流固耦合分析的载荷映射开放式软件架构设计

基于开放式工程与科学计算软件平台SiPESC设计实现了流固耦合分析流场载荷映射软件架构。软件的核心问题是解决计算流体力学(CFD)网格模型与计算结构力学(CSD)网格模型交互界面网格不匹配情况下的流-固载荷映射问题。软件采用插值方法将流场分析得到的物面载荷转换为结构分析的载荷边界条件。软件基于SiPESC平台的微核心+插件的开放式可扩展软件框架进行设计,依托SiPESC.ENGDBS工程数据库管理系统实现大规模数据管理。设计实现的软件框架提供了算法的灵活扩展接口与管理机制,可动态扩展新的插值算法,满足流固耦合分析需要的数据管理与数据转换需求。在该软件框架下,已实现了多种插值算法,并完成验证算例与工程算例的载荷数据转换。算例表明软件功能具备良好的工程适用性,为进一步开发与应用奠定基础。     

计算曲面壳体等效节点热载荷的新方法

提出了一种利用平面壳单元计算曲面壳体热应力问题等效节点热载荷的新方法, 具有较高的计算精度. 首先在平面壳元的理论基础上, 在壳单元切平面建立局部坐标系; 然后根据提出的理论, 利用单元节点整体坐标直接计算壳单元等效节点热载荷积分方程中所需的未知量, 如: 形函数对局部坐标的导数、从对局部坐标积分转换到自然坐标积分时的雅可比行列式等; 最后, 根据提出的算法求出从局部坐标转换到整体坐标的转换矩阵, 进而求出整体坐标系下壳单元等效节点热载荷. 通过与商用软件ANSYS 的计算结果进行对比分析, 证明提出的方法是正确而且精确的.      

STATIC AEROELASTICITY METHOD BASED ON EXTERNAL AERODYNAMIC FORCE AND STRIP METHOD

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究,发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算,气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值,弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算,由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比,验证了该方法的可行性和高效性。     

基于参数曲面三维势问题的边界面法

提出了边界元法(BEM)的一种新的实现方法——边界面法(BFM)。在传统的边界元法中,单元不仅用来进行边界积分和函数插值,而且用来近似几何体。当离散网格较稀疏时,会引起较大几何误差,因而影响计算精度。本文基于参数曲面,将几何实体的边界曲面离散为参数空间里的曲面单元,边界积分和场变量的插值都是在曲面参数空间里进行。积分点...     

基于外部气动力和片条法的静气动弹性方法研究

本文通过对载荷设计中的静气动弹性分析方法进行研究,发展了一种基于外部刚性气动力数据和改良片条理论修正的弹性载荷修正方法。其中结构变形通过工程梁方法提取部件刚度阵进行计算,气动力通过网格化模型基于外部试验或CFD气动力数据库插值得到。结构和气动之间位移和力的数据传递分别利用曲面样条和形函数面积坐标加权法插值,弹性载荷修正通过改良后的片条理论计算,由此迭代循环直至结构变形收敛。同时通过对相关工程实例进行分析计算并与成熟方法对比,验证了该方法的可行性和高效性。     

基于分区加速和总体共轭梯度法的耦合界面数据传递问题研究

对于耦合动力学问题的分析过程,在界面上需频繁进行数据交换。为此,基于紧支径向基函数和多项式基函数推导了界面数据传递的插值算法,给出了传递矩阵的具体形式。通过分析时间复杂度,找出该算法在大节点量时效率不高的原因在于径向基矩阵的构造和传递矩阵的计算。为加快径向基矩阵的构造速度,提出分区加速处理以提高相关节点的搜索效率;为避免传递矩阵求解过程中的求逆运算,将其转化为多右端项的大型稀疏对称线性方程组问题,引入多右端项的总体共轭梯度迭代方法求解,并讨论了初始估计矩阵的选取方法。数值算例结果表明,结合使用分区加速原理和总体共轭梯度迭代方法,可在不损失插值精度的前提下显著提高求解效率。     

圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法

海洋丛式井组隔水管和换热器管束等在流体作用下,会诱导管束振动及碰撞,导致管束断裂失效。将弹性管离散成梁单元,采用非线性结构动力学方程描述;将圆筒流体域离散成实体单元,采用计算流体动力学方程描述。在流固耦合界面处,推导了界面位移、速度和载荷计算公式及收敛判断准则,建立了圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法。算例表明,其分域与全域求解计算结果吻合较好,本文算法为复杂流体域内多根管束的振动及碰撞问题求解提供行之有效的计算方法。     

受热载荷两相材料界面端应力场的新型有限元分析

基于一种特殊有限元特征分析方法获得两相材料界面端奇异性应力和位移场数值特征解, 据此开发了一种新型超级单元模型, 用于分析热载荷作用下两相材料界面端的应力场. 与机械载荷作用下超级单元模型的区别在于, 该模型在能量泛函中考虑了热-机耦合的影响, 将应力场分为奇异项和非奇异项, 而奇异性项又可分解为热致部分和力致部分. 模型的有效性通过了经验解和传统有限元方法的验证;模型可以避免在界面端邻域网格高度加密, 提高了计算速度, 对于分析多奇异性点应力干涉问题有重要意义.     

结合并行策略与距离减缩法的搜索算法及其在CAA中的应用

为提高流场与声场信息传递效率,建立了一种耦合MPI并行策略与改进距离减缩法的搜索算法。在完成点搜索后,采用一种适合于结构和非结构网格的形函数插值算法进行流场插值,实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。针对网格点搜索算法效率的验证,选用二维30P30N三段翼为研究对象,在不同的子进程数下进行对比分析。结果表明,相对于传统的距离减缩算法,本文提出的改进算法能有效提高CAA网格点的搜索效率,并且效率随着子进程数的增加而提高。在此基础上,将建立的流场与声场信息传递技术模块应用于CAA方法中,并对二维NACA0012翼型的后缘噪声问题进行计算分析,计算结果反映基于流场与声场信息快速传递算法的CAA方法能有效模拟宽频气动噪声问题。     

结合并行策略与距离减缩法的搜索算法及其在CAA中的应用

为提高流场与声场信息传递效率,建立了一种耦合MPI并行策略与改进距离减缩法的搜索算法。在完成点搜索后,采用一种适合于结构和非结构网格的形函数插值算法进行流场插值,实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。针对网格点搜索算法效率的验证,选用二维30P30N三段翼为研究对象,在不同的子进程数下进行对比分析。结果表明,相对于传统的距离减缩算法,本文提出的改进算法能有效提高CAA网格点的搜索效率,并且效率随着子进程数的增加而提高。在此基础上,将建立的流场与声场信息传递技术模块应用于CAA方法中,并对二维NACA0012翼型的后缘噪声问题进行计算分析,计算结果反映基于流场与声场信息快速传递算法的CAA方法能有效模拟宽频气动噪声问题。     

基于网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法

发展了一种基于有限元网格退化和重组技术的类桁架拓扑优化方法,可在不改变设计域包络的情况下(如维持流型、艺术外观和附加功能等)对结构进行减重。首先,分别对二维问题和三维问题发展相应的有限元网格退化算法,并在刚度等效的意义上对网格进行重组,建立了具有杆元拓扑特征的有限元模型。其次,以全局种子网格的长度尺寸和杆元横截面积为优化变量,构造了域内双层驱动拓扑优化问题,得到具有最优体分比的杆元拓扑结构。数值算例表明,所提方法可获得新型式的结构拓扑优化方案,并可将结构拓扑优化理论推向工程化应用。     

树木在风中摇曳的流固耦合数值模拟方法探索

树木在风中摇曳是一个流固耦合问题,但树的结构复杂,无法直接用已有的流固耦合数值方法来模拟.本文提出一种基于虚拟耦合面的流固耦合方法,该方法用一个虚拟的连续曲面把树冠包裹起来,在这个曲面上建立流固耦合关系,并将虚拟曲面上计算得到的风荷载作为树木结构的外力进行加载.虚拟耦合面本身不妨碍树木枝条的运动,且能避免在每个枝条、树...     

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.     

A coupled IEM/FEM approach for solving elastic problems with multiple cracks

In this paper, the detailed two-dimensional infinite element method (IEM) formulation with infinite element (IE)–finite element (FE) coupling scheme for investigating mode I stress intensity factor in elastic problems with imbedded geometric singularities (e.g. cracks) is presented. The IE–FE coupling algorithm is also successfully extended to solve multiple crack problems. In this method, the domain of the primary problem is subdivided into two sub-domains modeled separately using the IEM for the multiple crack sub-domain, and the FEM for the uncracked sub-domain. In the IE sub-domain, the similarity partition concept together with the IEM formulation are employed to automatically generate a large number of infinitesimal elements, layer by layer, around the tip of each crack. All degrees of freedom related to the IE sub-domain, except for those associated with the coupling interface, are condensed and transformed to form a finite master IE for each crack with master nodes on sub-domain boundary only. All of the stiffness matrices constructed in the IE sub-domains are assembled into the system stiffness matrix for the FE sub-domain. The resultant FE solution with a symmetrical stiffness matrix, having the singularity effect of imbedded cracks in IEs, is required only for solving multiple crack problems.Using these efficient numerical techniques a very fine mesh pattern can be established around each crack tip without increasing the degree of freedom of the global FEM solution. One is easily allowed to conduct parametric analyses for various crack sizes without changing the FE mesh. Numerical examples are presented to show the performance of the proposed method and compared with the corresponding known results where available.     

复杂三维组合曲面的有限元网格生成方法

提出一种基于映射法的复杂三维组合曲面的有限元网格全自动生成方法。通过引入虚边界解决了闭合曲面在参数域中边界不完整的问题；通过调节虚边界提高了复杂组合曲面网格生成的质量。改进二维多边形区域的裁减算法，解决了闭合曲面在参数空间中的边界环形成问题。对曲面片公共边界进行统一离散化处理，以满足有限元网格的相容性要求。以边界表示(B—Rep)数据结构为基础，实现了组合曲面全自动网格剖分的总成算法．改进了曲面网格剖分布点算法，并结合局部连接、诊断交换等技术，优化了网格的整体质量。     

基于遗传算法的弹性地基加肋板肋梁无网格优化分析

基于遗传算法及一阶剪切理论, 提出一种弹性地基上加肋板肋条位置优化的无网格方法. 首先, 通过一系列点来离散平板及肋条, 并用弹簧模拟弹性地基, 从而得到加肋板的无网格模型; 其次, 基于一阶剪切理论及移动最小二乘近似原理导出位移场, 求出弹性地基加肋板总势能; 再次, 根据哈密顿原理导出结构的弯曲控制方程, 并通过完全转换法处理边界条件; 最后, 引入遗传算法和改进遗传算法, 以肋条的位置为设计变量、弹性地基板的中心点挠度最小值为目标函数, 对肋条位置进行优化达到地基板控制点挠度最小的目的. 以不同参数、载荷布置形式的弹性地基加肋板为例, 与ABAQUS有限元结果及文献解进行比较. 研究表明, 采用所提出的无网格模型可有效求解弹性地基上加肋板弯曲问题, 结果易收敛, 同时基于遗传算法与改进混合遗传算法所提出的无网格优化方法均可有效优化弹性地基加肋板肋条位置, 后者计算效率相对较高, 只进行了三次迭代便可获得稳定的最优解, 此外在优化过程中肋条位置改变时只需要重新计算位移转换矩阵, 又避免了网格重构.      

基于AFT-Delaunay的二维解耦并行网格生成算法

面向平面任意几何区域网格生成,提出了一种将波前法AFT(Advancing Front Technique)与Delaunay法相结合的解耦并行网格生成算法。算法主要思想是沿着求解几何区域惯性轴,采用扩展的AFT-Delaunay算法生成高质量三角形网格墙,递归地将几何区域动态划分成多个彼此解耦的子区域;采用OpenMP多线程并行技术,将子区域分配给多个CPU并行生成子区域网格;子区域内部的网格生成复用AFT-Delaunay算法,保证了生成网格的质量、效率和一致性要求。本算法优先生成几何边界与交界面网格,有利于提高有限元计算精度;各个子区域的网格生成彼此完全解耦,因此并行网格生成过程无需通信。该方法克服了并行交界面网格质量恶化难题,且具有良好的并行加速比,能够全自动、高效率地并行生成高质量的三角网格。     

三维有限元六面体网格几何自适应再生成方法

基于几何自适应的六面体网再生成方法,提出了一种以栅格法为基本方法,对有限元网格再划分过程中的网格再划分标准、几何形状的获取以及新旧网格之间物理量的传递等关键问题进行了研究.重点介绍了基于几何自适应的六面体网格再生成算法,首先对旧网格实体模型进行识别,根据实体模型几何特征建立加密源点信息场;然后采用栅格法生成核心网格并对...     

基于滑移界面耦合技术的旋转电机磁场仿真方法

提出了一种基于滑移界面耦合技术的旋转电机磁场仿真方法。首先,对旋转电机问题建立等效弱形式,用Lagrange乘子法施加Coulomb规范条件和滑移界面处的磁矢势连续性条件;然后,采用混合单元方法离散整个求解域中的未知量,采用棱边单元法离散滑移界面处的Lagrange矢量乘子,并采用多点约束法耦合滑移界面处的Lagrange标量乘子自由度,该方法无须在旋转电机模型的非匹配网格中构建生成树,即可自动保证磁矢势解的唯一性;最后,采用旋转线圈案例和简化的永磁同步电机案例验证了本文方法的有效性。     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.