王永辉[1]1990年在《流体与结构相耦合系统的有限元法研究》文中提出本文主要研究由理想可压的流体区域和线弹性的结构区域所构成的流体与结构相耦合系统，对其系统中的若干基本问题进行了分类处理，在此基础上通过粘性项来考虑流体阻尼，而结构阻尼则考虑为Rayleigh阻尼。在经过对用于耦合系统分析的三种基本有限元格式进行讨论和比较，指出了它们各自的优缺点之后，选择位移——位移格式有限元法作了较深入的分析研究。 在本文中，给出了程序直接实现法、罚函数单元法和混合单元法等三种界面对接实现方法，它们能够有效地实现耦合系统中的交界面对接；给出了预条件处理的Lanczos算法，明显地提高了在耦合系统分析过程中可能出现的病态矩阵迭代求解的收敛速度；由罚函数原理引入无旋约束，提出在系统模态中识别流体漩涡模态的差分方法，并用外推法求出系统的真实频率值，还讨论了无旋罚数值在系统分析中的具体选择及其对数值解的影响。 通过对流体位移单元特性的分析，指出一部分常用单元存在仿形能力差以致在求解耦合系统时流体域中出现变形“伪能”，提出了改善单元的插值函数和引进单元降阶／选择技巧等克服这种缺陷的措施，并给出了一种经过改进的具有高仿形能力的流体四节点非协调单元，用位移型有限元法高精度地求得了在流体域中结构振动频率和模态与在平面和回转壳柔性腔内流体晃动频率和模态。 对于流体有限扰动时的非线性耦合系统的有限元分析作了一些探讨，给出了非线性系统的基本方程、变分原理及有限元方程，并具体地导出了三维几何非线性流体单元的切线刚度公式，采用增量形式的Newmark预报——校正逐步积分法计算系统的动力响应，由Newton-Raphson迭代法及其修正方法求解系统的非线性方程组，还列出了不平衡力余量检查和位移迭代增量检查等迭代收敛判断准则。 本文最后列举了由作者编制的FSAP所完成的一部分计算实例，包括静力耦合问题分析、耦合系统的固有摸态分析、线性与非线性的有阻尼耦合系统的动力响应计算等，并同有关的解析解及其它方法解作了详细的对比，结果表明本文中给出的数值计算方法和所编程序都是可靠的和行之有效的。
冯海全, 仇洪然, 刘佳, 王永刚[2]2017年在《永久性腔静脉滤器的生物力学和血流动力学性能分析》文中研究说明为了减少血管壁的损伤和滤器断裂的可能性,利用有限元法与计算流体动力学的方法,分析永久性腔静脉滤器在植入过程中与血管的相互作用机理及对血流的影响。应用Solid Works软件建立3种相同过滤杆数不同支撑单元连接体结构及3种相同支撑单元连接体结构不同过滤杆数的滤器;应用ABAQUS软件模拟分析6种滤器在工作状态下血管与滤器表面上的应力分布以及径向支撑刚度;应用FLUENT软件模拟分析6种滤器在血管内工作时的血流压力分布,流速分布,切应力分布。结果表明,永久性滤器支撑单元数量对出口速度、滤器植入后前后压差、过滤网上的切应力峰值影响较显著;支撑单元连接体结构,对滤器工作时应力峰值、血管壁应力峰值、支撑刚度及壁面切应力影响显著;永久滤器具有较好的血流动力学效果和较好的综合力学性能,潜在地降低滤器植入后对血管壁的损伤及本身破裂的可能性,腔静脉滤器的模拟分析为滤器的设计和临床选择提供良好的参考依据。
黄文俊[3]2007年在《汽轮机自带围带叶片动力特性有限元分析》文中进行了进一步梳理本文研究大型汽轮机自带围带叶片的振动特性,着重论述自带围带叶片的减振机理、影响减振效果的因素及其在运行过程中形成整圈自锁的条件。作为工程实例,将国产1029mm叶顶自由叶片改型为自带围带叶片,以三维实体单元模化复杂叶型,采用三维有限元方法,对改型叶片及整圈自锁叶片的动静力特性进行了理论分析和数值计算。在集中参数模型分析方面,建立了单自由度模型,在该模型中考虑了围带接触面正压力N_0、接触刚度k d、摩擦系数μ、与周向的夹角α、激振力幅值F_0对自带围带叶片减振特性的影响。其中,参数α的考虑是对已有模型的重要改进。参数α对阻尼围带的减振效果具有较大影响,合理地选取参数α可使阻尼围带的减振效果达到最佳。在叶片建模方面,针对叶片变截面、大扭曲度、各特征截面型线为复杂曲线,不能用常规的初等曲线来描述的特点,提出了基于NURBS造型理论的叶片三维实体造型方法,对实例叶片进行了三维实体造型,利用三维实体模型并借助有限元方法来分析长叶片的动静力特性,改进了长叶片动静力特性分析方法。在叶片动静力特性有限元分析方面,借助有限元分析软件ALGOR,研究了转速、围带工作面间初始间隙δ、与周向的夹角α对叶片扭转恢复角及围带接触紧度的影响;对自由叶片、整圈自锁叶片的固有频率、振型进行了计算分析,绘制了共振转速图(Campbell图),并考核了整圈自锁叶片在2850~3090r/min范围内是否存在节径数m≤6的“三重点”共振,对机组的安全运行具有实际的指导意义;提出改进的摩擦模型解决计算过程中收敛困难的问题,研究了自带围带叶片的动态响应,得出围带间存在最佳初始间隙,并确定了关键参数的取值范围,为自带围带叶片的优化设计提供了依据与可借鉴的方法。本文研究成果为汽轮机叶片动静力特性的研究提供了有效的数值方法,对我国汽轮机自带围带叶片的研制和改型设计有着重要的工程应用价值。
刘志勇[4]2003年在《摩托车车架有限元模型及其动态特性分析》文中提出随着全球市场和全球制造的形成，我国摩托车工业自主创新开发能力差、技术水平低下的现状正面临强有力的竞争和严峻挑战。面对世界经济全球化的大趋势和入世后新的市场环境，要想在国际社会中更好地参与市场竞争，实现摩托车技术的可持续发展，真正成为世界摩托车业的工业基地，就必须把握摩托车技术发展动向，不断开发新的产品，提高产品的档次，以满足市场多样化的需求。其中，尤以提高摩托车的性能和乘座舒适性最为关键。因此，解决长期困扰我国摩托车制造企业产品质量瓶颈的摩托车振动问题已成当务之急。本文主要采用有限元法对摩托车车架的振动特性进行分析，通过模态分析及谐响应分析，对车架的动态特性有了深入系统的了解，为解决摩托车的振动问题提供了重要的依据，具有一定的理论意义和重要的实用价值。论文的主要研究工作如下：① 分析研究车架的边界条件和结构特性，并用壳、管等单元对该车架进行离散，建立一种切实有效的车架有限元模型；② 对该车架的有限元模型进行模态分析，求得其的固有频率和振型，并对车架的动态特性做出初步评估，分析可能引起车架振动的固有频率；③ 在模态分析基础上，研究发动机输出的简谐力引起的车架位移响应(即谐响应分析)，以考察摩托车车架各部位的振动情况并与模态分析对比，分析是否与该车架的固有频率相耦合而导致共振；④ 在深入研究车架的模态分析及谐响应分析、清晰地认识了摩托车车架动态特性的基础上，分析并提出了采用橡胶减震器对车架进行隔振的减震方法。
付振东[5]2010年在《非均质饱和多孔介质准静态行为分析的耦合多尺度及耦合升尺度有限元法》文中研究表明在科学研究和实际工程当中,我们遇到的许多问题都具有非均质以及多尺度的性质,如地下水在非均质地层介质中的渗流、复合材料中的热传导、非均质材料在外部载荷作用下的变形等。使用常规数值算法在解析介质非均质性的细网格模型上求解这些问题时,常常会由于自由度数太大导致计算量过大而遇到困难。因此,人们发展了许多种多尺度和升尺度算法,用以在适合进行数值分析的粗网格模型上求解这些问题,如多尺度有限元法(MSFEM)以及各种升尺度算法等。如今对这类算法的研究已经形成了一个广泛的研究领域。与此同时,在常见的实际工程问题当中,多种物理现象常常是耦合在一起的。以地下水、石油、天然气等资源的开采和地面高大建筑物的压力等因素造成的地面沉降为例,岩土介质的变形通常伴随着孔隙流体的流动、热量和物质的传输、污染物的传输以及各种物理与化学反应等现象。此类问题的控制方程往往具有多相多场耦合特征,使用传统数值算法求解时,由于非均质及多尺度特性的存在,为了获得有意义的解,需要在反映非均质性质的细尺度模型上求解,这将导致此类耦合问题求解的计算量和存储需求过大,乃至无法求解。多尺度分析方法是解决此类问题的一种有效方法,到目前为止,国内外已发展了多种求解单一物理场问题十分有效的多尺度或升尺度算法；然而,对于多相与多物理场耦合作用问题,由于问题的复杂性,其多尺度计算方法方面的成果还相对较少,发展求解大规模非均质多相多物理场耦合问题的多尺度或升尺度计算方法仍是需要深入研究的课题,相关研究工作具有重要的理论意义与工程应用价值。为了实现这一目的,本文发展了耦合多尺度、扩展多尺度以及耦合升尺度有限元法求解框架,在便于进行数值模拟的粗网格模型上求解工程中常见的大规模非均质流固耦合问题。与常规数值算法相比,应用这三种数值算法求解非均质耦合问题时,可以较大程度地降低计算量,减少存储需求。首先,本文发展了耦合多尺度有限元法(CMSFEM)用于在粗网格模型上求解非均质饱和多孔介质在外载荷作用下的变形与固结问题。在CMSFEM中,基于多尺度有限元法(MSFEM)的基本思想,构建了饱和多孔介质流体相多尺度基函数,与MSFEM不同,CMSFEM还构建了在粗网格单元上用于固相位移场插值的多尺度基函数；在此基础上,采用超样本技术来提高多尺度基函数的计算精度。在所构造的基函数的基础上,非均质多相耦合问题细网格有限元模型就可以转化为粗网格模型进行求解,在这一方法中,非均质饱和多孔介质各非均匀参数场如渗透率、弹性模量、密度、孔隙率等,均得到了考虑。本文给出了多个数值算例,并与传统有限元法在细网格模型上求得的结果进行了比较,结果显示,耦合多尺度有限元法可以被成功地用来求解非均质流固耦合问题,与传统有限元法相比,极大地降低了存储需求和计算量。其次,本文发展了扩展多尺度有限元法(EMSFEM)作为在粗尺度模型上求解非均质问题的一般性多尺度算法。算法中构建了新型的固相位移场多尺度基函数,使用超样本技术为多尺度基函数建立振荡边界条件,对处于模型边界上的粗网格单元,采用修正的超样本技术形成超样本单元；在多尺度基函数中,通过引入不同方向位移之间的耦合作用项,使得多尺度单元成为混合插值型单元,提高了多尺度基函数对材料非均质特性.的模拟能力,大大提高了传统多尺度有限元法的计算精度。文中给出多个算例,并与传统有限元法进行比较,结果显示,作为求解非均质问题的一般性多尺度算法,扩展多尺度有限元法可以被成功地用来求解单相非均质介质以及非均质饱和多孔介质固结问题,与传统有限元法相比,在保证一定计算精度的同时,降低了计算量和存储需求。最后,本文发展了耦合升尺度有限元法(CUFEM)用于在粗网格模型上求解非均质饱和多孔介质在外载荷作用下的变形与固结问题。它同样也是一个求解多场耦合问题的的有效算法,本文使用CUFEM求解非均质饱和多孔介质的固结问题以说明其基本求解过程。在CUFEM中,首先求解非均质饱和多孔介质粗网格模型上的每个粗网格单元计算的等效渗透率张量和等效弹性模量张量,并进一步利用超样本技术提升等效参数的计算精度。在粗网格单元宏观矩阵的计算过程中,使用常规有限元形函数在粗网格单元上进行数值积分的方法来考虑非均质标量参数场所带来的非均质性,如密度、压缩系数等。文中给出了具体数值算例以验证算法的有效性。算例分析表明,由耦合升尺度有限元法在粗网格模型上求得的结果与常规有限元法在细网格模型上求解所得结果吻合较好,与耦合多尺度有限元法以及扩展多尺度有限元法一样,耦合升尺度有限元法在粗网格模型上求解非均质问题时,较大程度地减少了计算量和存储需求。
张春霞[6]2007年在《线弹性平面问题有限元法与无网格局部边界元法的耦合研究》文中指出计算机的出现与应用是力学计算方法发展史上的一个转折点。近半个世纪以来,数值计算方法发展迅速。本文对历史上占有重要地位的几种数值计算方法:有限差分、有限元法、边界元法、无网格法进行了简要的评述。无网格法作为一种新的数值方法,文中也对其基本原理、近似理论与权函数的选择、施加边界条件的方法进行了归纳与总结。无网格局部边界元法(LBIE)是一种特殊的无网格法。它基于传统的边界积分方程,引入问题基本解与伴随解之差作为试探函数,积分仅在局部子域内完成。它同时具有有限元法、边界元法和无网格法的优点。在解决线性、非线性问题中表现出巨大潜力。本文在普通无网格法基础上,对线弹性平面问题的无网格局部边界元法进行了详细推导,选择移动最小二乘近似构造近似函数,选择高斯函数与样条函数作为权函数,最后建立了离散方程,并且提出了积分奇异性的处理方案。由于各种数值方法都有其优缺点,为了充分利用各种方法的优点,而尽量避免其缺点,出现了耦合与并行计算的思想。本文提出了线弹性平面问题有限元法与无网格局部边界元法的耦合思想。首先,根据主要的几种耦合技术,结合有限元法与无网格局部边界元法的特点,提出了有限元与无网格局部边界元法的耦合理论——直接耦合技术。由于无网格局部边界元法中基本解的引入,这种耦合技术方便直接,且不会引起过大的误差。然后本文根据提出的耦合理论编制了相应的计算程序,并对自由端作用集中力的悬臂梁及具有中心圆孔的无限板两端受水平均匀拉应力的例子进行计算。通过将计算结果与精确解的比较,给出了无网格局部边界元法部分权函数选择及其参数选择的建议,并得到了各截面位移与应力曲线、误差范数等分析结果。根据结果可以看出,文中所提算法能够达到一定的求解精度,具有可行性。最后在结论中对本课题的发展前景与研究方向进行了展望。
徐斌, 徐满清, 王建华[7]2016年在《饱和土体固结3D比例边界有限元法分析》文中研究表明基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.
岳鹏[8]2005年在《船体薄壁梁弯扭耦合振动的流固耦合分析》文中研究表明大开口船的弯扭耦合振动问题近年来愈来愈多地受到人们的重视。计算船体在流体加载效应下的弯扭耦合振动问题具有重要的理论意义和实用价值。三维流固耦合分析方法能精确模拟船体结构和流体,但工作量庞大,计算花费较高。本文采用一维薄壁梁有限元模型与二维可压缩流体边界元模型相耦合的方法计算船体梁在水中的振动问题,既可使计算简化,又能合理计及流体加载效应。 本文采用基于Benscoter理论与Timoshenko梁理论的一维薄壁梁有限元模拟船体梁,在船体各横剖面处用二维边界元方法计算结构表面声压,并将表面声压等效成流体作用于梁结构的载荷,建立了流体载荷与薄壁梁节点速度间的转换关系,推导出表征流体对结构作用的附加质量矩阵和流体阻尼矩阵,从而将有限元模型与边界元模型结合起来,形成耦合计算模型.此模型考虑了二次剪应力的影响和流体自由液面的影响,适用于开口、闭口和混合断面的船体梁,可进行弯曲、扭转和弯扭耦合振动的计算。基于此模型,采用求解复特征值的方法求解船体总振动模态,编制了无限流体域内和半无限流体域内的模态分析程序,采用求解复数线性方程组的方法求解船体总振动响应,编制了无限流体域内和半无限流体域内的谐响应分析程序。分别对简单断面和混合断面的算例进行了数值分析,并将本文方法所得结果与ANSYS耦合场分析方法以及刘易斯附加质量法所得结果进行比较。 通过对船模算例的模态分析,讨论了无限域流体与半无限域流体对振动固有频率的影响,流体对不同振动形式(垂向弯曲、水平弯曲、扭转以及弯扭耦合)以及不同阶数振动的影响。通过对船模算例的响应分析,分别对于垂向弯曲振动和弯扭耦合振动,探讨了振动响应随激励频率的变化规律以及沿空间的分布特征。研究结果表明:本文方法是准确可行的,并具有一定的实用价值和优越性。
李松金[9]2011年在《燃烧噪声导致壁面振动响应的研究》文中指出燃烧噪声是发动机燃烧室结构振动与噪声控制的一个重要研究方向。本文以某型工业发动机试验装置的结构部分为具体研究对象,对燃烧噪声导致结构壁面振动响应的相关内容进行了深入的研究。首先使用ANSYS软件建立了某型工业发动机试验装置结构部分的有限元模型,根据实际构件加工制作的情况,讨论研究了在建模过程中倒角和焊缝的影响;其次进行了有限元模态分析和试验模态分析,了解了模型的结构动态特性和声学特性,通过模态锤击试验验证了结构有限元模型的模态计算结果的可靠性;第三,利用FLUENT软件计算了整体试验装置二维模型的噪声特性;最后进行了结构有限元模型的瞬态声场特性分析,利用ANSYS软件计算了结构在外载荷作用下的振动特性,并且通过SYSNOISE软件边界元法对结构表面的瞬态声场进行了研究。本文应用有限元和边界元相结合的方法,得出了倒角和壁面焊缝对结构声学特性和振动特性的影响。通过不同模型的计算、对比分析,发现随着结构的改变,瞬态声场特性也发生改变,符合燃烧噪声的变化规律。
李婷, 俞小莉, 李迎, 李京鲁, 李红珍[10]2006年在《基于有限元法的活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究》文中研究指明发动机活塞-缸套-冷却水组成的固流耦合传热系统涉及固体部件传热以及计算流体力学问题。确定此系统的内部边界条件成为发动机传热研究的难点。因此采用耦合分析方法将固体部件和流体部分作为一个整体进行研究。将活塞、缸套、冷却水系统内边界定义为wall边界,计算时自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件,无需再进行单独定义,从而计算时可只定义系统外部边界条件。在进行有限元固流耦合传热计算方法研究基础上针对某6130发动机中活塞-缸套-冷却水系统进行数值仿真,所得结果相对试验结果有较高精度。
参考文献：
[1]. 流体与结构相耦合系统的有限元法研究[D]. 王永辉. 清华大学. 1990
[2]. 永久性腔静脉滤器的生物力学和血流动力学性能分析[J]. 冯海全, 仇洪然, 刘佳, 王永刚. 机械工程学报. 2017
[3]. 汽轮机自带围带叶片动力特性有限元分析[D]. 黄文俊. 长沙理工大学. 2007
[4]. 摩托车车架有限元模型及其动态特性分析[D]. 刘志勇. 重庆大学. 2003
[5]. 非均质饱和多孔介质准静态行为分析的耦合多尺度及耦合升尺度有限元法[D]. 付振东. 大连理工大学. 2010
[6]. 线弹性平面问题有限元法与无网格局部边界元法的耦合研究[D]. 张春霞. 重庆大学. 2007
[7]. 饱和土体固结3D比例边界有限元法分析[J]. 徐斌, 徐满清, 王建华. 上海交通大学学报. 2016
[8]. 船体薄壁梁弯扭耦合振动的流固耦合分析[D]. 岳鹏. 大连理工大学. 2005
[9]. 燃烧噪声导致壁面振动响应的研究[D]. 李松金. 沈阳航空航天大学. 2011
[10]. 基于有限元法的活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究[J]. 李婷, 俞小莉, 李迎, 李京鲁, 李红珍. 内燃机工程. 2006