旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界问题研究

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融入全井钻柱系统动力有限元模型中,研究了钻柱的动力学特性,根据仿真结果与现场实测数据的对比,验证了该研究方法的正确性和合理性。     

基于不可压缩光滑粒子流体动力学的单螺杆挤出三维流动数值模拟

基于不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)算法,利用FORTRAN语言编程,开发一套模拟三维非牛顿流程序。通过模拟平板Poiseuille流验证ISPH算法计算非牛顿流的正确性。指出在模拟非牛顿流时,采用镜像粒子边界法处理壁边界较采用静态粒子边界法更适合。并利用该程序计算单螺杆挤出三维流场。提出两种入口出口边界设置方法：周期边界法及压力边界法。分析计算结果发现：选取周期边界较压力边界更合理;选取适当粒子分布密度可以同时满足计算效率与计算精度要求;螺槽横截面上形成环流;切应力分布梯度主要集中在左上角和右上角;沿螺槽方向的流动很平稳,然而,随着反向压力梯度的增加,流动受到反向压力梯度的阻碍更加明显。为进一步采用ISPH方法模拟几何形状更加复杂的三维螺杆挤出打下基础。     

偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法

针对液体静压转台在承受偏载运行时,转台上下导轨面易发生刮擦的现象,为解决传统解析计算方法难以建立偏载静压转台转动状态下承载力及倾覆力矩数学模型,且传统CFD计算方法无法实现对几何边界运动变化的流体域进行建模计算的难题,提出偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法。该方法采用自定义程序实现对静压转台旋转时油膜形态变化的控制;利用弹簧光顺模型更新因转台倾斜方向改变引起的油膜网格变形;将油膜旋转动边界转换为静止边界,有效避免转台旋转引起的网格畸变。采用该方法进行计算,能利用同一模型实现对不同油膜厚度、不同倾斜位移率的油膜进行仿真,避免重复建模,提高了计算效率;能形象再现油膜三维流场压力分布的动态变化过程,计算结果体现了转台运动对流场分布的影响,更贴近工程实际。利用所提出的方法对国产某典型静压转台的承载力及倾覆力矩进行计算,并建立静压转台试验系统,对偏载静压转台进行试验研究。试验数据与动网格方法计算结果的对比分析表明,两者基本吻合,证实所提出的偏载液体静压转台旋转工况下承载力及倾覆力矩动网格计算方法有效。     

基于动网格模型的液体动静压轴承刚度阻尼计算方法

针对雷诺方程不能反映高速油流周向惯性效应、轴颈周向动压效应和静压扩散效应之间的非线性耦合关系及其对三维流场特性的影响,进而导致动静压轴承刚度阻尼的计算精度难以满足高转速精密轴承设计需要之现状,提出基于纳维-斯托克斯方程的动网格计算轴承刚度阻尼新方法。该方法采用自定义程序实现轴颈的旋转速度、位移扰动和速度扰动以及扰动过程中油膜力的计算等功能,成功将轴颈的旋转动边界转换为静边界,有效避免因轴颈旋转引起的网格畸变,并利用弹簧光顺模型更新轴颈受速度扰动和位移扰动引起的油膜网格挤压变形。通过对比研究瞬态和稳态条件下油膜力的变化,界定计算刚度阻尼系数时速度扰动和位移扰动的合理取值范围。利用所提出的方法计算典型轴承的刚度阻尼系数,再现动静压轴承油膜厚度和三维流场压力分布的动态发展过程,并采用影响系数法对该轴承的刚度系数进行试验测试。通过对比试验数据和动网格计算结果发现两者基本吻合,表明所提出的计算方法是有效可行的。     

基于旋转热源法和均布热源法的列车踏面制动温度场分析

针对列车踏面制动,分别基于旋转热源法和均布热源法建立了温度场计算模型。在包含匀减速制动、停止、匀加速启动和匀速运行四个阶段的一个基本制动工况下,选取车轮踏面以及踏面以下1 mm和2 mm处三个节点作为分析对象,对比了旋转热源法和均布热源法计算得到的温度变化曲线。同时考察了不同闸瓦接触面积、不同制动功率以及连续五个基本制动工况条件下,旋转热源法和均布热源法计算得到的上述三个节点温度变化曲线的变化规律及差异性。计算结果表明,对于踏面上的节点,旋转热源法与均布热源法计算得到的温度值及其变化特性存在很大的差异,但随着距离踏面深度的增加,两种计算方法得到的温度值差异迅速减小,在2 mm处可近似认为相同。此外在连续制动条件下,某一次制动中旋转热源法与均布热源法计算结果的差异性与之前的制动无关。     

利用响应面方法的汽轮机叶片振动可靠性分析

考虑随机因素的影响,确定汽轮机叶片固有振动静、动频率的统计特性,建立叶片避开共振时的功能函数.以汽轮机扭叶片为研究对象,在考虑几何因素、安装因素、材料因素和转速随机性的同时,将确定性有限元法、响应面方法和Monte-Carlo模拟法相结合对叶片进行振动可靠性分析.在对扭叶片复杂叶型进行有限元参数化建模和试验设计基础上,分别采用多项式响应面法和神经网络响应面法构建了扭叶片静、动频率与随机变量之间的近似关系式,并代替有限元模型,同时结合Monte-Carlo模拟技术得到静频、动频的统计特性和累积分布函数.针对叶片危险振型,在合理确定功能函数的基础上对其进行了振动可靠性分析,并以Latin Hypercube样本Monte-Carlo 模拟法计算结果作为相对精确解,对两种不同响应面法进行了对比.     

改进的粒子群算法在圆锥滚子轴承优化设计中的应用

给出了基于改进粒子群算法的圆锥滚子轴承优化设计方法.该算法通过对每一次进化计算后记忆中的最优粒子进行随机摄动操作来提高解的精度和算法的搜索效率,同时对种群中的最差粒子重新进行初始化来保持种群的多样性以避免陷入局部最优解;并采用惩罚函数法来处理约束,取得了较好的效果.计算实例表明该方法高效可行, 优化结果可直接作为工程设计的参考.     

惯性粒子分离器流场特性的PIV试验研究

惯性粒子分离器因具有流动损失小、砂尘分离效果明显的特点而成为直升机发动机进气道的标准配置。论文采用PIV测速技术对惯性粒子分离器矩形截面模型进口、中心体驼峰区域、清除流(包括分叉区域)、主气流流场在高速进气状态下,进行分段测量,研究了该模型流道在设计型线下的流动特性;对比数值计算,显示出该流场的局部流动细节结构。进一步地验证了湍流模型数值计算方法可应用于惯性粒子分离器流道流场特性的研究。     

基于坐标测量机和拟粒子群进化算法的圆柱度误差检测与评定

建立了任意位置下基于坐标测量机检测的圆柱度误差最小区域解的数学模型,提出了采用拟粒子群进化算法求解最小区域圆柱度误差新方法。该算法使用实数编码,由拟随机Halton序列产生粒子的初始位置和速度,基于浓缩因子法修改粒子的速度。为了验证算法的有效性,对文献中测量数据采用提出的方法进行圆柱度误差计算并将结果与多种算法计算结果进行比较,同时在加工中心加工大量轴类零件,使用三坐标测量机对零件进行实测,应用该进化算法计算最小区域圆柱度误差并与三坐标测量机给出的结果进行比较。实验结果均证实了提出的方法不仅优化速度快、计算精度高,而且算法简单,需设置参数少,便于推广应用。     

用RNG k-ε紊流模型对截止阀三维紊流流动的数值模拟

采用了RNG k-ε紊流模型和贴体坐标对截止阀对称面和三维流场进行了模拟,同时用粒子成像流速仪(PIV)对弯型截止阀对称面模型的测试结果和数值模拟结果进行了验证。数值模拟结果与实验结果吻合较好。实验和计算结果揭示了截止阀的流场特性,并说明截止阀水流产生的涡旋、分离流、二次流和强烈的紊动是截止阀水头损失的主要因素。计算结果表明斜进口截止阀流态好于弯型进口截止阀的流态,RNG k-ε紊流模型对具有分离和二次流的紊流流动具有较好的模拟性。     

基于动边界的阀控缸系统水击振动传输特性分析

针对系统的活塞随油液流速变化而变化的运动特点,研究阀控缸系统的水击振动特性,定义了动边界的概念,在频域内利用传递矩阵分析法,推导了阀控缸系统的动边界传输方程以及动边界传输压力幅值比特征方程。通过与定边界条件下仿真比较表明,在动边界条件下系统会激发出一个频率为214.32Hz的谐振波,易引起系统的谐振,揭示了活塞截面处的油液耦合水击的响应幅值变化范围较大、衰减缓慢的规律,在系统设计、改进时忽略动边界对系统的影响会造成较大的误差。     

Pulsatile blood flows through a bileaflet mechanical heart valve with different approach methods of numerical analysis; pulsatile flows with fixed leaflets and interacted with moving leaflets

Many researchers have investigated the blood flow characteristics through bileaflet mechanical heart valves using computational fluid dynamics (CFD) models. Their numerical approach methods can be classified into three types; steady flow analysis, pulsatile flow analysis with fixed leaflets, and pulsatile flow analysis with moving leaflets. The first and second methods have been generally employed for two-dimensional and three-dimensional calculations. The pulsatile flow analysis interacted with moving leaflets has been recently introduced and tried only in two-dimensional analysis because this approach method has difficulty in considering simultaneously two physics of blood flow and leaflet behavior interacted with blood flow. In this publication, numerical calculation for pulsatile flow with moving leaflets using a fluid-structure interaction method has been performed in a three-dimensional geometry. Also, pulsatile flow with fixed leaflets has been analyzed for comparison with the case with moving leaflets. The calculated results using the fluid-structure interaction model have shown good agreements with results visualized by previous experiments. In peak systole, calculations with the two approach methods have predicted similar flow fields. However, the model with fixed leaflets has not been able to predict the flow fields during opening and closing phases. Therefore, the model with moving leaflets is rigorously required for advanced analysis of flow fields.     

求解运动激励结构动态响应的固定边界-模态叠加法

针对运动激励下结构动态响应的模态叠加法求解问题,在分析传统的大质量法、大刚度法的局限性的基础上,提出一种新的运动激励转化方法——固定边界-模态叠加法:基于响应等效和约束反力动力平衡原理,将运动激励转化为其作用单元的等效节点载荷,并在运动激励自由度上施加固定约束,进而可以采用一般的力激励模态叠加算法进行结构动态响应计算。固定边界转化方法没有改变原有结构的固有振动特性,在理论上是精确的,克服了大质量法、大刚度法需要补充新的单元修改有限元模型和人为选择参数的缺点,并且可以通过局部有限元网格细化,提高转换载荷矢量近似计算的精度。通过一个平面应力结构的频率响应分析和一辆轻型货车三维板壳模型的瞬态响应分析验证了固定边界-模态叠加法的有效性。     

根据运动的合成与分解设计凸轮廓线的解析法

根据运动的合成与分解原理 ,将移动从动件相对于凸轮的复杂平面运动分解为简单的往复运动和定轴转动 ,建立定坐标系和动坐标系 ;然后求出凸轮的理论轮廓和实际轮廓相对于动坐标系的直角坐标方程 ,最后采用坐标旋转变换就得到了凸轮的理论轮廓和实际轮廓相对于定坐标系的直角坐标方程 ,从而为凸轮的设计提供了一种简便实用的新方法     

有限元网格孔洞的自动填充算法

本文介绍了一种利用网格孔洞的边界元而有效填充网格孔洞的算法。由于在孔洞的修补过程中 ,修补网格的信息不完整 ,所以 ,修补后的网格形状很大程度上依赖于修补算法和初始信息的确定。本文阐述了一种简单而有效的网格孔洞的修补算法。用该算法所生成的网格保持了在孔洞边界的光滑过渡 ,并可以满足一般机械制造工程上的需要 ,在快速原型制造、有限元分析中有重要的实际应用价值。     

Numerical simulation of fluid-structure interaction of a moving flexible foil

The hybrid Cartesian/immersed boundary method is applied to fluid-structure interaction of a moving flexible foil. A new algorithm is suggested to classify immersed boundary nodes based on edges crossing a boundary. Velocity vectors are reconstructed at the immersed boundary nodes by using the interpolation along a local normal line to the boundary. For eliminating pressure reconstruction, the hybrid staggered/non-staggered grid method is adapted. The deformation of an elastic body is modeled based on dynamic thin-plate theory. To validate the developed code first, free rotation of a foil in a channel flow is simulated and the computed angular motion is compared with other computational results. The code is then applied to the fluid-structure interaction of a moving flexible foil which undergoes large deformation due to the fluid loading caused by horizontal sinusoidal motion. It has been shown that the moving flexible foil can generate much larger vertical force than the corresponding rigid foil and the vertical force can be attributed to the downward fluid jet due to the alternating tail deflection. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Haecheon Choi Sangmook Shin received his B.S. and M.S. degrees in Naval Architecture from Seoul National University, Korea in 1989 and 1991, respectively. He received his Ph.D. degree in Aerospace Engineering from Virginia Tech, USA in 2001. He is currently an Assistant Professor at Department of Naval Architecture and Marine Systems Engineering at Pukyong National University in Busan, Korea. His research interests include fluid-structure interaction, unstructured grid method, internal wave, and two-phase flow. Hyoung Tae Kim received the B.S. and M.S. degrees in Naval Architecture from Seoul National University in 1979 and 1981, respectively and the Ph.D. degree in Mechanical Engineering from University of Iowa, U.S.A. in 1989. Dr. Kim is currently a Professor at the Department of Naval Architecture & Ocean Engineering at Chungnam National University, Korea. His research interests are in the area of Ship Hydrodynamics, CFD calculations of turbulent flows around ships and propellers, and human-powered and solar boat design.     

固定边界Coons曲面的造型方法研究

提出了在固定边界务件下，通过改变Coons曲面的混合函数来使曲面变形，并达到预期变形目的的方法。指孝混合函数对Coons曲面形状的影响，要受到包括边界曲线在内的边界条件的制约，缺乏必要的边界条件就无法仅凭混合函数来获得所需的变形。     

轴向运动简支-固支梁的横向振动和稳定性

研究一端简支一端固支轴向运动梁的横向振动和稳定性。提出在给定边界条件下确定一匀速运动梁固有频率和模态函数的方法。当轴向运动速度在其常平均值附近作简谐波动时,应用多尺度法给出轴向变速运动梁参数共振时的不稳定条件。用数值仿真说明相关参数对固有频率和不稳定边界的影响。     

汽车排气消声器边界元法降噪计算

用二维声学边界无法建立汽车排气消声器降噪计算模型，计算排气消声器的插入损失，经与汽车匀速行驶车外噪声试验比较，表明二维声学边界元模型是消声器设计的一种简捷有效的计算方法。     

非线性方程组解集边界求解方法及其在并联机构分析中的应用

并联机构的结构使其输入和输出运动之间具有复杂的非线性关系,在该类机构的运动学、动力学、作业空间、误差分析及运动控制中均涉及大量的非线性方程组求解。介绍一种含参数的非线性方程组的解集边界求解方法,基于流形理论和数值化连续算法,可直接搜索出一个非线性系统的解集边界,计算速度快、效率高。利用上述算法,对一台实际的4自由度并联机床进行了作业空间边界的求解和分析,验证了算法的实用性和有效性。