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相似文献
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1.
朱强华  杨恺  梁钰  高效伟 《力学学报》2020,52(1):124-138
提出了一种基于特征正交分解(POD)和有限元法的瞬态非线性热传导问题的模型降阶快速分析方法, 建立了导热系数随温度变化的一类瞬态非线性热传导问题有限元格式的POD降阶模型. 在隐式时间推进方法的基础上有效结合单元预转换方法和多级线性化方法发展了一种加速求解瞬态非线性热传导降阶模型的新型计算方法,并通过二维和三维算例验证了该方法的准确性和高效性. 研究结果表明: (1)降阶模型解的均方根误差在经过初始时段轻微的脉动后稳定于0.01%以下, 而其计算效率比有限元全阶模型提高2$\sim $3个数量级, 并且自由度数量(DOFs)愈大提高的幅度也愈加显著; (2)新型算法解决了常规算法在计算非线性降阶模型时加速性能差的问题, 即使是在DOFs比较小的时候也能够明显提高计算效率; (3)常数边界条件下得到的POD模态可以用来建立相同求解域在各种复杂时变边界条件下的瞬态非线性热传导降阶模型, 并对其传热过程和温度场进行快速准确的分析与预测, 具有很好的工程应用价值.   相似文献   

2.
共轭梯度法求解非线性多宗量稳态传热反问题   总被引:3,自引:0,他引:3  
应用共轭梯度法求解非线性多宗量稳态热传导反问题。采用八节点的等参单元在空间上进行离散,建立了便于敏度分析的非线性正演和反演的有限元模型,可直接求导进行敏度分析。给出了相关的数值验证,对测量误差及测点数目的影响作了初步探讨,结果表明,采用的算法能够对非线性稳态热传导中导热系数和边界条件联合反问题进行有效的求解,并具有较高精度。  相似文献   

3.
An integrated fluid-thermal-structural analysis approach is presented. In this approach, the heat conduction in a solid is coupled with the heat convection in the viscous flow of the fluid resulting in the thermal stress in the solid. The fractional four-step finite element method and the streamline upwind Petrov-Galerkin (SUPG) method are used to analyze the viscous thermal flow in the fluid. Analyses of the heat transfer and the thermal stress in the solid are performed by the Galerkin method. The second-order semiimplicit Crank-Nicolson scheme is used for the time integration. The resulting nonlinear equations are linearized to improve the computational efficiency. The integrated analysis method uses a three-node triangular element with equal-order interpolation functions for the fluid velocity components, the pressure, the temperature, and the solid displacements to simplify the overall finite element formulation. The main advantage of the present method is to consistently couple the heat transfer along the fluid-solid interface. Results of several tested problems show effiectiveness of the present finite element method, which provides insight into the integrated fluid-thermal-structural interaction phenomena.  相似文献   

4.
季奕  邢誉峰 《力学学报》2021,53(7):1951-1961
瞬态热传导问题普遍存在于航空航天、土木和冶金等领域中, 对这类问题精确、高效的数值求解方法一直备受关注. 为此, 本文提出了一种无条件稳定的单步时间积分方法. 在所提出的方法中, 拉格朗日插值函数被用来近似真实的温度场及其一次导数场, 之后, 加权残量法被用来建立二者之间的关系. 通过对算法参数的巧妙设计, 本文提出的方法具有二阶精度和L型数值耗散, 其中, L型耗散使得本文方法能够快速过滤掉虚假的高频振荡. 多数现有时间积分方法仅对线性系统具有无条件稳定性, 对非线性系统则是条件稳定的. 为此, 本文改进了Hughes针对一阶非线性热传导问题提出的时间积分方法稳定性评估理论, 并将改进的理论用于方法的参数设计中. 理论分析的结果表明本文方法对线性和非线性热传导系统均是无条件稳定的. 即使对于著名的Crank-Nicolson方法失稳的非线性热传导问题, 本文方法仍能给出稳定且精确的预测. 数值测试结果显示, 所提出的方法相较于当前流行的方法具有明显的精度、耗散和稳定性优势.   相似文献   

5.
This paper presents a combined finite element method for solving conjugate heat transfer problems where heat conduction in a solid is coupled with heat convection in viscous fluid flow. The streamline upwind finite element method is used for the analysis of thermal viscous flow in the fluid region, whereas the analysis of heat conduction in solid region is performed by the Galerkin method. The method uses the three-node triangular element with equal-order interpolation functions for all the variables of the velocity components, the pressure and the temperature. The main advantage of the proposed method is to consistently couple heat transfer along the fluid-solid interface. Three test cases, i.e. conjugate Couette flow problem in parallel plate channel, counter-flow in heat exchanger, and conjugate natural convection in a square cavity with a conducting wall, are selected to evaluate the efficiency of the present method. The English text was polished byYunming Chen.  相似文献   

6.
引入Bregman距离加权函数,建立了多宗量瞬态热传导反演的一种求解模式.时域上采用精细算法,分别建立了便于敏度分析的有限元正/反演模型,应用同伦算法进行反问题求解,对导热系数和边界条件等宗量进行有效的组合识别.对信息误差和计算效率作了探讨,并给出了相应的数值验证.  相似文献   

7.
热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值.本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题.在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形...  相似文献   

8.
引入Bregman距离构造同伦函数,建立了二阶非定常多宗量热传导反问题的一种求解模式,可对导热系数和边界条件等宗量进行识别。时域上采用精细算法,建立了便于敏度分析的有限元正/反演模型,对各宗量进行有效的组合识别。对信息测量误差和初值选取作了初步探讨,数值验证取得了满意的结果。  相似文献   

9.
一种单元谐波平衡法   总被引:1,自引:0,他引:1  
韩景龙  朱德懋 《力学学报》1999,31(6):753-760
基于有限元离散,对于工程中的非线性响应问题,提出一种单元谐波平衡法.与常规的谐波平衡法不同,本文将谐波平衡方程建立在有限元素上,从而兼顾了有限元素法和常规谐波平衡法两大优势.有限元技术的应用能使得求解问题的范围扩大到复杂工程结构,而谐波平衡概念的使用将使得含有复杂变形和复杂本构关系的动力学响应问题得到有效解决.所提方法能适用于工程结构中具有复杂非线性关系的动力学响应问题.由于谐波平衡法的实施依赖于谐波系数方程及其切线刚度矩阵的解析推导,尽管已经局限到有限元素上,但对于较为复杂一些的本构关系,推导仍非易事.为解决这些问题,放弃通常对于变形梯度和应变张量所作的向量假设,而是从连续介质力学中基本的几何关系入手,提出一种矩阵分解形式.通过利用张量的内蕴导数定义以及关于迹函数的有关性质,给出应力增量的一种新的表现形式.当它与变形梯度的矩阵分解相结合时,使得切线刚度矩阵的导出变得十分简单,而且所得计算形式也比通常紧凑和方便许多.  相似文献   

10.
The element energy projection (EEP) method for computation of super- convergent resulting in a one-dimensional finite element method (FEM) is successfully used to self-adaptive FEM analysis of various linear problems, based on which this paper presents a substantial extension of the whole set of technology to nonlinear problems. The main idea behind the technology transfer from linear analysis to nonlinear analysis is to use Newton's method to linearize nonlinear problems into a series of linear problems so that the EEP formulation and the corresponding adaptive strategy can be directly used without the need for specific super-convergence formulation for nonlinear FEM. As a re- sult, a unified and general self-adaptive algorithm for nonlinear FEM analysis is formed. The proposed algorithm is found to be able to produce satisfactory finite element results with accuracy satisfying the user-preset error tolerances by maximum norm anywhere on the mesh. Taking the nonlinear ordinary differential equation (ODE) of second-order as the model problem, this paper describes the related fundamental idea, the imple- mentation strategy, and the computational algorithm. Representative numerical exam- ples are given to show the efficiency, stability, versatility, and reliability of the proposed approach.  相似文献   

11.
二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解   总被引:1,自引:0,他引:1  
薛齐文  杨海天 《力学学报》2007,39(6):774-780
引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项,应用Tikhonov正则 化方法,对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数,将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散, 时域上采用时域精细算法进行离散,建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响,而且也便于正反演问题的敏度分析, 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证,对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明,该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解,并具有较高的计算精度.  相似文献   

12.
In this article, a Newton iterative mixed finite element method is presented for solving the stationary conduction–convection problems in two dimensions. The stability and the errors generated by both partitioning the space and solving nonlinear equations are analysed, which show that our method is stable and has good precision. Finally, some numerical experiments are given to confirm its effect.  相似文献   

13.
建立了含高温度梯度及接触热阻的非线性热力耦合问题的谱元法格式, 考虑了温度相关的热导率、弹性模量、泊松比和热膨胀系数, 以及界面应力相关的接触热阻的影响. 谱元法的插值函数基于非等距分布的Lobatto结点集或第二类Chebyshev结点集, 兼具谱方法的高精度和有限元法的灵活性. 数值算例表明, 建立的谱元法计算格式可以高效高精度地求解域内高温度梯度以及含接触热阻的非线性热力耦合问题, 不仅收敛速度快于传统有限元法, 而且用较少的自由度和较短的计算时间即可得到比传统有限元法更高精度的计算结果, 在工程实际热力耦合问题中具有广阔的应用前景.   相似文献   

14.
带源参数的二维热传导反问题的无网格方法   总被引:1,自引:1,他引:1  
程荣军  程玉民 《力学学报》2007,39(6):843-847
利用无网格有限点法求解带源参数的二维热传导反问题,推导了相应的离散方程. 与 其它基于网格的方法相比,有限点法采用移动最小二乘法构造形函数,只需要节点信息,不 需要划分网格,用配点法离散控制方程,可以直接施加边界条件,不需要在区域内部求积分. 用有限点法求解二维热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点. 最后通过算例验证了该方法的有效性.  相似文献   

15.
郭攀  武文华  吴志刚 《计算力学学报》2013,30(4):538-542,553
在热传导分析中,当热流与温度梯度存在时间延迟时,需采用非傅立叶热传导模型进行分析。生物组织具有较强的热松弛时间系数,承受激光、微波及烧烫等作用时,其呈现出较强的非傅立叶行为。本文对脉冲热源作用下生物组织的非傅立叶热传导进行研究,针对强脉冲引起的温度场在空间域的高梯度变化、波阵面的间断行为以及通用传统时域数值方法会带来虚假数值振荡的特点,提出采用所发展的时域间断Galerkin有限元法(DG-FEM )进行求解计算。对多种脉冲热源作用下的非傅立叶热传导过程进行数值模拟,通过考量强脉冲作用下温度场分布和热致生物组织损伤行为的影响,表明了本文所发展的DGFEM 能够有效、准确地描述温度场空间分布和热传导过程以及非傅立叶行为下的生物热损伤更为明显,在生物组织热行为分析中应该受到重视。  相似文献   

16.
刘硕  方国东  王兵  付茂青  梁军 《力学学报》2018,50(2):339-348
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.   相似文献   

17.
This paper studies the influence of heat conduction in both structural and material designs in two dimensions. The former attempts to find the optimal structures with the maximum stiffness and minimum resistance to heat dissipation and the latter to tailor composite materials with effective thermal conductivity and bulk modulus attaining their upper limits like Hashin–Shtrikman and Lurie–Cherkaev bounds. In the part of structural topology optimization of this paper solid material and void are considered respectively. While in the part of material design, two-phase ill-ordered base materials (i.e. one has a higher Young’s modulus, but lower thermal conductivity while another has a lower Young’s modulus but higher conductivity) are assumed in order to observe competition in the phase distribution defined by stiffness and conduction. The effective properties are derived from the homogenization method with periodic boundary conditions within a representative element (base cell). All the issues are transformed to the minimization problems subject to volume and symmetry constraints mathematically and solved by the method of moving asymptote (MMA), which is guided by the sensitivities with respect to the design variables. To regularize the problem the SIMP model is explored with the nonlinear diffusion techniques to create edge-preserving and checkerboard-free results. The illustrative examples show how to generate Pareto fronts by means of linear weighting functions, which provide an in-depth understanding how these objectives compete in the topologies.  相似文献   

18.
We present a shape optimization method using a sampling-based RBDO method linked with a commercial finite element analysis (FEA) code ANSYS, which is applicable to residual deformation problems of the ship hull structure in welding process. The programming language ANSYS Parametric Design Language (APDL) and shell elements are used for the thermo-elasto-plastic analysis. The shape of the ship hull structure is modeled using the bicubic Ferguson patch and coordinate components of vertices, tangential vectors of boundary curves are selected as design variables. The sensitivity of probabilistic constraint is calculated from the probabilistic sensitivity analysis using the score function and Monte Carlo Simulation (MCS) on the surrogate model constructed by using the Dynamic Kriging (DKG) method. The sequential quadratic programming (SQP) algorithm is used for the optimization. In two numerical examples, the suggested optimization method is applied to practical residual deformation problems in welding ship hull structures, which proves the sampling-based RBDO can be successfully utilized for obtaining a reliable optimum design in highly nonlinear multi-physics problem of thermo-elasto-plasticity.  相似文献   

19.
《力学学报》2010,42(4):798
非线性泊松问题在热传导和多孔催化粒子的扩散反应等问题中是非常常见的,为此,利用广 义拟线性化迭代理论,提出了一种非线性泊松问题的新的数值迭代方法. 该方法将非线性方 程转化成一序列线性方程的迭代,其优点是初始值的选取具有一定的理论基础,并且在一定 的初始值条件下,迭代结果将单调地收敛于非线性问题的解. 将此迭代方法与边界元和双互 易杂交边界点方法结合,并用于非线性泊松问题的求解,比较了两种方法的结果精度,收敛 速度及不同初始值下的稳定性. 结果显示,基于拟线性化的双互易杂交边界点法具有较高的 稳定性和计算效率,并且收敛速度为平方阶.  相似文献   

20.
TEC结构的三维非线性瞬态温度场分析   总被引:15,自引:0,他引:15  
热电制冷器(TEC)以其体积小、作用速度快及无噪音等机械制冷无法替代的优点在航空航天和电子工业等领域得到了越来越广泛的应用。本文根据TEC的导热特点,推导了TEC结构稳态温度场的解析解,建立了其瞬态非线性温度场分析的微分方程。利用伽辽金法导出TEC结构热分析的有限元方程,对非线性热分析的有限元方程进行了求解,得到了TEC的稳态温度场和瞬态响应温度场。算例结果表明,本文提出的TEC结构热分析有限元模型具有较高的精度,能够有效地分析TEC的非线性瞬态温度场。  相似文献   

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