离散元法及其耦合算法的研究综述

介绍了离散单元法的基本理论及其研究现状,以及离散单元法与有限单元法、边界单元法、界面单元法等数值计算方法耦合的研究现状和最新进展,并讨论了离散单元法今后的发展趋势及亟待解决的问题.     

基于转换矩阵的FEM/MLPG耦合算法

首次基于有限元的转换矩阵(TMF)和无网格的转换矩阵(TMM),提出有限单元法(FEM)和无网格局部彼得罗夫-伽辽金法(MLPG)的耦合算法。编制了相应算法的三维程序,计算分析了三维柱体的拉伸和弯曲问题,并将计算结果与ABAQUS软件计算结果以及理论解进行了比较。结果表明,本文给出的耦合算法计算精度高,收敛性好,可以用以模拟裂纹扩展等问题。     

电动机-弹性连杆机构系统的动态方程及其响应

针对三相交流电机转子振动偏心时不均匀气隙的气隙磁场,分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立以电机横振、扭振为节点位移的电机单元,应用有限单元法建立含电机电磁参数和弹性连杆机构结构参数的系统动态方程,并根据该方程对系统的动态响应进行仿真计算和分析,且通过实验进行验证,表明所建方程较好地反映了系统动态性能与其电磁参数、结构参数之间的关系.     

一种FEM－EFGM耦合技术及其应用

利用面力耦合(traction matching)技术，导出了增量形式的一般固体力学问题的FEM—EFGM耦合求解格式。在相应的域内分别建立FE和EFG的离散方程，利用交界面上的连续条件，可方便地建立耦合求解方程，简明有效，易于编程计算。数值算例给出令人满意的结果。     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

带摩擦节点约束──罚函数滑移线算法

在分析有限元程序ＤＹＮＡ，有限差分程序ＨＥＭＰ［１］、ＴＯＯＤＹ［２］、ＴＥＮＳＯＲ［３］接触碰撞算法的基础上，为解决大位移、强冲击或爆炸作用问题，提出了带摩擦节点约束罚函数混合滑移线算法。此算法有利于克服计算中的数值噪声，简化计算工作量，提高计算速度。     

LBM-DEM四向耦合喷动床内介尺度模拟与分析

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于气固两相流流动的LBM-DEM四向耦合模型,对单孔射流喷动床中颗粒的流动进行数值模拟。其中,气相采用修正的格子玻尔兹曼方法,颗粒相采用离散单元法,流固之间受力的双向耦合基于牛顿第三定律,颗粒与颗粒及颗粒与壁面的受力双向耦合采用软球模型。模拟得到了流化过程、颗粒与气体的速度分布、床层膨胀高度变化以及床宽对流化过程的影响。结果表明,喷动床内存在强烈的内循环,床宽增加导致颗粒运动能力减弱,射流速度增加使颗粒运动更加剧烈,床层膨胀高度增加。     

求解固体力学问题的强?弱耦合形式单元微分法

单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强?弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.      

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性.分析表明,结构变形较小,非线性效应很弱时,变形对材料的热传导系数影响很小,对结构的温度分布几乎没有影响;当变形增大,非线性效应增强时,变形对材料的热传导特性影响显著,热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异.因此,为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制,分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响.     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种...     

基于约束函数法的热力耦合有限元分析

分析了滑移接触条件下热力耦合现象,建立了热力耦合的有限元分析连续模型,提出了系统动力学平衡方程和热力学平衡方程。对系统中物体间的接触条件进行了分析,得到了物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件。应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组对热力耦合问题进行求解。实例表明,用约束函数法求解热力耦合问题,收敛性较好,算法稳定,计算结果能反映实际。     

NEW ALGORITHM OF COUPLING ELEMENT-FREE GALERKIN WITH FINITE ELEMENT METHOD

IntroductionMeshless methods, as a special numerical method, originated from1970s. Since thediffuse element method was proposed by Nayroleset al.[1]in1992, the meshless methodshave received wide attentions in the mechanics area, and have shown obvious adv…     

A DOMAIN DECOMPOSITION ALGORITHM WITH FINITE ELEMENT-BOUNDARY ELEMENT COUPLING

A domain decomposition algorithm coupling the finite element and the boundary element was presented. It essentially involves subdivision of the analyzed domain into sub-regions being independently modeled by two methods, i.e., the finite element method (FEM) and the boundary element method (BEM). The original problem was restored with continuity and equilibrium conditions being satisfied on the interface of the two sub-regions using an iterative algorithm. To speed up the convergence rate of the iterative algorithm, a dynamically changing relaxation parameter during iteration was introduced. An advantage of the proposed algorithm is that the locations of the nodes on the interface of the two sub-domains can be inconsistent. The validity of the algorithm is demonstrated by the consistence of the results of a numerical example obtained by the proposed method and those by the FEM, the BEM and a present finite element-boundary element (FE-BE) coupling method.     

An improved contact-impact algorithm for explicit integration FEM

Although the penalty algorithm is simple and direct in concept, it has a defect that the contact forces are badly dependent on the chosen penalty factor. An improved contact-impact algorithm for the explicit integration FEM is proposed in the present paper. Based on the fact that bodies cannot penetrate into each other on the contact faces, a set of equations with the additional unknown contact forces on the slave nodes can be formed in a new system configuration. By solving these equations, the correct contact forces could be obtained without using the penalty factor.     

离散元数值模拟中查找邻居元关系的改进算法

离散元方法是近年发展起来的有前途的新概念数值模拟方法,然而查找邻居元关系耗费大量机时和内存。本文引入一种改进算法-“区域法”,并对其原理、算法、运行时间和空间进行了分析。和原算法中的“窗口法”的比较结果表明,新算法在运行时间和空间方面均明显优于原算法。     

基于Voronoi切割算法的碎冰区构造及离散元分析

离散元方法广泛应用于海冰,特别是碎冰区的动力过程及其对海洋结构作用过程的数值模拟。为构造碎冰区中的冰块几何特性,基于二维Voronoi图方法对计算域进行随机切割以生成碎冰区中冰块的几何形态,并采用球体单元对每个碎冰块单元进行填充,从而确定碎冰区的初始分布场。在采用Voronoi图进行碎冰区构造时,可对冰块尺寸、几何形态和密集度等海冰参数进行设定。为确定冰块的不同几何规则度,综合采用排斥法和扰动法以定量地控制碎冰块几何形态从完全随机分布到规则分布的连续变换。为分析不同几何规则度下碎冰块的几何特性概率分布规律,对计算域内冰块的面积和边数等参数进行统计分析,从而可更合理地参数化控制初始冰场中碎冰块的几何特性。在此基础上,本文基于粘接-破碎的球体离散元方法对不同冰况下锥体结构的冰荷载进行了数值计算,讨论分析了碎冰区的海冰密集度、冰块面积和几何规则度对冰载荷的影响。     

凹形多面体离散单元的水平集函数接触算法

多面体模型理论上可构造任意颗粒形态,然而受单元接触算法的限制,仅用于凸形颗粒材料的离散元模拟。对于具有凹形特征的多面体单元,单个接触点的搜索算法难以精确计算单元间的作用力。考虑多面体单元间存在单个或多个接触点的计算特性,本文发展了适用于凸形和凹形多面体颗粒材料的水平集函数接触算法。该方法通过点-三角形单元距离计算方法和奇-偶数判定方法建立多面体单元的零水平集函数和空间水平集函数,并对水平集函数进行三线性插值,可得到多面体单元间的单个或多个接触点。为检验水平集函数接触算法的可靠性,对球形和凹形多面体颗粒材料的堆积和倒塌过程进行离散元模拟,并分析颗粒形状对堆积密度和休止角的影响规律。     

作大范围运动矩形板的动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动矩形板的建模理论。根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性板刚-柔耦合动力学方程。从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程。通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程。对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项;并对此非惯性系下作大范围运动柔性板的结构动力学方程进行数值仿真,验证了采用初应力法柔性板的动力学建模方法来计算经历大范围运动的不规则柔性板的动力学响应是可行的,体现了初应力法对柔性板建模的优越性。