基于高效有限元方法的复杂动力学问题研究
发布时间：2021-07-28 09:56
先进电子技术对电子设备的性能要求日益增长,传统的电子设备设计方法已不能够满足当前电子设备中的高密度、高性能、高可靠性的要求。为了从整体性能上设计最优电子设备,除了保证主要电参数性能之外,还需要对散热、振动等可靠性进行分析,即充分考虑电子设备的结构位移场、温度场、电磁场、流场等。结构位移场在电子设备的性能分析中起着至关重要的作用,一方面结构的可靠性和稳定性在电子设备的设计中很重要,为了设计高可靠性和稳定性的电子设备,有必要了解它们在当前设计中的不稳定性;另一方面,在外部载荷作用下,电子设备关键结构会产生变形,导致电磁场的边界条件改变,进而影响电性能的实现。采用仿真技术对电子设备结构可靠性和位移场进行预先分析,是一种经济而有效的手段。因此,需要开发用于电子设备的CAD/CAE集成的动力学分析快速设计系统。本文开发了一款用于电子设备动力学分析的软件-MCS,为电子设备结构可靠性和位移场的预先分析提供了有效的仿真工具。论文以CAD/CAE集成设计环境技术、准确快速的振动分析求解技术、精确高效的流场求解技术、流固耦合技术为重点研究内容,主要工作包括以下几个方面:1、开发了基于有限元方法的三维动力...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
多场耦合关系图
电子科技大学博士学位论文18图2-1MCS软件架构块，它提供了强大的实体建模前端以及图形显示和计算后处理功能。设计人员可以基于快速建模和参数化建模自由快速的在线重新设计产品，这可以使接触设置、材料和边界条件等CAE特征保持不变。基于改进的隐式重启Lanczos迭代方法开发的自由振动分析模拟器（FreeVibrationAnalysisSimulator，简称FVAS）是MCS软件中的模拟器之一。该方法使用了三层预处理子，并具有高计算效率和低内存需求的优势。为了提高计算精度，同时还考虑了电子设备各部件之间的绑定接触。基于振型叠加法的随机振动分析模拟器（RandomVibrationAnalysisSimulator，简称RVAS）也被应用于MCS软件。在该方法中，可以大大减少计算量的PEM取代了CQC方法。最后，基于DG方法的流场模拟器（FlowFieldAnalysisSimulator，简称FFAS）用来分析结构的气动力。曲网格方法代替了传统的直网格方法，使得精度更高。设计人员可以使用MCS软件对电子设备部件和整体进行建模和仿真，包括实体建模，动力学仿真和后处理。所有模块之间的数据交换都是自动的。MDE和所有模拟器都是用MicrosoftVisualC++2010编写的。目前开发的有Windows7和Windows10版本，软件界面如图2-2所示。在图2-2所示主界面中，标出了16个小模块。由于篇幅限制，这里不再详细介绍，仅简要介绍下各模块的信息和功能：（1）主菜单，进入主界面、三维视图显示以及基本操作、实体建模的入口；（2）编辑按钮；（3）项目管理树，包括模型、计算设置、后处理显示；（4）接触设置；（5）求解设置，包括网格参数设置、计算参数设置；（6）计算结果显示，包括网格、位移分布、频率、位移曲线；（7）视图查看窗口；（8）材料设置；（9）帮助文档；（10）创建一个新项目；（11）工
第二章振动分析快速重设计系统的设计与实现19程路径；（12）演示算例；（13）视图操作窗口；（14）参数表；（15）求解信息；（16）进度栏。图2-2MCS软件主界面2.3力学设计环境中统一的数据架构体系MDE的框架是基于MicrosoftVisualC++2010平台，ACIS，HOOPS和Simmetrix’ModelingSuite开发的，可以通过“模型-视图-项目管理树”模式有效集成[42,216]。它包括三层架构：基础层，功能层和操作层，如图2-3所示。基础层包括3-DACIS建模内核[217]，Simmetrix’ModelingSuite[218]和可视化HOOPS内核[219]。3-DACIS内核是Spatial公司开发的杰出的3-D建模引擎，用于许多商业软件包，例如ANSYS[220]。ACIS具有开放式的面向对象的C++架构，可实现强大的高级3-D建模功能[217]。与HOOPS相比，ACIS在几何建模方面具有很大的优势。相反，HOOPS在可视化操作和人机交互方面比ACIS具有更大的优势。Simmetrix’ModelingSuite是一组工具包，允许开发人员实现基于几何的网格划分应用程序。这种网格划分方法具有一个全自动网格划分生成器，该生成器直接从实体模型中提供面和体的非结构化网格划分，其也是以3-DACIS建模内核为基础开发的。功能层是使用MicrosoftVisualC++2010实现的，它包含三个部分：建模、网格生成
【参考文献】：
期刊论文
[1]机载电子“机-电-磁-气动”多场耦合系统研究方法[J]. 陈竹梅,匡云连,黄帅,王斌. 中国电子科学研究院学报. 2019(06)
[2]基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法[J]. 邵帅,李明,王年华,张来平. 力学学报. 2018(06)
[3]间断伽辽金方法在可压缩流数值模拟中的应用研究综述[J]. 吕宏强,张涛,孙强,陈建伟,秦望龙. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]基于多物理场耦合的电子器件性能分析[J]. 解欢,曾威,刘冲. 科学技术与工程. 2017(08)
[5]一种适用于非结构网格的间断Galerkin有限元LU-SGS隐式方法[J]. 马明生,龚小权,邓有奇,赵辉. 西北工业大学学报. 2016(05)
[6]基于投影正交化LANCZOS算法的广义特征值求解方法[J]. 莫晓聪. 软件导刊. 2016(04)
[7]基于Lanczos算法的模态重分析法及其在车身结构设计中的应用[J]. 刘丹,王琥,李恩颖,黄观新. 计算力学学报. 2015(02)
[8]高精度电子装备机电耦合研究进展[J]. 王国彪,段宝岩,黎明,宋建丽,赖一楠,黄进,王从思. 中国科学基金. 2014(04)
[9]机载电子设备结构可靠性仿真展望[J]. 焦超锋. 电子机械工程. 2014(02)
[10]计算流体力学中的间断Galerkin方法述评（英文）[J]. 舒其望. 力学进展. 2013(06)
博士论文
[1]基于等几何的快速CAD/CAE一体化机械结构设计和不确定分析方法研究[D]. 丁陈森.湖南大学 2018
[2]基于边界面法的CAE与CAD一体化研究[D]. 陆陈俊.湖南大学 2016
[3]高性能多物理场数值算法研究及其应用[D]. 游检卫.东南大学 2016
[4]基于混合网格的高阶精度DG/FV混合算法研究[D]. 李明.中国空气动力研究与发展中心 2013
[5]基于CAD/CAE集成模型的塑料注射模优化设计系统[D]. 李庆.华中科技大学 2012
[6]空间计算机结构的动力学仿真与适应性设计研究[D]. 杨宇军.西安电子科技大学 2009
[7]间断Galerkin有限元方法及其与有限体积混合计算方法研究[D]. 贺立新.中国空气动力研究与发展中心 2008
硕士论文
[1]行波管多物理场协同仿真技术研究[D]. 吕骄阳.电子科技大学 2019
[2]基于UG的铸造CAD/CAE集成技术及其在冒口优化设计中的应用[D]. 刘东.华中科技大学 2017
[3]基于Nektar++的spectral/hp型有限元法在流体力学问题中的数值模拟[D]. 耿红鹏.昆明理工大学 2017
[4]高速列车面向CAD/CAE集成的动力学性能分析技术及平台搭建[D]. 谢星.西南交通大学 2016
[5]基于ANSYS/LS-DYNA的电子产品跌落仿真研究[D]. 蒲雪.兰州交通大学 2016
[6]考虑多失效机理耦合的电子产品寿命预测方法研究[D]. 张卫.国防科学技术大学 2014
[7]对称广义特征值问题的数值求解算法的研究[D]. 聂永明.南昌大学 2012
[8]电力电子装置的多物理场耦合模型及优化设计[D]. 何文志.华南理工大学 2011
[9]基于混合网格的高阶间断Galerkin/有限体积混合算法的研究[D]. 刘伟.中国空气动力研究与发展中心 2010
[10]计算大型稀疏对称矩阵极端特征值问题的Lanczos型方法[D]. 张亚蕾.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3307699
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
多场耦合关系图
电子科技大学博士学位论文18图2-1MCS软件架构块，它提供了强大的实体建模前端以及图形显示和计算后处理功能。设计人员可以基于快速建模和参数化建模自由快速的在线重新设计产品，这可以使接触设置、材料和边界条件等CAE特征保持不变。基于改进的隐式重启Lanczos迭代方法开发的自由振动分析模拟器（FreeVibrationAnalysisSimulator，简称FVAS）是MCS软件中的模拟器之一。该方法使用了三层预处理子，并具有高计算效率和低内存需求的优势。为了提高计算精度，同时还考虑了电子设备各部件之间的绑定接触。基于振型叠加法的随机振动分析模拟器（RandomVibrationAnalysisSimulator，简称RVAS）也被应用于MCS软件。在该方法中，可以大大减少计算量的PEM取代了CQC方法。最后，基于DG方法的流场模拟器（FlowFieldAnalysisSimulator，简称FFAS）用来分析结构的气动力。曲网格方法代替了传统的直网格方法，使得精度更高。设计人员可以使用MCS软件对电子设备部件和整体进行建模和仿真，包括实体建模，动力学仿真和后处理。所有模块之间的数据交换都是自动的。MDE和所有模拟器都是用MicrosoftVisualC++2010编写的。目前开发的有Windows7和Windows10版本，软件界面如图2-2所示。在图2-2所示主界面中，标出了16个小模块。由于篇幅限制，这里不再详细介绍，仅简要介绍下各模块的信息和功能：（1）主菜单，进入主界面、三维视图显示以及基本操作、实体建模的入口；（2）编辑按钮；（3）项目管理树，包括模型、计算设置、后处理显示；（4）接触设置；（5）求解设置，包括网格参数设置、计算参数设置；（6）计算结果显示，包括网格、位移分布、频率、位移曲线；（7）视图查看窗口；（8）材料设置；（9）帮助文档；（10）创建一个新项目；（11）工
第二章振动分析快速重设计系统的设计与实现19程路径；（12）演示算例；（13）视图操作窗口；（14）参数表；（15）求解信息；（16）进度栏。图2-2MCS软件主界面2.3力学设计环境中统一的数据架构体系MDE的框架是基于MicrosoftVisualC++2010平台，ACIS，HOOPS和Simmetrix’ModelingSuite开发的，可以通过“模型-视图-项目管理树”模式有效集成[42,216]。它包括三层架构：基础层，功能层和操作层，如图2-3所示。基础层包括3-DACIS建模内核[217]，Simmetrix’ModelingSuite[218]和可视化HOOPS内核[219]。3-DACIS内核是Spatial公司开发的杰出的3-D建模引擎，用于许多商业软件包，例如ANSYS[220]。ACIS具有开放式的面向对象的C++架构，可实现强大的高级3-D建模功能[217]。与HOOPS相比，ACIS在几何建模方面具有很大的优势。相反，HOOPS在可视化操作和人机交互方面比ACIS具有更大的优势。Simmetrix’ModelingSuite是一组工具包，允许开发人员实现基于几何的网格划分应用程序。这种网格划分方法具有一个全自动网格划分生成器，该生成器直接从实体模型中提供面和体的非结构化网格划分，其也是以3-DACIS建模内核为基础开发的。功能层是使用MicrosoftVisualC++2010实现的，它包含三个部分：建模、网格生成
【参考文献】：
期刊论文
[1]机载电子“机-电-磁-气动”多场耦合系统研究方法[J]. 陈竹梅,匡云连,黄帅,王斌. 中国电子科学研究院学报. 2019(06)
[2]基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法[J]. 邵帅,李明,王年华,张来平. 力学学报. 2018(06)
[3]间断伽辽金方法在可压缩流数值模拟中的应用研究综述[J]. 吕宏强,张涛,孙强,陈建伟,秦望龙. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]基于多物理场耦合的电子器件性能分析[J]. 解欢,曾威,刘冲. 科学技术与工程. 2017(08)
[5]一种适用于非结构网格的间断Galerkin有限元LU-SGS隐式方法[J]. 马明生,龚小权,邓有奇,赵辉. 西北工业大学学报. 2016(05)
[6]基于投影正交化LANCZOS算法的广义特征值求解方法[J]. 莫晓聪. 软件导刊. 2016(04)
[7]基于Lanczos算法的模态重分析法及其在车身结构设计中的应用[J]. 刘丹,王琥,李恩颖,黄观新. 计算力学学报. 2015(02)
[8]高精度电子装备机电耦合研究进展[J]. 王国彪,段宝岩,黎明,宋建丽,赖一楠,黄进,王从思. 中国科学基金. 2014(04)
[9]机载电子设备结构可靠性仿真展望[J]. 焦超锋. 电子机械工程. 2014(02)
[10]计算流体力学中的间断Galerkin方法述评（英文）[J]. 舒其望. 力学进展. 2013(06)
博士论文
[1]基于等几何的快速CAD/CAE一体化机械结构设计和不确定分析方法研究[D]. 丁陈森.湖南大学 2018
[2]基于边界面法的CAE与CAD一体化研究[D]. 陆陈俊.湖南大学 2016
[3]高性能多物理场数值算法研究及其应用[D]. 游检卫.东南大学 2016
[4]基于混合网格的高阶精度DG/FV混合算法研究[D]. 李明.中国空气动力研究与发展中心 2013
[5]基于CAD/CAE集成模型的塑料注射模优化设计系统[D]. 李庆.华中科技大学 2012
[6]空间计算机结构的动力学仿真与适应性设计研究[D]. 杨宇军.西安电子科技大学 2009
[7]间断Galerkin有限元方法及其与有限体积混合计算方法研究[D]. 贺立新.中国空气动力研究与发展中心 2008
硕士论文
[1]行波管多物理场协同仿真技术研究[D]. 吕骄阳.电子科技大学 2019
[2]基于UG的铸造CAD/CAE集成技术及其在冒口优化设计中的应用[D]. 刘东.华中科技大学 2017
[3]基于Nektar++的spectral/hp型有限元法在流体力学问题中的数值模拟[D]. 耿红鹏.昆明理工大学 2017
[4]高速列车面向CAD/CAE集成的动力学性能分析技术及平台搭建[D]. 谢星.西南交通大学 2016
[5]基于ANSYS/LS-DYNA的电子产品跌落仿真研究[D]. 蒲雪.兰州交通大学 2016
[6]考虑多失效机理耦合的电子产品寿命预测方法研究[D]. 张卫.国防科学技术大学 2014
[7]对称广义特征值问题的数值求解算法的研究[D]. 聂永明.南昌大学 2012
[8]电力电子装置的多物理场耦合模型及优化设计[D]. 何文志.华南理工大学 2011
[9]基于混合网格的高阶间断Galerkin/有限体积混合算法的研究[D]. 刘伟.中国空气动力研究与发展中心 2010
[10]计算大型稀疏对称矩阵极端特征值问题的Lanczos型方法[D]. 张亚蕾.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3307699
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