非结构隐式方法在空心弹丸流场模拟中的应用

采用非结构网格的LU-SGS隐式算法计算三维Euler方程,数值模拟了不同马赫数以及不同攻角下某空心弹丸绕流流场,分析了流场的波系结构及其升阻力特性,计算结果表明空心弹丸的阻力系数比同口径的普通弹丸的阻力系数大约小30％,空心弹丸的阻力系数以及升力系数随攻角的变化规律与普通弹丸一致．     

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

具有黏滞阻力时的最速降线

针对实际应用中存在黏滞阻力的最速降线的问题, 首先推导出适于此类问题的解除约束的 广义变分原理, 它适用于具有摩擦阻尼和多自由度系统优化的问题. 得到描述有黏滞阻力情 况下最速降线相关函数的微分方程, 它在黏滞阻力为零时即退化为滚轮线. 利用MATLAB数值 计算给出了最速降线受黏滞阻力的影响: 在黏滞阻力系数较小时最速降线趋于变凹, 当阻力 系数增大到一定值之后最速降线趋于平缓, 当阻力系数很大时最速降线趋于直线.     

泡沫子弹冲击固支单梁的耦合分析模型

使用泡沫金属子弹进行冲击可以模拟爆炸载荷的作用, 这一加载技术已被应用于防护结构的抗冲击性能测试中, 然而泡沫子弹作用于被测试结构上的真实载荷以及二者间的相互作用过程尚不明晰. 本文以泡沫子弹冲击固支梁的情形为例, 开展了对该冲击过程的理论分析和数值模拟研究. 基于泡沫材料的冲击波模型与固支单梁的结构冲击动力学响应模型, 构建了描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型. 给出了不同响应阶段下子弹和单梁的动力学控制方程, 并采用Runge-Kutta方法得到了方程的数值解. 基于三维Voronoi技术, 建立了泡沫子弹冲击固支单梁的有限元模型并进行了数值模拟. 通过与有限元模拟结果的对比发现, 相较于经典的脉冲加载模型, 耦合分析模型能更好地预测泡沫子弹和单梁的速度变化规律, 也能准确地预测子弹对单梁的真实冲击压强. 当泡沫子弹的初始动量相同时, 由于子弹自身的压溃行为, 子弹的初始冲击速度、密度和长度的改变都会对冲击过程产生影响. 最后, 通过耦合分析模型分别分析了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响, 并针对具有不同特征的目标模拟载荷给出了泡沫子弹的筛选策略. 所构建的耦合分析模型为研究泡沫子弹与被测试结构之间的相互作用规律以及泡沫子弹的设计提供了理论基础.      

泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式,在 均匀网格上对方程进行了离散。编写了数值计算程序,进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算。爆炸 场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明:数值计算结果与理论解、实验实 测结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性;泡沫铝的密 度越低,泡沫铝中的压力峰值越小;在接触爆炸条件下,泡沫铝外侧环境介质的性质对临近环境介质端泡沫铝 中的压力影响明显,其中,环境介质若为空气,则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势,若环境介质为水,则 临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

SHPB实验中端面摩擦效应研究

选取硅橡胶、聚氨酯泡沫、Comp.B炸药、PBX-HMX(97%)炸药以及6061-T6铝合金五种材料试样,对分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术中的端面摩擦效应进行了研究。实验结果表明,SHPB实验技术中的端面摩擦效应与材料的性质相关。另外,基于各向同性弹性理论,运用能量守恒法对SHPB实验中的端面摩擦效应进行了机理分析,研究表明,材料泊松比、端面摩擦系数、试样长径比、轴向应变是SHPB实验中影响端面摩擦效应的四个因素。     

LATTICE BOLTZMANN SIMULATION OF POWER-LAW FLOW PAST AN ELLIPTIC CYLINDER

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数C_p 和黏度系数C_v 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的"锁定"现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.     

双面约束多点摩擦多体系统的建模和数值方法

提出了一种建立具有固定双面约束多点摩擦的多体系统动力学方程的方法. 用笛卡尔坐标阵描述系统的位形,根据局部方法的递推关系建立系统的约束方程,应用第一类Lagrange方程建立该系统的动力学方程,使得具有摩擦的约束面的法向力与Lagrange乘子一一对应,便于摩擦力的分析与计算,并用矩阵形式给出了摩擦力的广义力的一般表达式. 应用增广法将微分-代数方程组转化为常微分方程组,并用分块矩阵的形式给出,以便于方程的编程与计算.给出了一种改进的试算法,可提高计算效率. 最后给出了一个算例,应用试算法和RK法对算例进行了数值仿真.      

长条形基坑带顶部支撑排桩支护体系空间变形研究

提出了一种建立具有固定双面约束多点摩擦的多体系统动力学方程的方法. 用笛卡尔坐标阵 描述系统的位形,根据局部方法的递推关系建立系统的约束方程,应用第一类Lagrange方程 建立该系统的动力学方程,使得具有摩擦的约束面的法向力与Lagrange乘子一一对应,便于 摩擦力的分析与计算,并用矩阵形式给出了摩擦力的广义力的一般表达式. 应用增广法将微 分-代数方程组转化为常微分方程组,并用分块矩阵的形式给出,以便于方程的编程与计算. 给出了一种改进的试算法,可提高计算效率. 最后给出了一个算例,应用试算法和RK法对算 例进行了数值仿真.     

岩体渗透结构类型的划分及其渗透特性研究

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动 集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上 采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发 展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题 控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度 计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有 的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分 解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度 和有效性.     

PF/CNTs-Cu复合材料的制备及其载流摩擦磨损机理研究

以酚醛树脂(PF)、碳纳米管(CNTs)和泡沫铜(Cu)为原料,在反应釜内经无压浸渗和加压固化技术,制得一种新型PF/CNTs-Cu复合材料.在CSM摩擦磨损仪上,对不同CNTs含量的PF/CNTs-Cu复合材料进行了载流摩擦磨损测试.结果表明:未经CNTs改性的PF/Cu复合材料,摩擦系数和磨损率均最大,摩擦表面存在大量的犁沟痕迹,表现为典型的磨粒磨损.经CNTs改性后的PF/CNTs-Cu复合材料,载流摩擦磨损性能获得较大程度的改善.当CNTs质量分数在0.25%~1.0%范围内时,随着CNTs含量的增加,摩擦系数和磨损率逐渐减小,并在质量分数为1.0%时达到最小值.摩擦磨损机制则由最初的磨粒磨损逐渐转变为黏着磨损.当CNTs达到1.5%时,由于CNTs的团聚作用,导致复合材料的摩擦磨损性能急剧下降,摩擦磨损机制转变为磨粒磨损和黏着磨损共同作用形式.     

弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度和有效性.      

利用O型环抑制圆柱绕法流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注.利用大涡模拟技术求解了Navier-Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数.计算表明二维模拟不能体现流动基本特征,三维计算与实验吻合较好.为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D,直径为0.0167D的O型环.通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知,在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象,升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用.     

剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究

利用缩尺模型试验的方法研究了线性剪切流下涡激振动发生时柔性立管的阻力特性.文中基于光纤光栅应变传感器测得的模型应变信息,采用梁复杂弯曲理论计算了立管的平均阻力,继而分析了阻力系数沿管长方向和雷诺数的分布特性以及涡激振动对阻力系数的放大效应,并提出了用于估算柔性立管发生涡激振动时阻力系数的经验公式.结果表明:涡激振动对阻力系数有放大效应,使得立管局部阻力系数高达3.2;平均阻力系数在1.0×104到1.2×105的雷诺数区间内的值为1.3~2.0,并随雷诺数的增大而减小.本文提出的经验公式可准确估算高雷诺数下涡激振动发生时柔性立管的阻力系数,此经验公式考虑了流速、涡激振动主导模态以及主导频率对阻力系数的影响.      

球体开孔泡沫铝准静态压缩性能实验研究

本文通过实验研究了球体开孔泡沫铝的准静态压缩性能。实验过程中发现球体开孔泡沫铝变形具有明显的"三段性"特征,即弹性阶段、屈服阶段和密实阶段。针对不同厚度的球体开孔泡沫铝板研究了尺寸效应对其屈服强度的影响。根据泡沫铝的经验型本构关系,给出了不同厚度下球体开孔泡沫铝的经验本构方程,并与实验结果对比。结果表明,所得到的经验型本构方程具有很好的适用性,为球体开孔泡沫铝的应用提供了实验依据。     

对自由滚动圆柱辊子滚动阻力系数的研究

本文应用粘弹性理论及赫芝接触原理对水平基础上自由滚动圆柱辊子的滚动阻力进行了理论研究,提出一组可用于确定滚动阻力系数及接触宽度的方程。     

层流边界层方程式的级数解

文献引用压力梯度作为新的自变量以代替通常的纵坐标x,从而将经典的边界层方程变为新的形式.在此基础上,文献用图解法求定任一截面处的摩擦应力因子. 本文仍然采取文献的变量置换,但用级数法求解.当主函数中不含常数项时,本文得到了层流边界方程的一级近似分析解.并在此基础上导出了计算摩擦应力因子的公式(3.16).算例表明,除分离点邻近以外,本文的级数解与文献的图解法的结果十分符合.     

基于格子Boltzmann方法的粘弹性流体圆柱绕流分析

将光滑界面法引入到格子Boltzmann方法中分析粘弹性流体绕流问题,分别采用单松弛模型和对流扩散模型求解运动方程和Oldroyd-B本构方程,针对圆形和椭圆内部边界条件,给出连续界面插值函数,在此基础上,运用光滑界面法将内部边界转换为作用力项施加到演化方程中。首先分析圆柱绕流问题,给出不同材料参数情况下的流场分布和阻力系数计算结果,比较发现与宏观数值模拟结果相吻合。将模型拓展到绕椭圆流动中,分析椭圆形状和材料参数对粘弹性流体绕柱流的影响,发现随着椭圆长轴与短轴比值的增加和维森伯格数的增加,阻力系数逐渐下降,并且长短轴比对迭代收敛有较大影响。