三维复杂流场内能激发松弛的DSMC数值模拟

本文研究了带内能激发松弛和不同来流条件下的复杂外形高超声速飞行器过渡区三维流场特性.采用一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.采用L-B碰撞模型,分析了内能激发松弛的流场参数特性,从分子碰撞、分子与飞行器表面碰撞的角度,分析了不同来流条件下的流场参数的变化情况.     

二维自适应非结构网格DSMC并行算法研究

研究了二维自适应非结构网格DSMC并行算法实现的过程.首先提出了一类非结构网格自适应策略,有效降低了网格尺度对计算结果的影响,提高了流场的分辨率;然后基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,利用分区并行思想,设计了非结构网格DSMC并行算法,节约了计算时间.利用For-tran90的动态分配内存技术编制了通用计算程序;最后对过渡流域高超声绕流进行了数值模拟,计算结果初步验证了算法的可行性与有效性.     

三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程。将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度。提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据。利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序。最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性。     

DSMC／EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合，构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流，并将结果与DSMC算法的结果进行比较，证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性，同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。     

Rayleigh-Benard系统不稳定性的DSMC方法研究

本文应用DSMC方法初步研究了稀薄气体状态下Rayleigh-Benard系统的不稳定性特征，着重考察了气体密度梯度对Rayleihg-Benard系统不稳定性特征的影响。研究表明DSMC方法能够成功地模拟Rayleigh-Benard系统内涡的运动，得到了与外力方向相反的密度梯度会增加Rayleigh-Benard系统流动不稳定性的结果。     

控制棒驱动机构步跃提升碰撞的动力学建模

控制棒驱动机构(CRDM)在步跃提升时,钩爪部件会与承压壳体上的提升磁极发生面面碰撞。本文基于混合坐标法建立控制棒驱动机构有限元离散的刚-柔耦合动力学方程,用罚函数法计算了钩爪部件与承压壳体之间的碰撞力和应力分布情况。结果表明,刚柔耦合多体方法在仿真小变形碰撞时可以提高计算效率,同时又能达到与有限元方法同等的精度。进一步对碰撞模型不同区域的网格疏密和尺寸大小做了定量分析,得到了降低有限元网格数量的方法,可为工程中碰撞模型的网格划分提供参考。     

开式空腔流动的蒙特卡罗直接模拟

蒙特卡罗直接模拟(Direct Simulation Monte-Carlo)方法是一种基于分子动力论的随机性数值模拟方法，它在各类稀薄气体流动模拟中得到了广泛应用。本文首先讨论了DSMC方法的基本原理，引用文献结果论述了DSMC方法与Boltzmann方程的内在一致性，采用DSMC方法从分子运动论层次对过渡区开式空腔流动进行精细模拟，再现空腔内旋涡的形成及发展过程，了解复杂流场的流场特性。模拟和分析了空腔的形状(展弦比)、壁温以及Knudsen数(稀薄性)等因素对空腔内流动和旋涡结构的影响。研究表明，空腔的展弦比、壁面温度以及流动Knudsen数等因素对空腔内旋涡的大小、形状、位置、个数都有极大的影响，应用DSMC方法可以真实再现稀薄条件下的开式空腔流动。     

高速流场气动光学RANS/DSMC混合数值模拟算法研究

提出了适用于高速流场气动光学数值模拟的RANS/DSMC混合算法.通过RANS对全局时均流场进行数值模拟,再对其中局部流场的脉动量采用DSMC进行数值模拟,以Maxwellian速度分布实现RANS宏观量信息向DSMC微观量信息的传递.采用超声速环境下尖劈模型对该混合算法进行校验,对比试验结果论证了算法的正确性.在计算...     

不同形状微管道中的气体流动

不同形状微尺度管道(圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形)中的气体流动特性是微机电系统设计最为关心的问题之一.文中利用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法进行研究,给出两种方法的计算结果相互符合,并与其它研究者的BGK模型方程计算结果进行了比较.对于微尺度管道中关心的低Mach数流动, IP方法的统计收敛效率明显优于DSMC方法.通过拟合IP和DSMC结果,给出了圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形截面情况下无量纲质量流率与等效Knudsen数的关系.     

SPH方法Delaunay三角刨分与自由液面重构

光滑粒子法(SPH)作为一种拉格朗日型无网格方法,兼具欧拉网格方法和拉格朗日网格方法的优势,已经成功应用于科学和工程的众多领域。SPH方法后处理一般基于无规则分布的粒子,不如网格类方法后处理简便、直接。另外,SPH方法模拟自由液面流动等问题时,通过粒子位置难以重构自由液面的准确位置。发展一种基于Delaunay三角刨分的SPH后处理方法,即先基于SPH粒子位置利用Delaunay三角刨分建立三角网格,然后将粒子信息转化成网格单元/节点信息,从而可以在三角网格上进行后处理,实现基于网格方法的后处理功能,并可以在三角网格上直接提取或重构自由液面。将本文的方法应用到液滴碰撞和溃坝流SPH模拟结果的后处理中,得到了非常好的结果,表明本文的方法有效可靠。     

航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

大跨度桥梁空间脉动风场的计算机模拟

针对现有Deodatis方法模拟大跨度桥梁空间脉动风场中存在的计算量问题,通过对谱分解矩阵引入插值近似,减少谱分解的次数,从而提高该谐波合成法的计算效率,并节省内存花费,实现了对三维空间脉动风场的有效模拟。改进方法模拟的脉动风速样本仍保持各态历经性,且逐渐收敛到目标功率谱。用改进的Deodatis方法模拟了润扬长江悬索桥桥面主梁上作用的纵向脉动风速。结果表明,该改进措施对Deodatis方法的应用效果非常明显,改进的Deodatis方法模拟脉动风速样本的相关函数与目标相关函数均吻合良好。尽管改进后的Deo-datis方法对谱分解矩阵采用了插值近似,但模拟的随机风速样本仍具有很好的精度。     

压电结构的主动控制仿真与实验研究

结合有限元方法研究了直接负速度反馈和基于LQR(二次线性最优控制)的独立模 态空间主动控制方法来控制结构的振动, 采用一种新的仿真方法：PATRAN与MATLAB 联合仿真,对这两种方法进行主动控制数值仿真. 用MATLAB的xPC实时控制,进 行了主动板的振动控制实验,验证了采用上述控 制仿真方法的正确性. 各种结果表明用压电结构进行振动主动控制效果明显.     

板材冲压成形有限元数值模拟界面摩擦约束处理方法

基于弹塑性大变形板材冲压成形增量有限元法,采用线性弹簧单元提出一种空间三维板材冲压成形等效界面摩擦力的处理方法.这种方法的优点是可以反映界面摩擦力的同步、被动产生效果,同时它还可以保证约束后刚度矩阵的对称性.将提出的摩擦约束处理算法引入自主开发的板材成形模拟软件FASTAMP,计算了汽车油底壳的成形过程,计算结果的厚度分布与实际冲压件吻合比较好,验证了等效界面摩擦力约束处理方法的有效性.     

Application of Modelica/MWorks on modeling,simulation and optimization for electro-hydraulic servo valve system

Electro-hydraulic servo valve is a typical complicated multi-domain system constituted by mechanical, electric, hydraulic and magnetic components, which is widely used in electro-hydraulic servo systems such as construction machinery, heavy equipment, weapon and so forth. The traditional method of modeling and simulation of servo valve is based on block diagram or signal flow, which cannot describe the servo valve system from components level nor be used in modeling and simulation of overall servo systems. In the procedure of traditional method, computational causality must be involved in modeling of servo valve, which is inconvenient to execute modification on components or parameters. Modelica is an object-oriented modeling language which is suited for large, complex, heterogeneous and multi-domain systems. The key features of Modelica are multi-domain, object-oriented and non-causal, which are suitable for modeling of servo valve and make the model readable, reusable, and easy to modify. The simulation results show similar curves with traditional method. This new servo valve modeling and simulation method can provide the engineers a more efficient way to design and optimize a servo valve and an overall servo system.     

应用自动网格法测量带孔洞大样品的变形

为了能在现场检测带孔洞大样品的变形,本文提出了运用环形编码法的改进自动网格法。文中还研究了适用于大样品测量的网格制作技术,编制了网格自动处理及分析软件,进行了计算机模拟和实验标定,并分析了测试精度。     

A method for on-line soil parameters modification to planetary rover simulation

In planetary exploratory rover simulation, the contact model between wheel and terrain inevitably has some differences in contrast with the real one, which can make rover depart the planned track. To eliminate the dynamic errors caused by it, this paper presents a method for on-line soil parameters modification. This paper classifies data errors between virtual rover and real rover as model errors and asynchronous errors. Before modification, data identification is utilized to eliminate asynchronous errors and get a group of effective data with least additional errors. Based on the simplified terramechanics model, the origins of model errors are analyzed in detail from static status and kinetic status; meanwhile, some soil parameters are decoupled from the complicated model, and it makes on-line soil parameters modification feasible. An effective coefficient is also proposed to maintain the stability and convergence of modification. Lastly, through simulations on ROSTDyn (ROver Simulation based on Terramechanics and Dynamics), it is demonstrated that the soil parameters modification method is effective and useful for rover simulation to eliminate dynamic errors of predictive model.     

应用自动网格法测量带孔洞大样品的变形

为了能在现场检测带孔洞大样品的变形，本文提出了运用环形编码法的改进自动网格法。文中还研究了适用于大样品测量的网格制作技术，编制了网格自动处理及分析软件，进行了计算机模拟和实验标定，并分析了测试精度。     

岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

针对动态接触问题的有限元并行计算，提出了一种新的接触算法. 新算法引入局部拉氏 乘子技术来计算接触力. 由于同时考虑了无穿透的接触约束条件和相邻接触对的相互影响， 较之广泛使用的罚参数法，新算法使接触约束条件和系统平衡方程得到更充分的满足. 虽然 为提高接触计算精度而在局部采用了迭代技术，但算法仍然具有较高的效率，且与显式时间 积分方案完全相容. 此外，通过构造专门的区域分解方案，实现了将现有为串行程序开发的 搜索算法平滑移植到并行环境的目标. 数值算例表明，所提出的接触算法具有很好的并行性， 在保证了接触问题并行计算精度的同时，取得了满意的并行效率.     

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。