基于ALE方法的3D充填流动模拟

基于任意拉格朗日-欧拉方法发展了三维充填流动的数值模拟方案.该方案采用ALE方法准确地追踪移动自由面的位置并避免了网格扭曲;基于移动最小二乘曲面拟合方法提出了移动自由面上网格节点重定位方法,将充填流动的网格更新过程简化为自由面附近的局部网格重划分过程,并通过分级多面体三角剖分实现,减小了网格划分的计算量,实现了实时网格生成.给出的数值算例结果表明了该数值模型对三维充填流动模拟的有效性.     

用于ALE有限元模拟的网格更新方法

任意拉格朗日欧拉法(ALE)可以通过定义参考网格的运动,实现自由液面跟踪,完成液体晃动的数值计算. 综合用于更新网格节点的3种基本计算方法,将多方向更新网格速度的技术应用于任意拉格朗日欧拉网格节点的速度计算. 给出了水平圆柱形贮箱和椭圆形贮箱内液体晃动算例,实现了多方向更新网格运动与晃动流场计算的耦合,使ALE方法能胜任复杂几何边界下的自由液面流动的数值模拟.      

ALE有限元方法研究及应用

将ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述引入到有限元方法中, 从而使有限元方法在解决大范围自由移动边界问题,特别是液体大幅晃动、流－固耦合、加工成型、接触、大变形等问题时获得极大成功。本文综述了ALE有限元方法的研究现状以及在不同领域的应用,并对 今后的研究及应用做了展望。     

基于ALE描述的压缩流动三维粘弹性数值模拟

塑料熔体压缩流动中在主流动平面及厚度方向均有速度变化,结合了剪切和拉伸两种流动特征。为了准确描述和模拟塑料熔体的压缩流动,本文基于粘弹性及ALE原理建立了熔体三维流动理论模型,构造了有限元求解的变分方程。为了避免整体求解计算量大、稳定性差的缺陷,提出了两重迭代解耦合算法分别求解耦合的连续方程、动量方程、本构方程、能量方程,开发了模拟程序。开展了等厚度板及变厚度板的注压成型实验及相应的数值模拟,结果表明：压缩过程中出现压力变化小于4.57%的平台现象;温度呈指数规律下降;塑料入口、流动末端第一法向应力差比平均值分别高1.73MPa、0.87MPa,变厚度区域第一法向应力差比平均值高1.16MPa。本文提出的理论模型和数值算法能够较好地表征压缩过程中熔体的压力、温度变化、应力演化。     

非对称边界的注塑模充填模拟

研究了注塑充填阶段非对称模温的影响,在整个型腔厚度上分析型腔内的流动,利用混合有限元／有限差分法求解方程,并采用控制体积法跟踪熔体前沿。     

塑料注射成型保压过程的数值模拟

保压过程是塑料注射成开型一个重要阶段，它直接关系到最终制件的内部结构、尺寸稳定性和变形等，本文在对塑料注射成型保压过程进行深入分析的基础上，基于合理的假设和选用恰当的材料模型，导出了保压过程可压缩、非牛顿粘性流体在模具型腔中非等温流动的控制方程，采用有限元/有限差分混合法实现了对保压过程的模拟，并通过算例讨论了保压压力、浇口凝固时间、锁模力等工程关心的实际问题。     

用代数应力模型模化型腔充填过程中的紊流流动

针对型腔充填过程中的紊流流动,用代数应力模型研究紊流流动现象．成功地将代数应力模型引入ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件中,完成了恒温流体充填过程三维时均速度和自由表面的计算模拟．与实验结果相比说明,本文基于ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件开发的充填模拟具备了对复杂型腔充填过程的数值计算．     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

注塑成型充模过程的温度场计算

对注塑成型过程中充填阶段的非等温效应的数值模拟进行了研究 ,模拟了非牛顿流体在任意形状型腔内的流动。这里 ,数学模型是基于非牛顿流体在非等温状态下的广义 Hele-Shaw流动 ,利用有限元 /有限差分混合数值方法求解流场中的压力和温度分布     

基于ALE方法的飞机水面降落过程

为了研究飞机水面降落过程中的动态响应规律,采用arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)方法开展了飞机水面降落的动力学分析。研究了飞机水面降落过程的速度变化规律,结果表明,降落速度和飞行速度在飞机入水的初始阶段变化较快,随后变化幅度趋于平缓。分析了不同降落速度、飞行速度和降落仰角下的机身结构响应,得到了飞机水面降落时结构响应随时间的变化规律。机身结构应力在入水的初始阶段达到最大值,随后迅速下降,最后保持稳定。飞机结构的最大变形也出现在入水的初始阶段,随后迅速回复到初始状态。对比了降落速度、飞行速度和降落仰角对飞机结构响应的影响程度,结果表明降落速度对结构响应的影响程度最大,降落仰角次之,飞行速度的影响最小。 更多还原     

基于全矢量显式算法注射填充软件的研究与开发

基于前人模拟注射填充的显式算法,提出了一种新的全矢量化运算显式算法。对于各类注射填充的模拟,此算法避免了压力场的全局求解,矩阵操作仅在单元一级进行,通过反馈修正,在各时间增量步使已填充的区域满足不可压缩条件。由于避免了所有的全局耦合求解,计算代价与节点的自由度近似成正比,可实现填充模拟过程的高效运算。由于矢量化算法是完全脱耦的,容易实现并行计算。基于这种新算法,应用有限元法进行了注射填充仿真软件的初步开发。其填充模拟结果与商业软件MOLDFLOW的三维模拟结果比较,证实了该软件的有效性。     

注塑模充模过程动态分析

注塑成型是利用型腔模制造理想制品主要的成型加工方式 ,塑料熔体的流动行为将直接影响着最终塑件的质量 ,塑料熔体在三维薄壁型腔内的流动属于带有运动边界的粘性不可压缩流体的流动 ,本文针对塑料注塑成型特点 ,经过量纲分析和引入合理而必要的假设 ,得到了适合于充模分析的数学模型。控制方程的求解主要包括三个阶段 :压力场、温度场和流动前沿位置的确定。数值求解采用有限元法求解压力场、有限差分法求解温度场、并利用控制体积法跟踪熔体前沿 ,实现了充模过程的动态模拟     

孔型立轧过程的三维刚塑性有限元分析

采用三维刚塑性有限元法对２Ｓ－Ａｌ板孔型立轧稳态过程进行了分析和比较,所得轧件断面形状,轧制力及轧制力矩与文献「１」的实验结果吻合很好,计算精度有所提高。     

粘塑性材料成形过程的有限元分析

为了确定大型铝机轮等温锻造的变形力及揭示轮缘处形成折叠的原因,本文用刚一粘塑性有限元法对模拟件的成形过程进行了全面数值模拟。模拟计算和实验结果表明,有限元确定的等温锻造过程的变形力,可作为选择设备吨位的依据,根据刚-粘塑性有限元法所预测的金属流动规律,发现零件的形状很大程度上决定了轮缘处容易形成折叠。适当改进模具结构和改善润滑条件,有助于避免折叠缺陷的产生。     

Mesh regularization for an ALE code based on the limitation of the Lagrangian mesh velocity

The Lagrangian approach is usually used for the simulation of flow with strong shock waves. Moreover, this approach is particularly well suited to treatment of material interfaces in the case of multimaterial flows.Unfortunately, this formulation leads to very large deformations in the mesh. The arbitrary Lagrangian‐Eulerian method overcomes this drawback by using a mesh regularization that is based on an analysis of cell geometry. The regularization step may be considered as a method used to correct the nonconvex and potentially tangled cells that constitute the mesh. In this paper, we present a new approach to mesh regularization. Instead of using a purely geometric criterion, we propose that the mesh evolution is computed on the basis of the flow vorticity. This approach is called the large Eddy limitation method, and it is aimed here to be used in finite volume direct arbitrary Lagrangian‐Eulerian methods. The large Eddy limitation method is general, which means that it is not restricted to applications in the finite volume framework dedicated to fluid flow simulation; for instance, it could also be naturally applied to the finite element framework.     

模糊桁架结构有限元分析的随机因子法

研究模糊桁架结构在模糊力作用下的有限元分析方法。考虑桁架结构材料物理参数、几何尺寸和外荷载同时为模糊变量，利用信息熵将模糊变量转变为随机变量。基于随机因子法，利用代数综合法推导出结构位移和应力响应的均值、方差的计算表达式。通过算例，分析了结构物理参数、几何尺寸和外荷载的模糊性对结构位移和应力响应的影响，并验证了本文模型和方法的合理性与可行性。本方法的优点是能够反映结构某一参数的模糊型对结构响应的影响。     

Finite element analysis of flow and heat transfer with moving free surface using fixed grid system

A numerical study was performed on flow and heat transfer involving moving free surfaces that occurs in mold filling processes such as casting and injection molding. In these problems, the calculation domain changes continuously and the numerical treatment of the moving interface tends to cause artificial diffusion. Among the solution algorithms based on the Eulerian method, the volume-of-fluid (VOF) method was used because the method is simple and efficient in handling the complex flow patterns inside the cavity. To solve the transport equation of free surface without artificial smearing of the interface the baby-cell method was employed in the geometric reconstruction of the free surface. Furthermore, a predictor–corrector method was adopted in the time integration of volume-of-fluid (VOF) transport equation to increase the accuracy. The proposed scheme was verified through several benchmark problems. In order to show the capability of the proposed method, several three-dimensional mold filling processes were solved. The current algorithm was applied to the floating body problem. Three-dimensional floating body problems were tested.     

计算叶片力学特性的三维8节点非协调有限单元法

针对叶片结构几何形状复杂的特点，建立了能进行叶片力学特性分析的三维8节点非协调有限单元模型。该模型采用了几何非线性和线弹性模式，来考虑叶片径向刚度远大于弯曲刚度而引起的在不同转速下初应力对叶片的作用，能够正确反映叶片的弯曲和扭转耦合振动模态、叶片组的切向和轴向振动模态以及它的应力状态。根据质量等效和力等效的原理，导出了在非协调单元中计算单元变形能时，记入附加的内部自由度，而计算单元的动能、体积力、表面力、以及阻尼力所做的虚功时，不记入附加的内部自由度，这是不同于目前一些文献中的提法。最后，通过实例计算验证了该模型的正确性。     

CFD/CSD耦合计算研究

基于流体——结构干扰计算中流体和结构网格之间的数据交换方法的研究，提出了一种改进的常体积转换法(CVT)，即引入面积限制值来保证网格插值的质量。运用该方法对两种常规外形：机翼和弹体圆柱段进行了插值计算，并与无限平板样条法(IPS)进行了比较和误差评估。认为改进的CVT插值方法能避免原CVT方法可能出现的异常情况，且大大提高了插值精度，是一种适合用于CFD／CSD耦合计算接口界面的插值方法。     

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数Williams单元

本文采用圆形奇异区广义参数Williams单元（W单元）建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性．算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较．结果表明：靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小．同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度．