三维爆炸与冲击问题仿真软件研究

针对三维复杂爆炸流场的数值模拟,开发了欧拉型三维爆炸与冲击问题数值模拟软件EXPLOSION-3D,对该软件的三个组成模块即计算程序MMIC-3D、有限差分网格自动生成前处理程序MESH-3D和可视化后处理程序VISC-3D的基本理论和算法进行了讨论。以楼群中爆炸流场的三维数值模拟为例,采用该软件对大型爆炸发生后形成的爆炸场进行了数值模拟研究,得到一些有意义的数值结果,这些结果对于爆炸灾害的预防和评估具有重要的参考价值。     

一种复合材料实体的快速剖分算法

剖分是进行有限元计算的前期工作，它主要是通过网格化，将实体划分成具有相同类型的单元。本文采用由外向内的部分思路，利用10节点四面体等参数单元，实现了对三维不对称实体的网格剖分。计算结果表明，使用本文的剖分算法进行后期的有限元计算是十分理想的。     

基于ALE方法的3D充填流动模拟

基于任意拉格朗日-欧拉方法发展了三维充填流动的数值模拟方案.该方案采用ALE方法准确地追踪移动自由面的位置并避免了网格扭曲;基于移动最小二乘曲面拟合方法提出了移动自由面上网格节点重定位方法,将充填流动的网格更新过程简化为自由面附近的局部网格重划分过程,并通过分级多面体三角剖分实现,减小了网格划分的计算量,实现了实时网格生成.给出的数值算例结果表明了该数值模型对三维充填流动模拟的有效性.     

三维约束Delaunay三角化的边界恢复和薄元消除方法

提出一种有效的三维约束Delaunay三角剖分的边界恢复算法，该算法综合了P．L．George算法和N．P．Weatherill算法的优点，通过将约束边和约束面加以恢复，保持了实体边界的完整性，解决了经典Delaunay算法不能剖分凹域的问题，从而实现了复杂三维实体的网格剖分。提出了一种简易而有效的消除薄元方法——薄元分解法，彻底解决了三维Delaunay三角剖分过程中所产生的薄元问题。实践证明，本文提出的边界恢复算法和薄元消除算法健壮有效，生成网格的质量高，并且易于实现。     

薄元分解与Laplacian光顺相结合的四面体有限元网格优化方法

提出一种有效的三维实体四面体有限元网格质量优化方法以满足有限元分析对网格质量的要求。对薄元分解法进行改进,改进的薄元分解法更全面地考虑了各种劣质单元类型,能够对三维实体网格剖分中产生的各种类别的孤立劣质单元进行有效的分解;将改进的薄元分解法与Laplacian光顺优化方法相结合以解决某些网格剖分算法如推进波前法和Delaunay三角化方法产生的非孤立劣质单元问题。经过实例检验,本文提出的四面体单元网格优化算法健壮有效、易于实现,能够显著提高最差单元的质量。     

基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析

在比例边界等几何分析的建模剖分过程中会出现交界面网格非匹配现象,给计算分析带来困难。为了能够处理此类问题,提出了基于非重叠Mortar方法的比例边界等几何分析。该方法能在将全域分解为若干子域时,针对每个子域分别建模和剖分网格,交界面网格无需逐点匹配;采用交叉点修正的非均匀有理B-样条基函数构造Lagrange乘子空间,子域交界面连续条件可通过Mortar条件满足;并根据交界面连续条件进行自由度凝聚,得到对称正定的系数矩阵,可直接求解。分片试验、U形结构和半无限空间上的柔性基础等数值算例验证了本文方法的有效性,计算精度满足要求。     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

混凝土破裂过程的三维数值模型

利用混合同余法产生了随机变量,将混凝土中的骨料简化为球体,采用循环比较法将随机变量赋给球心坐标(X,Y,Z),实现了混凝土骨料的空间随机分布,最终建立了三维混凝土数值模型。对模型整体进行单元剖分,将骨料、砂浆、界面层分别投影到该有限元网格中,采用多次网格划分技术完成模型网格划分。通过对算例进行有限元计算,结果表明该模型基本上反映了混凝土骨料分布的实际情况,较好地模拟了混凝土的不均匀性与各向异性,验证了建立该模型的方法是可行的。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中,高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度,但结构网格的几何适应性差,针对复杂边界的二维计算模型,现有的方法很难自动生成高质量的结构网格;而非结构网格几何适应性很好,但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法,能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格;然后利用背景网格,使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格;最后,通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明,提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格,并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比,证明准结构网格具有高计算精度。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中，高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度，但结构网格的几何适应性差，针对复杂边界的二维计算模型，现有的方法很难自动生成高质量的结构网格；而非结构网格几何适应性很好，但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法，能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格；然后利用背景网格，使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格；最后，通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明，提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格，并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比，证明准结构网格具有高计算精度。