冻土水热力耦合作用的数学模型及数值模拟

将冻土体视为空间弹性体,提出了土体在冻结过程中水分场、温度场、应力场三场耦合的一般数学模型,并给出了相应的离散方程及其解法,最后给出了数值算例,并与实测值比较,证明了该模型和算法的正确性。     

基于约束函数法的热力耦合有限元分析

分析了滑移接触条件下热力耦合现象,建立了热力耦合的有限元分析连续模型,提出了系统动力学平衡方程和热力学平衡方程。对系统中物体间的接触条件进行了分析,得到了物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件。应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组对热力耦合问题进行求解。实例表明,用约束函数法求解热力耦合问题,收敛性较好,算法稳定,计算结果能反映实际。     

热冲击下机械结构非线性热力耦合模型的建立

在热弹性耦合理论的基础上，考虑热冲击作用下弹塑性变形功的影响，建立了非线性热力耦合有限元模型。其中包括：基于能量守恒原理建立的非线性瞬态温度场模型；考虑几何非线性及材料非线性的位移场模型；求得改进应力场的最小二乘法模型。基于FEPG软件平台进行了实例求解，计算结果表明了此耦合模型的有效性。此模型的建立，拓展了热力耦合理论的应用范围，具有较高的工程实用价值。     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

常规螺杆泵定子有限元分析

螺杆泵定子橡胶不仅是易损构件，而且它与转子的配合状况对螺杆泵的工作性能影响显著。目前，还没有能够直接对实际工况下的定子橡胶的变形和受力状态进行测试的有效手段，因此对螺杆泵定子进行有限元分析自然是有益的尝试。重点研究定子橡胶衬垫内轮廓线的变形规律，而应力和应变分布情况仅作为辅助性的分析；对螺杆泵工况的考虑方面，重点研究均匀内压作用的情况，再考虑工作压差以及定子与转子的装配等所引起定子橡胶的变形和受力的变化。利用有限元分析软件Abaqus，对螺杆泵定子进行研究，得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律以及定子材料参数对变形规律的影响。利用此规律可对螺杆泵进行优化设计，提高其工作效率。     

基于常规态型近场动力学的热力耦合变形破坏分析

基于常规态型近场动力学(Peridynamics, PD)理论,考虑物质点之间的非局部热传导,采用拉格朗日坐标系下的欧拉-拉格朗日方程,推导出常规态型近场动力学热传导方程;结合热力学第一定律和自由能函数建立了常规态型近场动力学热力耦合方程。模拟了含单孔单裂纹和多孔多裂纹板的热传导问题以及典型混凝土构件的热致变形和热力耦合破坏问题,并根据模拟出的温度分布及裂纹扩展情况,验证了本文模型和方法的有效性。基于提出的模型进一步分析了含初始裂缝混凝土三点弯梁的破坏过程及温度梯度和初始裂缝位置对其的影响。将提出的PD热力耦合模型运用于混凝土材料,使PD理论与工程应用相结合。     

等壁厚螺杆泵脱胶机理数值模拟研究

等壁厚螺杆泵作为一种高效的人工举升装置已经被广泛地应用于采油工程中.相比于常规螺杆泵,等壁厚螺杆泵具有定子温胀溶胀均匀,运行稳定,举升效率高等优点.但是在实际工作过程中,等壁厚螺杆泵定子容易脱胶,导致定子失效.论文采用有限元数值模拟方法,建立螺杆泵三维动力学模型.通过模拟相同结构参数常规螺杆泵和等壁厚螺杆泵运行过程中的应力应变场、压力分布规律,对比分析发现由液压压差和定转子过盈接触引起的剪应力是造成等壁厚螺杆泵脱胶的主要因素.在此基础上研究了附胶率以及各模型参数对剪应力的影响规律.研究发现,考虑附胶率后,在井下复杂的工作环境下,剪应力会大幅增加,等壁厚螺杆泵定子容易发生脱胶.这些结果对等壁厚螺杆泵的优化设计具有指导意义.     

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

温度变化对钢结构动力学响应的影响分析

为了研究钢材料结构在同时受到压力和温度作用时的结构响应,利用热-力耦合结构动力学有限元程序,对不同物性参数随温度变化时的钢结构进行了动力学响应计算,并进行了对比分析.数值模拟结果表明,钢结构受到的应力会随着温度的变化而变化,温度较高时的结构响应计算需要考虑温度的影响,尤其是塑性硬化模型等参数变化时,结构响应会有较大的影响.     

针对注塑成型随形冷却的流热力耦合拓扑优化方法研究

注塑成型在塑料工业生产中占据重要地位,注塑模具的散热能力影响着塑料制品的生产效率以及产品质量.本文基于变密度拓扑优化方法,以最小化结构平均温度为目标,研究了注塑模具冷却管道的拓扑优化问题.由于在注塑成型过程中模具会受到注塑机施加的克服塑件胀模力的巨大锁模力,故本文还将模具结构承载性能作为优化的评价指标.最终基于开源平台...     

Research on solid-liquid coupling dynamics of pipe conveying fluid

I.IntroductionSolid-fluidcouplingvibrationproblemofpipesconveyingfluidarepresencegenerallyinthedomainofastronomic,energysources,chemicalindustryetc..Notonlytheoreticallytheproblemhaswideresearchvalue,butpracticallytheproblemhaswideengineeringbackground.Therefore,itisimportantreseachproblemihsciencedomainspang.Thefirstrightequationofsolid-liquidcouplingvibrationofpipeconveyingfluidwaspiovidedbyG.W.Housner,andV.Y.Feodosievil'2].Thebasicfrequencycharacteristicofpipesconveyingfluidwasstudiedre…     

混凝土输送泵车臂架系统流固耦合振动分析

针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输送管流固耦合理论的研究成果,提出了基础有平动位移的悬臂输送管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程.采用有限单元理论建立混凝土泵车臂架系统的流固耦合运动微分方程.选取混凝土流速U=2.265m/s和不考虑混凝土流动进行对比仿真分析后发现:两者臂架振动响应均值相同;但稳态时两者振动幅值比值最大,接近2;而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,这说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著.结合Matlab仿真分析与Ansys三维有限元模型,模拟计算出了臂架结构动应力,对比测点应力测试结果与模拟计算结果,两者应力历程变化趋势相似,应力值较接近,最大差异小于20MPa,验证了仿真模型的合理性.     

A DOMAIN DECOMPOSITION ALGORITHM WITH FINITE ELEMENT-BOUNDARY ELEMENT COUPLING

A domain decomposition algorithm coupling the finite element and the boundary element was presented. It essentially involves subdivision of the analyzed domain into sub-regions being independently modeled by two methods, i.e., the finite element method (FEM) and the boundary element method (BEM). The original problem was restored with continuity and equilibrium conditions being satisfied on the interface of the two sub-regions using an iterative algorithm. To speed up the convergence rate of the iterative algorithm, a dynamically changing relaxation parameter during iteration was introduced. An advantage of the proposed algorithm is that the locations of the nodes on the interface of the two sub-domains can be inconsistent. The validity of the algorithm is demonstrated by the consistence of the results of a numerical example obtained by the proposed method and those by the FEM, the BEM and a present finite element-boundary element (FE-BE) coupling method.     

Nonlinear coupling modeling and dynamics analysis of rotating flexible beams with stretching deformation effect

Dynamic coupling modeling and analysis of rotating beams based on the nonlinear Green-Lagrangian strain are introduced in this work. With the reservation of the axial nonlinear strain, there are more coupling terms for axial and transverse deformations. The discretized dynamic governing equations are obtained by using the finite element method and Lagrange’s equations of the second kind. Time responses are conducted to compare the proposed model with other previous models. The stretching deforma...     

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

NEW ALGORITHM OF COUPLING ELEMENT-FREE GALERKIN WITH FINITE ELEMENT METHOD

IntroductionMeshless methods, as a special numerical method, originated from1970s. Since thediffuse element method was proposed by Nayroleset al.[1]in1992, the meshless methodshave received wide attentions in the mechanics area, and have shown obvious adv…     

LBM-DEM四向耦合喷动床内介尺度模拟与分析

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于气固两相流流动的LBM-DEM四向耦合模型,对单孔射流喷动床中颗粒的流动进行数值模拟。其中,气相采用修正的格子玻尔兹曼方法,颗粒相采用离散单元法,流固之间受力的双向耦合基于牛顿第三定律,颗粒与颗粒及颗粒与壁面的受力双向耦合采用软球模型。模拟得到了流化过程、颗粒与气体的速度分布、床层膨胀高度变化以及床宽对流化过程的影响。结果表明,喷动床内存在强烈的内循环,床宽增加导致颗粒运动能力减弱,射流速度增加使颗粒运动更加剧烈,床层膨胀高度增加。     

考虑耦合质量影响的饱和多孔介质动力响应分析的显式有限元法

根据Biot饱和多孔介质动力方程,采用解耦技术,提出了考虑耦合质量Pd影响的饱和多孔介质中动力响应分析的显式有限元法。文中建立并推导了显式有限元的公式,编制了相应的计算程序并进行了实例计算。计算结果与解析解进行了对比,两者符合很好,表明本文方法是处理饱和多孔介质动力问题的一种有效方法。文中还分析了耦合质量ρa对固相和液相动位移的影响。     

Electro-mechanical coupling analysis of MEMS structures by boundary element method

In this paper, we present the applications of Boundary Element Method (BEM) to simulate the electro-mechanical coupling responses of Micro-Electro-Mechanical systems (MEMS). The algorithm is programmed in our research group based on BEM modeling for electrostatics and elastostatics. Good agreement is shown while the simulation results of the pull-in voltages are compared with the theoretical/experimental ones for some examples. The project supported by the 973 Program (G199033108) and the national Natural Science Foundation of China (10125211)