二维声学数值计算的光滑有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元不规则网格计算精度低甚至结果错误的问题,将光滑有限元法(Smoothed finite element method, SFEM)应用到不规则四边形网格的声学计算中,推导出光滑有限元法分析二维声学问题的原理公式.声学SFEM将声压梯度光滑处理技术结合到标准有限元法中,对声压梯度进行分区光滑处理,用光滑声压梯度来计算声学刚度矩阵,光滑域内对形函数梯度的积分转变为域边界上形函数积分,消除了坐标变换,提高了计算效率.以二维管道声腔和车内声腔模型为数值算例,研究结果表明,与标准有限元法相比,对扭曲严重的四边形网格,声学光滑有限元法具有更高的精度和准确度,特别是高频计算时.因此,光滑有限元法可以很好地应用于二维声学不规则网格的计算中,具有广阔的应用前景.     

基于边光滑有限元的声固耦合研究

在声固耦合的计算分析中,一般采用耦合的有限元或者耦合的有限元与边界元等数值方法来进行模拟。由于有限元系统偏硬,因而在使用有限元进行声学及声固耦合问题的模拟中,都会产生比较大的数值误差。为了降低声固耦合系统的刚度,降低有限元的计算误差,通过采用耦合的边光滑有限元法来对三维的声固耦合问题进行模拟。由于三角形网格和四面体对于任何复杂几何模型的离散适应性很强,因此在结构域中,将采用三角形来离散系统,而在声学域中,采用四面体来离散,并对结构域中三角形板单元以及流体域中的四面体单元都进行基于单元边的梯度光滑操作。通过数值算例的研究结果表明,光滑梯度操作能够适当降低有限元系统的刚度,使离散系统刚度更加接近连续系统的刚度,数值解更加接近真实解,从而为本方法的进一步应用打下基础。     

基于新型快速收敛ES-FEM-T的三维固体黏弹塑性研究

虽然四面体网格具有强大的几何表征能力,但因其“过硬”特性而工程实践中较少采用。如何使四面体网格“变软”是目前数值计算研究重点。通过采用广义的应变光滑操作,对四面体网格采用一种新型基于四面体边的应变光滑方法(Edge-based smoothed finite element method of tetrahedron, ES-FEM-T),并将该方法拓展到三维固体中黏弹塑性材料分析中。数值算例表明：在相同的网格时,ES-FEM-T 计算效率要高于有限元和基于面光滑操作的有限元。由于该方法既继承四面体强大的几何表征能力,具有较好的计算效率和精度,具有广阔的工程运用前景。     

壳结构声场耦合分析的光滑有限元-有限元法

为提高壳结构-声场耦合分析的计算精度,将光滑有限元法(smoothed finite element method,SFEM)推广到壳结构-声场耦合问题的结构域分析中,推导了光滑有限元-有限元法分析壳结构-声场耦合问题的计算公式。结构-声场耦合系统方程在结构中用位移法表示;在流体中用声压法表示。在结构域中应用分区应力光滑技术,提高了弯曲刚度矩阵和膜刚度矩阵的计算精度和效率;在流体域中应用标准有限元模型进行分析。以六面体声场-结构耦合模型和简化的微车声固耦合模型为研究对象,结果表明,与有限元相比,该方法在分析结构-声场耦合问题时具有更高的精度。     

二维声学数值计算的径向插值有限元法

针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将无网格径向插值技术引入到标准有限元中,构造径向插值形函数,推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method,RIFEM)的二维声学数值计算公式。二维声学RIFEM采用标准有限元法形函数构造系统离散方程的声学刚度矩阵和边界积分矢量,保证了声压梯度和边界条件在区域边界的积分精度;采用径向插值形函数构造系统离散方程的质量矩阵,提高了声压数值近似函数的插值精度。对管道二维声腔模型和某轿车二维声腔模型的数值分析结果表明,与标准有限元法和SFEM相比,RIFEM的计算精度更高,对波数、单元尺寸和网格扭曲程度的灵敏度更低。因此RIFEM可以很好地应用于二维声学数值分析,具有广阔的工程应用前景。     

基于边光滑三角形壳元和统一计算架构的板料成形仿真并行计算方法

针对板料成形过程仿真中计算效率低以及四边形单元几何逼近性差的问题,提出一种基于边光滑三角形壳元(Edge-based smoothed triangular shell element,EST)和图形处理器(Graphics processing unit,GPU)的板料成形并行计算方法。根据EST壳元及板料成形过程显式求解的特点,该方法采用将最小计算单位与线程一一对应的方式进行数组的求解,同时,采用并行缩减的方法进行单值的求解,实现了整个计算过程的细粒度并行。考虑到GPU并行计算系统的特点,采用由CPU进行主控,由GPU进行数值求解的程序架构,并以统一计算架构(Compute unified device architecture,CUDA)作为GPU编程环境,编制相应的程序。通过算例表明,与传统CPU串行计算方法相比,在计算精度一致的情况下,当计算模型单元数超过20 000个时,基于GPU的并行计算方法可以获得35倍以上的计算加速比,显著减少板料成形仿真的计算时间。     

刚塑性成形模拟中有限元和无网格迦辽金法的自动耦合算法

利用有限元法分析金属的刚塑性问题时,在变形的高梯度区域单元容易严重畸变,这极大地降低了分析精度.在刚塑性有限元方法的框架中,文中根据计算增量步的网格质量,提出金属刚塑性有限元和无网格迦辽金法的自动耦合算法,在单元严重畸变的区域转换为无网格迦辽金法进行计算.数值实例表明:算法在很大程度上既保持了有限元法的计算效率,又能够...     

金属小径管损伤电磁超声导波检测的高效混合仿真方法及导波换能器可行性研究

金属小径管广泛应用于航空航天、化工等工程领域关键结构中,对其进行定期无损检测至关重要。作为一种先进电磁无损检测方法,电磁超声导波检测在金属小径管损伤定量评估中具有优势。目前,金属管道缺陷电磁超声导波检测的仿真主要采用有限元等数值模拟方法,涉及电磁场和结构场计算。然而,电磁超声导波检测通常采用激励电流的频率为几百千赫兹,在管道中激发的涡流趋肤深度极小,导致仿真需大量网格进行求解域剖分以确保仿真精度,检测信号计算时间较长。鉴于此,提出一种集成解析法和有限元法的金属小径管缺陷电磁超声导波检测混合仿真方法,采用解析法求解电磁场相关场量,将所求洛伦兹力导入有限元仿真中求解结构场,实现电磁场量和结构场量的快速计算,高效求取检测信号,对金属小径管缺陷定位时,精度高达约98%。在通过全有限元仿真验证所提混合仿真方法正确性的基础上,结合系列仿真和试验研究,对所提导波换能器激发的超声导波模态进行了识别,对该换能器在金属小径管损伤检测和定位方面进行了可行性验证。     

光滑有限元方法研究进展

光滑有限元法作为一种新型数值方法,由于其良好的性能,受到了国内外学者的广泛关注与研究,但对其梳理总结的较少。文章对光滑有限元方法的类型进行了介绍、归纳,总结了光滑有限元法在各个方面应用的研究现状,并对光滑有限元方法的难点与发展趋势进行了展望:为后续光滑有限元研究工作的推进提供参考。     

拓扑结构中边缘棋盘格式的光滑处理方法

拓扑优化是现代结构优化中不可缺少的一个重要环节.但由于用有限元法进行拓扑优化所得的梁结构往往具有棋盘格式,使其具有边缘不均匀、不光滑且非线性等缺点.针对这一问题,在这里提出了一种拓扑结构优化及梁结构棋盘格式边缘光滑处理的方法:首先利用ANSYS对平面板模型进行拓扑结构优化,得到具有棋盘格式梁结构的拓扑优化结果;然后利用最小二乘法建立边缘线性方程组以对拓扑优化结果进行光滑处理;最后通过光滑处理结果重构拓扑结构模型,并对其进行网格划分和有限元数值计算分析.分析结果表明,通过这种方法可以在原拓扑优化结果的基础上得到新的、有效可行的光滑拓扑结构,这为拓扑优化结构棋盘格式提供了一种简便且易于操作的光滑处理方法.     

NUMERICAL SIMULATION ON ALUMINIUM SHEET ROLLING

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＯＮＡＬＵＭＩＮＩＵＭＳＨＥＥＴＲＯＬＬＩＮＧＤｕＦｅｎｇｓｈａｎ；ＬｉｕＣａｉ；ＬｉａｎｊｉａｃｈｕａｎｇＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｌｕｍｉｎｉｕｍｓｈｅｅｔｒｏｌｌｉｎｇｉｓ...     

变传动比齿条共轭曲面的数值计算方法

提出了一种不使用啮合方程求解与齿轮啮合的齿条共轭齿面的数值计算方法,只要确定了齿轮参数与具体的运动要求,就可以由该方法直接计算出离散化齿条共轭曲面,在剖分点上的共轭曲面计算没有原理误差,精度取决于计算方法。为了提高共轭曲面的计算精度,可以设置更高的剖分精度。给出了变传动比齿条的共轭曲面数值计算具体实现方法和具体算例。分析表明该方法简洁明了,易于实现,尤其适合于求解变传动比共轭曲面。     

软垫包装系统的数值模拟研究

建立基于产品软垫包装系统通用模式的力学模型，研究运输过程中包装系统的数值模拟方法和软垫材料的合理设计问题。将复杂运输环境简化为自由落体运动的冲击，通过对系统振动方程的分析，在Matlab软件平台上进行系统数值模拟实验，建立系统关键元件损伤准则，选取软垫材料的刚度参数特性作为设计变量，优选软垫材料，最后给出软垫材料的等效刚度与产品的最大挠度关系曲线，得到特定的产品包装软垫材料刚度取值的合理范围。本文的力学模型和模拟方法有效、可行，其成果对产品科学、合理包装有理论与应用指导作用。     

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL RESEARCH ON BULLDOZER WORKING PROCESS

A simulative analysis coupled with experiment on behaviors of a soil bed cut by a model bulldozer blade is carried out using the finite element/distinct element method(FE/DEM) facility built in the ELFEN package. Before simulation,the soil specimens are examined through uniaxial tensile/compression,triaxial compression and direct shear tests to obtain model characteristics and relevant parameters,then soil cutting experiments are carried out via a mini-soil bin system with a soil bed of 60/120 mm in width and 10 mm in depth cut by a 1/9 scale model bulldozer blade moving with the velocity of 10 mm/s. The soil constitutive model includes the tensile elastic model for tensile breakage and the compressive elastoplastic relationship with Mohr-Coulomb criterion. The cutting length in simulation is set as 1/4 of that in the experiment divided into 1 869 triangular elements. The comparison between the simulated results and experimental ones shows that the used model is capable of analyzing soil dynamic behaviors qualitatively,and the predicted fracturing profiles in general conform to the experiment. Hence the feasibility for analyzing soil fracturing behaviors in tillage or other similar processes is validated.     

射流流量计的仿真与试验研究

以流场仿真为基础,设计射流流量计内部流道结构,研究射流流量计内部流场的速度分布和压力分布,并研究射流附壁诱发流体交替振荡的机理,提出主射流的偏转过程实际上是两个共同作用于主射流的涡流强弱交替的过程。在此基础上,以仿真模型优化射流流量计,通过试验验证射流振荡的效果以及管道流速与流体振动频率之间的特性关系。并设计出计量范围0．55～6．50 m／s(气体介质)、精度等级高于2级的射流传感器,为射流流量计的结构改进和优化设计提供了有效的途径。     

压力管道在线焊接的数值模拟

运用有限元法对压力管道在线焊接的温度场和应力场进行数值模拟,考虑随温度变化的材料性能以及对流辐射的影响,计算结果与无管内介质流动的情形进行比较.结果表明,管内流动的介质带走了焊接时的大量热量,加速管壁的冷却,管内壁的峰值温度远低于无介质流动时;介质压力对完全冷却后的轴向应力产生较大影响.     

NUMERICAL SIMULATION OF SOUND RADIATION ON GEARBOX''S HOUSING

The fluid-structure coupling finite element model and the boundary element model of a complex gearbox＇s housing are built based on the theory of fluid-structure coupling finite element method and boundary element method. At the same time, the exciting forces of the housing are analyzed and applied to the finite element models. Firstly, vibration of the housing is calculated by the fluid-structure coupling finite element model; secondly, the calculated result is verified by the experiment; finally, sound radiation of the housing is calculated by the boundary element. According to the calculated results, the housing adds some ribs not only to increase the strength, but also to reduce the sound radiation of the housing. At last, the sound radiation of the modified housing is calculated, which shows that the sound radiation of the modified housing with ribs is lower.     

陶瓷产品烧结的数值模拟

应用多孔体可压缩型刚塑性有限元法建立了陶瓷烧结仿真的数学模型。在此模型中导入了收缩驱动力的概念,并自行开发编制了陶瓷产品烧结数值模拟程序。仿真结果与试验进行了比较,一致性较好。在应用实例中预测了形状复杂产品烧结后的外形和内部相对密度分布,分析了其变形原因。该项研究成果有助于陶瓷产品烧结体的质量控制、降低产品制造费用。     

基于ABAQUS的单点增量成形的数值分析

单点增量成形是一种新型的无切削无模具板料成形的方法,工业生产中可以缩短产品周期,节约生产成本,有着一般成形方法所不具有的优势。本文运用有限元软件Abaqus分析其主要工艺参数:工具头直径d、层间距ΔZ、板料厚度(sheet thickness)sth对单点增量成形的影响,并通过模拟仿真对增量成形反应板料厚度变化规律的正弦定律进行验证,同时分析正弦定律得出板料厚度的分布大于数值仿真的原因。根据数值仿真中板料厚度的分布提出对成形件的分区,同时分析出其应用。     

分布式网络化焊接数值模拟系统的研究

根据焊接数值模拟的特点及企业进行数值模拟的困难性,提出了分布式网络化焊接数值模拟的基本思路,并建立了系统基本构架,介绍了系统功能。对实际焊接过程进行了数值模拟,结果表明,采用分布式网络化焊接数值模拟系统,用户不需熟练掌握专门技术便可进行焊接数值模拟,可有效减小数值模拟的工作量,提高生产效率,降低焊接结构的制造成本,提高企业对市场的响应速度和竞争能力。