坝——水动力耦合作用分析的数学模型及其求解方法

坝－水动力耦合作用分析是现代水工抗震设计的重要课题之一。本文描述了该问题的数学模型及其求解方法，重点报告我们在这个领域应用加权残量法所获得的重要成果，研究结果表明，我们所提出的分析方法简便有效，具有较高的计算效率，值得在工程中推广应用。     

螺杆泵动力学热力耦合分析方法研究

地面驱动螺杆泵是一种广泛应用于油田采油工程中的人工举升装置。由于螺杆泵深置地下的油管中,密封性很强,很难现场测试工作过程中定子橡胶材料的温度变化以及温度变化引起的定子变形。本文采用有限元方法分析螺杆泵定子的热力耦合效应,讨论定子橡胶材料温度变化的物理机理。用热力学单向解耦分析方法分析单螺杆泵定子橡胶材料的温度分布场以及温度分布引起的定子型线变化。讨论了过盈量、转子转速对温度分布和定子型线变化的影响。     

基于热力耦合的砼衬砌渠道冻胀开裂数值模拟

在我国北方地区,衬砌渠道的冻胀破坏现象严重阻碍着渠道的正常运行,冻胀问题亟待解决。根据砼梯形衬砌渠道的受力特点,在对渠道冻胀现象进行了适当简化和合理假设的基础上,通过使用扩展有限元方法XFEM,直接建立了温度荷载和裂纹发展之间的关系,对渠道的砼衬砌结构在温度应力作用下裂纹产生的位置进行了预测,模拟了裂纹在冻胀作用下的扩展形式和破坏状态。模拟结果直观分析了梯形渠道在冻胀作用下从阴坡到底板再到阳坡依次破坏的过程,解释了不均匀冻胀会影响各部分冻胀破坏程度的原因,验证分析了渠道衬砌板的裂纹为I+Ⅱ型复合裂纹和因此产生的受力状态,从而为渠道抗冻胀设计提供了分析办法。     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

基于约束函数法的热力耦合有限元分析

分析了滑移接触条件下热力耦合现象,建立了热力耦合的有限元分析连续模型,提出了系统动力学平衡方程和热力学平衡方程。对系统中物体间的接触条件进行了分析,得到了物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件。应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组对热力耦合问题进行求解。实例表明,用约束函数法求解热力耦合问题,收敛性较好,算法稳定,计算结果能反映实际。     

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻一融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发,建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土,由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序,分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟,得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果,与前人的计算及实测结果相符合,规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量,并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

热冲击下机械结构非线性热力耦合模型的建立

在热弹性耦合理论的基础上，考虑热冲击作用下弹塑性变形功的影响，建立了非线性热力耦合有限元模型。其中包括：基于能量守恒原理建立的非线性瞬态温度场模型；考虑几何非线性及材料非线性的位移场模型；求得改进应力场的最小二乘法模型。基于FEPG软件平台进行了实例求解，计算结果表明了此耦合模型的有效性。此模型的建立，拓展了热力耦合理论的应用范围，具有较高的工程实用价值。     

切削加工过程数值模拟的研究进展

近年来,有限元方法在切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用,在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。本文介绍了国外切削加工过程有限元数值模拟的研究进展,阐述了切削过程有限元模拟的关键技术,包括切屑形成、切削加工中的热力耦合、工件与刀具接触和摩擦、切屑分离和断裂准则以及工件残余应力、残余应变的模拟等技术;最后,还对切削工艺有限元数值模拟的发展方向作了探讨。      

薄膜结构风致耦合作用数值初探

采用迭代耦合的数值方法,结合有限元离散,对典型马鞍面封闭式薄膜结构的风致耦合作用进行了模拟研究,并对结构风致振动特性以及流场对结构振动的影响进行了探讨.数值结果表明,结构的平均位移与边界条件、风荷载分布及结构的振动形式有关;而脉动位移则与风场的涡形、演化规律以及结构形式的关系明显.钝体膜结构上出现周期性脱落的漩涡.在极低的预应力条件下,由于漩涡与结构的相互作用,薄膜上的结构振动呈现"行波"效应,薄膜上各部分的振动特性有明显区别,气流分离、漩涡脱落强烈以及"行波"尾端鞭梢效应明显的区域,脉动位移幅值及其振动频率较大.     

季冻区公路路基砂类土冻胀分类研究

针对季冻区公路路基用土未按照土的分类标准进行冻胀分类的现状,本文对不同含泥量的砂类土在不同含水量、饱和度和密实度状态下进行了一系列闭式冻胀模拟试验。用数理统计方法分别研究了不同含泥量砂类土的冻胀率随含水量的变化规律,并且依据现行公路土的分类标准进行了冻胀分类,为公路勘察、设计、施工和维护提供重要的参考,并为季冻区公路设计规范的编制提供可靠的资料。     

近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.     

A mathematical programming algorithm for limit analysis

This paper deals with the limit analyses of perfect rigid-plastic continua. Based on the kinematic theorem of the limit analysis theory, a mathematical programming finite element formula for determining the upper bound load multiplier has been established, and an iteration algorithm proposed accordingly. In this algorithm the plastic and rigid zones are distinguished for every iteration step, and the goal function is modified gradually. The difficulties caused by the nonsmoothness of the goal function are overcome. Some examples solved by this algorithm are presented. The project supported by National Natural Science Foundation of China.     

Computational limit analysis of rigid-plastic bodies in plane strain

This paper deals with the computational methods for limit analysis of plane strain problems. The finite element mathematical programming formula (FE-MPF) for determining the upper bound load multiplier established by the authors earlier is adopted and modified for plane strain problems. The penalty method is used to impose the incompressibility constraint. The FE-MPF is solved by a direct iteration procedure without the need of a searching process. This algorithm is not sensitive to the volumetric locking effect. And it can be easily extended to the limit analysis of three dimensional problems. The results of numerical examples are satisfactory and show the stable convergency of the present algorithm.     

拱脚结构的模型实验与有限元分析

本文应用环氧树脂材料浇铸成某大跨度桥梁预应力拱脚模型,采用精密铸造成型方法做出模型中的四条索道孔。用自行研制的传感器施加四条模拟钢索的索力,通过专门设计的加载装置,使用精确的滑轮导向,在5个截面上分别施加剪力Q、弯矩M和轴力N,并考虑自重载荷,进行了电测模型实验。应用ANSYS软件对拱脚实际结构进行了有限元分析,根据模型实验时索与索道孔壁的接触情况建立了力的边界条件,使有限元计算与真实情况接近,计算误差大为减小。同时将实验与有限元分析结果进行了比较,变化规律一致,数值较为接近。对拱脚的优化设计提供了重要的参考依据。     

AN ALGEBRAIC STRESS FINITE ELEMENT MODEL OF TURBULENT FLOW

This paper describes a finite element numerical model for the simulation of both steady and truly transient turbulent flow in two dimensions. All elements of the model and computational approach were chosen, however, for ease of applicability in the future to fully three-dimensional flows. The turbulent mean flow is described by the Reynolds- averaged Navier–Stokes equations. The well-known two-equation K–ε model is the base for the representation of turbulence quantities. From three candidate algebraic stress models, Rodi's model was chosen for implementation after preliminary tests on turbulent channel flow. The scheme was then tested at length on flow past a backward-facing step and flow past a box. Comparisons were made with the computed and experimental results of other investigators. For the backward-facing step problem the model appears to equal or improve upon the accuracy of prediction s of earlier finite element codes. The frequency of vortex shedding from the corners of the box in terms of the Strouhal number is predicted well. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

土体固结分析的一种有效算法

对土体固结分析,提出一种有效算法,避免了文[1]求解的迭代过程。文末附有算例。