CN115602267B - 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统 - Google Patents

基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115602267B
CN115602267B CN202211198392.8A CN202211198392A CN115602267B CN 115602267 B CN115602267 B CN 115602267B CN 202211198392 A CN202211198392 A CN 202211198392A CN 115602267 B CN115602267 B CN 115602267B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermoelastic
dispersion
physical field
waveguide
solving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211198392.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115602267A (zh
Inventor
张旭
马云修
王傲成
陈雷
刘刚
姚淑鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pipe Network Group Xuzhou Pipeline Inspection And Testing Co ltd
China University of Petroleum East China
Original Assignee
Pipe Network Group Xuzhou Pipeline Inspection And Testing Co ltd
China University of Petroleum East China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pipe Network Group Xuzhou Pipeline Inspection And Testing Co ltd, China University of Petroleum East China filed Critical Pipe Network Group Xuzhou Pipeline Inspection And Testing Co ltd
Priority to CN202211198392.8A priority Critical patent/CN115602267B/zh
Publication of CN115602267A publication Critical patent/CN115602267A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115602267B publication Critical patent/CN115602267B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统，涉及超声导波无损检测技术领域。通过建立固体力学和固体传热耦合的多物理场几何模型；在多物理场模型中设置相应的边界条件，对多物理场模型进行稳态求解和特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。本发明考虑了不同温度效应引起的结构热应变，扩展了波有限元法，能够精确计算复杂环境温度下热弹性波导结构的频散曲线，进而分析得到温度对导波频散特性的影响，为导波温度补偿技术的研究及导波激发模态的优选提供了理论依据。

Description

基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统
技术领域
本发明涉及超声导波无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
超声导波因其传播距离远、能量衰减小、对微小损伤敏感等诸多优点在无损检测和结构健康监测领域被广泛研究与应用。但由于导波具有明显的频散及多模态特性，且受服役环境中温度变化的影响，会导致结构损伤信息的虚报或误报。因此，为了实现超声导波技术的工程应用，充分了解环境温度对导波频散特性的影响至关重要。
热致声弹性效应被用于描述导波速度与温度之间的关系，而考虑热致声弹性效应的结构称为热弹性波导。目前，国内外学者分析热弹性波导频散特性的方法主要有三种：
(1)【非专利文献，Dodson J C,Inman D J.Investigating the thermallyinduced acoustoelastic effect in isotropic media with Lamb waves[J].TheJournal of the Acoustical Society of America,2014,136(5):2532-2543.】：2014年Dodson J C教授通过扩展传统声弹性理论，建立了含热致应变的温度声弹波动方程，求得其解析解，研究了板类结构中均匀温度变化对导波频散特性的影响。然而，由于实际工程中波导几何结构和环境温度分布的复杂性，解析求解法变得不再适用。
(2)【非专利文献，李春雷.基于波有限元法的弹性导波问题研究[D].华南理工大学,2017.】：2017年华南理工大学李春雷博士基于广义热弹性理论，推导了波有限元法的热弹性导波频散方程，研究了圆管中热弹性导波的频散特性。但是该方法忽略了材料高阶弹性常数的影响，导致计算结果与实际情况出现较大的偏差。
(3)【非专利文献，杨正岩.异型截面结构超声导波监测的半解析有限元分析方法研究[D].大连理工大学,2020.】、【专利文献，基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，CN110319947A，大连理工大学，公开日2019年10月11日】：2020年大连理工大学杨正岩博士结合热致声弹性理论，提出的温度声弹性-半解析有限元法，研究了温度影响下异型截面结构中超声导波的传播问题。然而，该方法只能求解沿导波传播方向几何形状和材料属性保持恒定的均匀波导，具有一定的工程应用局限性。
综上所述，现有技术中分析热弹性波导频散特性的方法均存在各种各样的缺陷，因此针对热弹性波导结构的频散分析如何开发一种有效且通用的数值计算方法是超声导波技术面向工程应用中亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统，利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件中的热膨胀接口，耦合固体传热和固体力学物理场，考虑了不同温度效应引起的结构热应变，扩展了波有限元法，能够精确计算复杂环境温度下热弹性波导结构的频散曲线，进而分析得到温度对导波频散特性的影响，为导波温度补偿技术的研究及导波激发模态的优选提供了理论依据。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，包括以下步骤：
确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；
定义热弹性波导的材料及材料属性；
在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分；
对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果；
将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；
将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。
进一步的，根据热弹性波导的结构特征，对其周期性子结构进行参数化几何建模。
进一步的，所述材料为热弹性波导的组成材料，材料属性包括材料的密度、热膨胀系数、拉梅常数、三阶弹性常数及有效动态热致声弹性常数。
进一步的，在多物理场模型中设置相应的边界条件的具体步骤为：对热弹性波导涉及的物理场进行域选择及边界条件设定，并进行多物理场耦合设置；其中多物理场包括固体传热和固体力学，固体传热和固体力学场由热膨胀接口进行多物理场耦合。
更进一步的，边界条件包括固体传热场中的温度边界、固体力学场中的周期性边界条件及提供位移约束的刚体运动抑制边界。
更进一步的，对多物理场模型进行稳态求解的过程为：在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用Floquet周期性边界条件，启用温度边界并对整体模型施加刚体运动抑制边界；对热弹性波导稳态求解计算，得到与时间无关的结构温度场和应变场分布结果。
更进一步的，对多物理场模型进行特征频率求解的过程为：在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用刚体运动抑制边界，启用Floquet周期性边界条件；以稳态求解结果作为本步骤特征频率计算的初始数据，可计算得到热弹性波导波数和特征频率的频散关系图。
本发明第二方面提供了一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析系统，包括：
热弹性波导建模模块，被配置为确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；定义热弹性波导的材料及材料属性；在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分；
热应变仿真模块，被配置为对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果；
特征频率仿真模块，被配置为将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；
频散特性分析模块，被配置为将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。
本发明第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
(1)本发明公开了基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，同时耦合了固体传热和固体力学物理场，可以求解复杂环境温度下热弹性波导的热应变及频散特性，是一种通用的数值计算方法，弥补了传统解析法和半解析有限元法的工程局限性。
(2)本发明基于COMSOL Multiphysics商业有限元软件，只需对热弹性波导的周期性子结构进行建模分析，即可快速实现频散特性的计算与分析，不仅保证了计算精度，还极大的提高了计算效率。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本实施例一基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法流程图；
图2是本实施例一周期性子结构的几何模型示意图；
图3是本实施例一周期性子结构的边界条件设置示意图；
图4是本实施例一120℃下周期性子结构稳态求解后的温度场分布图；
图5是本实施例一120℃环境温度下6061-T6铝板波数与特征频率的频散曲线图；
图6是本实施例一不同均匀环境温度下6061-T6铝板的相速度频散曲线图；
图7a是本实施例一6061-T6铝板A0模态在不同环境温度下相速度差值随频厚积的变化关系图；
图7b是本实施例一6061-T6铝板S0模态在不同环境温度下相速度差值随频厚积的变化关系图。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；
优选的，根据热弹性波导的结构特征，只需对其周期性子结构进行参数化几何建模，这极大提高了计算效率。
S1.1：对于均匀波导，其周期性子结构的尺寸并不唯一，一般建议长宽比取0.1，此处长度代表沿波传播方向的结构尺寸，宽度代表沿波导截面方向的结构尺寸；多物理场包括固体传热和固体力学，在COMSOL Multiphysics软件中两个物理场可以彼此耦合。
S2：定义热弹性波导的材料及材料属性。
优选的，本实施例中，材料为热弹性波导的组成材料，材料属性包括材料的密度ρ、热膨胀系数αT、拉梅常数λ和μ、三阶弹性常数及有效动态热致声弹性常数。
S2.1：本发明涉及的热致声弹性效应属于一种非线性行为，需要用三阶弹性常数来表征材料本构关系中的非线性行为，否则会导致计算误差。对于各向同性材料而言，3个独立的三阶弹性常数可由Murnaghan常数表示，分别为l,m,n。
S2.2：有效动态热致声弹性常数用于表征材料属性的温度依存性，可由声弹性波动控制方程推导得到，具体包括与温度变化相关的有效杨氏模量EΔT和有效泊松比νΔT，可表示为：
其中，ΔT指环境温度的相对变化；λ,μ指材料的拉梅常数；l,m,n指材料的Murnaghan常数。
S3：在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分。
S3.1：对热弹性波导涉及的物理场进行域选择及边界条件设定，并进行多物理场耦合设置；其中固体传热和固体力学场由热膨胀接口进行多物理场耦合，其边界条件包括固体传热场中的温度边界、固体力学场中的周期性边界条件及提供位移约束的刚体运动抑制边界。
S3.1.1：首先根据实际的环境温度，在热弹性波导的表面设置相应的温度边界，其余部分均采用热绝缘边界；随后沿着导波的传播方向，将周期性子结构对应的耦合界面设置为Floquet周期性边界条件，具体满足如下关系：
其中udst和rdst是源边界的位移和坐标；usrc和rsrc是目标边界的位移和坐标，其中kF为波数，其取值范围定义为-π≤kF(rdst-rsrc)≤π，其余边界设置为自由边界条件。
优选的，模型整体采用结构化网格，其中为了保证数值计算的稳定性，要求周期性子结构耦合界面处的网格节点分布必须完全一致；为了保证数值结果的收敛性，需保证每个波长上至少含有6个或更多网格的数量。
S4：对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果。
S4.1：在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用Floquet周期性边界条件，启用温度边界并对整体模型施加刚体运动抑制边界；对热弹性波导稳态求解计算，可得到与时间无关的结构温度场和应变场分布结果。
S4.1.1：将数值模型设置两个研究步骤，分别为稳态研究和特征频率研究。
S4.1.2：首先对热弹性波导进行稳态研究，需在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用Floquet周期性边界条件，启用温度边界并对整体模型施加刚体运动抑制边界；通过求解可得时间无关的温度场和应变场分布结果。
S5：将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系。
S5.1：特征频率研究时，需在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用刚体运动抑制边界，启用Floquet周期性边界条件；以S4.1.2的稳态求解结果作为本步骤特征频率计算的初始数据，设置合适的波速扫描间距和待求解的特征频率数量，提取任一固定波数下的特征频率f，可计算出不同温度条件下热弹性波导波数与特征频率的频散关系(kF-f)，并得到热弹性波导波数和特征频率的频散关系图。
S6：将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响，为超声导波激发模态的优选和信号补偿技术提供数据和理论支持。
S6.1：根据S5.1中得到的结果，由公式Cp＝2πf/kF计算得到不同特征频率下的相速度值，绘制不同温度条件下热弹性波导的相速度频散曲线(Cp-f)，进一步分析温度变化对导波频散特性的影响。
理论验证：
下面以均匀温度(20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃)影响下2mm厚6061-T6铝板的频散特性分析为例，对本发明作更进一步的详细说明，并将导波模态相速度的变化结果与传统半解析有限元法的计算值作对比，以验证本方法的可靠性，具体流程步骤结合附图1所示。
(1)首先，根据铝板的结构特征，选取0.2×0.2×2mm3(长×宽×厚)的立方体作为周期性子结构，在COMSOL Multiphysics软件中建立周期性子结构的几何模型，如图2所示；并添加固体力学和固体传热两个物理场，其中模型的初始温度设置为20℃；
(2)在软件的“全局定义”部分指定20℃下各向同性铝板的材料属性，具体包括密度ρ、热膨胀系数αT、拉梅常数λ，μ、Murnaghan常数l，m，n及有效动态热致声弹性常数，详细数据见表1；
表1.20℃下6061-T6铝的材料属性
材料属性 ρ(kg/m3) λ(GPa) μ(GPa) l(GPa) m(GPa) n(GPa) αT(1/K)
6061-T6铝 2704 54.308 27.174 -281.5 -339 -416 2.4×10-5
其中有效动态热致声弹性常数包括与温度变化相关的有效杨氏模量EΔT和有效泊松比vΔT，其表达式与环境温度的相对变化ΔT、材料的拉梅常数λ，μ和Murnaghan常数l，m，n有关，具体如下式：
(3)在COMSOL Multiphysics软件中设置热膨胀接口将固体传热物理场和固体力学物理场进行耦合；首先根据实际的环境温度，在热弹性波导的表面ΓT,ΓB设置相应的恒温边界(20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃)，其余表面ΓL,ΓR,ΓF,ΓP均采用热绝缘边界，具体如图3所示；假设导波沿着x轴方向传播，将周期性子结构对应的耦合界面ΓL,ΓR设置为Floquet周期性边界条件，其余边界ΓT,ΓB,ΓF,ΓP设置为自由边界条件，则满足如下关系
其中udst和rdst是源边界的位移和坐标；usrc和rsrc是目标边界的位移和坐标，其中kx为导波沿x轴方向传播的波数，其取值范围定义为-π≤kx(rdst-rsrc)≤π；
模型整体采用自由四面体网格，其中为了保证数值计算的稳定性，在COMSOLMultiphysics软件中采用复制面网格操作，保证周期性子结构耦合界面处的网格节点分布完全一致；为了保证数值结果的收敛性，需保证每个波长上至少含有6个或更多网格的数量，最终设置网格剖分时最大网格尺寸为0.02mm。
(4)将数值模型设置两个研究步骤，分别为稳态研究和特征频率研究。首先对热弹性波导进行稳态研究，需在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用Floquet周期性边界条件，启用温度边界并对整体模型施加刚体运动抑制边界；通过求解可得到波导内与时间无关的温度场和应变场分布结果，其中120℃下周期性子结构稳态求解得到的结构温度分布如图4所示。
(5)将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率研究，需在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用刚体运动抑制边界，启用Floquet周期性边界条件；对波数kx设置参数化扫描，范围为-π≤kxΔlx≤π，步长Δkx为50 1/m；待求解的特征频率数量设置为20，搜索的基准值为1Hz，通过特征值求解可以得到对应波数下的特征频率f，从而绘制出不同温度条件下热弹性波导波数与特征频率的频散关系(kx-f)，图5为120℃环境温度下6061-T6铝板波数与特征频率的频散曲线。
(6)根据步骤(5)中得到的结果，由公式Cp＝2πf/kx计算得到不同特征频率下的相速度值，绘制不同温度条件下热弹性波导的相速度频散曲线(Cp-f)，图6为不同均匀环境温度(20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃)下6061-T6铝板的相速度频散曲线。
(7)进一步分析温度变化对导波频散特性的影响，定义相速度差值ΔCP＝CP-CP0，其中CP为相较于20℃升温后6061-T6铝板的相速度，CP0为20℃下6061-T6铝板的相速度，数据整理后，得到A0和S0模态相速度差值在不同环境温度下随着频厚积变化的关系，并与半解析有限元法(SAFE)的计算结果进行对比，具体如图7a、图7b所示。其中，半解析有限元法(SAFE)的计算结果用离散的圆点表示，对比发现结果吻合性很好，由此验证本发明提出的数值计算方法的可靠性。
结果表明：本发明提供的数值计算方法基于多物理场耦合能够准确得到热弹性波导的频散特性曲线，可以直观分析出环境温度变化对不同导波模态频散特性的影响，相较于传统的解析法和半解析有限元法，本发明提高了计算效率，并保证了计算精度，为超声导波激发模态的优选和信号补偿技术提供数据和理论支持。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析系统，包括：
热弹性波导建模模块，被配置为确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；定义热弹性波导的材料及材料属性；在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分；
热应变仿真模块，被配置为对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果；
特征频率仿真模块，被配置为将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；
频散特性分析模块，被配置为将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。
实施例三：
本发明实施例三提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例一所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法中的步骤。
实施例四：
本发明实施例四提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例一所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法中的步骤。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；
定义热弹性波导的材料及材料属性，具体为：材料为热弹性波导的组成材料，材料属性包括材料的密度ρ、热膨胀系数αT、拉梅常数λ和μ、三阶弹性常数及有效动态热致声弹性常数；
在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分，具体为：对热弹性波导涉及的物理场进行域选择及边界条件设定，并进行多物理场耦合设置；其中固体传热和固体力学场由热膨胀接口进行多物理场耦合，其边界条件包括固体传热场中的温度边界、固体力学场中的周期性边界条件及提供位移约束的刚体运动抑制边界；
对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果；
将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；
将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。
2.如权利要求1所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，其特征在于，根据热弹性波导的结构特征，对其周期性子结构进行参数化几何建模。
3.如权利要求1所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，其特征在于，对多物理场模型进行稳态求解的过程为：在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用Floquet周期性边界条件，启用温度边界并对整体模型施加刚体运动抑制边界；对热弹性波导稳态求解计算，得到与时间无关的结构温度场和应变场分布结果。
4.如权利要求3所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法，其特征在于，对多物理场模型进行特征频率求解的过程为：在求解器中修改研究步骤的模型配置，禁用刚体运动抑制边界，启用Floquet周期性边界条件；以稳态求解结果作为本步骤特征频率计算的初始数据，可计算得到热弹性波导波数和特征频率的频散关系图。
5.基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析系统，其特征在于，包括：
热弹性波导建模模块，被配置为确定周期性子结构的形状和尺寸，建立多物理场几何模型；定义热弹性波导的材料及材料属性,具体为：材料为热弹性波导的组成材料，材料属性包括材料的密度ρ、热膨胀系数αT、拉梅常数λ和μ、三阶弹性常数及有效动态热致声弹性常数；在多物理场模型中设置相应的边界条件，并对整体模型进行网格剖分，具体为：对热弹性波导涉及的物理场进行域选择及边界条件设定，并进行多物理场耦合设置；其中固体传热和固体力学场由热膨胀接口进行多物理场耦合，其边界条件包括固体传热场中的温度边界、固体力学场中的周期性边界条件及提供位移约束的刚体运动抑制边界；
热应变仿真模块，被配置为对多物理场模型进行稳态求解，得到结构的温度场和应变场分布结果；
特征频率仿真模块，被配置为将稳态求解得到的结果作为初始数据，对多物理场模型进行特征频率求解，得到波数与特征频率的频散关系；
频散特性分析模块，被配置为将特征频率求解得到的结果绘制为相速度频散曲线，分析温度变化对导波频散特性的影响。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法。
7.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述的基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法。
CN202211198392.8A 2022-09-29 2022-09-29 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统 Active CN115602267B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211198392.8A CN115602267B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211198392.8A CN115602267B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115602267A CN115602267A (zh) 2023-01-13
CN115602267B true CN115602267B (zh) 2023-10-13

Family

ID=84844244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211198392.8A Active CN115602267B (zh) 2022-09-29 2022-09-29 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115602267B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117594170B (zh) * 2024-01-17 2024-04-26 中国石油大学(华东) 温度-应力耦合作用下板壳结构导波频散分析方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002099483A1 (en) * 2001-05-31 2002-12-12 Corning Incorporated Chromatic dispersion and dispersion slope control
CN102354343A (zh) * 2011-10-21 2012-02-15 北京工业大学 基于特征频率法计算超声导波频散关系的方法
CN109612414A (zh) * 2018-12-05 2019-04-12 北京大学 一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法
CN110147633A (zh) * 2019-05-31 2019-08-20 天津大学 基于多物理场耦合的超声弹性成像仿真方法
CN112001101A (zh) * 2020-07-20 2020-11-27 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 基于有限元的gil电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法
CN113962086A (zh) * 2021-10-22 2022-01-21 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种多物理场耦合的声表面波滤波器的计算方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002099483A1 (en) * 2001-05-31 2002-12-12 Corning Incorporated Chromatic dispersion and dispersion slope control
CN102354343A (zh) * 2011-10-21 2012-02-15 北京工业大学 基于特征频率法计算超声导波频散关系的方法
CN109612414A (zh) * 2018-12-05 2019-04-12 北京大学 一种基于超声波导的高温管道壁厚在线监测装置及其方法
CN110147633A (zh) * 2019-05-31 2019-08-20 天津大学 基于多物理场耦合的超声弹性成像仿真方法
CN112001101A (zh) * 2020-07-20 2020-11-27 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 基于有限元的gil电-磁-热-流-力多物理场耦合仿真建模方法
CN113962086A (zh) * 2021-10-22 2022-01-21 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种多物理场耦合的声表面波滤波器的计算方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
卢梦凯 等.第三届全国热应力大会会议综述.《宁波大学学报(理工版)》.2020,第33卷(第4期),35-40. *
王现辉 等.板中热弹波传播:一种改进的勒让德多项式方法.《力学学报》.2020,第52卷(第5期),1277-1285. *
胡超 等.热-力双向耦合下平板结构振动的非经典方程.《中国科学:物理学 力学 天文学》.2016,第46卷(第3期),31-41. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115602267A (zh) 2023-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Camporeale et al. A finite element method for three-dimensional analysis of thermo-acoustic combustion instability
Mencik New advances in the forced response computation of periodic structures using the wave finite element (WFE) method
Honarvar et al. Wave propagation in transversely isotropic cylinders
CN115602267B (zh) 基于多物理场耦合的热弹性波导结构频散分析方法及系统
Nijhof Viscothermal wave propagation
Kim et al. Finite element analysis for acoustic characteristics of combustion stabilization devices
Zucca et al. Bi-linear reduced-order models of structures with friction intermittent contacts
Kuether et al. Nonlinear modal substructuring of systems with geometric nonlinearities
Chandrashaker et al. Quantification of vibration localization in periodic structures
Haeringer et al. A strategy to tune acoustic terminations of single-can test-rigs to mimic thermoacoustic behavior of a full engine
Liu et al. A computational fluid dynamics approach for full characterization of muffler without and with exhaust flow
CN113987880A (zh) 一种基于波有限元法的预应力波导结构分析方法及系统
Song et al. Elastic wave propagation in strongly nonlinear lattices and its active control
Xia et al. Probabilistic interval perturbation methods for hybrid uncertain acoustic field prediction
Capiez-Lernout et al. Design optimization with an uncertain vibroacoustic model
Tongqing et al. CFD/CSD-based flutter prediction method for experimental models in a transonic wind tunnel with porous wall
Lim et al. Predicting blade stress levels directly from reduced-order vibration models of mistuned bladed disks
Zhang et al. The Biot model and its application in viscoelastic composite structures
Wang et al. Circumferential thermoelastic Lamb wave in fractional order cylindrical plates
Mortara et al. Analysis of nonlinear aeroelastic panel response using proper orthogonal decomposition
Shahi et al. Strongly coupled fluid–structure interaction in a three-dimensional model combustor during limit cycle oscillations
Kulkarni et al. Confidence in flame impulse response estimation from large eddy simulation with uncertain thermal boundary conditions
Chróścielewski et al. Formulation of spectral truss element for guided waves damage detection in spatial steel trusses
Pozarlik et al. Fluid-structure interaction in combustion system of a gas turbine—effect of liner vibrations
Matney et al. Thermal-structural reduced order models for unsteady/dynamic response of heated structures in large deformations

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant