热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法

研究结构稳态热变形和热应力的灵敏度分析方法，给出了直接法和伴随法两种算法。考虑了温度场的耦合作用，在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数，在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数。对尺寸和形状两类设计变量的灵敏度分析算例，验证了本文方法的精度。伴随法在应用程序中的实现，为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法。     

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法.运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程.分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率.运用子块移动技术结合正交-半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式.采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性.运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题.研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

一种强耦合预估-校正浸入边界法

为克服传统浸入边界法的质量不守恒缺陷,提出了一种用于可压缩流固耦合问题的强耦合预估-校正浸入边界法。通过阐述一般流固耦合系统的矩阵表示,推导了流固耦合系统的强耦合Gauss-Seidel迭代格式,进一步导出预估-校正格式,提出了预估-校正浸入边界法。该方法使用无耦合边界模型对流体进行预估,将流固耦合边界视为自由面,固体原本占据的空间初始化为零质量的单元,允许流体自由穿过耦合边界。对于流体的计算,使用带有minmod限制器的二阶MUSCL有限体积格式和基于Zha-Bilgen分裂的AUSM+-up方法,配合三阶Runge-Kutta格式推进时间步。在校正步骤中,通过一组质量守恒的输运规则来实现输运过程。输运算法可概括为将边界内侧的流体进行标记,根据标记顺序以均匀方式分割和移动流体,产生一个指向边界外侧的流动,最后在边界附近施加速度校正保证无滑移条件。标记和输运算法避免了繁琐的对截断单元的几何处理,确保了算法易于实现。对于固体的计算,分别采用一阶差分格式和隐式动力学有限元格式求解刚体和线弹性体,并利用高斯积分获得固体表面的耦合力。使用预估-校正浸入边界法计算了一维问题和二维问题。在一维活塞问题中,获得了压力分布、相对质量历史和误差曲线,并与其他方法进行了对比。在二维的激波冲击平板问题中,获得了数值模拟纹影和平板结构的挠度历史,并与实验结果进行了对比。研究表明,该方法区别于传统的虚拟网格方法和截断单元方法,能够精确地维持流场的质量守恒并易于实现,且具有一阶收敛精度,能够较准确地预测激波绕射后的流场以及平板在激波作用下的挠度,为开发流固耦合算法提供了一种新的思路。     

热-应力耦合结构灵敏度分析方法

研究稳态／瞬态热传导灵敏度分析、以及热与机械荷载同时作用的热结构应力灵敏度分析问题。考虑了温度场随设计变量的变化及其对应力的影响,提出温度场与结构热应力耦合问题的灵敏度计算方法。特别指出了热－应力耦合灵敏度分析中温度场导数的影响, 说明了在热－应力耦合结构灵敏度分析中必须考虑耦合灵敏度。在应用软件系统JIFEX中实现了所提出的方法,数值算例验证了灵敏度算法的精度。     

盘式制动器摩擦界面接触压力分布研究

在考虑具有可变效应的移动热源影响、制动盘与片的弹性影响以及界面摩擦热流影响等的耦合作用下,建立了一个三维瞬态盘式制动器热-结构耦合模型,利用大型有限元软件ANSYS的非线性多场耦合分析方法,分别数值模拟了不同状态下的制动器摩擦接触界面上的压力场分布情况.发现制动接触压力并非均匀分布,而是与制动盘和片的变形、摩擦力以及摩擦热-结构耦合有关.     

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.      

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日--欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程. 分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率. 运用子块移动技术结合正 交--半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式. 采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性. 运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题. 研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.      

基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.      

Fluidization in combined acoustic-magnetic field for mixtures of ultrafine particles

Four kinds of SiO2 （5-10 nm）＋ Fe3O4 （44.8 μm） particle were fluidized in a sole acoustic field, a sole magnetic field and a combined acousticmagnetic field. Introduction of a single field, 100 dB/40-60 Hz acoustic or 10 mT magnetic, could suppress plugging and channeling and reduce the superficial minimum fluidization gas velocities, Umf. Combination of both acoustic and magnetic fields demonstrated even more promising results, especially more significant reduction of Umf.     

裂尖前方塑性区内的局部弹性场

该文给出了平面应变下，不同材料ＨＲＲ场对应的能量分布图，在裂尖前方扇形域内，静水拉应力很高，约为３σ０－７σ０，而等效效应力却很小，接近屈服应力σ０，使此区内仅能产生弹性体变能。     

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论证了作图法的几何原理------四点共圆. 介绍了四点共圆作图法在计算机辅助下的求解 和构建复杂滑移线场的过程. 并以有心扇形场为例,演示了该方法的解题步骤. 通过实例计 算,将该方法的求解结果与作者用数值积分法和矩阵算子法的求解结果作了比较,证明该方 法计算精度高、绘图质量好.     

土体主动滑动场及主动土压力的计算

将边坡临界滑动场方法进行推广与改进,提出挡土结构中的土体主动滑动场的数值模拟方法,并得到相应的主动土压力分布。数值计算结果表明,本文方法精度高,与现有的解析解一致;且可方便地考虑挡墙面的摩擦作用、土体的不均匀分布以及复杂的外载组合,值得推广应用于工程设计。     

Low‐Reynolds number $k-\tilde {\varepsilon}$ modelling of flows with transpiration

An improved low‐Reynolds number model was adopted to predict the dynamic and thermal fields in flows with transpiration. The performance of the adopted model was first contrasted with the direct numerical simulation (DNS) data of channel flow with uniform wall injection and suction. The validity of the present model applied to flows with a high level of transpiration was further examined. To explore the model's performance in complex environments, the model was applied to simulate a transpired developing channel flow. By contrasting the predictions with DNS data and measurements, the results indicated that the present model reproduced correctly the deceleration and acceleration of the flow caused by the injection and suction from the permeable part of the wall. The turbulence structure of transpired flows was also well captured and the superior performance of the adopted model was reflected by the predicted correct level of ε with the maximum being located at both the injection and the suction walls. The predicted thermal field by the present model also compared favourably with the DNS data and measurements. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

The application of Moire interferometry in the measurement of displacement field and strain field at notch-tip and crack-tip

This paper presents the application of Moire interferometry in measuring the displacement and strain field at notch-tip and crack-tip before and after crack propagation. The experiment is carried out using a three point bending beam with a notch. TheN _x andN _y fringe patterns representing displacement field, and the ΔN _x/Δx and ΔN _γ/Δγ fringe patterns representing the strain field are obtained. The sensitivity of the measured displacement is 0.417 μm per fringe order. The displacement and strain distribution along the sectionx=0 have been worked out according toN _x andN _γ fringe patterns. The project supported by Chinese Academy of Sciences and National Natural Science Foundation of China     

电子散斑干涉和Video全息干涉

本文综述了有关电子散斑干涉法(ESPI)和Vidco全息干涉技术的一些近期成果.主要包括:有机玻璃模型中主应力和的测量,二维气体温度场和轴对称气体温度场的测量,三维物体表面形状和三维位移场的测量.条纹图均用数字图象处理系统处理.文中介绍了各种测量光路和操作技术,分析了可能出现的误差,提供了部分实验结果.     

汽轮机转子的温度场及热应力场计算

利用积分变换法导出了蒸汽温升率连续变化时汽轮机转子的温度场和热应力场计算公式。本公式可直接应用于转子的应力监测与控制。和差分法相比，解析法的数据处理速度快，能满足快速监测、及时跟踪与控制的要求。关键词：汽轮机转子；温度场；热应力场     

带有半埋藏空间裂纹的Cr12构件电磁热止裂分析

对带有半埋藏环形裂纹的Cr12标准拉伸试件进行了电磁热止裂研究.通过ZL-2型放电装置实现了半埋藏空间裂纹的止裂实验,采用微机控制电子万能试验机完成了止裂前后试件拉伸性能测试,同时计算了电磁热止裂前后应力强度因子的变化;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电流绕流、温度场和热应力场的数值分析模型,通过热-电耦合和热-机械耦合两个过程得到了脉冲放电瞬间拉伸试件中的电流矢量场、温度场和热应力场.研究表明:脉冲电流放电瞬间,围绕裂纹尖端金属熔化,钝化了裂尖,并围绕裂尖形成了热压应力场,得到了超细化的金属组织,止裂后抗拉强度得到了提高,达到了止裂的目的.     

多圈管冻结模型试验水热力分析研究

人工多圈管冻结过程中的温度场、应力场及水分场的相互作用,是一个非线性多场耦合问题,影响因素多. 本文以淮南顾北矿作为模型设计原型,通过模型试验对多圈管冻结土体过程的温度场、应力场及水分场变化进行研究,获得了冻结温度场、冻结压力及含水量随冻结时间的变化规律,其成果对建立水热力耦合数学模型提供可靠依据并能更好的指导矿井工程实践.