基于Python-Abaqus的自适应网格重划分算法实现及其应用

在有限元分析中,当选取了合适单元类型后,若采用的网格尺寸太大则达不到计算精度要求,尺寸太小则往往需要非常庞大的单元数而导致求解自由度的迅速增长,利用自适应网格可以减轻计算精度与计算量的矛盾。本文采用基于后验误差估计的自适应网格重划算法,并结合Abaqus二次开发,编写了相应的自适应有限元Python脚本,从数值上分析了误差控制标准对计算结果的影响,实现了自适应求解全过程。通过Python脚本应用于几类典型问题的有限元分析,数值验证了基于Abaqus网格重划技术的自适应方法对求解应力集中问题的有效性。Python二次开发自适应计算与模拟,可绕过Abaqus/CAE的图形用户界面(GUI)直接对Abaqus内核进行操作,实现从几何建模、网格剖分到自适应求解的自动化处理,进而可方便多次修改模型和参数,提高建模效率。     

一种新的并行自适应网格有限元算法

给出了一种新的适用于流体力学问题的并行自适应有限元算法。首先，基于初始稀网格上获得的事后误差估算值，应用反复谱对剖分方法对初网格进行划分，使各子域上总体误差近似相等，从而解决并行自适应计算中的负载平衡问题。然后在各处理器上独立地求解整体问题，并进行指定子域上的网格自适应处理。最后将各子域上的自适应网格组合成一个整体网格，应用基于粘接元技术的区域分裂法在该网格上获得最终解。文末给出了数值实验结果。     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

非均质材料等效瞬态热传导时域分析

基于时域自适应算法,结合均匀化技术和有限元方法,从而提出一种瞬态温度场求解模型,用来预测非均质材料等效性能并评估宏观温度场的等效行为.在整个计算中,通过自适应算法保证计算精度和稳定性,避免时间段尺寸变化可能引起的计算误差.在数值算例中,等效分析的结果与利用ANSYS求解的非均质有限元解比较,从计算效率和计算精度综合效果而言,结果是令人满意的.     

基于多参数自适应VMD的GNSS形变监测序列分解

针对结构健康监测场景下,全球导航卫星系统（GNSS）形变监测序列中各类特征相互混叠,难以进行特征提取与独立分析的问题,提出一种基于多参数自适应变分模态分解（MA-VMD）的时间序列分解算法。首先对变分模态分解（VMD）算法中多项参数对分解结果的影响进行了综合分析;然后从原始序列以及分解结果的频域特性出发,自适应调整分解模态数、惩罚因子、初始中心频率及拉格朗日乘子四组参数,建立MA-VMD算法。仿真序列实验表明,MA-VMD算法的序列分解结果与真实值之间的互相关系数为98.77%、均方根误差为0.1365 mm,均接近全局最优,并显著优于经验模态分解、奇异谱分析、改进变分模态分解等算法。最后基于实测GNSS变形监测数据验证了所提算法在工程应用上的有效性。     

基于物理信息神经网络的薄壁结构屈曲分析

基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法.薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组,使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性.文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数,并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性.将弧长法,硬边界条件,基于预训练的权重调整策略,以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题.文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解,并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比.结果分析表明,物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析,并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率.该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢,但不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.     

半球谐振子装配倾角误差对频率裂解的影响分析

精密的装配工艺是保证半球谐振陀螺仪高精度性能的关键技术,研究装配误差对陀螺性能的影响可以为完善和优化工艺参数提供理论指导和依据。围绕装配过程中产生的偏心、倾斜误差对谐振子频率裂解的影响开展研究,建立了倾斜装配误差对谐振子频率裂解的影响数学模型。首先将谐振子唇沿与极板作为等效电容,建立装配倾角误差与等效电容之间的关系模型;然后基于等效电容两端电压与半球谐振子的静电力之间的数学模型,分析静电力不均匀对谐振子刚度的影响;最后建立数学模型分析了刚度扰动对频率裂解的影响。研究结果表明,对于直径30 mm的熔融石英半球谐振子,与基座的装配倾角误差为1角分时,由倾角误差引入的频率裂解为10-4 Hz量级。关于倾角误差对谐振子频率裂解的影响分析,为高精度半球谐振陀螺的精密装配工艺以及工艺参数配置奠定理论分析基础。     

等效刚度法在音叉式陀螺仪谐振频率计算中的应用

运用刚度等效理论,推导出了音叉式陀螺仪敏感模态谐振频率的计算公式,并借助有限元分析软件验证该公式的正确性,最后分析了几何参数对谐振频率的影响。     

基于自适应参数估计的三轴磁传感器实时校正方法

针对传统基于椭球模型三轴磁传感器无法实时校正的问题,设计了基于自适应参数估计的三轴磁传感器实时校正方法,通过对参数的实时估计与处理,实现了三轴磁传感器误差的校正。首先,对三轴磁传感器全误差模型进行分析与处理,建立了基于模值的参数估计方程;其次,详细分析了参数模型的噪声特性,针对非高斯状态相关噪声,提出了采用自适应参数估计方法;最后,设计仿真与实验分析,完成三轴磁传感器误差校正。实验结果表明,所提出的算法可以实现误差参数的实时校正,提升了磁传感器误差校正的自主性。同时,基于自适应参数估计方法,使得校正结果模值标准差相较于传统方法减小了3倍。     

振动台虚拟试验的建模和仿真研究

本文阐述了电磁振动台虚拟试验仿真的必要性.借助 MSC.Patran/MSC.Nanstran,建立了电磁振动台的有限元分析模型,详细阐述了建模方法.在空载工作状态下,进行了电磁振动台的模态试验,利用试验结果对有限元模型进行了频率、振型修正.最后对电磁振动台分析模型进行频率响应分析,确定振动台的阻尼及主要特性参数.结果表明,仿真模型计算结果和试验结果一致,材料参数能够反映真实的材料特性,各项特性参数也满足国标要求.说明本文建立的振动台分析仿真模型是合理可靠的,可用于振动台虚拟试验.     

一类面向高阶精度自适应流动计算的流场插值方法

网格自适应技术和高阶精度数值方法是提升计算流体力学复杂问题适应能力的有效技术途径. 将这两项技术结合需要解决一系列技术难题, 其中之一是高阶精度流场插值. 针对高阶精度自适应流动计算, 提出一类高精度流场插值方法, 实现将前一迭代步网格中流场数值解插值到当前迭代步网格中, 以延续前一迭代步中的计算状态. 为实现流场插值过程中物理量守恒, 该方法先计算新旧网格的重叠区域, 然后将物理量从重叠区域的旧网格中转移到新网格中. 为满足高阶精度要求, 先采用k-exact最小二乘方法对旧网格上的数值解进行重构, 获得描述物理量分布的高阶多项式, 随后采用高阶精度高斯数值积分实现物理量精确地转移到新网格单元上. 最后, 通过一个具有精确解的数值算例和一个高阶精度自适应流动计算算例验证了本文算法的有效性. 第一个算例结果表明当网格规模固定不变时, 插值精度阶数越高, 插值误差越小; 第二个算例显示本文方法可以有效缩短高精度自适应流动计算的迭代收敛时间.      

Nonlinear integral resonant controller for vibration reduction in nonlinear systems

A new nonlinear integral resonant controller (NIRC) is introduced in this paper to suppress vibration in nonlinear oscillatory smart structures. The NIRC consists of a first-order resonant integrator that provides additional damping in a closed-loop system response to reduce high-amplitude nonlinear vibration around the fundamental reso-nance frequency. The method of multiple scales is used to obtain an approximate solution for the closed-loop system. Then closed-loop system stability is investigated using the resulting modulation equation. Finally, the effects of different control system parameters are illustrated and an approximate solution response is verified via numerical simulation results. The advantages and disadvantages of the proposed controller are presented and extensively discussed in the results. The controlled system via the NIRC shows no high-amplitude peaks in the neighboring frequencies of the resonant mode, unlike conventional second-order compensation methods. This makes the NIRC controlled system robust to excitation frequency variations.     

低频振动隔离和能量采集双功能超材料

振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.      

Efficient computation of mean drag for the subcritical flow past a circular cylinder using general Galerkin G2

General Galerkin (G2) is a new computational method for turbulent flow, where a stabilized Galerkin finite element method is used to compute approximate weak solutions to the Navier–Stokes equations directly, without any filtering of the equations as in a standard approach to turbulence simulation, such as large eddy simulation, and thus no Reynolds stresses are introduced, which need modelling. In this paper, G2 is used to compute the drag coefficient c_D for the flow past a circular cylinder at Reynolds number Re=3900, for which the flow is turbulent. It is found that it is possible to approximate c_D to an accuracy of a few percent, corresponding to the accuracy in experimental results for this problem, using less than 10⁵ mesh points, which makes the simulations possible using a standard PC. The mesh is adaptively refined until a stopping criterion is reached with respect to the error in a chosen output of interest, which in this paper is c_D. Both the stopping criterion and the mesh‐refinement strategy are based on a posteriori error estimates, in the form of a space–time integral of residuals times derivatives of the solution of a dual problem, linearized at the approximate solution, and with data coupling to the output of interest. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

求解弱不连续问题的p型自适应有限元方法

在实际工程计算中,存在大量的弱不连续问题,如含夹杂问题。利用通常的有限元方法,为确保界面上各点满足给定高精度,往往需要采用全域网格加密或全域提高单元阶次的方法,这将会导致计算机的物理内存和CPU时间的剧烈增长。p-型自适应有限元方法是一种能通过自适应分析逐步增加单元阶次以改善计算精度的数值方法。本文,我们针对弱不连续问题设计了相应的p-型自适应有限元方法,重点讨论了容许误差控制标准对界面上各点计算结果的影响,并对几类典型的弱不连续问题进行了数值计算与模拟。数值结果表明,本文设计的p-型自适应有限元方法对求解弱不连续问题是非常有效的,用较少的单元得到精度可靠的数值结果,可大大提高其有限元分析效率。     

An immersed boundary solver for inviscid compressible flows

In this paper, a simple and efficient immersed boundary (IB) method is developed for the numerical simulation of inviscid compressible Euler equations. We propose a method based on coordinate transformation to calculate the unknowns of ghost points. In the present study, the body‐grid intercept points are used to build a complete bilinear (2‐D)/trilinear (3‐D) interpolation. A third‐order weighted essentially nonoscillation scheme with a new reference smoothness indicator is proposed to improve the accuracy at the extrema and discontinuity region. The dynamic blocked structured adaptive mesh is used to enhance the computational efficiency. The parallel computation with loading balance is applied to save the computational cost for 3‐D problems. Numerical tests show that the present method has second‐order overall spatial accuracy. The double Mach reflection test indicates that the present IB method gives almost identical solution as that of the boundary‐fitted method. The accuracy of the solver is further validated by subsonic and transonic flow past NACA2012 airfoil. Finally, the present IB method with adaptive mesh is validated by simulation of transonic flow past 3‐D ONERA M6 Wing. Global agreement with experimental and other numerical results are obtained.     

考虑超材料胞元间电磁耦合影响的五层模型

研究了胞元间电磁耦合对多周期超材料结构散射参数的影响,阐明了电磁耦合影响的关键因素是超材料结构的均匀性。基于中间胞层的非均匀性构建了预测复杂胞元超材料结构散射参数的五层模型,其核心工作是对边胞、中间胞和核心胞的电磁本构参数实施剥洋葱式的解耦推算;数值仿真算例验证了五层模型的预测准确度及其高效性能。     

爆轰波强间断问题的伪弧长算法及其人为解验证

针对该问题开展了伪弧长数值算法研究,通过引入弧长参数,使网格按照一定的形式自适应移动,达到在强间断区域自动加密的效果,从而提高网格分辨率。基于伪弧长算法编写了二维程序,并对程序进行人为解方法验证。将伪弧长算法和直接有限体积法的数值结果进行对比,通过误差分析,显示出伪弧长算法能有效提高计算精度。最后将伪弧长算法应用于气相爆轰波在二维管道中的传播问题,研究了波阵面的捕捉效果和爆轰波胞格结构的形成过程。     

一种新的求解对流占优问题的自适应网格细化方法

在均匀网格上求解对流占优问题时,往往会产生数值震荡现象,因此需要局部加密网格来提高解的精度。针对对流占优问题,设计了一种新的自适应网格细化算法。该方法采用流线迎风SUPG(Petrov-Galerkin)格式求解对流占优问题,定义了网格尺寸并通过后验误差估计子修正来指导自适应网格细化,以泡泡型局部网格生成算法BLMG为网格生成器,通过模拟泡泡在区域中的运动得到了高质量的点集。与其他自适应网格细化方法相比,该方法可在同一框架内实现网格的细化和粗化,同时在所有细化层得到了高质量的网格。数值算例结果表明,该方法在求解对流占优问题时具有更高的数值精度和更好的收敛性。     

自适应一致性高阶无单元伽辽金法

近来提出的一致性高阶无单元伽辽金法通过导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过线性和二次分片试验,显著改善标准无单元伽辽金法的计算效率、精度和收敛性.本文在此基础之上,充分利用无单元法易于在局部区域添加节点的优势,发展了一致性高阶无单元伽辽金法的h型自适应分析方法.根据应变能密度梯度该方法自适应地确定需节点加密的区域,基于背景积分网格的局部多层细化要求生成新的计算节点,同时考虑了节点分布由密到疏渐进过渡的情形.采用相邻两次计算的应变能的相对误差作为自适应过程的停止准则,将所发展自适应无网格法应用于由几何外形、边界外载和体力等因素造成的应力集中问题的计算分析.数值结果表明,所发展方法能够自适应地对高应力梯度区域进行节点加密,自动给出合理的计算节点分布.与已有的标准无网格法的自适应分析相比,所发展方法在计算效率、精度和应力场光滑性等方面均展现出显著优势.与采用节点均匀分布的一致性高阶无单元伽辽金法相比,它大幅度地减少了计算节点数目,有效提高了一致性高阶无单元伽辽金法在分析应力集中等存在局部高梯度问题时的计算效率和求解精度.