双向间接耦合有限元法预估电力电缆载流量

建立了多导体电力电缆置于具有散热孔的托架上时3D有限元时谐磁场模型,在计及各金属涡流效应的条件下,得到所有导体单元的功率损耗密度.以此功率体密度损耗为栽荷,建立了电缆系统的"热-流体"直接耦合场模型,求解了电缆系统各导体的温升,由此完成一次完整的"磁场"与"热-流体"场间接耦舍的求解.由于电缆导体电阻率与温度密切相关,形成"磁场"与"热-流体"场间接耦合的双向耦合.反复迭代,可求解得到当热点为90℃时导体的电流,即为电缆的载流量.以无铠装单载流和有铠装三并联栽流电缆为例,采用间接耦合法计算和测量了系统的总功率、电流分布、导体热点温度.计算和测量一致性说明了双向间接耦合有限元模型建立的正确性和计算结果的准确性,为进一步分析电力电缆系统的磁、热特性奠定了基础.     

Fast SSED-MoM/FEM Analysis for Electromagnetic Scattering of Large-Scale Periodic Dielectric Structures

A hybrid method combining simplified sub entire domain basis function method of moment with finite el ement method （SSED-MoM/FEM） is accelerated for electromagnetic （EM） scattering analysis of large-scale peri- odic structures. The unknowns are reduced sharply with non-uniform mesh in FEM. The computational complexi ty of the hybrid method is dramatically declined by applying conjugate gradient-fast Fourier transform （CG-FFT） to the integral equations of both electric field and magnetic field. The efficiency is further improved by using OpenMP technique. Numerical results demonstrate that the SSEI）-MoM/FEM method can be accelerated for more than three thousand times with large scale periodic structures.     

填充各向异性介质二维开口腔体散射特性分析

应用非重叠型区域分解法(DDM)结合有限元法(FEM)和边界元法(BEM)分析了填充多层各向异性介质的二维开口腔体横电波(TE)散射特性。对腔体外的区域采用BEM法分析,将腔体内的每层介质作为一个子域,用FEM法分析,各子域间通过传输条件进行耦合。分别计算了腔体中填充各向同性和各向异性介质时的雷达散射截面,数值结果表明了该方法的有效性。采用这种技术,大大地减少了对计算机内存的需求。     

Tunable Electromagnetic Cloaking by External Field

Electromagnetic cloaking based on the scattering cancellation method have been reviewed. The possibility of designing the tunable electromagnetic cloaking is analytically suggested with a single cloak composed of homoge- neous materials, including semiconductor, superconductor, ferrite and ferroelectrics by using Mie scattering theo- ry. The simulated results demonstrate that the cloaks with these homogeneous materials can drastically reduce the total scattering cross sections of the cloaked system by using the finite element method. These cloaking frequencies can be controlled by external field through tuning the permittivity or permeability of these materials by the applied field, such as temperature, magnetic field and electric field. These may provide some potential ways to design tunable cloaking with considerable flexibility.     

Development of a Synchronization Method for Fluid-Thermal Study of Hypersonic Flow

A synchronization method is developed for the fluid-thermal study of hypersonic flow.Different from conventional loosely/tightly coupled methods which separately deal with the flow field and the structure temperature field,the presented method expresses the governing equations in a unified framework so that the two fields can be calculated simultaneously.For efficiently solving the unified equations,the finite volume method together with the dual-time stepping approach is employed.Like in the flow field,the local time step is also used in the temperature field,which is determined from thermal conductivity spectral radii.In order to treat the fluid-structure interface more conveniently,an expanded virtual boundary is introduced.For validation,several fluid-thermal hypersonic flow problems are simulated.The computed results are compared with those obtained from the coupled methods and the experiment.In the continuous heating problems,the stagnation temperatures predicted by both the coupled and synchronization methods are in good agreements with the experimental data.In the unsteady flowthermal hypersonic flows,the stagnation heat fluxes predicted by the presented method and tightly coupled method are basically the same,which agree better with the experimental data than those predicted by the loosely coupled method.In terms of prediction of the stagnation temperature,the synchronization method shows better accuracy than the tightly coupled method.     

ANSYS在压电天平设计中的应用

利用ANSYS力电耦合的有限元分析方法，对一台三分量压电天平的性能进行评估。主要进行了静力、模态和瞬态响应特性分析，静力分析的目的是获得天平输出与施加载荷之间的关系，评估压电天平各分量的主灵敏度系数和分量间干扰灵敏度系数；模态分析的主要目的是获得压电天平的各阶振动频率和振型，用于评估天平的频率响应特性；瞬态响应特性分析主要用于评估天平在瞬态载荷下的响应特性，评估加速度计惯性补偿的有效性。ANSYS分析结果表明:压电天平的各分量主灵敏度较高，具有较好的分量间抗干扰能力，设计的天平频响较高，加速度计实现了对天平输出信号中惯性振动信号的补偿，能够满足激波风洞测力试验的需求。天平校准和风洞试验结果表明:天平的实际性能与有限元评估结果一致。     

混合励磁同步电机电抗计算与建模

混合励磁同步电机(Hybrid excitation synchronous machine,HESM)磁场分布往往呈现三雏特性,二雏有限元法难以适用.而三维有限元瞬态场分析的计算量巨大,进行混合励磁同步电机与控制系统外电路的闭环场路耦舍仿真目前还不现实,本文建立了切向磁钢HESM的三维有限元模型,由静磁场计算得到气隙磁通随励磁电流的变化规律.利用三雏瞬态场路耦合分析电机空载特性和外特性,由电势波形和矢量图推算不同励磁、不同负载电流下电机同步电抗值.根据电压方程建立了切向磁钢HESM的MATLAB/Simulink数学模型,仿真和实验结果验证了模型的正确性,为新型混合励磁同步电机的闭环系统仿真分析、快速计算提供了重要的分析手段.     

基于分区迭代推进方法的锥体热环境研究

针对锥体热环境问题,提出了气动热与结构传热的分区迭代推进分析方法。其中流场采用有限体积法计算,空间离散采用AUSM+格式。时间推进采用显示多步Runge-Kutta格式,结构热传导采用有限元方法求解,而数据传递采用基于虚拟空间的插值方法。圆管验证算例分析显示,2 s时刻驻点处的热流密度和温度的计算值与试验值的相对误差分别为1.34%和4.95%。最后进行了直二次圆锥体的热环境分析,壁面初始热流密度值与试验值吻合得很好,其中驻点热流的计算值与试验值的相对误差为3.1%。耦合分析过程中驻点温度随时间的推移而升高,且上升趋势逐渐变缓,最终趋于稳态值。此外时间的变化对锥体表面压强的影响可忽略不计,而壁面热流却随时间的增加而降低。     

Ahmed 模型的流固耦合数值计算方法探索与实验验证

流固耦合效应会影响汽车行驶安全性,对该效应的数值模拟方法的可信度需要验证。以 Ahmed 模型作为数值仿真和实验验证的对象,数值计算是流体计算与结构计算两部分耦合,配合风洞实验的位移、压力测量技术与流场显示技术(烟流法、丝线法)与之比较,数值模拟与实验所得位移结果之间的差异始终在20%以内。从流场结构角度分析得到流固耦合效应影响气动力的机理主要在于流场中涡的拓扑结构变化。为将来数值研究时变侧风下车辆的流固耦合问题提供实验及理论依据。     

轴对称锻件成形过程的热力耦合有限元分析技术的研究

锻件成形过程中,非稳态、不均匀的温度场对金属的塑性流动有很大的影响，尤其是高温成形过程。本文对轴对称段件成形过程的热力耦合有限元分析技术进行了研究。论述了刚塑性有限元分析方法，建立了热力耦合分析模型，开发了轴对称锻件成形过程的热力耦合有限元分析软件。通过将圆柱体镦粗过程的模拟结果与有关文献中的实验结果和模拟结果的比较，说明了该方法和软件的正确性。     

串联磁路混合励磁爪极发电机的研究(英文)

针对电励磁爪极发电机效率低、永磁爪极发电机磁场调节困难的问题,提出了一种串联磁路混合励磁爪极同步发电机,利用磁路计算方法和三维有限元的分析研究了这种新型电机各部分的磁密大小,确定了合适的极对数和合理的磁钢厚度,探讨了这种新型电机的空载特性、外特性和调节特性.研究表明:串联磁路混合励磁爪极发电机合适的极对数为2,且磁钢厚度存在一个较为合理的优化值.相对于电励磁爪极发电机,它实现了励磁电流的双向控制;相对于永磁爪极发电机它使得输出电压可调,在更宽的负载范围内实现了输出电压的恒定.在参数相同的情况下,与电励磁爪极发电机相比,该电机具有更高的气隙磁密和功率密度.     

旋翼／机身耦合系统的固有特性研究

直升机的旋翼与机身在桨毂处是机械耦合的，用旋翼阻抗和机身阻抗在桨毂处匹配的方法分析旋翼／机身耦合系统的固有特性。旋翼阻抗由旋翼在固定坐标系中的运动方程得到，这个运动方程由旋翼旋转坐标系中的桨叶模态方程导出，机身阻抗可由此可见 身的有限元分析计算或振动试验获得，还设计与加工了一个旋翼／梁耦合模型，对此模型进行了试验研究，试验结果和计算结果比较表明，分析旋翼／机身耦合系统固有特性的方法是可行的，且具有较高的精度。     

压电结构的控制-结构一体化设计

对于离散分布、同位配置压电片驱动器和传感器的压电耦合板，首先构造了四节点 Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ矩形板弯单元，从而建立了有限元模型。在此基础上，给出了主动阻尼振动控制模型。将系统的存留能量指标归结为一个 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 方程的解。以系统的存留能量指标为适应度函数，以作动器和传感器的位置及控制增益为优化参数，利用基于共享函数机制小生境技术的遗传算法进行结构、控制设计。最后，对一悬臂压电耦合板进行了实例分析。结果表明，该方法是解决控制结构一体化设计的一种有效途径，可以得到多个最优解或次优解。     

温度变化对振动信号传输的影响分析

针对高温振动测试过程中出现的信号传输不稳定问题,建立了热电耦合模型,研究了高温环境对信号稳定传输所产生的影响.在相关热电磁理论的基础上,采用有限元方法建立了分析模型,电信号传输过程中产生的焦耳热与对流换热的共同作用,造成了传输线的温升.依据电信号-温度灵敏度变化关系,得出了外部环境的对流换热系数变化影响电信号传输的规律,建立了相应的误差公式估算输入与输出电信号响应之间的关系.研究结果表明:输入信号有效值越大,导体温升越大,输出与输入电信号间的偏离误差越大.并进一步确定了电信号稳定性传输的影响因素,为提高高温环境下结构测试的准确性提供了有效方法.     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷，若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应，地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此，本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式，分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异，采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析，提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

Scattering Analysis of Bi-anisotropic Materials Using Fast Dipole Method

Electromagnetic scattering from inhomogeneous three-dimensional( 3D) bi-anisotropic scatterers is formulated in terms of the volume integral equation( VIE) method. Based on the volume equivalence principle,the VIE is represented in terms of a pair of coupled bi-anisotropic polarized volume electric and magnetic flux densities. The VIE is solved using the method of moments( MoM) combined with tetrahedral mesh. Then the fast dipole method( FDM) based on the equivalent dipole method( EDM) is extended to analyze the scattering of bi-anisotropic media by solving the VIE. Finally,some numerical results are given to demonstrate the accuracy of the developed method for the scattering analysis of the bi-anisotropic media.     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

DSMC算法气体壁面相互作用模型

研究了二维非结构网格高超声速稀薄流DSMC方法中气体与壁面相互作用的数值模型。发展了一种基于辐射平衡的壁面温度边界条件,与恒温壁面边界条件相比,该温度边界条件可以克服恒温壁面边界条件的自身缺陷并且能够在流场模拟中适时给出更贴近真实情况的壁面温度;采用了由完全漫反射和纯镜面反射模型组合而成的Maxwell壁面反射模型,该壁面反射模型能够更好地描述气体模拟分子在壁面散射的真实情况。采用本文方法对钝头体外形进行了数值模拟,结果表明本文采用的气体壁面相互作用模型能够提高钝头体背风面后部流场对温度变化的敏感度,并且随着飞行高度提升,敏感度有减弱的趋势。     

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。     

高速风洞支架干扰数值修正研究

提出了一种计算高速风洞支架系统对飞行器模型纵向气动力干扰量的数值计算方法 ,从跨声速全位势积分方程出发 ,编制了适用于飞行器全机模型及其带支架情况下的跨声速绕流计算程序。通过对双垂尾模型和GBM 0 3模型两个算例的计算 ,讨论了尾支撑位置及其几何外形参数对模型气动力的影响 ,并对GBM 0 3模型带短支杆情况下的纵向实验结果进行了修正。表明该方法对于分析研究风洞模型支架干扰问题并进行支架干扰修正是可行的、有效的 ,可以作为选择尾支撑位置及其几何外形参数和对跨声速风洞纵向实验结果进行支架干扰修正的工具。