基于CUDA的有限元矩阵并行装配算法研究

构建航天飞行器的结构有限元模型是准确模拟飞行仿真、完成飞行器在轨飞行阶段结构故障监测和诊断的基础。采用细长体飞行器简化梁模型，提出新的基于CUDA（Compute Unified Device Architecture）的有限元单元刚度矩阵生成和总刚度矩阵组装算法。依据梁单元矩阵的对称性，结合GPU硬件架构提出并行生成算法并进行改进。为有效减少装配时间，在装配过程中采用着色算法，提出了基于GPU（Graphics Processing Unit）共享内存的非零项组装策略，通过在不同计算平台下算例对比，验证了新算法的快速性。数值算例表明，本文算法的求解效率较高，针对一定计算规模内的模型可满足快速计算与诊断的实时性要求。     

转向剂形成人工应力遮挡的实验研究及有限元分析

针对水力压裂过程中采用的人工应力遮挡控制缝高技术,通过室内物理模拟实验,在转向剂浓度一定的条件下考虑携带液与地层压差、渗流量、时间等因素,采用电测法对人工岩芯表面应变进行了测试;利用非线性有限元方法对裂缝尖端应力进行计算,研究了转向剂形成人工应力遮挡的作用效果。结果表明采用转向剂可以建立3~4MPa的人工应力遮档,对采用转向剂的压裂设计和施工参数提出了建议。     

复合地基中桩基础作用特性数值模拟

应用复合土强度理论对复合地基中桩基础的作用特性作了有限元数值模拟分析。研究结果表明，用复合地基的方法加固桩基础，对于加速地基固结，提高整体承载力及消减负摩阻力方面有着的应用前景。     

碳纤维缠绕铝内胆气瓶的有限元分析与自紧设计

碳纤维缠绕铝内胆气瓶应用广泛，由于贮气压力高，安全性特别重要。铝内胆外表缠绕碳纤维的气瓶的重量比金属气瓶轻很多，已从航天航空应用转向民用。这种气瓶的设计和制造，在我国，国家标准还没有公布，在国际上较多采用DOT CFFC标准。本文对气瓶进行深入的有限元分析，参考DOT CFFC标准来讨论气瓶的设计和自紧。如采用其他标准，做法是一样的。本文有限元分析采用ANSYS程序。     

飞机风挡结构抗鸟撞一体化设计技术研究

结合大型非线性有限元分析软件，实践了飞机风挡结构由初步设计、数值仿真以及实验验证的一体化设计过程，建立了适于风挡结构材料的非线性黏弹性本构计算接口程序，对合理选取单元类型、材料模型、边界条件影响以及试验设计等工作细节进行了深入研究，通过实验与仿真计算结果的对比，验证了数值仿真计算模型的精度．为飞机风挡的抗鸟撞结构设计-数值仿真-实验验证一体化技术提供了支持论证．     

开区注氮采空区自燃温度场的数值模拟研究

为了研究开区注氮采空区遗煤自燃和被抑制的力学过程，用非均质多孔介质中的渗流连续性方程、气体弥散方程和综合传热方程的联立，建立了采空区注氮非定常数值模型．结合实例，用迎风格式有限元方法求解．给出了采空区的漏风流态、氮气流态，描绘了采空区自燃过程中氧、CO浓度和温度分布的变化过程．计算考虑了瓦斯涌出和工作面推进的影响．得到注氮条件下采空区高温区形状变窄；随着注氮量的提高，使自然发火期逐渐变长，直至不自燃．理论计算与实际情况吻合．     

残余应力对压力容器破坏模式的影响分析

破前漏(简称LBB)是压力容器、核电站设备结构设计与评价中的一个重要准则.表面裂纹准静态扩展的几何形貌变化规律的预测是破前漏(LBB)评判十分重要的课题之一.本文对特定焊接残余应力场加载作用下,含三维表面裂纹的压力容器模型,用有限元软件(ABAQUS)进行了表面裂纹准静态扩展模拟计算,得到在此残余应力场作用下应力强度因子沿裂纹前缘的分布规律.结合外载引起的应力强度因子,就可以判别裂纹的扩展形貌,从而判断结构是否满足LBB要求.     

三维电磁场辛有限元列式及电磁共振腔的计算

针对三维共振腔的电磁场分析,利用Maxwell方程的对偶方程体系形式,从其相应的对偶变量变分原理出发,导出了三维电磁场辛有限单元的详细列式。为了有限元列式的保辛,变分原理被积函数可导向对于对偶变量为对称的形式。变分原理的边界积分项对于相邻单元相互抵消。由于采用了对偶变量的插值函数,使得电磁场单元构造可以在层面上进行,从而避免了所谓的连续性问题。无物理意义的零本征解可采用奇异值分解加以排除。文末分别对矩形及圆柱形的共振腔做了数值计算并与解析解和棱边元计算结果进行对比,算例表明了列式及算法的有效性。     

点支式中空玻璃承载性能的有限元分析

中空玻璃承受均布横向荷载时,外、内片与密封气体之间产生复杂的交互作用,现行规范(程)基本按抗弯刚度比例在外、内片玻璃之间分配荷载。本文使用有限元法,分析点支式中空玻璃在承受均布横向荷载时的结构特性,利用迭代计算精确地求解外荷载在外、内片间的分配比例,计算与实验测值吻合得较好。本文指出,宽厚比、中空层厚度等因素对于荷载分配比例均有较大影响,在某些情况下,直接承受荷载的外片可能承受绝大部分的荷载,规范(程)的设计方法仍值得商榷。同时,本文建议在设计中考虑中空层温度变化对承载性能的影响。     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.