model can be used to measure the spatial uncertainties, but its construction requires a large number of samples.On the contrary, the interval field model only needs the upper and lower bounds of the spatially uncertain parameters, which requires much less samples and furthermore is easy to understand and use for engineers. Therefore, in this paper, the interval field model is introduced to describe the spatial uncertainties of dielectric materials, and then an interval finite element method(IFEM) is proposed to calculate the upper and lower bounds of electromagnetic responses. Firstly, the interval field of the dielectric material is represented by the interval K-L expansion and inserted into the scalar Helmholtz wave equations, and thus the interval equilibrium equations are constructed according to the node-based finite element method. Secondly, a perturbation interval finite element method is developed for calculating the upper and lower bounds of electromagnetic responses such as the electric strength and magnetic strength. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by three numerical examples.     

基于无网格有限元方法的心磁场计算仿真研究

利用无网格有限元方法求解毕奥-萨伐定律来计算电流偶极子源在任意形状均质容积导体外产生的磁场分布.通过毕奥-萨伐定律计算容积导体外产生的磁场分布须先得到整个媒质中的电流密度分布,依据相应的边界条件,采用无网格有限元方法求解媒质容积导体有限元模型中各节点的电势;通过对电势求梯度得到媒质内部的电流密度分布;媒质内部感应磁场分布的各个分量可通过对电流密度进行数值积分计算来实现.为了验证提出的无网格有限元方法的有效性,在单层均质球模型上进行了仿真研究,并将该方法应用于从核磁共振成像(MRI)得到的真实形状的心脏-躯干心脏模型上,取得了令人满意的计算结果,表明了算法的有效性及其在心磁图(MEG)和磁场分布(MCG)上的潜在应用前景.     

Stress field analysis of extra-height forging die using finite element method

ＴｈｅｅｘｔｒａｈｅｉｇｈｔｆｏｒｇｉｎｇｄｉｅｉｎＳｏｕｔｈｅｗｅｓｔＡｌｕｍｉｎｉｕｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎＰｌａｎｔｉｓａｓｐｅｃｉａｌｄｉｅｆｏｒｍａｋｉｎｇａｒｍａｍｅｎｔａｎｄｓｐｅｃｉａｌｃｉｖｉｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｎＣｈｉｎａ．Ａ...     

高锌蛋粉真空冷冻干燥工艺参数优化及冲调性能

以柠檬酸锌作为锌强化剂,利用真空冷冻干燥技术制备了高锌蛋粉并对其冲调性能进行了研究。在单因素实验基础上,采用三因素二次通用旋转组合试验设计探讨了干燥压力、物料厚度、冻干时间对高锌蛋粉冲调性能的影响,建立了高锌蛋粉冲调性能与各因素间的回归模型。结果表明,物料厚度和冻干时间对高锌蛋粉冲调性能的影响极为显著(p<0.01),影响主次顺序为物料厚度、冻干时间、干燥压力。最佳工艺参数为:物料厚度为4.3mm,冻干时间为12.51h,干燥压力为43.6Pa,此条件下所得高锌蛋粉润湿下沉时间为171.27s,分散时间为86.53s,溶解度为76.97g/100g,综合评分为109.23。对比分析鲜蛋与高锌蛋粉营养成分,锌强化量高达73.05%。     

复杂地质条件下调压室三维有限元参数反分析

在地下洞室施工过程的3维有限元模拟过程中,数值计算结果受到地应力场及岩体力学参数的影响。在参数反演过程中,地应力场和岩体力学参数对洞室围岩应力变形的大小影响过程非常复杂,要同时反演这两方面参数比较困难,因此依托复杂地质条件下柳坪水电站调压室工程,采用3维非线性有限元分析,把地应力场岩体力学参数分两步进行反演,首先利用洞室围岩变形之间的规律对地应力场进行反分析,岩体力学参数选取参考范围的中值,在获得计算模型的地应力场数值及分布规律后,再对岩体力学参数进行反分析,反演得到岩体的力学参数,得出微新围岩、断层、弱风化带、强风化带变形模量分别为19、0.45、4.5、2.25 GPa,泊松比分别为0.21、0.35、0.25、0.30。反分析位移与监测位移对比表明,平均相对误差符合计算精度要求,可为类似工程的研究、分析提供参考。     

FEM与FDM在脑电正问题求解中的比较

从算法的精度、效率和复杂性3个方面对三维各向同性脑电正问题求解中的有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)进行了比较,分别采用三层同心球模型和偶极子源模拟具有3种组织的头和大脑活动神经元,研究了头模型的网格细化程度、对称性和偶极子源方向、偏心率对有限差分法和有限元法精度和效率的影响.仿真计算结果表明,有限元法的精度易受切向偶极子的影响,而有限差分法的精度易受径向偶极子的影响,在相同的网格细化程度下,两种算法需要同样的耗机时间;由于有限元法精度易受网格模型对称性的影响,有限差分法的真实头模型网格构建比有限元法简单、直观.     

聚焦电流法超前预报的有限元模拟

文章用屏蔽电极控制电流方向,提出了2种电极布置方式,推出2种电极布置方式中三维电源场的基本方程、边值条件,用有限单元法对异常体位于坑道中间时的聚焦电流法超前探测进行三维正演模拟,根据建立的模型观测当异常体在坑道中间时随着掌子面不断靠近异常体归一化电位的变化曲线,分析设计的聚焦电流超前探测电极布置方式的可行性。     

平面强化有限单元法的h型网格自适应

自适应有限元中的单元细划会不可避免地引入非规则节点,针对非规则节点的多点约束处理方法存在自由度多、数值稳定性差等缺点,根据强化有限单元法（FEM++）中数学网格和物理网格分离的特点,构造一种能够统一处理任意阶非规则节点的位移模式关联法则——物理模式重构法,并导出相应的有限元列式.修正了常规有限元中的超收敛应力恢复法和ZZ（Zienkiwicz-Zhu）后验误差估计理论,提出强化有限单元法的后验误差估计方法及相应的h型网格自适应策略.物理模式重构法在单元层次上直接将非规则节点的位移用具有独立自由度的数学节点位移线性表达,既保证了单元间的位移连续性,又不需要约束处理的多余自由度,保证了数值稳定性.数值算例表明：强化有限单元法的后验误差估计方法及自适应策略能给出满足精度要求的网格.     

UCM流体的最小二乘有限元解法

提出了求解UCM流体的最小二乘有限元方法。将稳态不可压缩蠕动流的UCM本构方程,利用速度和应力的近似值进行线性化。建立由所有方程残量的L2范数加权和构造的目标泛函,将微分方程组的求解转化为目标泛函的极小化问题。利用目标泛函对应的欧拉-拉格朗日方程建立迭代格式,最后使用有限元方法求解迭代方程。     

超声振动拉丝的有限元模拟研究

超声振动拉丝可以解决难拉拔材料和细微丝的拉拔问题.然而,由于超声振动拉丝的高速度,按照传统的实验方法,很难解决超声振动拉丝机理的进一步分析和理解.因此,尝试采用有限元方法对超声振动拉丝过程进行仿真.从机理上研究超声振动对拉丝过程的作用效果及影响,分析有关超声拉丝的规律及结论.仿真过程采用ANSYS有限元分析软件.结果表明,超声拉丝使变形更加均匀,更有利于发挥材料的塑性;在相同拉丝速度下,应力和拉拔力都有很大程度减小.可见,超声波拉丝可以提高生产效率、并降低成本.研究成果及结论可使超声拉丝理论更加完善.     

医用钛表面激光显微加工工艺参数的优化

为了改善医用钛的表面性能，增强植入物与骨组织之间的结合强度，采用400W Nd：YAG激光器，在压缩空气辅助条件下，对纯Ti进行激光微加工试验，并研究了激光加工工艺参数对微孔形状的影响.实验结果表明，随着激光辐照脉冲能量 、脉冲宽度、脉冲次数的增加，微孔的孔径和孔深增加.激光辐射脉冲频率增加，微孔孔径加大，而孔深基本不变.采用优化的激光微加工工艺参数，对纯钛样品进行激光显微加工， 可获得表面排布有规律的微孔，从而有利于扩大医用钛的临床应用范围.     

微通道热沉几何结构的多参数反问题优化

提出微通道热沉几何结构的多参数反问题优化方法,其正向求解器是微通道热沉三维数值模型,反向求解器为简化的共轭梯度法,分析泵功的变化对热沉几何结构的影响.结果表明,在热沉换热面积和热表面热流密度恒定的条件下,随着泵功的增加,相应的最优热沉几何结构参数随之变化,即最优热沉的流道数和流道高宽比增加,流道比降低;泵功的增加使最优热沉的全局热阻降低,但在高泵功下全局热阻的降低幅度远低于在低泵功下的降低幅度.     

利用RKDG有限元方法追踪运动界面

本文首先介绍了用于运动界面追踪的Level Set方法,并简要分析了其优缺点。与其它的界面追踪方法相比,Level Set方法较灵活,无须进行复杂繁琐的界面重构,编程简单,所需要的计算量和存储量不大。然后将RKDG有限元方法推广到Level Set方程的求解,对二维流体中常见的常数流场、旋转流场和剪切流场做了追踪模拟,并与其它几种运动界面追踪方法做了比较。数值实验表明,本文的方法可以比较准确地捕捉运动界面,得到了分辨率较高的计算结果。     

陶瓷喷砂嘴流场的有限元分析

根据喷砂工作原理和喷枪结构特征建立了引射段的自由射流模型,并以一种具体喷枪结构参数为计算对象。利用有限元软件CFX进行流场模拟分析,在此基础上研究了陶瓷喷砂嘴内的流场各种特性及其对冲蚀参数的影响,为进一步的研究陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理提供了重要的理论依据。     

带式输送机驱动滚筒有限元分析时的加载方法

为解决驱动滚筒进行有限元分析时加载不便的问题,以滚筒外表面上一点为原点建立笛卡尔坐标系,推导圆心角与横坐标之间的关系,应用级数理论,将由欧拉公式决定的以角度为自变量的指数函数分布载荷表示成级数形式,满足了有限元分析软件中非均布载荷加载公式的需要.计算表明,在所研究的区域内,级数形式的分布载荷与指数函数分布载荷的变化规律基本一致,最大误差约为10%,通过乘以大于1的系数,可使结果偏于安全,能够满足工程计算要求.这种加载方法使得驱动滚筒的有限元分析更加方便.     

500T快剪机机架的设计计算

用有限元法对500T快剪机架进行设计计算,使结构趋于合理,取得了良好效果。     

面向对象有限元程序的若干问题

对面向对象有限元程序研究中出现的单元对象的动态识别与生成、总刚矩阵的变带宽二维动态存贮、有限元程序的组织与代码风格等问题进行了探讨,并给出了相应的解决方案.这些问题的探索和解决表明,该项工作的研究需要以面向对象的观点对有限元程序的整体布局和细节处理进行更为深入和全面的反思,以达到有限元程序面向对象化的最终目的.     

基于SBFEM计算应力强度因子的叠单元法

基于SBFEM(scaled boundary finite element method,比例边界有限元法),提出了一种裂缝应力强度因子计算的叠单元法.对于含裂缝的结构,该方法首先将其离散为不含裂缝的整体FEM网格和包含裂缝及周边一定范围计算域的局部SBFEM网格,两者相互独立.然后,将整体网格和局部网格叠加,通过几何拓扑运算,可得单元间的相互关系.在局部SBFEM计算域内,采用SBFEM的位移模式;在SBFEM计算域之外,借鉴流形元的思路,采用有限元的位移插值模式.最后,通过在局部SBFEM网格外的边界施加虚拟结构面的模式,实现整体域网格和局部域网格的耦合.通过3个经典的含裂缝平板的算例研究,表明该方法能有效降低裂缝分析时的前处理的难度,且计算精度也较高.     

Modal analysis of prestressed draft pad of freight wagons using finite element method

The present work intends to investigate dynamic behaviour of draft gear using finite element method. The longitudinal force that the draft gear absorbs usually leads to the failure of its components, especially, the load bearing draft pads. Dynamic behaviour of an individual draft pad and a draft gear is determined and characterized with exciting frequencies and corresponding mode shapes. The effect of compressive prestress load on the dynamic behaviour of an individual draft pad is also determined as the draft pads in assembled state are under constant axial compressive force in the draft gear. The vibration characteristics of individual draft pad are compared with draft pads that are part of draft gear. The modal analysis gives us a basis for subjecting a draft pad to higher frequency loading for determining its fatigue behaviour.

     

非线性椭圆问题矩形有限元的超收敛性

基于拟一致矩形剖分，研究了一类二阶非线性椭圆问题的有限元超收敛性．首先在参考单元中构造了Qλ(n)型插值函数，然后利用余项的正交性质推导并证明了任意n次有限元解在n 1阶Lobatto点上及其梯度在n阶Gauss点上都有超收敛性，最后给出了一个二阶矩形有限元的数值例子，计算结果表明理论分析正确。