ADINA软件

ADINA软件（精选7篇）

ADINA软件 第1篇

1.1 流固耦合的定义

流固耦合是流体力学和固体力学合并交叉生成的一个独立的分支, 它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。其重要的特性是两相介质之间的相互作用, 固体在流体作用下的动态负载会产生变形或运动, 固体变形或运动, 反过来影响流场, 从而改变流体负载范围和数值, 正是这种相互作用将在不同条件下生成流固耦合现象。

流固耦合的分类:

总的来说, 流固耦合机理可以分为两类:一种是耦合效应只发生在两相界面, 平衡方程表面的耦合是由两相耦合面上协调引进;第二种是两相重叠的部分或全部, 很难清楚地分开, 使方程描述的物理现象, 尤其是本构方程对特定的物理现象是需要建立的耦合效应, 通过描述问题的微分方程表现出来。

1980年以后, 流固耦合的研究已经得到了广泛的关注, 世界学术界近年来的流固耦合研究发展的三个标志如下:

1) 流固耦合问题由线性发展到非线性问题;2) 由固体结构的变形和强度到固体屈曲化;

3) 计算格式从单纯的差分格式发展到兼容的流固格式。

1.2 流固耦合研究方法

流固耦合根据其发展顺序的步骤可以分为单步耦合、多步耦合、直接耦合三个阶段。

1) 单步耦合。

单步耦合应用频域方法假设结构在一个已知频率和振幅的运动, 然后求解非定常气动力做功来确定稳定。单步耦合通常需要从解决结构变形开始, 然后通过结构变形, 在流场中进行稳定性计算和阻尼计算。单步耦合流场的求解过程由从线性发展到非线性。

2) 多步耦合。

同单步耦合方法一样, 多步耦合方法也需要在结构和流体领域分别解决变形等问题, 不同的是多步耦合在进行交互计算上不止一个时间点, 也就是说每次完成后都需要进行边界流体和结构荷载、位移等参数的传输。多级耦合方法很难时间离散的互动、结构和流体场数据总是滞后的。

3) 直接耦合。

直接耦合方法对结构和流体场的描述用的是一个统一的方程, 按照统一的离散数值求解方法, 从而实现了同步时间, 没有滞后。本迪克斯用混合欧拉—拉格朗日方程来解决流固耦合系统的耦合边界问题, 并实现了欧拉方程向拉格朗日方程的转换。

1.3 流固耦合的计算方法

流固耦合数值计算早期开始于航空领域的气动弹性问题, 通过界面的耦合情况需要满足耦合界面力平衡, 并且界面必须相容。解决气动弹性问题的方法一般分为两种:强耦合和弱耦合。强耦合方法需要同时求解CSD方程和CFD方程, 弱耦合方法是一种模块化的求解方法。通过CFD网格点的耦合负载切换到CSD节点上, 使得CSD节点上的位移差值来交换CFD网格点的数据。在弱耦合方法中, CSD和CFD都可以保持非常高的精确度。

在计算流固耦合问题时, 学者们提出了许多方法, 通过归纳, 基本上可以概括为以下两个方面:

1) 结构部分和流体部分通过有限元法, 建立了流固耦合振动方程;

2) 结构部分是用有限元法离散, 流体部分通过在定义域的边界上划分单元, 然后建立一个函数, 并且满足控制议程, 用该函数去逼近边界条件, 这种方法与有限元法在连续区域中单元划分不同, 又称作边界元法。该方法单元未知数少, 数据准备相对简单, 然后建立流固耦合振动方程。通过流体有限元和结构有限元相结合, 大多数形状复杂的结构在流体中所受到的影响可以用电子计算机来计算, 但是这种方法通常要求计算机拥有强大的计算功能, 并且需要长时间计算才能得出结果, 这也是计算过程中的实际困难。

2 ADINA有限元软件

2.1 ADINA的发展历史

1975年K.J.BATHE博士领导其研究团队开发出ADINA有限元分析软件, 逐渐成为了全球应用最广泛的有限元分析软件。一方面功能强大应用范围广, 各种工程项目, 教育界以及科学研究领域等等, 都可以利用这种软件来进行服务和帮助。另一方面其源代码是公开的代码, 为以后出现的许多有限元分析软件提供了基础代码。

K.J.BATHE博士于1986年在美国成立了公司, 专门为ADI-NA软件开展了其商业化的发展, 把精力放在解决非线性有限元、流固耦合、热机耦合等, 该程序性能可靠, 效率高, 分析能力强, 处于全球领先地位。经过近20年的商业化发展, ADINA有限元软件被广泛应用于各种行业, 包括海洋开发、航空航天、建筑工程、公路铁路、汽车船舶制造、机械电子、石油天然气能源等领域。

2.2 ADINA的扩展功能

ADINA可以求解多个物理场问题, 其组成模块包括:

前后处理模块 (ADINA-AUI) ;结构分析模块 (ADINA-Structures) ;流体分析模块 (ADINA-CFD) ;热分析模块 (ADINA-Thermal) ;流固耦合分析模块 (ADINA-FSI) ;热机耦合分析模块 (ADI-NA-TMC) ;建模模块 (ADINA-M) ;接口模块 (ADINA-Transor) 。

2.3 前后处理模块 (ADINA-AUI) 特点

1) 嵌入式扩展建模模块, 这个模块使用的是参数化实体建模技术。该技术是由著名的EDS公司研发成功, 现已被多家三维CAD软件开发公司作为自己的内核技术。ADINA也采用了该技术, 使自身具有了强大的几何建模功能, 而且所有CAD软件建立的几何模型, 都可以顺利进入ADINA软件系统, 不会有任何缺失。

2) 所有数据和边界条件可以直接应用到模型的几何特征, 用户可以任意修改单元网格, 不会影响模型的边界条件和荷载受力情况。

3) ADINA小的提供一个功能强大的网格分区处理系统。对复杂模型进行自动六面体网格划分。

4) ADINA可以读写Nastran软件的有限元模型数据格式。

5) 用可视化处理方法可以对后处理的每一种结果变量进行分析。如网格变形图、彩色云图、等值线图等;旋转、缩放和生成的动画非常简单;并且可以绘制各种变量曲线图和粒子切片技术。

6) 可以是各种各样的结果图形表示。

7) 可以用动画显示的方法来描述应力变形和温度数据的计算过程和计算结果。

8) 方便计算参数模型上任一点在任何时间的参数曲线, 如应力应变曲线、应力时间曲线等。

2.4 ADINA分析能力

ADINA由于它的可靠性、效率和精度, 广泛应用于各种行业, 取得了很高的声誉, 并且通过了大量的项目审查和工程测试, 已被验证为高效的有限元分析软件。

1) 静态分析:分析各种结构在一定的边界条件和荷载作用下的应力分布、位移变形、内力分析等。

2) 动态分析:包括隐式和显式瞬时动态分析、模态分析、响应谱分析、随机振动分析等等。ADINA模态分析不仅可以单个组件, 也可以分析组装模式, 如螺栓元素、接触因素等等。

3) 结构屈曲分析:屈曲分析是用来确定在结构失稳的情况下所承受的极限荷载, 或者是在极限荷载作用下结构的失稳过程, 其中包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析。载荷低于控制算法是在位移可控的情况下通过增加或减少负荷, 寻找屈曲临界荷载, 可以反映结构的实际应力和应变状态。

3 结语

在流固耦合过程中, 流体的作用力施加到结构上, 结构的变形反过来影响流体区域。ADINA的流固耦合计算中, 流体模型可以是不可压缩流体, 轻微可压缩流体, 低速和高速可压缩流体以及经过多孔介质的流体。结构模型可以是ADINA结构模块中使用的各种类型。

要进行流固耦合计算, 需要分别在ADINA结构模块 (ADINA-Structure) 和流体模块 (ADINA-CFD) 中建立结构模型和流体模型, 然后把两个模型一起放到ADINA流固耦合求解器 (ADINA-FSI) 中进行求解。通过两个模型的耦合求解, 其中结构模型是基于Lagrangian坐标系的, 位移是基本未知量。纯流体模型是使用Eulerian坐标系的, 然而在流固耦合问题中, 因为界面会发生变形, 所以流体模型必须使用Arbitrary-Lagrangian-Eulerian坐标系。求解的基本未知量不仅包括通常的压力、速度, 还包括位移。

摘要：简要介绍了流固耦合的定义、分类及计算方法, 指出其计算复杂, 需要结合有限元软件计算压力、速度和位移等基本未知量, 并对ADINA有限元软件的基本知识进行了阐述, 总结了ADINA的优势, 同时通过项目审查和工程测试, 验证了该软件为高效的有限元分析软件。

关键词：流固耦合,ADINA有限元软件,结构模块

参考文献

[1]曾攀.有限元分析基础教程[D].北京:清华大学, 2008.

[2]刘国俊.计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势[J].航空计算技术, 1994 (1) :15-22.

[3]周连第.船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J].空气动力学学报, 1998, 16 (1) :121-141.

基于ADINA的土体固结沉降分析 第2篇

1 工程实例

苏北某高校一座在建图书馆,地下1层,地上9层,建筑总面积38 000 m2,其基坑呈67.5 m×67.5 m的正方形。根据现场勘探资料,将场地土自上而下分为13层:(1)素填土:灰黄色,湿,主要成分为粘质粉土,层顶部夹杂碎瓦砾等杂物及植物根须,松散,土质不均匀。(2)粘质粉土:灰黄色,湿,稍密,见少量铁锰氧化物及少量黏性土条带,摇振反应中等,无光泽反应,干强度及韧性低,土质欠均匀。(3)a淤泥质粉质黏土:灰～灰黄色,饱和,流塑,夹少量粉土团块及薄层,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度及韧性中等,土质较均匀。(3)b砂质粉土:灰色,湿,稍密～中密,见少量云母碎屑及大量黏性土条带,摇振反应迅速,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(3)c粘质粉土:灰色,湿,稍密,见少量云母碎屑及大量黏性土条带,摇振反应中等,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(3)d砂质粉土:灰黄色,湿,稍密～中密,见少量云母碎屑及黏性土条带,摇振反应迅速,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(3)e砂质粉土:灰黄色,湿,稍密,见少量云母碎屑及大量黏性土条带,摇振反应迅速,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(3)f淤泥质粉质黏土:灰～灰黄色,饱和,流塑,夹少量粉土团块或薄层,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度及韧性中等,土质较均匀。(4)粉质黏土:灰色～灰黄色,饱和,可塑,夹少量铁锰质结核,无摇振反应,切面稍有光滑,干强度及韧性中等,土质较均匀。(5)砂质粉土:灰色,湿,中密,见少量云母碎屑,摇振反应迅速,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(6)a粉砂:灰色,饱和,密实,局部中密,见少量云母碎屑,粘粒含量平均为6.2%,土质不均匀。(6)b砂质粉土:灰色,湿,中密,见少量云母碎屑及大量黏性土条带,摇振反应迅速,无光泽反应,干强度及韧性低,土质不均匀。(7)黏土:灰色～灰绿色,饱和,可塑,局部硬塑,夹少量钙质结核,核径1 cm～2 cm,无摇振反应,切面光滑,干强度及韧性高,土质较均匀。

2 计算模型建立

ADINA在进行分析计算时采用二维模型,土体采用MohrCoulomb材料模型,当正应力σ满足τ=C+σtan时,模型在该正应力对应的截面进入塑性阶段,其中,τ为该截面的切应力;为材料的内摩擦角;C为材料的粘聚力。将模型简化为平面应变问题,对模型横向截面进行数值模拟。计算过程中取荷载为3 500 kPa均匀作用于地基基础上,取整个计算区域为200 m。由于表面(1)层和(2)层的土层分布不均匀,在模型中折算成相关载荷,不作为固结的土体。整个模型深度为40 m,左右采取水平约束,竖向可以自由移动,底边采用固定约束,中间加荷载区域左右两侧均采取水平约束,其有限元简化模型如图1所示。

3 计算结果及分析

3.1 地基沉降分析

以地基表面土及基坑表层土为研究对象,其最左端为坐标原点进行分析,绘制地基各层土沉降云图和地基表面沉降曲线(见图2,图3)。经分析,基坑表层土最大沉降量位于荷载作用中心,为0.105 7 m,随着远离荷载作用中心,基坑表层土沉降量逐渐减小直到荷载边界趋近于零。地基表面土因中间荷载的影响产生了一定的隆起,最大隆起位置位于左右边界处,但总体来说隆起量不大。下面对地基表面土及基坑表层土的水平位移与竖向位移进行对比分析。

3.2 水平位移与竖向位移对比分析

从各土层水平移动云纹图可见荷载边界作用效应(见图4),即土体的水平位移主要分布在荷载从无到有的突变处,而均布荷载中心位移场为零。

从水平位移与竖向位移分析的曲线中可以看出,在地基荷载作用的范围内,建筑物中点的下沉最大,其对应的水平位移为零(见图5)。因为根据模型的对称性,该点只有竖直向下的应力,而左右两侧的水平力相互平衡而抵消。从地基中心向两边出现了水平位移,其中在地基中心左右两侧39 m,地下40 m处出现了水平位移的极值。从竖向位移图中可以看出它们分别是地基下沉增量拐点,此刻它们对应的水平位移达到极大值。这两点所受水平力不平衡,合力均指向地基荷载作用中点,所以它们有向地基中心移动的趋势,因此该图书馆在地下一层处应增设挡土墙,以减小周边土体对地下一层的水平作用力。

在外部荷载作用区域以外的土体除了产生了水平位移,还产生了负的竖向位移,即局部隆起。在地基沉降处理不当时很可能对周围其他的建筑物基础造成破坏,必要时应进行相应的加固处理。

4 结语

1)分析研究了均布荷载作用下建筑物地基的沉降规律和水平位移变形,得出结论:下沉最大处在均布荷载作用中心,水平位移最大值分布在均布荷载左右作用边界处。2)荷载左右边界应根据需要进行相应的加固处理;在地基最薄弱处不应进行大型工程。3)通过对该地基进行竖向与水平位移的分析,得出运用AD-INA软件对土体固结沉降的分析是可行的。

摘要：运用非线性有限元分析软件ADINA对均布荷载作用下的土体进行固结沉降分析,考虑土层的特性,根据计算结果预测了土体各个区域的竖直沉降量和水平位移量,分析了地基周围土体的受力特点,有效地采取各项防治措施,从而确保建筑物及其周边建筑的安全。

关键词：固结沉降,ADINA,非线性有限元

参考文献

[1]ADINA北京代表处.ADINA中文土木练习手册[M].北京:地质出版社,2004.

[2]李广信.高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]张向东,黄亮.土体固结沉降的ADINA分析[J].山西建筑,2008,34(2):34-35.

[4]张向东,余建荣.ADINA在深基坑开挖过程中对地铁的影响分析[J].科学技术与工程,2007(2):4-7.

[5]杨坪,杨军,许德鲜,等.基于ADINA的软土坝基沉降分析[J].工程地质学报,2008,16(4):533-538.

[6]孟德光,邓西录,吴建国,等.软土地基固结的三维数值模拟[J].河北科技师范学院报,2006(6):20-22.

ADINA在往复式隔膜泵中的应用 第3篇

1.1隔膜泵的原理及应用领域

隔膜泵的工作原理为电动机通过减速机驱动曲柄滑块机构, 将旋转运动转变为直线运动, 带动活塞往复运动, 活塞借助油介质使橡胶隔膜凹凸运动, 在隔膜室腔内的矿浆容积周期性变化, 完成矿浆输送。

隔膜泵的主要应用领域包括氧化铝工业和管道化输送行业。其中, 氧化铝工业主要分为氧化铝溶出喂料、碱液输送和赤泥外排;管道化输送主要包括尾矿、铁精矿、磷精矿、铜矿、金矿以及长距离输煤等行业。在当前提倡节能减排的经济环境下, 在特定领域内, 管道化输送代替传统的运输方式将是大势所趋, 隔膜泵也将得到更广泛的应用。

1.2 ADINA于工程仿真计算中的优势

ADINA作为一款商用有限元分析软件得到了广泛的应用, 得益于其在工程应用中的以下三点优势:

(1) 强大的求解器

结构:无论是静态问题, 还是隐式或显示动态计算问题, 均有非常优秀的计算方法。并且在非线性计算上有着强大的计算能力。

CFD:出众的动网格技术为复杂的流体计算提供了可靠的保障。

多场耦合:出色的流固耦合计算, 其直接耦合算法是高度复合非线性强耦合计算的技术保证。还有高效的流固热三场耦合等都让ADINA成为CAE工程师手中一款出色的计算平台。

(2) 丰富的前后处理接口

对于工程问题, 模型的前处理过程大多在专业的前处理平台完成, 并最终导入到软件进行计算;后处理同样需要导入到不同的专业后处理软件进行处理。这样就需要软件具备丰富的前后处理软件接口。

(3) 先进的框架理念

时间函数、单元面集、节点集、节点信息等均支持excel或文本文档操作。因此易于尺寸参数化驱动模型。

二、ADINA在隔膜泵中的应用

2.1隔膜泵动力端的应用

2.1.1下箱体装配体隐式动力学分析

下箱体部装是隔膜泵的重要组成部分, 为液力端矿浆输送提供动力。其运转过程中由曲轴的旋转运动转变为是十字头部装的直线往复运动, 各个关键件紧密联系, 相互影响, 是比较复杂的运动形式。

在进行隔膜泵关键件强度分析时, 主要采用静强度分析方法, 其边界条件对于分析结果影响很大, 对于这样复杂的运动情况, 实现动力学分析以确定各关键件的危险工况是十分必要的。采用ADINA中的隐式动力学分析方法很好的实现了隔膜泵下箱体部装这一运动过程。分析模型如图所示, 由于这一过程重点关注十字头部装和下箱体的受力及变形情况, 因此将曲轴和连杆简化为梁单元。导板与导板座之间采用绑定接触, 滑板与导板之间采用滑动接触实现运动过程中的相对运动。由于隔膜泵运动过程存在大变形, 计算中采用了ADINA特有的bathe算法, 得到了稳定的计算结果。如图所示为箱体在最危险工况下的位移云图。

ADINA不但实现了这一运动过程的计算, 而且具有很高的计算速度, 这一点对于工程问题具有非常重要的意义。通过对隔膜泵下箱体部装运动过程的分析, 体现了ADINA在隐式动力学方面强大的运算能力。

2.1.2曲轴部装隐式动力学分析

曲轴部装是由曲轴和连杆共同组成的曲柄连杆结构, 运转过程中曲轴旋转带动连杆做平面运动, 连杆小端受到十字头反作用力再传递到曲轴之上。由于曲轴为多拐曲柄结构, 细节特征较多, 其结构本身就较为复杂, 而且连杆对其的反作用力为往复交替式的, 力的方向又实时变化, 因此, 曲轴在运动过程中的受力极为复杂。同样, 为了确定曲轴在工作过程中的最危险工况, 需要实现其运动过程的分析。

下图为曲轴部装的分析模型。其中, 曲轴与支撑和连杆的接触面为滑动接触, 在连杆小端按照隔膜泵的实际工作情况施加作用力, 在曲轴一端施加旋转位移实现曲轴的运动。经计算, 如图所示为曲轴在最危险工况下的曲轴受力云图。

2.2隔膜泵液力端的应用

2.2.1两位两通阀小隔膜密封过程分析

两位两通阀小隔膜密封过程分析过程是典型的材料非线性分析过程。如图所示为密封过程仿真分析模型图, 其中上下结构为金属材料, 中间为橡胶材料。装配过程中, 上下结构挤压中间的橡胶以达到密封的效果。此分析主要研究结构压紧后橡胶材料的受力情况, 通过改变各个结构的局部尺寸, 降低橡胶的受力, 获得最优的结构尺寸。

下图为小隔膜被压实后的整体位移云图与小隔膜的网格变形图, 从图中可以看出, 橡胶小隔膜受到挤压后, 其网格变形严重, 属于高度非线性接触问题。

2.2.2隔膜泵泵阀运动机理流固耦合分析

隔膜泵液力端是隔膜泵技术中的核心技术, 由于流体本身即为极其复杂的研究对象, 再加之高压力和复杂的流体机械的耦合, 使液力端的研究更为困难。液力端的各关键件均为承压件, 隔膜泵在高压工作过程中, 需准确的了解各关键件的压力变化规律;泵阀的开启与关闭直接关系到泵整体的容积效率, 了解泵阀的运动规律以及隔膜泵在高压工作环境下泵阀的相互影响对于液力端的研究具有十分重要的意义。基于以上原因, 建立液力端流固耦合研究体系是十分必要的。

建立如图所示的分析模型, 模型分为流体部分和结构部分。流体部分液力端的流场区域, 在进口与出口施加压力边界, 以模拟真实的工作环境;结构部分为进出料阀结构, 位于流体区域内部, 阀上部作用有弹簧力。通过改变进出口压力、阀升程、阀弹簧刚度以及活塞的运动周期等设计参数, 对比分析各参数对阀运动规律和腔内压力的变化的影响, 以此为基础进行隔膜泵液力端的设计。

通过对隔膜泵液力端流固耦合的分析研究, 证明了ADINA强大的流固耦合计算能力;与公司内部相关的实验数据对比, 体现了其极高的算法精度;高速的计算速度对于隔膜泵的研究具有重要意义。

三、结论

通过以上研究, 可以看出, ADINA软件在往复式隔膜泵的计算分析中得到了广泛的应用。通过对ADINA软件的使用, 可以得出, ADINA具有以下几项优点:

1高效的求解效率;

2优秀的计算算法;

3丰富的前后处理接口便于工程使用;

4精确地算法精度。

目前, ADINA在往复式隔膜泵的设计上已经发挥了至关重要的作用, 并且随着对ADINA的认识进一步提高, 在往复式隔膜泵的设计中, ADINA将发挥更大的作用。

摘要：管道化输送在节能减排与环境保护方面具有突出的优势, 已在诸多行业中获得了应用, 并且近些年取得了突飞猛进的发展。往复式隔膜泵作为管道化输送的核心设备, 技术的改进与发展具有非常重大的意义。由于往复式隔膜泵的结构和工作原理的特殊性, 对于计算软件的要求非常严格, 作为一款性能突出的有限元软件, ADINA很好的完成了各种要求并且在隔膜泵的设计中发挥了重要作用。本文主要介绍ADINA在隔膜泵设计中的主要应用, 突出了ADINA在隐式动力学和流固耦合计算方面的强大优势。

关键词：隔膜泵,ADINA,流固耦合,隐式动力学

参考文献

[1]ADINA theory and Modeling Guide VolumeШ:ADINA CFD&FSI, Report ARD 10-9, 2010.

[2]ADINA theory and Modeling Guide VolumeⅠ:ADINA VolumeⅡ:ADINA Heat Transfer, Report ARD 10-7, Report ARD 10-8, 2010.

ADINA软件 第4篇

近些年来一些学者运用实验和理论方法对横向流作用下管阵流体诱发振动问题进行了分析和研究, 得到一些经验公式来初步估计产生流体诱发振动的临界流速。并对两圆柱串列和交错放置的绕流问题进行过实验研究。针对两圆柱中心间距小于5.0倍圆柱直径的一系列情况, 他们研究了两圆柱间的流动相互作用, 发现中心间距存在有一临界值, 当小于该临界值时, 没有明显的涡自上游圆柱脱落。这一临界值约为3倍圆柱直径。standsby在1981和1987年分别用离散涡方法和随机涡方法研究了并排、串列和交错放置的双圆柱绕流问题得到了与实验相符的结果。但是经验公式中的一些参数是在一些特定条件下得到的, 具有很大得保守性和不确定性。

双圆柱绕流模拟由于在一定范围内能够反映多个圆柱在一条直线上的绕流特征, 圆柱附近流态的瞬时变化形式, 并且模型简明, 已经用ADINA软件能够计算比较精确的扰动力数值。因此基于现有的研究成果, 本文旨在归纳总结双圆柱对绕流流场的影响。

2 双圆柱体绕流场基本理论

根据prandtl的边界层理论, 圆柱的绕流流动可以分为两个区, 圆柱表面很薄的边界层区和其上的主流区, 在边界层中流体粘性产生的摩擦力起主导作用, 而在主流区粘性摩擦力可以忽略不计。

双圆柱的排列方式有串列 (水流攻角α=0°, 间距T=0) 、并列 (水流攻角α=90°) 、错置 (水流攻角α不等于0) 3种。国外学者在亚临界雷诺数范围内通过实验研究了不同间距比和水流攻角下的双柱绕流, 并据此划分绕流流态。得出了双圆柱串列、并列绕流流态随间距变化的图谱。斜置是双圆柱排列方式中最普遍的形式, 在这种排列方式下, 两柱间隙之间的流动偏向前柱, 前柱尾迹总是比后柱窄。在850≤Re≤1 900的低亚临界雷诺数, S/d=1.0~5.0的间距比和α=0°~90°的攻角范围内, 将斜置双圆柱绕流流态划分为9种。

由于本文所研究的为二维不可压缩流体, 因此在笛卡尔坐标系下, 其运动规律可以用纳维-斯托克斯方程来进行描述。连续性方程和动量方程分别为:

式中, x--与无穷远处来流平行的水平方向坐标;

y--与无穷远处来流垂直的竖直方向坐标;

u, v--流场中沿x方向和y方向的速度;

--流体密度和动力粘度系数;

3 双圆柱体流固耦合数值计算模型

3.1 计算网格的选取

在网格划分上, 在双圆柱周围采用比较密的网格, 而远离双圆柱的流场部分则采用比较稀疏的网格划分, 在流场结构尺寸的确定上, 为了不影响圆柱周围流场的流态, 在流场边界的选取上远离圆柱边界。

(1) 串列双圆柱:左右边界相距15D, 上下边界12D, 圆柱间距离L=5D.

(2) 并列双圆柱:左右边界相距10D, 上下边界12D, 圆柱间距离T=2D.

(3) 错置双圆柱:左右边界相距12D, 上下边界相距12D, 两圆柱中心连线与水流速度方向呈45°方向, 圆柱中心间距离S=2D

3.2 边界条件设与模型特征参数设定:

入口边界:

速度入口条件, 给定速度和压力, u=u, ν=0, P=0

出口边界:

出流条件, 给定压力和零压力梯度,

上下边界条件:固定壁面 (wall) 条件。圆柱表面为流固耦合界面。

特征参数:串列双圆柱均匀来流U=0.067m/s, 并列和错置u=0.083m/s, 流体为水, 密度为1000kg/m3, 动力粘性系数μ=0.001kg/m.s, 圆柱直径D=0.02m, Re=1660和1340.在低雷诺数下也可以近似反应高雷诺数时的绕流情况, 而滕丽娟则在他的论文中着重进行了Re=200和Re=20000时的双圆柱绕流流态, 所以我采取的模型的雷诺数介于层流模型和紊流模型之间。

3.3 模型建立

模拟时, 流体用流体模型, 结构用实体模型。流体模型是ADINA-F模型, 实体模型是ADINA模型;但分析时用ADINA-FSI做完全耦合分析。模型很简单, 需要注意的是要设定分析假定, 由于所选圆柱体材料为钢材, 所以变形和应变会很小。设置约束时要注意不要在圆柱体外缘轮廓线设置任何约束。网格划分时会自动划分成轴对称网格。流体模型虽然很简单, 但建立之前还是要考虑好怎样去划分网格, 以便建立相应的点。而且需要注意网格疏密的分布, 采用FCBI-C单元。流动分析假定设置为线性流动, 不包括热传递, 三种情况均设置了200个时间步, 每个时间步长为0.01S。

4 计算结果分析

4.1 模型计算

(1) 并列双圆柱绕流流场的发展和旋涡脱落

由图1可以看出, 两个圆柱的尾迹刚开始基本上混在一起, 近似于一条涡街, 整个速度云图呈对称分布, 两圆柱缝隙间的流体发生涡脱落现象, 两圆柱的漩涡反相同步脱落, 尾流随着时间增长, 尾迹加长, 边界层分离点非常明晰。

(2) 串列双圆柱绕流流场的发展和漩涡脱落

从图2可以看出, 两个圆柱的分离剪切层都非常明显, 尾迹随着时间由大变小, 而且上游圆柱的尾迹紧紧附着于下游圆柱上, 上下游圆柱都产生周期较大的漩涡脱落, 而且由速度云图还可以看出周期内上游圆柱旋涡脱落总是稍微超前于下游圆柱, 两柱之间的扰动很大。

(3) 错置双圆柱绕流流场的发展和漩涡脱落

从图3可以看出, 当双柱中心连线与流向呈30°角时, 错置双柱绕流表现出与串列、并列双柱绕流相似的特征, 但由于几何位置不对称, 间隙流始终偏向前柱, 形成一宽一窄的尾迹, 上游前方圆柱被剪切层紧紧地包裹着, 并没有发生分离现象。而下游后方圆柱在狭窄的间隙流的诱导下, 发生了流动分离和旋涡脱落现象, 尾流中只有一列涡街, 间隙流偏向前柱。

4.2 圆柱表面力学参数计算

结语

(1) 模拟结果与前人实验结果相吻合, 尾流由于雷诺数的变化较小而来回波动。

(2) 圆柱体表面压强也与实验结果相吻合, 最小压强 (最大负压) 出现在θ=-60°左右,

这与实验结果稍有差距。当雷诺数Re=6.7×105时, 最小压强出现在θ=90°左右, 三种情况下最大压强均出现在θ=-180°附近。与实验结果很吻合。

(3) 我们能够利用ADINA数值模拟固定双圆柱绕流问题, 并给出较为精确的结果, 不过, ADINA数值模拟的结果精确度在很大程度上依赖于网格的合理分布, 以及物理模型的可靠性。网格分布的不合理将会导致不同程度的数值耗散, 甚至会产生不正确的结果。总的来说, 多圆柱绕流问题相比之下显得比较复杂、规律性不如单圆柱那么明显。无论是怎样的模型, 在Re数一定的情况下, 圆柱的后面一般会产生上下交替的漩涡, 并且逐渐向后方扩散, 同时, 这些漩涡的产生也会影响圆柱表面的升力和阻力, 这也为后面我们处理更多的二维问题提供了参考依据。

摘要：均匀来流流过二维圆柱是一个经典的流体力学问题, 尤其是对于粘性流体, 由于雷诺数的大小不同, 在面对层流和紊流两种与众不同的流场时, 流场流线运动的规律较为复杂, 本文正是借助于ADINA软件中出色的流固耦合的仿真计算技术, 对于流场中二维双圆柱绕流流场的变化进行了科学的数值模拟, 并给出了不同环境条件下流场的变化情况, 计算出了圆柱表面的一系列动力学参数。结果表明:尾流及圆柱表面的压力分布, 其实验结果与现有结果较为吻合

关键词：雷诺数,圆柱绕流,网格密度,数值模拟,扰动力

参考文献

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[8]刘松, 符松.串列双圆柱绕流问题的数值模拟[J].计算力学学报, 2000, 17 (3) :260-261.

ADINA软件 第5篇

在建设高峰期, 我国每年在基坑支护方面投入的经费相当高, 约占结构工程总造价的1/4～1/3[1]。在保证支护结构和周围环境安全性的前提下, 最大限度降低基坑工程的投资, 国内外专家学者进行了许多尝试。本文即是针对组合型支护结构中的一种——钢管水泥土桩复合土钉 (CSCS) 基坑支护有限元模型的建立作一些研究, 方便广大的研究人员利用大型有限元软件ADINA来分析组合型支护结构的应力、应变以及各参数之间的关系。

1模型参数的选取

1.1 计算简图

基坑深度6 m, 分3层开挖, 每层2 m, 采用CSCS支护结构。水泥土桩采用双轴深层搅拌机施工, 叶片直径为700 mm, 桩中心距1 m, 桩间咬合200 mm, 桩长12 m;钢管直径50 mm, 壁厚2.5 mm, 按1 m间隔插入一个, 插入深度10 m;每层土体开挖后, 在开挖面以上800 mm处打入一排土钉, 土钉采用直径22 mm二级钢, 上面两排长度12 m, 下面一排长度9 m, 水平向按1 m间隔打入一个, 与水平面的夹角均为10°。

基坑支护中土体在水平和垂直方向上可能是无限大或半无限大的土体介质, 分析时只需要考虑其影响区内的土体。本文水平向上取30 m作为影响区域;垂直方向上根据数值分析比较并借鉴以往经验, 取基坑开挖深度的4倍 (即24 m) 作为影响区域。

1.2 钢管截面的简化

钢管截面在实际工程中一般均为圆环, 但圆环截面在建模及网格划分中比较复杂, 为了简化计算, 在本文中将钢管截面简化成圆形, 采用Rebar单元建模, 简化的方法如下:保证简化前后钢管与水泥土间单位长度内的摩擦力相等。当粘结强度不变时, 摩擦力仅与接触面积有关, 也就是与钢管表面积成正比, 只要使圆环截面与圆形截面表面积相等即可。但在设置钢管抗弯刚度时, 就需要调整抗弯刚度中的变形模量, 如下面公式所示, 乘以一个由于截面面积增大的调整系数b。

τπD=τπd (1)

$E\frac{p(D{}^4-d\text{ϕ}{}^4)}{64}=bE\frac{pd{}^4}{64}$ (2)

1.3 计算参数的选取

本文所建立的模型涉及钢管、水泥土桩、土体和土钉四种材料。对于土钉采用双曲线弹塑性模型, 其参数如下:弹性模量E=2.0e8 kPa, 密度ρ=7 800 kg/m3, 泊松比υ=0.2, 屈服强度YIELD=3.35e5 kPa, 应变硬化SH=1.0e9;对于钢管, 考虑使用圆形截面代替圆环截面, 亦采用双曲线弹塑性模型, 其参数略;水泥土桩刚度相对于土体刚度较大, 为了减少参数, 简化分析, 假定其为线弹性模型, 假定土体为Mohr-Coulomb材料, 水泥土和桩周土的物理力学参数采用本课题组室内试验结果数据[2], 具体参数略。

模型中, 在水泥土桩与土体之间设置接触面。对于水泥土桩侧面与土体接触面的侧摩擦系数, 可仿照库仑土压力理论中求外摩擦角的方法来确定[3]:

m=tand (3)

其中, m为侧摩擦系数;d为外摩擦角。

在确定水泥土桩与土体之间的侧摩擦系数时, 可假定两者之间几乎是不滑动的, 取d=f。将桩周土的内摩擦角17.8代入式 (3) , 可算出侧摩擦系数m=0.32。考虑到库仑土压力理论仅适用于理想的散粒材料, 未计算土体的粘聚力, 应适当的放大以符合实际情况, 本文取侧摩擦系数m=0.5, 这相当于假定水泥土桩与土体间的滑动始于土体的剪切破坏, 符合实际情况。

对于水泥土桩底与土体接触面的摩擦系数, 因国家规范没有具体的规定, 故按照DBJ/T 15-20-97广东省建筑基坑支护工程技术规程中的表6.2.6取值。

对于地面超载, 本文考虑20 kPa的地面超载。

2ADINA基本分析过程

2.1 创建有限元模型

本文选用AUI几何建模。用这种方法建模时, 单元必须在节点全部生成后才能定义, 所以是一种比较耗时、需要处理大量数据的方法。但是, 该方法也有其优势:1) 由于知道每个节点的坐标位置, 所以在定义节点荷载时位置明确;2) 比较容易产生耦合单元, 即两节点间附属了两种以上的单元;3) 当结构块体较多且材料属性变化厉害时, 使用AUI几何建模也有很大优势。

2.2 定义模型数据

1) 材料描述。

ADINA系统中包括大量的材料本构模型, 本文模型中的土体部分使用了Mohr-Coulomb材料, 这种材料模型服从理想塑性Mohr-Coulomb破坏准则。当使用Mohr-Coulomb材料时, 由剪力引起的材料体积变形只取决于扩展角, 因此为避免材料病态的大变形, 应令扩展角小于摩擦角。另外, 材料的拉应力不允许大于给定值, 一旦超过给定值, 材料采用最大拉应力准则 (Rankline准则) 。钢管和土钉使用了双曲弹塑性材料, 这种材料模型是带von Mises屈服准则和常应变硬化模量的弹塑性材料, 应变硬化可以是各向同性或随动强化的, 可以考虑应变速率效应和热弹效应。水泥土桩使用了线弹性材料。

2) 边界条件。

边界条件的设置有固定约束、约束方程、刚性连接、一般边界条件、特殊边界条件和端点释放等几方面。其中一般边界条件的设置占有重要作用, 一般边界条件类型可以是速度、节点压力、温度、法向压力、转动、力、热流和节点热流, 大多数一般边界条件类型是自解释的。转动边界条件用于描述相对自由轴旋转的速度时, 对于可压缩流动, 流动速率代替速度, 密度代替节点压力, 能量代替温度。

本文的边界条件定义首先是定义两个一般边界条件:X向约束和Y向约束, 然后分别将X向约束施加到模型中的X向界面上、Y向约束施加到Y向界面上, 最后定义模型底面为固定约束。

3) 施加重力荷载和地面超载。

定义重力荷载和施加重力荷载分两步进行:第一步, 独立于作用位置进行荷载定义。该步赋予新定义的荷载一个标号。第二步, 使用定义荷载标号, 施加定义荷载到模型的几何位置上;施加地面超载与施加重力荷载方法相同。

2.3 定义网格划分数据

为了对几何对象进行网格划分, 必须首先给几何对象赋予网格划分密度, 然后生成单元和节点几何对象。AUI网格划分算法基于线条分段, 网格划分密度表达了单元沿线段的间隔长度或个数。划分网格的方法有映像网格划分和自由格式网格划分两种。任何情形下, 所指定的每个几何曲面都是各自进行网格划分的。

映像网格划分中, 若两对相对的线段的细分数目相等, 那么AUI生成规则的网格, 否则AUI生成不规则的网格。网格生成算法将曲面分成四边形或三角形网格元, 每个这样的单元又被分成一个或几个单元。

自由格式网格划分中, 关于体的线段细分数值大小没有限制。AUI使用自由格式网格划分生成四面体单元。

本文实例建模选取了八节点六面体映像网格划分格式。网格划分后的基本模型如图1所示。

2.4 开挖过程的模拟

1) 将有限元模型划分好单元, 包括土钉单元、钢管单元、水泥土桩单元、被开挖和不被开挖的土体单元;2) 将所有单元的材料属性全部定义成土体的材料属性, 即将所有的单元均视为土体单元, 模拟未开挖的初始状态;3) 对模型施加约束, 底部节点约束所有的自由度, 四个侧面节点均约束水平向的自由度。施加重力荷载, 计算土体的初始应力;4) 将钢管单元和水泥土桩单元的材料属性由土体属性分别改为钢管属性和水泥土属性, 进行第1步开挖, 计算第1层开挖面上的开挖荷载, 作为外荷载加到对应的位置, 相当于在原有的应力场上叠加一个反向荷载, 把开挖区单元对开挖面的作用力抵消, 并取消开挖面上的单元;5) 打入第一排土钉, 即将土钉单元的材料属性由土体属性改为土钉属性, 计算此时支护体系的应力和应变;6) 进行下一步的开挖, 重复第4) 步～第6) 步, 直至最后一步开挖结束, 得到最后的支护结构的应力和应变。

2.5 运行求解器

ADINA运行求解器的方式有三种:AUI环境启动求解、Windows Start Menu方式启动求解和批处理模式进行求解。

当采用ADINA-AUI建模结束后, 即可选择直接运行。运行求解器只需简单地选中“Run ADINA”复选框, 则在生成求解数据文件后, 自动求解此文件。

在AUI环境运行求解器的一个不足之处是, 总的内存需求量是AUI和有限元系统两个内存需求量的和。因此, 当求解模型很大 (相对于硬件的配置而言) , 可以在AUI中生成求解数据文件, 然后关闭AUI, 从Windows Start Menu选择要运行的求解器。通过这种方式启动计算任务, 能够更有效地利用硬件资源。

批处理模式由于其过程命令繁琐, 因此较少使用。

2.6 显示和后处理

ADINA的后处理ADINA-Plot可以读入前处理模型数据库文件和各种结果文件, 还可以在处理流固耦合求解结果时同时读入结构ADINA和流体ADINA-F结果文件, 这可以实现从FSI分析的结构和流体读入结果文件并读进数据库, 然后同时画出结构和流体的网格和结果。

本文采用AUI环境启动求解, 开挖求解后ADINA-Plot显示的模型如图2所示。

3结语

本文向广大的岩土研究人员提供了一个组合型基坑支护结构的最基本的ADINA模型, 介绍了ADINA的基本分析过程及详细的参数确定方法, 创造性地提出了钢管截面简化的有限元建模方法, 方便了大家以后作进一步的相关工作的研究。根据本文介绍的方法建立ADINA模型, 其计算结果与工程实测相吻合, 由于篇幅关系, 本文未作详细论证。

参考文献

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[2]曹宝飞.水泥土力学特性及其小刚度劲性水泥土梁作用机理的研究[D].南京:南京林业大学, 2005.

[3]尹鹏.小刚度劲性水泥土挡墙基坑支护数值分析[D].南京:南京林业大学, 2006.

ADINA软件 第6篇

震动造成了一系列灾难性的流滑[1]。研究人员对于边坡动力稳定性评价的原理[2]、本构预测[3]、水平振动加速度幅值[4]、流滑破坏[5]、最小稳定性系数和最小可靠度指标[6]等展开大量工作。另文献[7][8]曾指出,震动荷载作用下饱和无粘性土无限边坡,其整体失稳所需要的振次总是小于液化所需要的振次。

文中通过分析饱和黄土无限边坡潜在沿某一平面发生平移式滑坡时的受力情况,拟对地震过程中和振(震)动荷载刚停止时其稳定机制作一初步探讨。并基于ADINA有限元元件,针对建立的模型进行了分析,研究结果对于露天矿边坡的动力稳定研究具有重要的参考价值。

矿区内存在大断层,属张扭性正断层,最大落差达100m,断层下盘为煤层底板岩层。主要由砂岩、砂质页岩组成,其中包含有薄煤、炭质页岩和泥质页岩构成的软弱夹层。该范围内影响边坡稳定的弱层是4号～9号弱层,倾角为13°～20°。该区断层上盘主要由煤层、夹矸及煤层底板岩体构成。其中煤岩接触面强度小,为相对弱层,其位置及强度对边坡稳定性影响较大。煤层底板下部弱层,埋藏深t距边坡面较远,对边坡稳定性影响不大。

1 ADINA模型建立

文中根据实际边坡的尺寸及土体的物理力学性质进行数值模拟。边坡尺寸及土的物理力学性质为:该滑坡区沿走向长3km,宽2km～3km,平均自然斜坡坡度小于30°,地面下5m～12m范围内的砂层、砂质黄土饱含地下水。土体参数:重度为17.8kN/m 3,内摩擦角为29.8°～32.4°,粘聚力为0.02kPa～4.83kPa。模拟过程中施加竖向和横向的地震荷载。所建模型见图1。

2 模拟结果及分析

将坡体近似为无限边坡,取等效地震等效振次Neq=5,最大地震系数kmax=0.5。算得土层的等效循环剪应力与上覆有效应力的比值为模拟结果见图图

由模拟结果可以看出,屈服地震系数是振次的减函数;振次越大,动孔压就越大;有效粘聚力对屈服地震系数有很大的影响,屈服地震系数随初始孔压比的变化规律也要受到有效粘聚力的影响,同时永久位移将迅速增长。

3 结语

应用大型有限元软件ADINA对露天矿边坡震动荷载下的稳定性进行了数值模拟,得到了较为满意的模拟结果,证明了数值分析方法在露天矿边坡震动荷载下的稳定性分析中应用的可行性

参考文献

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ADINA软件 第7篇

随着采矿规模的日益增大, 开采深度也越来越大, 所造成的巷道围岩压力也越来越大, 巷道受采动影响后, 使得围岩的强度和稳定性进一步降低, 这就给巷道围岩控制和巷道支护及维护带来了非常大的困难。研究和了解受采动压力影响时底板应力分布及巷道变形规律是确定合理的支护方式与参数及支护时机等问题的基础[1,2,3]。本文在调查分析了矿区煤岩地层物理力学性质的基础上, 利用非线性数值分析软件ADINA建立了开采工作面的三维有限元分析模型, 分析了巷道受采动影响的变形特性, 为巷道围岩支护提供科学依据。

1 有限元模型

1.1 ADINA简述

ADINA是由国际上著名的麻省理工学院K.J.Bathe教授领导的ADINA R&D公司研究开发的商用工程软件。ADINA软件是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台, 具有强大的前、后处理功能和求解器。ADINA在计算岩土变形和稳定性方面具有很强的优势, 主要体现在岩土材料模式丰富, 包括Drucker-Prager材料模型、Cam-Clay材料模型、Mohr-Coulomb材料模型、曲线描述的地质材料模型以及自定义模型等;提供多种地质断层、节理裂隙处理方法;具有锚杆、抗滑桩等杆单元算法, 能够模拟动态施工及其变化过程;多孔介质特性耦合各种非线性岩土模型, 进行渗流、固结沉降, 以及渗流、结构、温度场耦合分析等[4,5]。

1.2 三维有限元模型的建立

为了分析煤层采动对巷道稳定性的影响, 建立了煤层采动的三维计算模型。模型计算范围的大小是影响计算合理精度的主要因素[6,7]。建立本三维计算模型时, 选择实际巷道长160 m, 如图1所示。由于煤层采区边界与巷道轴线并不平行, 建模过程中为了方便采用软件的平移技术建立了555根锚杆, 如图2所示, 因此, 模型以巷道轴线为主线, 宽度方向平行于巷道轴线;为了消除应力边界效应和位移边界效应, 取巷道距模型边界的距离为巷道跨度的5倍, 顺延煤层倾向取模型长度297.91 m, 模型高度90.14 m。计算边界条件为位移约束边界条件, Y轴方向和Z轴方向为法向位移约束, 取重力加速度为9.80 m/s2。其中巷道模型中部建立了40 m化学浆液锚注支护段用作对比分析。模型位移观测点与实际多点位移计的观测站位置相同, 每断面布置5个测点, 以270测站为例, 靠近煤层一侧编号为270-1, 相应远离煤层一侧编号为270-5, 如图2所示。

建立该采动模型时采用Mohr-Coulomb材料模型, 并运用单元生死模拟采掘工作面动态推进煤层变化过程。共有10个单元组, 366 08个计算节点, 335 28个计算单元;同时设置了单元的生死用来模拟煤层开采对巷道围岩应力和位移的影响, 每单位时间沿走向“开采”煤层4 m。

2 动压巷道锚注支护数值计算结果及分析

典型的计算结果曲线如图3、4所示。

(1) 由数值计算结果可以看出, 受煤层采动的影响, 巷道围岩均向岩体内部移动, 这与多点位移计实测结果相一致。

(2) 由数值模拟计算结果可以看出, 在煤层开采的动压影响下, 巷道同一剖面的不同测点, 靠近采动煤层一侧测点 (261-1和270-1) 的水平位移值要大于背离采动煤层一侧测点 (261-5和270-5) 的水平位移值。

(3) 经化学浆液锚注支护后, 与相邻的265测点相比较, 巷道的270测站水平位移减小幅度分别为5.97%及44.04%, 移动速率也相对较小。因此, 在动压条件下, 化学浆液锚注支护发挥着较为优异的维护巷道稳定性的作用。

3 分析与小结

(1) 本文建立了煤层采动对巷道稳定性影响的三维有限元数值计算模型, 分析了不同支护方式下巷道围岩位移变化。

(2) 从三维有限元模型计算结果可以看出, 受煤层采动的影响, 巷道围岩均向岩体内部移动, 应力开始向巷道围岩深部发生转移;靠近采动煤层一侧测点的水平位移值要大于背离采动煤层一侧测点的水平位移值。经过对比分析得出, 化学浆液锚注支护发挥着较为优异的维护巷道稳定性的作用。

(3) 将煤层采动的三维有限元分析与实测结果对比可以看出, 所建立的计算模型能够较好地模拟实际煤层采动过程中巷道的位移及应力变化, 为巷道的实际锚注支护工作提供一定的依据。

摘要：针对受上部煤层采动影响的底板运输巷道, 进行了工程地质有限元数值分析。在调查分析了矿区煤岩地层物理力学性质的基础上, 利用非线性数值分析软件ADINA建立了开采工作面的三维有限元分析模型, 并将巷道围岩位移的数值分析结果与实测结果进行比较, 分析了巷道受采动影响的变形特性, 为巷道围岩支护提供了一定的依据。分析结果表明:受采动压力影响, 应力开始向巷道围岩深部发生转移, 巷道围岩靠近采动煤层一侧测点的水平位移值较大;化学浆液锚注支护发挥着较为优异的维护巷道稳定性的作用。

关键词：动压,锚注支护,有限单元法,三维模型

参考文献

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