时域自适应算法求解弹性地基薄板的动力问题

为更精确地求解弹性地基薄板的动力响应,发展了一种分段时域自适应算法,通过变量在离散时段内的展开,将时空耦合的初边值问题转化为一系列递推的基于有限元(FEM)的空间问题求解,通过自适应计算保持稳定的计算精度。数值算例表明:本文解与解析解相比最大相对误差不超过3.59%;当步长较大时四阶Runge-Kutta法和Newmark法均失效,本文所提算法仍可得到满意的计算结果。     

基于有限元-时域分段自适应算法的围岩衬砌耦合渐进分析

以开挖时间、一衬时间、二衬时间划分时间区段,考虑围岩与衬砌为弹性/粘弹性介质,将围岩的“位移/应力释放不完全”、开挖等影响模拟为载荷的渐进释放,提出一个有限元-时域分段自适应算法,求解围岩衬砌耦合问题,并通过数值算例对算法进行了验证.所提方法给出了各时间区段的关联条件;可更准确描述各变量随时间的变化;同时将原时空耦合问题转化为一系列空间问题,并利用有限元方法递推求解;当步长变化时可通过自适应计算保证稳定的计算精度.此外,还建立了一个载荷渐进参数的反问题数值求解模型,并给出了相关算例.     

一个求解浅水波方程的时域分段展开算法

发展了一种时域分段展开自适应方法求解一维非线性浅水波方程。通过时域分段展开,将一个非线性的时空耦合初边值问题转化为一系列的线性空间边值问题,并采用有限元方法递推求解;通过展开阶数的递进,实现了分段时域的自适应计算,当不同步长时可保持稳定的计算精度。研究结果表明,当步长较大而Heun’s法、四阶Runge-Kutta法不能得到合理结果时,本文算法仍能保证足够的计算精度。     

带式浮桥在不同移动荷载作用下的动力响应分析

为分析浮桥上移动荷载的重量与移动速度对浮桥动力响应的影响,应用有限元方法将控制方程进行离散,得到系统的运动方程,通过编写相应的计算程序求解了浮桥的位移响应,并利用有限元软件对已求解出的位移响应进行后处理,分别得到了不带铰浮桥和带铰浮桥在不同荷载重量、不同荷载移动速度下的内力响应曲线.数值模拟结果表明:随着荷载重量和荷载移动速度的增加,浮桥的位移和应力也随之增加;当移动荷载的重量和移动速度相同时,带铰浮桥的应力比不带铰浮桥大得多,当230kN的荷载分别以1m/s、5m/s、10m/s、20m/s的速度移动到浮桥中点时,带铰浮桥的最大应力比不带铰浮桥分别大114%、117%、108%、111%.因此,将浮桥简化为连续梁用平均刚度法求解出位移响应后,不能直接求解应力,应当考虑铰对浮桥动力响应的影响,否则求解出的应力偏小,不利于浮桥安全系数的计算.     

基于有限元-时域分段自适应算法的围岩衬砌耦合渐进分析

以开挖时间、一衬时间、二衬时间划分时间区段,考虑围岩与衬砌为弹性/粘弹性介质,将围岩的“位移/应力释放不完全”、开挖等影响模拟为载荷的渐进释放,提出一个有限元-时域分段自适应算法,求解围岩衬砌耦合问题,并通过数值算例对算法进行了验证。所提方法给出了各时间区段的关联条件;可更准确描述各变量随时间的变化;同时将原时空耦合问题转化为一系列空间问题,并利用有限元方法递推求解;当步长变化时可通过自适应计算保证稳定的计算精度。此外,还建立了一个载荷渐进参数的反问题数值求解模型,并给出了相关算例。     

蚁群算法求解二维拉压不同模量反问题

利用光滑函数技术对二维拉压不同模量本构关系进行光滑化处理,采用初应力方法求解二维拉压不同模量正问题的有限元方程。在此基础上,建立了基于连续域蚁群算法的二维拉压不同模量反问题的数值求解模型,考虑了区域非均质的影响,实现了对拉压弹性模量和泊松比的单一/组合识别。通过两个数值算例,对所提算法进行了数值验证,分别探讨了蚁群算法相关参数、测点分布和数据噪音等对识别结果的影响。数值验证表明,所提算法可有效地求解二维拉压不同模量反问题,并具有较好的计算精度。     

梁长对移动荷载下梁响应影响研究

本文研究了梁跨长对移动荷载下梁稳态响应的影响.在以往的研究中,通常采用Galerkin方法或者有限元方法计算不同长度的梁的动力响应.当梁长的增加不再明显改变梁的动力响应时,可认为梁此时的长度可以代替无穷长时的情况.采用上述方法的研究表明,当梁长大于10 m时,就可以用有限长梁近似无限长梁的响应.本文通过求解有限长梁和无限长梁在移动荷载下的动力响应比较分析发现,上述结论在某些参数下并不成立.本文给出了能否使10m长梁来近似模拟无限长梁的具体判据.本文是对结构力学教材中梁结构振动计算问题的进一步分析和讨论,所得结论有助于更深入地理解移动荷载作用下有限长梁的响应以及梁结构影响线问题.     

桥梁结构移动平稳随机荷载识别新方法

移动的平稳随机荷载对简支梁的作用,相当于固定的调制函数已知的非平稳随机荷载对简支梁结构的作用.本文以此为基础,研究了移动平稳随机荷载的识别问题.首先基于虚拟激励法的思想,利用特征值分解及奇异值分解技术,由虚拟位移响应反演虚拟广义坐标,有效地避免了矩阵求逆,得到高精度的广义坐标谱;同时利用Wiener-Khintchine关系及Duhamel积分,由广义坐标谱值反演得到平稳随机激励谱密度.仿真算例表明,只要适当地选取参振振型及测点位置,本文方法可以有效地识别桥梁结构的移动平稳随机荷载.     

二阶非定常热传导反问题的多宗量辨识

引入Bregman距离构造同伦函数,建立了二阶非定常多宗量热传导反问题的一种求解模式,可对导热系数和边界条件等宗量进行识别.时域上采用精细算法,建立了便于敏度分析的有限元正/反演模型,对各宗量进行有效的组合识别.对信息测量误差和初值选取作了初步探讨,数值验证取得了满意的结果.     

移动的线源平稳随机荷载激励下梁的随机响应

利用广义Ｄｕｈａｍｅｌ积分和积分变换,研究了粘弹性Ｋｅｌｖｉｎ地基上无限长梁在运动的线源平稳随机荷载作用下的随机响应．发现此时梁的挠度响应为非平稳随机过程．通过引入随动坐标系,建立了有明确物理意义的随动谱分析方法,使随机位移响应在随动坐标系下成为平稳随机过程     

沙漠地貌演化过程的湍流大涡模拟研究

采用大涡模拟和混合粒径群体沙粒运动算法结合内置边界方法来模拟沙波纹与沙丘的演化和发展,在平坦沙区形成沙波纹的同时,在沙丘上同样也出现了沙波纹的结构,即沙波纹的发展出现了多尺度现象.此外,还分析了粒径对沙波纹与沙丘自身形态演化和发展的影响,以及沙丘对平坦沙区沙波纹形成发展的作用.     

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.     

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.      

适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型

基于近壁定常剪切应力假设,提出了一种新的适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型。通过引入壁面滑移速度,修正了线性速度剖面计算得到的壁面剪切应力,使之满足Werner-Wengle模型。将其应用于平板紊流和高Re数圆管紊流的数值模拟,对比采用和不采用壁面模型的结果得知,采用此模型的速度剖面与实验值吻合良好,验证了此模型的有效性。研究了不同欧拉/拉格朗日网格相对位置对结果的影响,证明了此模型具有较好的鲁棒性,以及可根据局部流动状态和网格精度自动开闭的特点。     

防风网透流风空气动力学特性大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立不可压缩粘性流体运动的大涡模拟模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,并引入浸入边界法(IBM)实现无滑移固壁边界条件,对雷诺数30~30000之间防风网透流风进行模拟研究。基于模拟结果,提出蝶型防风网透流风存在4个典型分区结构,流场中存在由蝶型形态引起的大尺度分层剪切流动,加强流体动能耗散。透流风在雷诺数300时发生层流至湍流的转捩,而在雷诺数增长至3000以上时,湍流充分发展,纵向流速脉动强度可达70%。防风网整体空气阻力远大于单个孔口射流阻力的线性叠加,射流间的相互作用以及大尺度的分层剪切结构大大增加流体阻力损失,这为通过优化孔口布置和网板形态来节省材料提供了科学依据。     

基于浸入边界法的鱼体自主游动的数值模拟

对游动或飞行生物自主运动特性的深入研究,可促进仿生学的进一步发展。本文以\"C\"型游动鱼作为研究对象,建立了自主游动的柔性鱼模型。此模型较为真实地反映了鱼自主游动时鱼体内力(由鱼体肌肉收缩提供)、鱼体运动和外界流体之间的耦合作用。基于传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界法对鱼的自主游动进行了数值模拟。分析了鱼自主游动启动阶段和巡游阶段流场特性及鱼体运动特征。模拟结果表明,受到鱼体自身组织结构和外界流场作用,鱼游动时通过呈\"C\"型和类\"S\"型的不断转换,以获取能量,实现鱼体自主游动。