金属增材制造的多物理场物质点有限元法 被引量：1

1

作者 李明健 陈嘉伟 廉艳平 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期808-815,共8页

金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题,对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题,本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场,通过分区求解和界面耦合... 金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题,对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题,本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场,通过分区求解和界面耦合的方式实现热-流-固耦合求解。对于潜在熔化区域和未发生熔化的区域,分别采用物质点和有限元离散,结合了两者在求解材料特大变形和小变形问题上的各自优势,能够在保证计算精度的前提下有效提升计算效率。数值算例表明了本文算法的热-流-固多场耦合计算精度、相比于已有算法的高效性以及物质点和有限元离散区域界面处温度和应力的连续性。本文工作为金属增材制造过程多物理场耦合问题提供了一种高效的数值模拟方法。 展开更多

关键词 多物理场 流固耦合 物质点法 有限元法 增材制造

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基于动力学有限元的树在风中摇曳动画 被引量：14

2

作者 胡潇毅 李华锋 +1 位作者 郭乙木 宋成芳 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2007年第9期1166-1171,共6页

建立了阔叶树在风中的摇曳的有限元模型.考虑了风场与和树之间流固耦合效应,探讨了由平均风压和旋涡脱落引起的2种不同的振动模式,提出一种加速有限元求解的虚拟材料法.通过该模型可以模拟不同风力等级下树的晃动,树的晃动程度与风力等... 建立了阔叶树在风中的摇曳的有限元模型.考虑了风场与和树之间流固耦合效应,探讨了由平均风压和旋涡脱落引起的2种不同的振动模式,提出一种加速有限元求解的虚拟材料法.通过该模型可以模拟不同风力等级下树的晃动,树的晃动程度与风力等级表中的相符;并通过模拟结果数据库,可生成树在风中摇曳的动画. 展开更多

关键词 阔叶树 风 有限元 流固耦合 虚拟材料法

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极端变形问题的物质点法研究进展 被引量：9

3

作者 张雄 刘岩 +1 位作者 张帆 陈镇鹏 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期1-16,共16页

物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法。本文系统总结了本课题组近年... 物质点法采用了拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在固定于空间的网格(欧拉描述)中运动的质点(拉格朗日描述),有效地综合了拉格朗日法和欧拉法的优点,是分析冲击爆炸等极端变形问题的一种有效方法。本文系统总结了本课题组近年来针对冲击、爆炸和流固耦合等极端变形问题在物质点法算法方面的研究进展,并简要介绍了开发的三维显式并行物质点法数值仿真软件MPM3D及其在超高速碰撞、侵彻、爆炸、边坡失效、金属切削和流固耦合等问题中的应用。 展开更多

关键词 物质点法 冲击 爆炸 超高速碰撞 流固耦合

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圆柱壳结构入水过程的流固耦合仿真与试验 被引量：8

4

作者 李飞 孙凌玉 +1 位作者 张广越 康宁 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第9期1117-1120,共4页

大型圆柱壳结构从空中入水时,在水流强大冲击下将发生较大变形甚至断裂.为提高该结构的耐撞性,将仿真与试验相结合.通过静态拉伸和动态SHPB试验获取两种备选材料的非线性本构关系,拟合出塑性随动材料模型.制作了1∶10简化缩比模型,进行... 大型圆柱壳结构从空中入水时,在水流强大冲击下将发生较大变形甚至断裂.为提高该结构的耐撞性,将仿真与试验相结合.通过静态拉伸和动态SHPB试验获取两种备选材料的非线性本构关系,拟合出塑性随动材料模型.制作了1∶10简化缩比模型,进行了跌落试验与仿真分析.建立了真实结构与全尺寸的薄壳、水、空气耦合的多物质仿真模型,通过ALE/Lagrange无侵蚀罚函数耦合算法,实现了入水过程的有限元仿真分析.找到了初始方案的不足之处,提出了改进方案并进行了仿真验证分析.该方法同样适用于其他具有大变形和非线性的流体冲击问题. 展开更多

关键词 流固耦合 有限元法 材料试验 耐撞性

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充液压电阻尼圆柱壳的有限元建模 被引量：9

5

作者 章艺 童宗鹏 +1 位作者 张志谊 华宏星 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2006年第1期24-30,共7页

基于M ind lin板理论、压电理论、粘弹性理论和理想流体方程,对充液圆柱壳主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的建模进行了研究。利用拉格朗日方法得到结构的动力学方程,利用GHM方法描述粘弹性阻尼的本构关系,结合流体方程建立主动约束... 基于M ind lin板理论、压电理论、粘弹性理论和理想流体方程,对充液圆柱壳主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的建模进行了研究。利用拉格朗日方法得到结构的动力学方程,利用GHM方法描述粘弹性阻尼的本构关系,结合流体方程建立主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的动力学方程。建立从压电材料的电压到流固耦合边界下的圆柱壳结构振动的频响函数,利用实验结果对理论计算加以验证,结果表明该建模方法是可行的。 展开更多

关键词 压电材料 圆柱壳 流固耦合 有限元 主动约束层阻尼

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流固耦合不可压物质点法及其在晃动问题中的应用 被引量：6

6

作者 张雄 张帆 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期582-587,共6页

作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩... 作为一种混合拉格朗日欧拉法,物质点法在流固耦合问题中具有重要的应用前景。对于自由液面的流动问题,基于物质点法框架已建立了弱可压物质点法和完全不可压物质点法,但在处理流固耦合问题时遇到了困难。弱可压物质点法由于采用可压缩状态方程,导致求解时间步长过小,压力振荡严重,产生了非物理的飞溅现象;完全不可压物质点法基于投影算法和不可压条件,消除了弱可压物质点法的压力振荡,提高了时间步长,但难以处理移动边界问题。基于变分形式的投影算法提出了一种新型流固耦合不可压物质点法,得到了体积加权的压力泊松方程PPE(Pressure Poisson Equation),解决了完全不可压物质点法无法处理不规则边界和移动边界的问题。采用流固耦合不可压物质点法研究了运动刚体容器中的液体晃动问题,并与已有实验和数值结果进行对比,验证了算法的正确性和精度。 展开更多

关键词 物质点法 流固耦合不可压物质点法 压力泊松方程 液体晃动

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深水钢悬链立管的双向涡致疲劳损伤时域模型 被引量：7

7

作者 秦伟 康庄 +1 位作者 宋儒鑫 孙丽萍 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期26-33,共8页

针对深水钢悬链立管(SCR)的双向涡激振动的疲劳损伤问题,采用点涡强度计算流体对结构的横向和顺流向脉动水作用力,进而推导出一种新的尾流振子模型来预报立管结构的双向涡激振动响应.使用该模型对深水钢悬链立管的双自由度涡激振动问题... 针对深水钢悬链立管(SCR)的双向涡激振动的疲劳损伤问题,采用点涡强度计算流体对结构的横向和顺流向脉动水作用力,进而推导出一种新的尾流振子模型来预报立管结构的双向涡激振动响应.使用该模型对深水钢悬链立管的双自由度涡激振动问题进行数值计算.结果表明,在均匀流作用下,立管横向和流向振动呈现稳定的驻波振动形态;在剪切流作用下,立管各节点的运动轨迹可能不会得到稳定的"8"字形,沿管方向的驻波振动形态被打破,形成贯穿结构整体、同时各处振幅趋于均匀的行波振动状态.相比仅考虑横向疲劳而言,双向涡致疲劳分析更能全面评估结构的疲劳损伤情况,尤其在深水钢悬链立管的结构分析中,顺流向疲劳问题应给予充分的关注. 展开更多

关键词 钢悬链立管 双自由度涡激振动 流固耦合 离散点涡方法 疲劳损伤 时域模型

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复合材料充液管路流固耦合特性分析 被引量：4

8

作者 吴江海 苏明珠 +1 位作者 尹志勇 孙玉东 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第7期99-105,共7页

为研究编织复合材料充液管道流固耦合特性,采用传递矩阵法,从各向异性材料本构方程、物理方程与边界条件出发,建立复合材料管道一维流固耦合动力学模型。将模型退化成各向同性管进行计算方法验证,并进一步开展复合材料管FEM软件流固耦... 为研究编织复合材料充液管道流固耦合特性,采用传递矩阵法,从各向异性材料本构方程、物理方程与边界条件出发,建立复合材料管道一维流固耦合动力学模型。将模型退化成各向同性管进行计算方法验证,并进一步开展复合材料管FEM软件流固耦合验证。计算结果表明:该计算结果与经典“4方程”模型及有限元三维模型结果一致。在证明了该模型及计算方法的正确性后,进一步研究复合材料管中的铺设角度与纤维体积分数对充液管路固有频率及波数的影响。研究结果表明:提高增强材料体积分数,管路固有频率增加,管路传播波数降低;铺设角度增加,固有频率降低,管壁中传播波数增加。该研究结果可为充液管路的设计与控制提供参考。 展开更多

关键词 流固耦合 复合材料 充液管路 频域响应 传递矩阵法

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物质点法在风与膜结构耦合作用中的应用研究

9

作者 孙芳锦 梁爽 张大明 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2015年第9期102-106,共5页

为克服常用数值方法在风与膜结构的耦合计算中网格易畸变、耗费机时大的缺点,提出采用物质点法计算风与膜结构的耦合作用。结构域采用物质点法描述,流体域采用浸入边界法描述。结构对流体的作用通过对结构最边缘的网格节点施加边界条件... 为克服常用数值方法在风与膜结构的耦合计算中网格易畸变、耗费机时大的缺点,提出采用物质点法计算风与膜结构的耦合作用。结构域采用物质点法描述,流体域采用浸入边界法描述。结构对流体的作用通过对结构最边缘的网格节点施加边界条件来实现,流体对结构的作用通过在结构表面施加压力和剪力实现。分别给出了结构域、流体域和流固耦合计算的求解步骤。将该算法应用于二维膜结构的耦合计算,得到了结构响应和流体压力场等结果,与采用有限元法计算结果进行了对比,结果符合良好;同时与有限元法对比了计算效率,结果表明物质点法计算效率要高于有限元法。结果表明物质点法计算风与膜结构的流固耦合作用中可以得到准确的结果,且计算效率得到较大提升。 展开更多

关键词 膜结构 流固耦合 物质点法 计算效率

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船与桥墩相撞后的二维流体动力学数值模拟研究

10

作者 罗雄平 《北京大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第4期579-584,共6页

将不可压缩Navier-Stokes方程与浸入边界法相结合,研究在流体中平面运动的物体(船)绕另一个静止物体(桥墩)的二维运动过程,分析船所受到的流体阻力、升力以及受流体作用后船的运动轨迹。结果表明在船绕着桥墩运动的初期,升力和阻力曲线... 将不可压缩Navier-Stokes方程与浸入边界法相结合,研究在流体中平面运动的物体(船)绕另一个静止物体(桥墩)的二维运动过程,分析船所受到的流体阻力、升力以及受流体作用后船的运动轨迹。结果表明在船绕着桥墩运动的初期,升力和阻力曲线出现有限振幅的起伏现象,不久,船的升力和阻力系数逐渐趋向稳定,做周期性小幅振荡。船的顺时针方向角速度受水流作用逐渐变小,然后变为逆时针方向。最后船的尾部远离桥墩,表明不会与桥墩二次碰撞。船的运行轨迹与实船实验的结果非常接近。 展开更多

关键词 不可压缩NAVIER-STOKES方程 浸入边界法 流体结构相互作用 二次碰撞 船撞桥

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改进的湿模态法在流固耦合中的应用 被引量：7

11

作者 刘瑞骏 郝志勇 +1 位作者 郑旭 谈江林 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2017年第22期199-204,共6页

针对流固耦合运动方程,指出了流体刚度矩阵的奇异性将导致现有的湿模态法无法直接使用,并指出了在湿模态法中使用分离零频项的方法存在的矛盾。湿模态法的问题根源在于为了简化计算而提出的不合理的前提假设,即同时忽略流体的可压缩性... 针对流固耦合运动方程,指出了流体刚度矩阵的奇异性将导致现有的湿模态法无法直接使用,并指出了在湿模态法中使用分离零频项的方法存在的矛盾。湿模态法的问题根源在于为了简化计算而提出的不合理的前提假设,即同时忽略流体的可压缩性及自由液面波动的影响;据此,提出了直接求解法和不动点法两种解决方法;前者适合流体规模较小的计算,而后者更适合大规模流体的耦合计算;应用不动点法,编制了Matlab程序,对某油底壳在不同盛油状态时的结构特性进行了仿真计算,对比表明随着盛油量从0逐步增加,结构模态频率呈先减小后增大的趋势并趋于平缓;加入流体后,结构模态的振幅大幅下降。除了第1阶模态,流体较少时的湿模态振型与干模态振型区别较大,但随着流体的增加,振型逐渐趋于稳定,与干模态振型接近。 展开更多

关键词 流固耦合 湿模态 直接求解法 不动点法

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饱和孔隙介质的耦合物质点-特征有限元方法 被引量：2

12

作者 王兆南 王刚 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期1094-1102,共9页

物质点法是当下用于分析饱和孔隙介质大变形问题的常用手段。然而,传统的显式物质点法直接采用弱可压缩的泊松方程计算孔隙水压力,存在着孔隙水压力震荡以及压力边界难以施加等问题。鉴于此,提出了一个适用于饱和孔隙介质的耦合物质点-... 物质点法是当下用于分析饱和孔隙介质大变形问题的常用手段。然而,传统的显式物质点法直接采用弱可压缩的泊松方程计算孔隙水压力,存在着孔隙水压力震荡以及压力边界难以施加等问题。鉴于此,提出了一个适用于饱和孔隙介质的耦合物质点-特征有限元方法。该算法将孔隙水视为不可压缩流体,基于特征线分裂算法的思想,将存在对流项的液相动量方程采用特征线法进行时间离散,并利用投影法分步计算固、液相中的压力和速度。应用此算法对一维饱和土柱的固结以及二维弹性地基中波的传播问题进行了数值模拟,所得结果与参考解基本相一致。计算结果表明新算法可以很好地克服显式物质点法在计算固结问题时产生的孔隙水压力震荡现象。 展开更多

关键词 物质点法 饱和孔隙介质 不可压缩流体 特征线法 投影法

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一种基于改进流固耦合力求解的浸没光滑点插值法 被引量：1

13

作者 杨博睿 张桂勇 +2 位作者 王双强 严博骞 王鹏 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2023年第10期1455-1463,共9页

浸没光滑点插值方法(immersed smoothed point interpolation method,IS-PIM)是一种基于浸没类方法框架,采用光滑点插值方法(smoothed point interpolation method,S-PIM)作为固体求解器的流固耦合计算方法。在IS-PIM以及其它基于浸没... 浸没光滑点插值方法(immersed smoothed point interpolation method,IS-PIM)是一种基于浸没类方法框架,采用光滑点插值方法(smoothed point interpolation method,S-PIM)作为固体求解器的流固耦合计算方法。在IS-PIM以及其它基于浸没类方法框架的方法中,流固耦合力是基于虚拟流体拉格朗日网格求解的,但这种求解方式忽略了流固边界节点的速度梯度,导致无法计算边界粘性力,尤其是在模拟低雷诺数流动时,会产生较大的数值误差。本文针对上面的问题,提出一种基于真实流体欧拉网格求解流固耦合力的新思路。经过算例证明,该方法无需额外修正即可有效计算流固边界的粘性力,提高了计算精度。 展开更多

关键词 浸没类方法 流固耦合 光滑点插值方法 流固耦合力 粘性力修正

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基于WCSPH-SPIM流固耦合模型的弹性体入水模拟 被引量：3

14

作者 施书文 张桂勇 +1 位作者 王双强 胡泰安 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2020年第18期103-108,共6页

对于入水砰击这类强非线性问题,运用网格方法不可避免会发生网格畸变、自由液面捕捉不准确等问题,而拉格朗日型无网格方法在处理该类问题时展现出很强的优越性。针对这一特点,采用两种无网格方法分别作为流体与固体求解器、建立流固耦... 对于入水砰击这类强非线性问题,运用网格方法不可避免会发生网格畸变、自由液面捕捉不准确等问题,而拉格朗日型无网格方法在处理该类问题时展现出很强的优越性。针对这一特点,采用两种无网格方法分别作为流体与固体求解器、建立流固耦合模型模拟入水问题;在通过刚性体入水问题对弱可压光滑粒子水动力法(WCSPH)进行验证之后,采用新提出的弱可压光滑粒子水动力与光滑点插值(SPIM)流固耦合方法(WCSPH-SPIM)分别对弹性体低速和高速入水问题进行了计算。结果显示关键点处变形与压力随时间的变化情况都与试验值或半解析解吻合良好,证明了该方法对模拟弹性体入水问题的有效性。 展开更多

关键词 弱可压光滑粒子水动力法(WCSPH) 光滑点插值方法(SPIM) 流固耦合(FSI) 入水

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结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法 被引量：1

15

作者 倪锐晨 孙梓贤 +1 位作者 李家盛 张雄 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3269-3282,共14页

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合,给数值计算方法带来了极大的困难与挑战.针对结构爆炸毁伤问题,建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM),采用基于黎曼求解器的多介质... 结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合,给数值计算方法带来了极大的困难与挑战.针对结构爆炸毁伤问题,建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM),采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体,采用物质点法(MPM)模拟固体结构,并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件.该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程,不需要重构流固耦合界面,能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化.利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟,模拟结果与相关实验数据吻合良好,验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度. 展开更多

关键词 结构爆炸毁伤 流固耦合 浸没边界法 多介质有限体积法 物质点法

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光滑点插值法应用于流固耦合的比较研究 被引量：1

16

作者 黄硕 王双强 +1 位作者 王鹏 张桂勇 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1645-1654,共10页

针对传统有限元法(FEM)固体模型刚度过硬导致低阶单元求解精度较低的问题,采用光滑点插值方法(S-PIM).S-PIM得益于梯度光滑技术能软化固体模型刚度,基于容易剖分的线性背景网格能改善固体求解精度.采用不同的光滑域构建方式可以得到不... 针对传统有限元法(FEM)固体模型刚度过硬导致低阶单元求解精度较低的问题,采用光滑点插值方法(S-PIM).S-PIM得益于梯度光滑技术能软化固体模型刚度,基于容易剖分的线性背景网格能改善固体求解精度.采用不同的光滑域构建方式可以得到不同的固体求解器,从而在不同程度上提高计算精度.本研究以浸没光滑点插值法(IS-PIM)为基础,在流固耦合(FSI)模型中采用较成熟的半隐式特征分离法(CBS)作为流体求解器,分别采用有限元法、边基光滑点插值方法(ES-PIM)以及点基局部光滑点插值方法(NPS-PIM)作为固体求解器,比较不同固体求解器条件下的计算精度和效率.结果表明,与边基光滑点插值方法和有限元法相比,在流固耦合模型中采用点基局部光滑点插值法可以得到更准确的固体模型刚度,也更有利于计算精度和计算效率的提高. 展开更多

关键词 浸没方法 流固耦合 有限元法 光滑点插值方法 计算效率

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基于CLE方法的有机材料对柔性摆动双翼性能影响研究

17

作者 张营川 马骏 +3 位作者 王涛 郑来新 张春晓 吴涛 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第5期670-675,共6页

基于CLE方法(相容拉格朗日-欧拉方法)研究柔性摆动双翼的具体性能.首先,根据已有的经典翼型实验,建立了翼型结构和周围流体的有限元模型,在结果对比中,证明了采用该方法和模型得到的计算结果比二维无黏理论的计算结果更加接近实验处理结... 基于CLE方法(相容拉格朗日-欧拉方法)研究柔性摆动双翼的具体性能.首先,根据已有的经典翼型实验,建立了翼型结构和周围流体的有限元模型,在结果对比中,证明了采用该方法和模型得到的计算结果比二维无黏理论的计算结果更加接近实验处理结果.在此基础上,研究了有机材料对柔性摆动双翼水动力性能及结构动力响应的影响.与刚性翼型不同,采用合适的有机材料制造翼型结构,既有利于改善柔性摆动双翼的水动力性能,也可以降低其内部应力. 展开更多

关键词 相容拉格朗日-欧拉方法 有机材料 柔性摆动双翼 流固耦合

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