热喷干扰气体模型对飞行器气动特性影响分析

针对不同气体模型对高超声速飞行器喷流反作用控制系统(RCS)热喷干扰流场模拟的计算效率和准确性问题, 基于喷流燃气物理化学模型, 通过数值求解含化学反应源项的三维N-S方程, 建立了飞行器RCS热喷干扰流场数值模拟方法, 分别采用化学反应流、反应冻结流、二元异质流以及空气喷流四种气体模型开展了典型外形热喷干扰流场的数值模拟, 研究了不同气体模型对热喷干扰流场结构、飞行器气动力热特性的影响, 分析了不同马赫数、飞行高度下的变化规律. 研究表明: 化学反应流模型计算精度较高, 计算与风洞试验数据的吻合程度优于其他三种简化模型; 在本文的低空条件下, 采用简化模型进行热喷干扰流场数值模拟, 会低估分离区大小, 使飞行器气动力特性预测出现偏差, 同时也会低估表面热环境, 对防热系统设计不利, 随着马赫数增加, 简化模型对气动力热特性预估的误差进一步增大, 同时不同简化模型之间的差异也进一步增大; 飞行高度较高时, 模型之间的差异减小, 此时可采用简化模型进行计算以提高计算效率. 本文的研究结果可为飞行器热喷干扰流场数值模拟及喷流反作用控制系统设计提供参考.      

无限冰介质中爆炸裂纹扩展机理与数值模拟

根据冰体力学性能,提出了无限淡水冰介质在爆炸冲击载荷下的压碎区及裂隙区的理论计算方法.利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了爆炸载荷下无限区域冰体内裂纹扩展过程,模拟结果与实验结果基本一致,表明采用的损伤断裂模型能够较准确的反映无限冰介质动态力学性能及裂纹成形过程.数值模型可近似计算冰体中裂隙区的半径.数值计算值与理论计算值误差不超过5%,数值模拟结果与实验结果吻合,从而确定了无限区域冰体在-15℃时的基本破坏特征及范围.     

基于有限变形单晶塑性滑移的微观热-力耦合模型及其有限元计算

基于率相关的晶体塑性滑移理论,论文考虑晶体内部塑性变形产生的热以及快速热冲击作用下温度急剧变化产生热应力的热-力双向耦合效应,建立起微观单晶的瞬态热-弹-塑性耦合模型,推导出与温度有关的剪应变率和弹塑性切模量公式.根据论文建立的模型,对ABAQUS软件进行二次开发[1],数值模拟出<001>/{100}单晶Cu在单轴拉伸状态下的应力、应变与温度的关系和弹性模量的变化,结果如下:轴向应力随温度升高先呈线性增加再呈非线性减小,轴向应变随温度增加而增加;弹性模量随塑性变形的增加而降低,与分子动力学模拟的趋势[2]是一致的.数值实验表明,论文建立的模型和算法是正确合理的,且计算量远远小于分子动力学模拟.     

脆性材料动态断裂数值模拟

本文借鉴于Perzyna 的基本思想及Seaman 等人的实验结果,提出了一个脆性材料动态断裂模型.利用本文的模型对Cochran 的实验结果进行了数值模拟,其计算结果比Cochran 的计算结果与实验吻合得更好.     

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于``准稳态'方法建立的模型简化软件包SPARCK, 从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型. 简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致, 验证了模型的有效性. 采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法, 对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟, 计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好, 表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程. 在并行计算环境下, 和直接积分方法相比, 该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍, 大大提高了计算效率.      

基于多块对接网格的隐式气体运动论统一算法应用研究

基于玻尔兹曼模型方程的气体运动论统一算法(gas kinetic unified algorithm,GKUA) 给出了一种能模拟从连续流到自由分子流跨流域空气动力学问题的途径. 该算法采用传统计算流体力学技术将分子运动和碰撞解耦处理,若采用显式格式将受格式稳定条件限制,在模拟超声速流动尤其是近连续流和连续流区的流动时计算效率较低. 为了提高计算效率,扩展其工程实用性,采用上下对称高斯-赛德尔(LU-SGS) 方法和有限体积法构造了求解玻尔兹曼模型方程的隐式方法,同时在物理空间采用能处理任意连接关系的多块对接网格技术. 通过模拟近连续过渡区并排圆柱绕流问题,计算结果与直接模拟蒙特卡洛方法模拟值吻合较好,验证了该方法用于跨流域空气动力计算的可靠性与可行性.      

内聚力模型的形状对胶接结构断裂过程的影响

内聚力模型被广泛应用于粘接结构的断裂数值模拟过程中,为深入分析不同形状内聚力模型与胶黏剂性质和粘接结构断裂之间的关系,本文分别采用脆性和延展性两种类型胶黏剂,对其粘接的对接试件进行了单轴拉伸、剪切实验,以及其粘接的双臂梁试件进行了断裂实验.3种类型的内聚力模型(抛物线型、双线型和三线型)分别模拟了以上粘接结构的断裂过程,并与实验结果进行对比.结果发现:双线型的内聚力模型适用计算脆性胶黏剂的拉伸与剪切的断裂过程;指数型内聚力模型较适合计算延展性胶黏剂的拉伸和剪切的断裂过程,临界应力、断裂能和模型的形状参数是分析拉伸和剪切的重要参数;双臂梁试件的断裂过程模拟结果发现,断裂曲线与胶黏剂性质有关,内聚力模型形状参数也有影响.通过实验与计算结果分析,双线型内聚力模型更适合脆性胶黏剂粘接的双臂梁断裂计算,而三线型更适合计算延展性胶黏剂粘接的双臂梁断裂过程,此研究结果对胶黏剂的使用和粘接结构的断裂分析有很重要意义.     

发射药床冲击破碎过程的数值模拟

发射装药挤压破碎是导致膛炸的根本因素,发射药床的破碎动力学是发射安全性理论研究的基础之一.以离散元法为基础,模拟了发射药床的自然堆积过程,获得了发射药床的密实堆积构型;将密实构型下的发射药床离散成弹簧-球单元系统,应用Mohr-Coulomb型破坏准则,对发射药床动态压缩模拟试验装置中的发射药粒在动态载荷下的挤压破碎过程进行数值仿真,并对数值计算结果进行后处理,实现了模拟药室中发射药粒挤压破碎过程数值计算的动画显示,再现了发射药床冲击破碎动力学过程,仿真结果与试验结果吻合较好,验证了论文理论与模型的正确性,为进一步研究发射药床的破碎规律提供了重要的理论基础和计算手段.     

火灾下钢筋混凝土板的非线性有限元分析

根据大挠度板单元理论,对常温钢筋混凝土简支板的力学性能进行数值分析,验证了模型及程序的可靠性。在此基础上,提出双轴受压瞬态热应变模型和瞬态模量的概念,利用温度场模拟结果,对钢筋混凝土简支板火灾行为进行了数值模拟,并研究了不同准则下板的耐火极限。结果表明,数值计算结果与试验曲线吻合较好,验证了瞬态热应变模型的有效性;与其他准则相比,基于温度准则所得的耐火极限值相对保守。     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析

通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT,建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始,以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化,将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果,分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律,为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．     

铀铌合金层裂行为的数值模拟

采用一种唯象模型来模拟铀铌合金在高应变率条件下的变形行为,该模型包括了材料的非线性弹性（状态方程）、率相关塑性和孔洞的形核及生长等多种效应。并且采用一种对角隐式Runge-Kuta方法来求解本构率方程组,提高了热粘塑性本构关系计算的稳定性及精度。对D.L.Tonks等的铀铌合金平板撞击实验进行了数值模拟,并将计算结果同文献中的实验和数值模拟结果进行了比较。结果表明,本文的计算结果比文献中的数值模拟结果更接近有关实验数据。     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

潜堤上波流传播的完全非线性数值模拟

利用时域高阶边界元方法建立模拟波流混合作用的完全非线性数值水槽模型, 其中自由水面满足完全非线性自由水面条件. 采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面, 运用4阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势. 为了减少计算域, 提高计算速度, 采用同时消除底面和侧面的镜像格林函数; 在每一时间步内, 对网格进行重新划分以避免由于网格运动变形而引起的数值不稳定问题. 对水流中淹没潜堤上的波浪变形在水槽中开展了物理模型试验, 并把试验结果和数值结果进行了对比, 吻合得很好. 进一步研究了水流及潜堤的存在对高阶谐波产生的影响.      

混合边界多裂隙体在简谐变温场作用下的断裂问题（张开型）

给出了无限平面作用有简谐变化的点热源时的位移场、应力场基本解、用间接法构造出混合边值多裂隙体在简谐变温场作用下的热断裂问题的边界积分方程,并离散求解.数值结果表明,该方法求解多裂隙体的简谐热断裂问题精度好,计算工作量少.文中计算了含边界裂缝的平板、含三条平行裂缝的平板在简谐变温场作用下缝端应力强度因子的变化过程,并与实验结果进行了比较,两者吻合良好.     

基于Vreman亚格子模型的有限开口空间内热驱动流数值模拟

利用基于Vreman亚格子模型的大涡模拟技术对有开口的单室和双室房间内热驱动流进行了数值模拟,利用函数分析法定量分析了模拟结果的准确性,并与Smagorinsky亚格子模型的模拟结果进行了比较.结果表明,Vreman和Smagorinsky亚格子模型的计算结果均能够满足工程的需求,但Vreman亚格子模型在开口附近区域的温度和U速度计算结果在整体上比Smagorinsky亚格子模型更接近实验值;Vreman亚格子模型未像Sma-gorinsky亚格子模型那样过高地估算壁面附近高温区域的粘性耗散;对于单室房间内热烟气层高度的预测,采用Vreman模型得到的计算结果准确性比Smagorinsky亚格子模型提高近50％.     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

基于力热耦合材料模型的Steven试验数值模拟方法

在力热耦合材料模型中,增加炸药自热放能模型,建立了Steven试验的力-热-化耦合的数值模拟方法。数值计算模型中,应力应变关系采用双线性硬化弹塑性模型,炸药受力后的热作用采用各向同性热材料模型,炸药的化学反应采用Arrhenius反应率函数,同时还考虑了升温和熔化对材料力学、热学性能的影响。针对标准Steven试验,通过数值分析得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值,将计算结果与实验数据进行了比较,两者符合较好。表明该方法可以较好地模拟Steven试验,而且与以往的分析模型和方法相比,本文的方法不需要增加经验性的点火准则和判据,具有更广泛的适用性,可以为研究低速撞击条件下炸药的力热响应和局域化点火问题提供参考。     

韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播,揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.      

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。