多网格谱元法及其在高性能计算中的应用*

针对传统谱元法在每个单元内只能存在单一均匀介质,应用在复杂非均匀介质的波传播模拟中可能造成极大计算规模的问题,发展了多网格谱元法。该方法在谱元法单元内引入独立的辅助网格,用于精细描述单元内的介质和外力分布变化,在较稀疏的主网格上进行波场的求解。基于声波和弹性波方程推导了多网格谱元法公式,并对几种典型模型进行了波场的数值模拟。与传统谱元法的对比结果表明,此算法在复杂非均匀介质的弹性波传播模拟中可以利用较少的网格点数达到不低于传统算法的精度。此外,实现了并行化的多网格谱元法,获得了较好的并行效率。     

充水黏弹性管道的频散曲线计算分析

针对谱方法分析计算充水黏弹性管道的广义特征值问题,根据Chebyshev多项式及微分矩阵、位移和应力连续条件,将波动方程离散为相应的线性方程。利用MATLAB数值编程计算充水弹性和黏弹性管道对应频率下的轴对称纵向导波频散曲线和衰减曲线。分析表明,波在黏弹性管道中传播不仅具有衰减特性,而且由于水和黏弹性壳体交叉耦合作用,在一定频率范围内产生两种截断模态。     

Galerkin时空耦合谱元法求解声波动方程

提出了时空耦合谱元方法,并将其用于带第一类边界条件的非齐次一维、二维、三维波动方程的求解。分别采用四边形、六面体和超六面体作为计算单元,在每个单元内采用Chebyshev多项式的极值点作为Lagrange插值节点,并且探讨了区域剖分方式对计算精度的影响。时空耦合谱元法能够得到精度很高的数值结果,并且其色散随时间推移是稳定的;当总网格节点数相同时,不同的网格剖分方式所得数值误差不同,当空间方向Chebyshev多项式的阶数较高和时间方向Chebyshev多项式的阶数较低时,得到的数值精度较高;在总节点数相同的情况下,与时间全域方式相比,逐时间子区域方式计算所需要的时间更经济,两种方式可以得到相同的精度。结果表明:时空耦合谱元方法使时空方向精度相匹配,可以提高整体精度;空间方向的Chebyshev多项式对数值精度起主要影响作用;时间子区域方式的采用可以扩大问题的计算区域。      

充水粘弹性管道的频散曲线计算分析*

针对谱方法分析计算充水粘弹性管道的广义特征值问题,根据Chebyshev多项式及微分矩阵、位移和应力连续条件,将波动方程离散为相应的线性方程。利用MATLAB数值编程计算充水弹性和粘弹性管道对应频率下的轴对称纵向导波频散曲线和衰减曲线。分析表明,波传播在粘弹性管道中不仅具有衰减特性,而且由于水和粘弹性壳体交叉耦合作用,在一定频率范围内产生两种截断模态。     

线性与非线性波的Chebyshev广义有限谱模拟

给出求解二维线性与非线性波的Chebyshev广义有限谱模拟方法.结合时间层次的高精度预报-校正方法，模拟了二维线性浅水驻波和波在浅滩的非线性变形.方法能够准确模拟水波的物理特征. 关键词： Chebyshev广义有限谱 线性波 非线性波     

正交异性钢桥面板声发射波三维谱元法模拟及损伤定位*

针对大跨度桥梁正交异性钢桥面板的疲劳损伤评估与结构健康监测需求,开展基于声发射波场谱元法模拟的大型复杂板类结构损伤定位研究。采用Legendre高阶插值三维时域谱元法模拟声发射波在正交异性钢桥面板中的传播过程,验证了其内部显著的反射、衍射和频散现象,并代替人工预断铅实测试验获得大量声发射数据。然后,利用赤池信息准则判定声发射波到达各传感器的时间,通过高斯过程回归建立到达时差与声发射源位置的关系模型,用于未知损伤的定位监测。数值模型实验结果表明,赤池信息准则和高斯过程回归改进的时差图法在正交异性钢桥面板中的平均定位误差为37.3 mm(25 dB信噪比工况),平板的定位精度高于U肋。谱元法模拟有望代替繁琐的预断铅实测试验,提升声发射时差图系列损伤定位方法的实用性。     

粉末高速压制成形过程中的应力波分析

应用离散单元法,模拟了粉末高速压制成形过程中的压力传播过程.根据粉末高速压制成形的工艺特性,把一次压制过程分为弹性加载、塑性变形、弹性卸载三个阶段;基于离散单元法的基本理论,分别建立了三个阶段的控制方程;应用PFC2D软件对粉末高速压制过程模腔内部颗粒的运动状态进行了数值模拟,给出了压坯内部的压力分布,得出了实验中无法测量的压坯内部应力传播波形.数值模拟结果显示,压力作用曲线表现出明显的弛豫现象,形成了倾斜度不同的锯齿状加载波形和卸载波形,压坯底层的应力波与实验得到的应力波相符. 关键词： 高速压制成形 离散单元法 接触模型 应力波     

谱有限元数值分析各向异性复合板中导波色散特性

提出谱有限元方法研究层状各向异性复合板中导波的色散特性和波结构。基于三维弹性动力学方程,用有限元方法离散波导截面,波传播方向的位移用简谐波表示,得到了导波色散的特征方程。分析了单层和双层复合板中导波沿不同方向传播的色散特性和波结构,讨论了双层复合板中层厚比对相速度的影响。数值研究结果表明:导波的对称模态沿纤维方向传播时在较宽的频率范围内保持弱色散状态。双层复合板中导波基本模态的相速度在低频时受层厚比的影响较明显,随着频率的增加趋向于相速度较低的材料。数值模拟结果为导波用于复合材料定量无损检测和性能评价提供理论依据。      

谱有限元模拟正交各向异性黏弹性材料中导波传播特性

研究了导波在正交各向异性黏弹性复合板中传播的色散特性、波结构及功率流密度。基于二维平面运动方程,采用谱有限元方法得到了导波色散的特征方程。分析了正交各向异性黏弹性板中各向异性和黏性对能量速度和波结构的影响,以及基底对导波功率流密度的影响。数值研究结果表明:导波沿纤维方向传播的能量速度大,材料的黏性对速度影响较小,但会减小波结构的幅度;在高频时,基底的存在使两个基本模态的功率流密度分别集中到波导的上下表面,形成弱色散、高衰减及无色散、零衰减的表面波。数值模拟结果为导波用于复合材料定量无损检测和性能评价提供理论依据。      

谱元法数值模拟约束结构内炸药中应力波的传播

针对高速侵彻类战斗部在侵彻过程中的装药安定性以及在意外事故中的安全性问题,对约束结构内炸药在冲击加载下的应力波传播规律进行了模拟研究。计算了不同侵彻速度下弹体的冲击响应函数,并将具有高精度和低耗散特点的谱元法应用于约束结构内凝聚炸药中的应力波传播模拟;考虑炸药-金属界面的动摩擦特性,计算了冲击加载下由动摩擦引起的装药-壳体界面温升,以及装药内部的塑性功积累。成功地将谱元法应用于凝聚炸药中应力波传播过程的模拟,模拟结果对更准确地评估热点生成机制,以及进行装药安定性分析具有参考意义。