MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefiednatural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.      

鱼雷锚在钙质砂床中的贯入深度研究

鱼雷锚安装简单、快速，是一种在海洋工程中具有良好应用前景的锚固结构，其在钙质砂床的贯入深度关乎其系泊结构物的稳定性和抗风浪能力。基于耦合的SPH (光滑粒子流体动力学法)和FEM (有限元法)算法，针对Richardson(2008)研究的鱼雷锚建立了有限元模型，在Abaqus平台上，数值模拟了该鱼雷锚在钙质砂床中的贯入深度，并模拟了不同的贯入速度、锚重量和锚-土界面间的摩擦系数等对鱼雷锚贯入深度的影响。通过对比数值模拟结果与Richardson(2008)提供的实验结果可知，耦合的SPH-FEM算法可以快速准确地模拟鱼雷锚在钙质砂床中的贯入深度。此外，由参数化研究可知，鱼雷锚的锚重、贯入速度和锚-土间摩擦系数对鱼雷锚的贯入深度影响显著。特别地，当贯入速度大于某一临界值时，贯入深度基本上与贯入速度成正比。最后，基于Richardson实验数据和本次数值模拟获得的65组数据，从能量法的角度提出了鱼雷锚在钙质砂床中贯入深度的预测公式，为动力锚的设计和应用提供理论支撑。此外，经初步验证，该公式也可用于预测DPAⅢ动力贯入锚在钙质砂床中的贯入深度。     

水下掩埋目标的散射声场计算与实验

水下掩埋目标声散射问题是识别和探测掩埋目标的理论基础, 是声散射研究领域的热点问题. 本文基于射线声学推导了掩埋情况下目标声散射计算的格林函数近似式, 并在此基础上进一步给出了相应的远场积分公式. 在有限元方法的基础上, 将推导得到的公式写入有限元仿真软件, 对软件功能进行拓展, 构建二维轴对称目标的声散射模型, 并计算掩埋情况下弹性实心球在不同条件下的目标强度, 获得了其散射声场随频率、掩埋深度、沙层吸收系数等参数的变化规律. 开展实心球的自由空间和浅掩埋条件下水池声散射实验, 利用共振隔离技术处理实验数据, 提取目标声散射的纯弹性共振特征进行分析, 结果表明可将其用于掩埋目标识别和探测. 最后利用总散射声场与理论计算结果进行对比, 验证了理论仿真的正确性.     

星型负泊松比超材料防护结构抗爆抗冲击性能研究

采用数值方法对星型宏观负泊松比效应夹芯结构的抗冲击响应过程以及抗水下爆炸过程中的破坏形式进行了研究:探讨了星型负泊松比结构胞元壁厚、层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下爆炸防护性能的影响。研究结果表明:对于高速或超高速弹体侵彻问题，单纯依靠结构性的被动防御无法应对；负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构相较常规防护结构具有良好的水下抗爆性能；等质量条件下，泊松比的变化对抗爆性能影响明显，层数3层、泊松比为?1.63的星型夹芯结构的抗爆性能相对更优；等壁厚条件下，其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数减小而增强。     

同伦分析方法进展综述

本文简述同伦分析方法基本思想、最新理论进展及其在流体力学、固体力学、一般力学、量子力学、应用数学、金融等科学和工程领域的应用.同伦分析方法不依赖物理小参数, 适用范围更广,而且提供了一种简单的途径确保级数解收敛, 适用于强非线性问题.同伦分析方法已被成功应用于求解一些具有挑战性的力学问题,并获得一些全新的、 从未见报道的解. 这些成功的应用,证明了同伦分析方法的普遍有效性和原创性.      

基于边光滑有限元法的加筋板静力和自由振动分析

运用边光滑有限元法,研究分析了加筋板结构的静力和自由振动问题。在边光滑有限元法中,将基于边的应变光滑技术用于对原来的应变场进行光滑操作;由于应变光滑技术能够适当地软化原来过刚的有限元模型,从而能够得到更加接近于系统准确刚度的光滑有限元模型;鉴于三角形单元良好的适用性,选用三角形单元对模型进行网格划分;同时,为了解决低阶Reissner-Mindlin板单元弯曲过程中的横向剪切自锁问题,采用了一种新型的离散剪切间隙技术。算例的数值计算结果表明,与传统的有限元法相比,边光滑有限元法能够得到精度更高的计算结果,且收敛更快,计算效率更佳。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。     

双曲率壳的力学研究进展

双曲率壳是飞机、汽车以及船舶上常见的薄壁结构，其中性面可看作是一条动曲线沿着另一条曲线扫掠所形成的曲面．双曲率壳的非线性理论不断更新推动着双曲率壳力学行为的研究．随着工程实际应用的不断改进，如功能梯度材料(FGM)，加筋壳，弹性地基模型等的引入，双曲率壳在强度、变形和稳定性等方面的研究得到了进一步促进．本文首先回顾了双曲率壳结构非线性力学基本理论发展过程，主要阐述了经典的二维板壳理论，如Donnell 薄壳理论，一阶剪切变形壳理论，高阶剪切变形壳理论，和三维板壳理论的理论体系及基本公式，并对几种理论之间的联系和应用进行了总结和讨论，简述了近几十年来国内外学者在双曲率壳非线性弯曲、稳定性和振动等方面的最新研究成果，最后对双曲率壳体研究目前的局限性和未来的研究方向进行了探讨．     

考虑孔隙影响的混凝土有效弹性模量预测分析研究

本文通过纳米压痕实验技术得到混凝土材料细观各相参数，基于渐进均匀化理论，采用蒙特卡洛方法和双向游走方法建立了含孔隙混凝土的胞元模型．分析了孔隙在冻融循环次数增加情况下对混凝土有效弹性模量的影响，同时与有限元模拟分析进行了比较．结果表明：随着冻融循环次数增加，孔隙体积分数增大，界面与砂浆压痕模量相对降低，但对骨料影响较小，导致混凝土宏观弹性模量随之降低；理论分析预测的混凝土有效弹性模量与有限元模拟结果吻合良好．应用含孔隙混凝土胞元模型能有效地预测混凝土宏观弹性模量，进而也为其在冻融作用下老化演变机理的研究评估提供了基础．     

基于MPS-FEM耦合方法对比研究刚性与弹性挡板对液舱晃荡的抑制作用

由流体冲击载荷引起的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域.例如:在特定激励频率下载液货舱内流体的非线性运动引起对舱壁的砰击作用,进而可能影响液舱围护系统的安全性.由于此类流固耦合问题通常涉及多学科知识,且流体自由面的变化具有强非线性特征,对研究人员带来较大挑战.考虑到Lagrange类方法在处理结构和流体自由面大变形问题上的优势,基于MPS-FEM耦合方法开发了流固耦合求解器.其中,采用MPS方法来数值模拟流体场瞬态变化,FEM方法来分析结构场的变形问题.此外,该求解器采用了弱耦合的方式来实现流体场和结构场之间的数据传递.为了验证该方法在处理流固耦合问题上的可靠性,首先数值研究了溃坝泄洪流与弹性挡板之间的流固耦合标准算例,数值结果与实验标准结果能够较好地吻合.此后,采用该求解器数值研究了带刚性挡板和弹性挡板的液舱晃荡问题,对比分析了多种激励频率下两种挡板对液舱内流体运动及舱壁上冲击压力的抑制效果.