基于浅水波方程的水动力模型应用研究

以都江堰东风渠灌区某段渠道为研究对象,以守恒型圣维南方程作为天然河道一维非恒定流控制方程,提出了灌区渠道断面几何形状快速变化条件下的变量空间重构方法,推导了基于守恒型圣维南方程的HLLC求解器通量计算式。结果表明,基于浅水波方程的水动力模型在灌区水流推演中具有较好的模拟性能和适应性,不仅可为河网复杂区域的水动力数值模拟提供一种高精度、简便的方法,还可实现对水网复杂区域水流演进的高效预测,为水资源管理与调度提供参考。     

任意曲线坐标系下二维浅水方程的数值模拟

采用拟合边界曲线的方法来构造天然河道、湖泊、港口河口以及海湾的复杂边界问题,建立任意正交曲线网格以克服由于复杂边界而引起的计算困难.在此基础上,推导出任意曲线坐标系下的二维浅水方程、湍流动能方程和湍流动能耗散方程;应用有限差分方法对该方程组进行数值离散,并用交错方向隐式格式实现在计算区域内对任意曲线坐标系下的二维浅水方程进行数值求解.为了验证在任意曲线坐标系下二维浅水方程数值求解方法的可靠性、正确性,以DeVriend的180°平面弯道水槽试验物理模型为例进行数值模拟,结果表明,数值计算的结果和DeVriend的试验结果相当吻合,最大绝对误差值约为10^-2,因此,数值计算方法合理可行,可为任意复杂边界的天然河道、湖泊等水域的水动力研究提供有效的计算方法.     

基于HLLC近似Riemann求解器的天然河道水流运动模拟

天然河道断面几何形状快速变化条件下的一维复杂水流运动高精度数值模拟仍面临较大困难.基于Godu-nov格式,提出了基于守恒型圣维南方程的HLLC近似Riemann求解器的通量计算方法,将该求解器由浅水方程拓展至守恒型圣维南方程;提出了针对天然河道复杂断面几何形状下的变量空间重构方法:依据过流断面面积和静力矩等效原则将河...     

基于B样条小波有限元的混凝土温度场仿真分析

提出了一种计算混凝土结构瞬态温度场的新方法。利用B样条小波的尺度函数代替多项式函数作为插值基函数,构造了二维及三维小波单元,建立了基于B样条小波的混凝土有限元计算模型。该模型详细讨论了混凝土热传导方程的小波有限元解法,推导了小波系数空间到物理空间的转换矩阵,给出了求解域的小波有限元列式。理论分析和数值计算结果表明,B样条小波有限元法是有效的,具有较高的计算精度和求解速度。     

三维复合材料复合裂纹特殊边界元法

利用两相复合材料位移基本解，将受复合载荷作用下复合材料三维裂纹问题，归为求解一组超奇异积分方程，并分析了对裂纹尖端应力奇性和方程组求解理论方法；进而以反映裂纹前沿应力奇性的密度函数基本解表示位移间断，根据Taylor积分及其特征展开特性，给出方程组数值求解方法；最后，以三维矩形裂纹为例，讨论了应力强度因子（SIFs）收敛性及其变化规律。     

6-UPS并联机器人快速正向运动学研究

根据平面平台型6-UPS并联机器人的结构特点,选取3个代表点的空间坐标作为参数来描述动平台的位置和姿态,结合3个代表点之间的约束条件,建立9个参数的一次与二次多项式方程组,通过对方程组进行消元处理,最终得到6个未知数表示的二次多项式方程。针对所获得的二次多项式方程组特点,改进传统牛顿-拉夫森数值迭代算法,并将其用于并联机器人的一般六维二次多项式方程数值求解,迭代算法收敛并可得到唯一解。数值算例表明,在同等条件下,传统旋转矩阵方法的计算时间为1. 42～2. 67 ms,所提代表点算法计算时间为0. 14～0. 23 ms,大大减少了计算时间,提高了收敛速度和计算效率,为并联机器人高性能闭环实时控制奠定了良好基础。     

大型泵站肘形弯管进水流道数值优化研究

针对江都三站运行存在的主要问题，采用了直接求解基于时间平均的N－S方程雷诺和k-ε紊流模型方程组的方法，通过数值模拟预测肘形弯管进水流道内部流动，优选了肘形弯管的改造方案，改善了流速分布，使得该泵站装置具有了较高的性能。     

流体机械涡壳内部流场的数值模拟

涡壳内部流场模拟的命题求解采用了雷诺平均N—S方程，并以标准k-ε湍流模型使方程组封闭，依据数值模拟的结果，优化与涡壳设计相关的几何参数，使涡壳内的流态接近于理想流态，从而保证涡壳具有良好的性能。     

基于等参变换的车身有限元模型自由变形设计

为了提高车身设计的效率,提出了一种车身有限元模型自由变形设计方法。首先,生成的车身有限元模型是由空间六面体、五面体和四面体单元组成的控制参数体;然后,建立有限元模型和控制参数体的等参变换关系,而后通过对控制参数体的形状改变来驱动有限元模型的变体设计。通过给出的等参变换及其逆变换关系,算法避免了已有自由变形算法的局部坐标参数化的计算费时问题。通过对某车身有限元模型的数值模拟测试,验证了算法的可用性和有效性。     

石头河东干渠渠系非恒定流的数值模拟

对于非恒定流,用常规的水文学方法很难分析计算渠道水流的水位、流量等水力要素随着时间和流程的变化,圣维南方程则可以解决这类问题.本文针对石头河东干渠渠系的具体情况,应用圣维南方程组建立数学模型,用特征线法对方程组进行求解,并对其中关键性参数进行分析研究.结果表明:计算水位、流量与实际过程相吻合,偏差均在允许范围之内.也进一步表明用圣维南方程组对石头河东干渠渠系进行非恒定流的数值模拟具有实用性和可操作性.     

拖拉机大齿轮两步锻造数值模拟

采用弹塑性有限元法对拖拉机大齿轮两步锻造过程进行数值模拟 ,得到锻造过程中工件的应变场和应力场及各工步模具型腔充满状况。表明锻造中间坯形状和终锻充满情况良好 ,与实际结果一致。对实际齿轮锻造中工艺参数选择和模具结构设计起到了指导作用     

基于虚拟样机技术的车用柴油机曲轴系统动态特性研究

结合多体动力学和有限元方法对柴油机曲轴的振动特性进行了分析,建立了柔性曲轴的曲轴系统多体动力学模型,分析得出主轴承反力和活塞侧向力以及曲轴的扭转振动,并将扭转振动和实验结果比较,验证了仿真结果的正确性。     

汽车车身结构点焊的数值模拟与试验

采用试验和有限元数值模拟的方法,对汽车车身低碳钢电阻点焊的过程进行了研究。利用电、热、力有限元法对电阻点焊的过程进行了模拟,得到了焊接电流、电极压力等工艺参数及焊件厚度对熔核尺寸的影响关系,从而确定了其与接头质量的关系。模型初步实现了热、电、力三者的耦合,得到的工艺参数对焊接接头质量影响的模拟结果与试验结果表明车身的试验模态模型以及计算模态模型能较好地吻合。     

基于SPH-FEM手指模型的皮肤摩擦行为分析

针对基于传统有限元算法(FEM)的手指模型并不能很好地模拟皮肤大变形的问题,提出了一种基于有限元和光滑粒子动力学耦合算法(SPH-FEM)的手指建模方法,以保证模型在大变形和极端变形情况下的适应性.由于该方法本身具有的“无网格”特性,使其对皮肤组织表现出流固双相特性的模拟上对比传统的FEM方法具有天然优势.建立了基于SPH-FEM手指建模方法的手指模型,进行尖刺刺入仿真试验和平板摩擦仿真试验,考察皮肤的应力应变.为了验证SPH-FEM手指建模方法的合理性和有效性,对基于SPH-FEM手指模型与基于FEM手指建模方法进行比较.结果表明,SPH-FEM手指模型在整体形变趋势上与FEM手指模型较为一致,并且在应对大变形时响应速度相较于FEM手指模型明显增加,但存在一定的滞后性;SPH-FEM手指模型在小变形时的精度稍显不足.     

车用柴油机曲轴扭振的仿真

以一台多缸柴油机为例,采用结合有限元法(FEM)的多体系统仿真(MSS)方法,研究了曲轴的扭转振动。通过柔性多体动力学仿真计算,得出有无扭振减振器时曲轴自由端扭振特性。并与试验测量结果对比,两者吻合得较好。     

车用柴油机曲轴系统动力学仿真

将有限元法(FEM)和多体系统仿真(MSS)方法相结合,对车用柴油机曲轴系统进行多体动力学分析。并以一直列6缸4冲程柴油机为例,建立曲轴系统仿真模型。通过柔性多体动力学仿真计算,得出各主轴承在一个工作循环内的载荷变化情况,分析了曲轴在安装和运行状态下的扭转振动,将计算与实测扭振进行了比较。     

直齿圆柱齿轮冷精锻成形过程数值模拟分析

对直齿圆柱齿轮冷精锻成形过程进行了三维大变形弹塑性有限元数值模拟。对闭式模锻预锻及以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形过程的流动情况进行了数值分析。数值模拟结果及前期的工艺试验表明：终锻中采取分流、尤其是约束孔分流措施对于降低工作载荷、提高角隅充填能力十分有利，采用矩阵变换技术解决因引入边界摩擦及滑动约束带来的刚度阵非对称问题较为简单、合理、有效。     

多尺度有限元法在地下水拟三维数

建立基于多尺度有限单元法的拟三维数学模型，模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。根据多孔介质中区域饱和－非 饱和水分运动的特征，将三维流动转化为拟三维流动模型。对参数水平方向渐变的非均质多孔介质中的三维地下水流用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度。     

基于静力隐式方法的板料成形过程数值模拟

介绍了板料成形静力隐式弹塑性有限元数值模拟的基本理论和接触界面数值模拟技术以及增量过程应力计算的回映技术。基于这些方法开发了静力隐式程序，对球形模具拉伸成形过程进行了数值模拟，计算结果与文献[8]的计算结果吻合很好，文中给出了板料圆柱形模具成形回弹的数值分析结果。