计算机软硬件配置对有限元计算速度和精度的影响

针对有限元模拟,如发展板材轧制快速有限元计算对计算精度和计算速度的不断提高,研究了快速发展的计算机软硬件条件对计算速度和计算精度的影响.自行开发了板材轧制刚塑性有限元程序,选用了1台工作站和4台不同硬件配置PC机,装有三种常用操作系统windows,Linux,IRIX,分析了计算机软硬件对板材轧制有限元计算精度如轧制力和前滑,和对计算时间和迭代次数的影响.提出了有限元计算的合理计算机配置,为有限元模拟计算机配置的选择提供参考,并为板材轧制高精度的快速在线计算提供计算机软硬件平台.     

裂纹快速扩展的瞬态振动特性和响应计算模型

本文研究裂纹快速扩展的动力特性,特别是裂纹扩展速度的规律.主要考虑在裂纹扩展量不很大的情况(如冲击载荷下裂纹快速扩展的情况)下,将裂纹快速扩展-止裂过程作为一种瞬态振动问题求解,而通过能量相当(等效)的原则与断裂力学基本概念(断裂准则等)相联系.计算模型的主要假设是:在裂纹快速扩展过程中,断裂能的消耗用等效的阻尼能来表达.经过近似处理,最后归结为求解有阻尼的单自由度非线性系统在初位移下的瞬态响应计算问题.以DCB试件为例说明计算程序,并给出实例计算结果与实验结果和其他工作的比较.用涡流检测法记录裂纹快速扩展的全过程,以提供实验数据。计算结果与各种实验结果符合较好,初步证明所用的计算模型的有效性,可以作进一步的推广研究以及用于更复杂的问题.     

二维正交各向异性位势问题的高阶单元快速多极边界元法

研制了一种适用于二维正交各向异性位势问题的高阶单元(线性单元和二次单元)快速多极边界元法.在快速多极边界元法中,源点对于远场区域的积分采用快速多极展开式计算,而对于近场区域的积分则直接进行计算.高阶单元的使用使得近场积分,尤其是奇异积分和几乎奇异积分的计算更加复杂.通过引入复数表达对其进行简化,若边界采用线性单元插值,...     

弹性动力学高阶核无关快速多极边界元法

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nystr?m 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nystr?m 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nystr?m 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.      

结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法

提出了一种基于自适应Metropolis算法和快速高斯变换技术的结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法. 该方法首先利用自适应Metropolis算法高效生成结构失效域样本, 然后运用自适应宽核密度估计方法构造重要抽样密度函数, 最后采用快速高斯变换加速重要抽样过程中核函数的计算. 与传统方法相比, 自适应Metropolis算法能够在相同计算量下提供更多结构失效域信息从而改善计算精度, 即为求得给定精度问题的解, 可有效减少样本生成过程中的结构分析次数, 提高方法的计算效率; 快速高斯(Gauss)变换大幅降低核密度估计的计算复杂度从而大幅缩减重要抽样的计算耗时. 通过数值算例可以看出该方法具有较高的计算精度和效率.      

A HIGH ORDER KERNEL INDEPENDENT FAST MULTIPOLE BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR ELASTODYNAMICS

基于核无关的快速多极方法, 发展了一种弹性动力学问题的快速、高精度边界元分析方法. 采用基于二次曲面单元的Nyström 离散, 将边界积分方程转化为求和形式, 可以方便地进行加速计算;由于采用二次元, 边界元分析精度很高. 将一种新型快速多极方法用于Nyström 边界元法的加速计算, 该方法的数值实现简便、不依赖于积分方程基本解的表达式, 因此通用性很好;该方法还具有最优的计算量和存储量、精度高且可以控制. 结合Nyström 边界元系数矩阵和快速多极方法转换矩阵的特点, 提出一种大幅度降低边界元内存消耗的策略. 数值结果表明, 该方法无论在分析精度, 还是计算速度和内存消耗上, 都大大优于同类方法, 是一种快速、通用的工程弹性动力学问题大规模数值分析方法.     

复合材料层合板波动特性分析的一种快速计算方法

将径向点插值方法应用在结构波动特性的快速分析中.在波数与方位角构成的二维参数空间中,通过初始规则节点布点和梯度自适应过程,对表征结构波动特性之一的群速度进行了插值计算,并把插值计算的结果与直接计算的结果进行比较,通过误差分析验证了径向插值方法在结构波动特性的快速计算中的有效性.     

并行加速的局部变分迭代法及其轨道计算应用

为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求,近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法.积分修正类方法有可并行计算的特点,然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制,无法充分发挥其可并行加速的优势.此外,合理的计算参数通常难以预先确定,也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现.针对以上问题,利用积分修正类方法可并行计算的特点,提出了并行加速的局部变分迭代法PA-LVIM,通过将传统局部变分迭代法LVIM的并行计算量均摊到多个计算节点上,显著提高了计算速度.此外,还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数,进一步发挥了其大步长快速计算的优势.求解了三个经典的轨道递推问题,仿真结果表明, PA-LVIM的加速效果明显,且经打磨法优化计算参数后,其计算效率又进一步得到提高,将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上.     

一种基于壳单元的自动快速计算方法及其在结构设计中的应用

提出一种自动快速计算方法实现壳结构设计中多参数大规模问题的快速计算。该方法将参数域离散技术、显式参数化有限元技术和子空间构造技术通过自动快速计算流程联系起来,提高了快速计算方法的可操作性,改变了常规快速计算方法的流程。同时,通过误差控制实现对子空间的实时更新,在提高快速计算方法的精度的同时减少计算成本。该方法在车身结构...     

多层迭代法及其在材料非线性有限元法中的应用

本文对于迭代法提出一种基本思想类似于多层网格法的快速算法——多层迭代法,并把它初步应用于材料非线性的有限元计算中.计算实例表明:这种方法在加速迭代收敛,减少迭代次数及缩短计算时间上具有良好的效果.     

Integral form of the skin friction coefficient suitable for experimental data

An integral method to evaluate skin friction coefficient for turbulent boundary layer flow is presented. The method replaces streamwise gradients with total stress gradients in the wall-normal direction and is therefore useful in cases when measurements at multiple streamwise locations are not available or feasible. It is also shown to be especially useful for experimental data with typical noisy shear stress profiles such as rough-wall boundary layer flows for which there are limited ways by which skin friction can be determined.     

Approximate solution of the problem of the three-dimensional boundary layer in an incompressible fluid

A method of successive approximations is proposed for the solution of the equations of the three-dimensional incompressible boundary layer on bodies of arbitrary shape. A coordinate system connected with the streamlines of the external nonviscous flow is used. It is assumed that the velocity across the external streamlines is small. When the intensity of secondary flow is low the equations describing the boundary layer in an incompressible fluid are reduced to a form analogous to the equations for the boundary layer on axially symmetrical bodies. An approximate analytical solution is obtained for the velocity and for the friction in the form of equations which can be used for any problems of a three-dimensional incompressible boundary layer. The method developed was applied to the problem of the three-dimensional boundary layer at a plate with a cylindrical obstacle in the presence of a slip angle.     

附面层修正应用于无网格算法的研究

研究了无网格算法中的附面层修正方法,在一种布置点云方法的基础上,发展一种曲面拟合的重构方式构造流场物理量;找出了无网格算法与网格算法之间的联系,成功将AUSM＋-up格式移植到无网格算法当中,并应用于计算欧拉方程的数值通量;计算中采用了一种改进的隐式时间推进,并引入当地时间步长和残值光顺等加速收敛措施,成功的将附面层修...     

A Chebyshev matrix method for the spatial modes of the Orr–Sommerfeld equation

The Chebyshev matrix collocation method is applied to obtain the spatial modes of the Orr-Sommerfeld equation for Poiseuille flow and the Blasius boundary layer. The problem is linearized by the companion matrix technique. For semi-infinite domains a mapping transformation is used. The method can be easily adapted to problems with boundary conditions requiring different transformations.     

宽速域下神经网络对雷诺应力各向异性张量的预测

基于Pope修正的有效黏度假设,张量基神经网络(tensor based neural network,TBNN)构建了从雷诺平均方程湍流模型(RANS)的平均应变率张量和平均旋转率张量到高精度数值解的雷诺应力各向异性张量的映射.将高精度数值解用于TBNN的训练,从而使TBNN根据RANS求解的湍动能、湍流耗散率和速度...     

迎风通量差分分裂法对边界层特性的数值模拟

迎风通量差分分裂法作为一种高效率的数值方法,已被广泛地用于模拟各种复杂流场,但用这类方法模拟有边界层存在的超音速粘性流场时,必须保证通量差分分裂为守恒的;否则,将在边界层内引入一个可观的虚假人工扩散项和压力梯度项,歪曲了边界层特性。本文就这个问题进行理论和数值的研究。     

Mechanism of compressor airfoil boundary layer flow control using nanosecond plasma actuation

The flow control effects of nanosecond plasma actuation on the boundary layer flow of a typical compressor controlled diffusion airfoil are investigated using large eddy simulation method. Three types of plasma actuation are designed to control the boundary layer flow, and two mechanisms of compressor airfoil boundary layer flow control using nanosecond plasma actuation have been found. The plasma actuations located within the laminar boundary layer flow can induce a small vortex structure through influencing on the density and pressure of the flow field. As the small vortex structure moves downstream along the blade surface with the main flow, it can suppress the turbulent flow mixing and reduce the total pressure loss. The flow control effect of the small vortex structure is summarized as wall jet effect. Differently, the plasma actuation located within the turbulent boundary layer flow can act on the shear layer flow and induce a large vortex structure. While moving downstream, this large vortex structure can suppress the turbulent flow mixing too.     

迎风通量差分分裂法对边界层特性的数值模拟

迎风通量差分分裂法作为一种高效率的数值方法,已被广泛地用于模拟各种复杂流场,但用这类方法模拟有边界层存在的超音速粘性流场时,必须保证通量差分分裂为守恒的;否则,将在边界层内引入一个可观的虚假人工扩散项和压力梯度项,歪曲了边界层特性。本文就这个问题进行理论和数值的研究。     

Interferometry and reconstruction of strongly refracting fields in two-dimensional boundary layer flow

 Optical methods like interferometry as non-intrusive experimental techniques are used for fine analysis of flowfields. The accuracy of the measuring method is very important for the applicability of its results to CFD validation. A common evaluation method to reconstruct interferograms is based on the assumption, that the object ray propagates along a straight line. But the strong bending of rays that occurs, e.g. in supersonic boundary layer flow, cannot be neglected without losses in reconstruction quality. Since the reconstruction of a two-dimensional boundary layer flow can be considered as an one-dimensional problem, the phase difference of the object and reference ray at the interferogram can be related analytically to the refractive-index distribution using a Taylor series expansion. The resulting interferometric equation is an ordinary non-linear second-order differential equation, which can be integrated by numerical methods. By application of this interferometric equation on the one hand, the error in the “classical” interferometry resulting from the ray bending neglection can be estimated. On the other hand, the accuracy in evaluation of interferograms of two-dimensional boundary layer flow can be improved by solving this equation. Received: 23 May 1996 / Accepted: 21 September 1996     

二维边界层方程的迭代求解

针对二维边界层方程,提出了分析积分迭代法.首先将该方法应用于Blasius方程和Falkner-Skan方程的求解,数值计算结果稳定,计算精度高;然后对外部有势流不能达到自相似要求、必须二维求解的二维层流边界层问题,在分析积分迭代法中加上计算力学的松弛迭代法,形成了一套有效的算法.数值结果表明该方法用于层流边界层的计算是很有效的.