热锻分析软件的数值振荡及网格划分的研究

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有限元法的基本思想是将连续的介质离散成为有限的单元,从而将无限自由度问题转换成为有限自由度问题,再通过数值方法进去分析求解。随着计算机技术的不断发展,有限元法无论是在理论研究上还是在工程应用上都取得了巨大的成功,已经成为数值分析领域内非常重要的一种研究方法。本文针对自主有限元模拟程序热锻过程温度分析软件,研究了有限元法的两项关键技术:一是数值模拟中温度振荡的抑制技术。温度场模拟计算是塑性成形有限元模拟中的一项重要内容,其结果对材料流动过程的准确计算具有重要意义。但温度场模拟计算过程中,会出现计算结果偏离真实值上下波动的现象,影响计算的精确性,甚至直接出现错误解。本文通过理论分析和算例,研究了温度场数值模拟中出现温度振荡的可能原因:有限元计算中假设温度导数连续与不保证温度导数连续的矛盾;假设均温的初始条件与热交换边条件的矛盾。通过数值模拟算例讨论了选择合理初始温度场设置,使用集中热容矩阵两种方法对消除温度数值振荡的效果和误差来源。结果表明,设置合理初始温度场和使用集中热容矩阵都能达到消除振荡的目的,前者有更好的准确性却更难实现。二是有限元模拟的网格划分技术。本文建立了三维四面体网格划分子程序的设计流程图,从几何信息读入开始,依次完成特征点的寻找,边界的离散,几何曲面及实体的离散,最后输出划分网格信息。并对其中使用到的求解方法,如牛顿法、波前推进(AFT)法、Delaunay法等进行了较为深入的研究。由于采用AFT法在网格划分可能出现最后阶段无法继续划分的情况,采用Delaunay法在恢复边界信息较为复杂,本文建立了AFT法及Delaunay法相结合的网格划分模型,通过AFT法及映射法完成几何表面的三角形划分,再利用Delaunay算法快速地完成实体四面体的网格划分,这样既能避免了两种方法单独使用时固有的缺陷,又大大提高了网格划分的质量。
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