Fractional four-step finite element method for analysis of thermally coupled fluid-solid interaction problems

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.     

一种新型微结构光纤的设计与数值研究

提出了一种新型双包层结构的微结构光纤(MOF),利用有限元法对其模场面积、损耗及色散系数随波长的变化规律进行了数值模拟与分析,并在相同条件下与传统的双包层MOF作了比较。结果表明,该种光纤不但结构新颖,而且较传统光纤有更优异的色散性能。通过合理优化,设计了几种在500nm波长范围内保持低平色散和较大模场面积的新型双包层MOF。这种光纤结构的提出对以后的理论研究和工艺制备具有一定的参考意义。     

同轴电介质-金属-电介质结构表面等离激元色散研究

从平面电介质-金属薄膜-电介质对称结构中表面等离激元的色散方程出发,建立模型推导得到了同轴电介质-金属薄膜-电介质结构中表面等离激元的色散方程,在这种结构中各阶模式都发生了分裂,形成了高折射率高损耗和低折射率低损耗的两种模式,该模型为理解同轴电介质-金属薄膜-电介质结构表面等离激元模式的传播提供了直观的图像。用色散方程计算了0.5～1.5μm波长范围内各阶模式的等效折射率以及传输损耗,并将该结果与有限元方法数值模拟得到的结果进行对比分析,分析表明,两者吻合得很好。并分析了计算结果以及色散方程的适用范围。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

通电螺线管2维磁场有限元计算

 通过对通电螺线管磁系统理论分析，实现了通电螺线管2维磁场计算。该算法是采用一次、二次插值函数计算螺线管模型磁场的有限元算法，用于求解螺线管内外任意位置处的磁感应强度分布。实现了螺线管及周期结构的计算，并将结果与Ansoft Maxwell 2-D的计算结果进行了对比。结果表明：较一次插值函数有限元算法相比，二次插值函数算法在对称轴上轴向磁感应强度的分布更准确，体现了该算法的优越性,具有显著的工程应用价值。     

低阻抗脉冲形成网络引线电感的模拟及实验研究

 对2.5 Ω,200 ns低阻抗Blumlein型脉冲形成网络进行3维建模，利用有限元仿真软件，分别采用静电场分析方法及高频分析方法对开关端、负载端的电感进行模拟研究,结果表明:随着工作频率增大,引线电感值逐渐减小，工作频率为2.5 MHz时,引线内电感可以忽略不计。此时模拟得到的引线电感要比静态模拟结果小10 nH左右;两个开关并联工作时不仅要考虑引线自身的电感，还要考虑同步导通时互感的影响，且互感达到了自感的1/4。使用Pspice软件对模拟结果进行仿真，采用电磁屏蔽后输出波形前沿相对于屏蔽前输出波形前沿要小2.1 ns。实验研究结果表明，采用电磁屏蔽前后输出波形的前沿分别为68.8，65.2 ns，减小量与模拟结果基本吻合。     

热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹.由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

热点应力法在高速列车设计中的应用

应力可靠性预测对高速列车车体的安全设计非常重要.本文采用国际焊接学会推荐标准预测高速列车车体关键部位应力,通过热点应力法对应力集中部位表面应力进行外推.计算结果表明通过参考点外推得到的热点应力总是明显小于有限元计算的结果,并且更接近于实验值.采用两点外推法或三点外推法计算结果的差别很小.     

五角芯型保偏光子晶体光纤(Q-PM-PCF)的双折射

提出了一种内层空气孔环含有五个空气孔的新型高双折射光子晶体光纤结构；采用全矢量有限元法进行分析,研究了该光子晶体光纤两正交偏振模的有效折射率和双折射,分别给出了该五角芯型保偏光子晶体光纤双折射随输入光波长和大空气孔半径的变化曲线.分析结果表明:该五角芯型保偏光子晶体光纤的双折射很易达到i0-3量级甚至更高,比传统保偏光纤的双折射至少高出一个数量级,合理设计光纤结构参数,该保偏光纤的双折射在1550 nm处可以达到6.5×10-3以上,甚至更高,适合应用于偏振特性及稳定性要求都较高的实际光纤传感系统,例如光纤陀螺.     

掺杂光子晶体光纤产生光孤子所需泵浦功率的研究

在光纤纤芯中掺入适量GeO₂有利于增加纤芯非线性折射率，提高光纤的非线性系数。利用有限元法设计了一种带宽为1.45 μm的宽反常色散掺杂光子晶体光纤，其光纤可以利用低泵浦功率产生任意波长的光孤子。分析结果显示，当脉冲脉宽T_FWHM取300 fs时，产生基阶光孤子需要的最高平均泵浦功率为0.001 695 W，而产生五阶光孤子需要的最高平均泵浦功率仅0.042 38 W。