基于时域间断有限元方法的生物组织非傅立叶热行为数值分析

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。     

基于MFC的结构静态形状控制研究

宏纤维复合材料MFC(Macro Fiber Composite)具有体积小、主动控制适用性强、作动效果好等特点。本文开展了宏纤维复合材料MFC对结构静态形状主动控制研究。建立了悬臂梁结构有限元模型,并采用载荷比拟法计算得到了MFC压电作动器的驱动载荷。基于数值分析结果,搭建了悬臂梁结构主动控制实验平台,分析了不同加载电压下的悬臂梁的弯曲变形效果,进而分析MFC结构在静态形状控制中的力学性能。数值仿真和实验结果表明:在不同的静态电压加载下,结构的变形和加载电压近似呈线性关系;仿真和实验结果对比中呈现出较好的一致性,其最大位移误差为12.45%。最后讨论了MFC压电作动器自身时间蠕变特性对静态变形控制实验结果产生的影响,结果表明在大电压作用下MFC材料存在蠕变效应,在实际使用过程中需要关注。本文采用以悬臂梁为载体的实验和仿真研究方法对在其他横观各向同性材料的压电材料力学性能分析具有普遍适用性。     

天然维生素E制品中杂质的分离与鉴定

利用高效液相色谱、气相色谱-质谱联用与高分辨质谱对天然维生素E制品中的杂质进行了分离分析与结构鉴定。采用正相高效液相色谱法分离天然维生素E的4种异构体及2种杂质,并对杂质馏分进行富集纯化。将气相色谱-质谱联用与高分辨质谱检测相结合,用于获得杂质的结构信息。通过比较杂质精确相对分子质量和解析质谱碎片离子,推断杂质为芝麻素及其同分异构体表芝麻素。经与芝麻素对照品保留时间及碎片离子数据比对,确证了对杂质结构的推断。所建立的杂质鉴定方法快捷、有效,可应用于天然维生素E制品的食品安全控制。     

广义对流扩散方程的隐式特征线混合元方法

提出了一个广义对流扩散方程的混合有限元方法，方程的基本变量及其空间梯度和流量在单 元内均作为独立变量分别插值. 基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理结合特征线法给 出了控制方程的单元弱形式. 混合元方法采用基于一点积分方案并结合可以滤掉虚假的 数值震荡的隐式特征线法. 数值结果证明了所提出的方法可以提供和四点积分同样的数 值计算结果，并能够提高计算效率.     

海洋核动力平台定位系统多体动力学建模与分析

海洋核动力平台可以为海上油气开发、偏远岛屿和海水淡化等提供稳定的能源供给, 是具有潜力的重要海洋装备. 定位系统作为核动力平台的核心部位, 主要由单点转塔、YOKE刚臂、系泊腿和系泊支架组成, 属于典型的多刚体动力学系统. 对定位系统进行多体动力学分析可以提高核动力平台长期作业的可靠性. 基于多刚体动力学理论, 结合定位系统多铰连接的拓扑结构, 建立了定位系统的多体动力仿真模型; 进而考虑核动力平台作业海洋环境, 通过谱分析与线性叠加原理得到核动力平台在多年重现期下的六自由度运动时程. 以我国首座海洋核动力平台为例, 利用多体动力学模型分别计算了一年一遇、十年一遇和百年一遇海况下定位系统的系泊回复力与连接结构受力行为. 计算结果与准静力学模型、Kane动力学模型进行对比, 给出了定位系统的系泊回复刚度曲线, 并提出了系泊回复力动力放大系数. 研究可为定位系统系泊能力评估和各连接结构受力分析提供参考和借鉴.      

高强度钢板热成形本构理论与实验分析

热成形(热冲压)过程中硼钢的热、力、相变耦合关系是研究热成形理论的基础, 同 时也是决定热成形工艺及数值模拟准确性的关键因素. 对热成形硼钢进行高温拉伸及淬火实 验: 硼钢板材试样在奥氏体化(950℃)后保温一定时间, 然后在连续冷却的同时施 加拉伸力, 记录此过程中力、位移、膨胀量及温度的变化. 通过对不同冷却速率及不同拉伸 力情况下上述物理量的变化规律及微观组织性能的分析, 研究硼钢相变过程中的热、力、相 变耦合关系. 建立了硼钢相变过程中的热、力、相变耦合模型. 通过引入混合定律对热成形 过程中的多相材料热力学参数和力学性能进行等效分析; 对热成形应变组成及其形成机理 进行了分析, 引入了相变体积应力及相变塑性应力等新概念. 硼钢高温流动应力采用修改的 Norton-Hoff形式, 并通过实验确定了流动应力的材料常数. 在此基础上将热、力、相变耦 合关系引入热成形本构方程中, 分别建立了高强度钢板热成形的全量形式及增量形式本构方 程. 对U形零部件热成形过程进行了数值模拟, 并与实验结果进行比较, 结果证明建 立的本构理论的有效性.     

热冲击作用下层合皮肤组织热传导过程数值模拟

在急剧温度变化等强间断温度冲击作用下的生物层合组织非傅里叶热传导分析中,经典时域连续有限元方法(如Newmark等方法)会在波阵面以后的和层合组织界面附近的区域表现出强烈的数值振荡。这类数值振荡会影响问题求解精度,并带来较大不确定性。针对这类现象,本文发展了改进时域间断Galerkin有限元方法,进一步开展了相关问题的数值模拟。其控制方程的基本未知数(温度)及其时间导数在指定时间间隔内假设存在间断且独立插值。在有限元离散列式中引入比例刚度阵人工阻尼,以成功消除波前位置的虚假数值振荡行为。通过算例对比分析,相比Newmark方法和传统间断Galerkin方法,所提出的改进时域间断Galerkin有限元方法较好消除了波前、波后以及组织界面处的数值振荡,有效捕捉了波阵面的间断行为,提高了计算的精度。     

水下声波传播过程的时域间断Galerkin有限元方法

本文构建了声压波动方程的改进时域间断Galerkin有限元方法.传统时域连续有限元方法在计算高梯度、强间断特征水中声波传播问题时往往会出现虚假数值振荡现象,这些数值振荡会影响正常波动的计算精度.为了解决这一问题,本文通过引入人工阻尼的方式构建了改进的时域间断Galerkin有限元方法,并针对具有高梯度、强间断特征的多障碍物复杂边界和层合液体介质声传播问题进行了计算.计算结果表明,与传统时域连续方法如N ew mark方法计算结果对比,所发展方法能较好地消除高梯度和强间断声压力波传播过程中虚假的数值振荡,具有较高的计算精度.问题的求解为进一步流固声耦合问题的研究奠定了基础.     

固体非傅立叶温度场的时域间断Galerkin有限元法

运用时域间断Galerkin有限元法[1],对高频非傅立叶热波动问题[2-3]进行分析。其主要特点是:取温度及温度的时间导数为基本未知量,对其分别进行3次Hermite插值和线性插值。在保证节点温度自动保持连续的基础上,温度的时间导数在离散时域存在间断。数值结果表明所提出的方法能够滤掉虚假的数值震荡,能够良好地模拟固体中的非傅立叶热波动行为。     

激波作用下含缺陷固体火箭装药的流固耦合数值模拟

采用弱耦合方法对激波作用下固体火箭发动机含缺陷药柱的流固耦合相互作用进行数值模拟。其中非定常流场采用基于任意拉格朗日-欧拉坐标系下的二维可压缩Euler方程进行描述,并采用格心格式的有限体积方法对方程进行离散求解;对激波冲击作用下含装药裂纹的固体位移场采用时域间断Galerkin扩展有限元法进行数值模拟,并对裂纹尖端动态应力强度因子进行计算。结果表明:激波在固体火箭发动机内装药裂缝传播过程中具有反射、绕射等现象,表现出高度非定常非线性的特点;同时流固耦合相互作用使得裂纹尖端位移场以及应力强度因子表现出振荡效应。