非线性随机延迟微分方程Heun方法的数值稳定性

本文讨论一般非线性随机延迟微分方程Heun方法的数值稳定性,证明了如果问题本身满足零解是均方指数稳定和均方渐近稳定的充分条件,则当方程的漂移项进一步满足一定的条件时,Heun方法是Ms.稳定的,带线性插值的Heun方法是均方指数稳定的和GMS-稳定的理论结果.文末的数值试验进一步验证了所得的相关结论.     

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算.首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响.数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大.随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似.中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大.随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大.另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主.随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形.在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状.最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.     

颗粒离散元模拟堆积碎石土变形的参数灵敏度分析

采用颗粒离散单元方法,实现任意形状块石的模拟,基于室内试验数据标定滑坡坡体物质的堆(残、坡)积碎石土的细观参数,并考虑试样尺度效应,对影响堆积碎石土宏观变形特征的细观参数进行虚拟试验敏感度分析。研究表明,1以三轴剪切试验获得测试数据并标定颗粒离散元细观参数具有相对误差在5%以内的可靠性;2虚拟模型1(101mm×200mm)与模型2(300mm×600mm)对标定的细观参数具有尺度效应,但其相对误差控制在9%以内;3离散元颗粒间的摩擦系数与碎石土的内摩擦角、抗剪强度及残余强度为非线性正相关,摩擦系数每增加0.1,峰值主应力差平均增加118.85kPa,残余强度平均增加90.44kPa;4围压越大,材料的剪胀性越弱,围压在100kPa~500kPa时,剪胀特征值K在3~6之间变化,随着围压增加,模型破坏时的粘结力以近线性增加;5杨氏模量越大,碎石土的抗剪强度越大,但两者之间并不成线性关系,且不同杨氏模量对材料的残余强度没有显著影响。     

代数多重网格方法在紊流数值预测中的应用

机械和矿山工程中广泛使用锥形渐扩管。将DLR型k-ε紊流模型中非线性偏微分方程基于全隐式高精度迎风差分格式离散,得到差分方程的系数矩阵为五对角块十三对角带状稀疏矩阵,基于一种"三元组"方式进行压缩存储,节约内存。提出了一种基于DLR型k-ε紊流模型与代数多重网格方法结合的新算法,阐述了代数多重网格方法的实施过程。对具有逆压梯度流动的锥形渐扩管内紊流进行了数值预测。数值实验表明,代数多重网格方法对求解紊流模型离散方程组非常有效,同此前该紊流数值模拟中使用的Point-SOR方法相比,计算效率有了显著提高,计算结果与实验结果吻合较好。     

三维弹性问题高次有限元方程的代数多层网格法

有限元法是数值求解三维弹性问题的一类重要的离散化方法,高次有限元又是其中的一类常用有限元。由于高次元对问题具有更好的逼近效果及具有某些特殊的优点,如能解决弹性问题的闭锁现象(Poisson’s ratio locking),使得它们在实际计算中被广泛使用。但与线性元相比,它具有更高的计算复杂性。通过分析高次有限元空间与线性有限元空间之间的关系,提出了一种求解三维弹性问题高次有限元方程的两水平方法,然后,通过调用现有的代数多层网格法求解粗水平方程,建立了求解高次有限元方程的AMG法。数值实验表明,本文设计的AMG法对求解三维弹性问题高次有限元方程具有很好的计算效率和鲁棒性。     

弱不连续问题高阶有限元离散系统的GAMG法

弱不连续问题(如含夹杂问题)是固体力学计算中的一类重要问题。高阶有限元方法由于其具有更好的逼近效果,是确保数值解在界面保持较高精度的计算方法之一。但与线性元相比,高阶单元需要更多的计算机存储单元,具有更高的计算复杂性。本文利用两水平算法的思想,将高阶有限元离散系统化归于线性元离散系统的求解,为弱不连续问题高阶有限元离散系统设计了一种新的基于几何与分析信息的代数多重网格(GAMG)法,并应用于圆形求解域含单夹杂问题的高阶有限元离散系统的求解。数值试验结果表明,相比于常用GAMG法,新方法的迭代次数基本不依赖于问题规模、单元阶次以及杨氏模量的间断性,CPU计算时间得到明显改善,具有更好的计算效率和鲁棒性,可大大提高弱不连续问题有限元分析的整体效率。     

双向密肋楼盖ANSYS数值模拟及力学性能研究

钢筋混凝土双向密肋楼盖是适用于工业民用建筑较大跨度楼盖的理想结构形式之一.至今为止针对密肋楼盖的研究较少.为了了解整个变形过程,预测其破坏形式,采用ANSYS对其力学性能进行非线性有限元数值分析.楼盖采用整体式建模,为了减少计算量,取结构模型的四分之一部分参数化,对四块双向密肋楼盖和一块平面尺寸相关的实心双向平板进行数值模拟,五块楼盖均为简支、中点受集中荷载作用.得出两种板的荷载-挠度曲线、裂缝分布,其模拟结果与试验结果吻合比较好;同时发现双向密肋楼盖与实心板的破坏机理十分相似,实心板的挠度比密肋楼盖发展快,实心板在开裂以后挠度迅速发展直至破坏,密肋楼盖在开裂后,随荷载增加,挠度发展较慢,荷载-挠度曲线接近直线,表明密肋楼盖的整体性很好,刚度大,变形小,受力性能明显优于实心板.同时在四块密肋楼盖的全边长尺寸相同的情况下,改变板区格数从5×5到11×11,板的承载能力提高了约1.38倍.在加载前期,ANSYS计算所得的中点挠度略大于实验值,后期稍小于实验值,表明模拟结果与实际承载情况中的整体刚度相当.     

上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.      

竖向集中力作用下水平悬链线构形和张力的计算及试验验证

悬链线理论提出以来,广泛应用于电线架设、桥梁悬索和海洋拖曳等领域。目前,悬链线理论应用中主要是考虑竖向向下荷载及水平荷载作用下的工况,对于竖向向上荷载这一工况的研究却没有。本文基于补充几何假设,使悬链线问题求解更简单。从水平悬链线受均布及竖向向上荷载这一工况出发,建立了竖向集中力和均布荷载共同作用下悬链线所满足的非线性方程组。采用半显示解法对其求解,获得了悬链线构形及线内水平张力随悬链线水平距离、集中力大小和作用位置不同的变化规律;对非线性方程组求导,证明了水平张力取得极小值的条件,并给出悬链线构形对称性所需满足的条件。为了证明理论的正确性,采用不锈钢圆环链条材料进行静力构形及张力测试。结果表明,当竖向向上集中力作用在悬链线中点且大小为悬链线均布荷载的一半时,线内水平张力取得极小值,集中力作用点与悬链线两端点处于同一水平线上,此时悬链线两端水平约束力最小,受力状态最优。     

基于均匀荷载面曲率的简支裂纹梁损伤识别

为了采用模态参数对结构裂纹进行定位与定量,基于集中柔度模型,采用无质量的扭转弹簧模拟裂纹,建立简支裂纹梁的振动微分方程。针对现有柔度曲率指标仅能判断裂纹的大致范围,基于线性插值理论,建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系,提出裂纹进一步定位公式,实现裂纹位置的精确定位。针对现有大多数损伤识别方法无法实现裂纹的损伤定量,基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系,理论推导了均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法,基于弹簧串联原理和线刚度思想,首次提出串联等效线刚度模型,建立裂纹深度与均匀荷载面曲率的关系,实现裂纹深度的定量。通过简支裂纹梁数值算例,考虑多裂纹的损伤情况,验证了新方法对裂纹定位与定量的有效性。