任意的拉格朗日欧拉边界元—有限混合法分析物体撞水响应

计算物体的撞水响应目前已有了一些专用的算法，本文在分析和比较这些算法的基础上，提出了一个解撞水问题的任意的拉格朗日欧拉边界元－有限元混合法，这个方法不仅充分发挥了边界元法计算半空间流场的优越性，而且还能计及液面大晃动的非线性边界条件物体变形所造成的影响，文中给出圆柱刚体和楔形刚柱体两个撞水算例，结果有力表明该方法的可靠性和有效性。     

时域边界元法分析撞水响应

基于势流理论，考虑流场的可压缩性，首先利用积分变换导得了势流问题的一个动力学倒易定理，在此基础上，进而求得问题对应的时空边界积分方程，然后通过对边界和时间轴同时离散，建立了一组有递推形式的时间边界元方程最后结合液面条件和物体运动方程耦全求解得到了刚体的撞水响应。     

刚体撞水非线性响应的边界元分析

考虑了非线性性液面条件液面条件,采用边界元法,始终撞水物体和水看成一个耦合系统,并作为一个冲击／接触问题处理。在自由注面的处理上,采用逐步迭代方法,使其始终满足液面的非线性条件,最终使自由液面达到一满足非线性条件的稳定值。而在撞水力的求解上,亦采用与自由液面相关的逐步迭代逼近方法,求取其稳定值。文中最后给出了几种不同情况下二维圆柱刚体撞水的计算实例,结果有力表明记叙虎法的可靠性和有效性。     

变水深坝—库系统耦振分析的边界元—有限元混合法

常用的混合元法解变水深坝－库系统的耦振，需要对变水深部分的流场进行域离散，计算工作量大，该文利用Ｆｒｉｅｄｍａｎ的算子函数理论，构造了势流问题在无限长带形域中的Ｇｒｅｅｎ函数，从而使流场的边界元剖分只限于变水深区域的边界，关于坝体仍采用有限元离散，最后借助所导出的有限元－边界元格式对坝－库系统的实例作了数值计算，结果证明了它的有效性。     

弹性与弹塑性问题的有限元与边界元耦合解法

本文提出了一种新的弹性与弹塑性问题的对称耦合解法。根据分区广义变分原理,直接导出问题的求解方程式。通过典型算例,验证了该方法的有效性,本文建议的方法与超单元形式的耦合法相比,在理论上比较直接,在计算上更为经济。     

表面裂纹问题瞬态响应的边界元分析

本文将拉氏变换-边界元法用于表面裂纹问题的瞬态响应分析。文中讨论了拉氏反演参数的选择和动态应力强度因子的计算方法。作为程序的考核和离散方案的选择,分别地计算了水平柱体一端固定、另一端受p(t)=poH(t)载荷时的位移响应和具有贯穿裂纹的厚板在两种离散方案时的动态应力强度因子响应。最后,还计算了若干载荷工况的半圆表面裂纹板应力强度因子的瞬态响应,获得了有效的数值结果。     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

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.      

Fluid-structure impact analysis with a mixed method of arbitrary Lagrangian-Eulerian BE and FE

A mixed method of arbitrary Lagrangian-Eulerian boundary element and finite element method (ALE-BE-FE method) is proposed for solving fluid-structure impact problems, in which the effect of structural deformation due to hydrodynamic pressure is taken into account. In addition, this method also enables us to analyze the influence of nonlinear free surface conditions on the impact response. Two numerical examples of an impacting cylinder and an impacting wedge into an initially calm water treated as 2-D problems are presented. It shows that the proposed method is effective to obtain a fluid-structure impact solution.This project is financially supported by the National Education Foundation of China.     

A TIME DOMAIN BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR WATER-SOLID IMPACT ANALYSIS

A reciprocal theorem of dynamics for potential flow problems is first derived by meansof the Laplace transform in which the compressibility of water is taken into account.Based on this the-orem,the corresponding time-space boundary integral equation is obtained.Then,a set of time do-main boundary element equations with recurrence form is immediately formulated through discretiza-tion in both time and boundary.After having carried out the numerical calculation two solutions arefound in which a rigid semicircular cylinder and a rigid wedge with infinite length suffer normal impacton the surface of a half-space fluid.The results show that the present method is more efficient than theprevious ones.     

峰窝夹芯结构雷达罩鸟撞有限元分析与模拟

建立了鸟撞蜂窝夹芯结构雷达罩的有限元分析模型。选取具有代表性的四类不同重量和大小的鸟及多种撞击速度,运用大型非线性动力学有限元程序ＭＳＣ／Ｄｙｔｒａｎ的ＡＬＥ计算功能,计算得出了六种可能情况下雷达罩抗鸟撞动力响应及结构受损情况。最后对结果进行了分析。数值模拟结果为雷达罩抗鸟撞设计提供了理论参考依据。     

ALE有限元方法研究及应用

将ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述引入到有限元方法中， 从而使有限元方法在解决大范围自由移动边界问题，特别是液体大幅晃动、流－固耦合、加工成型、接触、大变形等问题时获得极大成功。本文综述了ALE有限元方法的研究现状以及在不同领域的应用，并对 今后的研究及应用做了展望。     

基于流固耦合的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

采用时域推进的双向流固耦合方法对一级跨声速压气机叶片流场和固体域进行数值模拟,研究跨声速转子叶片静气动弹性变形及其对气动性能的影响,对比分析了100%转速下转子叶片的气动特性和固有频率的变化.结果表明:转子叶片在气动力和离心惯性力共同作用下的弹性变形以扭转变形为主,气动力对叶尖前缘变形量的影响可达总变形量的20%.转子叶片变形后通道流通能力增强,气动特性曲线向大流量方向偏移.     

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.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.