弹性楔形体入水砰击载荷及结构响应的理论计算与数值模拟研究

针对弹性楔形体砰击载荷及结构响应问题,采用理论解析计算方法以及任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合数值计算方法开展研究。分别分析不同边界条件、入水速度、板厚以及斜升角对弹性结构所受砰击力及结构响应的影响及变化规律,并探讨砰击载荷时间历程和物面分布特性。结果表明,通过增大斜升角可有效降低弹性楔形体砰击载荷和结构响应,斜升角自10°增大至30°,无量纲砰击力峰值减小至6.9%,结构变形极值减小至6.5%。可通过水弹性因数${ {R_{\text{F}}} = {C_{\text{B}}}\tan \beta \sqrt {EI/(\rho {L^3})} /v }$评估板厚、入水速度、斜升角以及边界条件对砰击载荷作用下结构水弹性效应的影响,在水弹性因数R_F＞1.71时,可采用理论解析方法高效高精度预报砰击载荷作用下弹性楔形体结构变形响应。

     

应用基于GPU的SPH方法模拟二维楔形体入水砰击问题

光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种无网格的拉格朗日效值方法,广泛应用于计算流体领域模拟复杂自由表面流问题.SPH方法的主要缺点就是计算量过大,而基于GPU的并行计算方法可使SPH计算得到有效加速.本文应用基于GPU的SPH并行计算方法研究了二维楔形体的入水砰击问题.数值计算结果与文献中对应的解析解比较一致,验证了基于GPU的SPH方法的精度和可靠性.仿真结果同时显示基于GPU的并行计算方法可使SPH计算速度得到显著提高.     

球体垂直入水空泡实验研究

针对球体垂直入水问题开展了实验研究,分析了入水空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程。通过开展不同初始入水速度及表面沾湿状态的实验研究,得到了入水速度及表面沾湿状态对球体入水空泡流场的影响,同时分析了球体在垂直入水过程中的位移、速度、加速度以及阻力因数。结果表明,球体在水下的运动参数具有较强的非线性特性,速度较高、入水空泡深闭合的条件下,球体的运动参数及阻力因数曲线具有明显的波动。

     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

空投鱼雷入水载荷

为了研究空投鱼雷的入水过程,首先分析入水过程中的受力情况进行数值计算;然后使用数值模拟软件Msc.Dytran建立鱼雷入水的有限元模型,计算入水过程中雷体所遭受的冲击压力及其在冲击面上的分布情况,并对不同入水速度和角度下冲击压力峰值、不同头部形状冲击压力峰值特点及鱼雷入水弹道做了分析与讨论,结果表明:鱼雷入水速度和入水角度会对鱼雷壳体所受载荷产生重要影响,研究结果可为预测鱼雷入水冲击载荷提供参考。     

火箭橇水刹车高速入水冲击数值模拟

针对目前对火箭橇水刹车高速撞水研究的不足,采用流固耦合方法进行了数值研究,得到了超空 泡、水隆起、溅水、水压力等水形态,获得了水刹车的速度、加速度和阻力系数随时间的变化曲线。研究表明: 水刹车刀片和侧板头部形成的超空泡对水阻力影响最大、水隆起影响次之、溅水则基本无影响,水刹车阶梯式 入水结构可以有效降低入水冲击力峰值。所采用的方法为火箭橇水刹车设计提供了依据,可为其他相关物体 高速入水问题研究提供参考。     

前抛体对弹体入水载荷影响数值模拟研究

弹体穿过气-液界面时因密度突变会遭受强冲击载荷,出现结构损伤或破坏。为降低弹体入水的冲击载荷,基于Rabbi降载思想,提出了一种在主弹体前附加前抛体的结构形式。运用S-ALE (structured arbitrary LagrangeEuler)算法和罚函数流固耦合方法进行空泡形态和弹体运动状态数值模拟,数值模拟结果与弹体入水实验图像吻合,验证了数值模拟算法的有效性;随后研究了前抛弹体的入水角度、主弹体与前抛体的无量纲入水时间间隔参数、前抛体尺寸、主弹体与前抛体的入水初速度对降载效果的影响。研究结果表明,前抛体垂直入水时存在前抛体和主弹体碰撞现象,不利于降载,甚至可能给主弹体带来更大的载荷;前抛体斜入水时可避免两弹体间的碰撞,具有良好的降载效果,最大降载率可达90%。在此基础上获得了降载效果最佳的无量纲入水时间间隔范围为0.8～0.9,在此范围内主弹体的降载效果随前抛体尺寸的增大和入水初速度增加而提高。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明：随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。

     

楔形体入水时域解的复边界元数值分析

基于速度势理论,利用复数变量边界元法对二维楔形体常速入水冲击的时域解进行了数值研究。以相似解作为数值计算的初始条件,采用时域解射流线性近似处理方法,利用复数变量边界元法进行求解,以减少计算量和数值误差。深入讨论了扩展坐标系求时域解、射流处理、网格划分和网格更新等关键技术。最后数值计算了不同斜升角楔形体入水时的自由液面隆起、射流飞溅和压力分布,经与相似解结果作比较,自由液面隆起轮廓基本吻合,而压力分布更符合实际情况,从而证明了模型及分析方法的正确性。     

带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析

针对带环形密闭气囊弹体入水冲击问题,基于LS-DYNA,运用控制体积法模拟环形密闭气囊,结合流固耦合算法,模拟了某弹体及附带环形密闭气囊入水过程。将入水过程分为弹体砰水、气囊着水、入水减速、水中悬停、缓慢上浮、上浮出水、水面漂浮7个主要阶段,对比分析了垂直与倾斜入水过程中不同阶段弹体和气囊的姿态变化、减速特性及入水深度等特征的异同。从气囊内压变化、流体对气囊的作用合力、气囊内压与入水速度的关系等方面研究了流体与气囊的相互作用,发现入水过程中气囊内压的变化主要受入水深度、运动速度、连接绳拉力等因素影响。通过计算不同初始内压条件下弹体的入水深度、减速时间及连接绳的拉力峰值,发现囊压越高,入水深度越小,减速时间越短,但是相应连接绳对弹体外壳的拉力峰值越大。因此,在进行入水回收气囊参数设计时,需要综合考虑缓冲效果、减速效果及气囊安全性等因素。

     

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用,是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律,本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台,建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型,开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明：数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合,验证了流固耦合方法的有效性;回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处,后集中于回转体底部中心处;流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的,弹性回转体的载荷曲线产生明显波动;撞水阶段,回转体空泡呈现不对称形态,随着入水加深,空泡不对称性变弱;入水速度60 m/s下,空泡发生表面闭合,回转体入水初速度越快,空泡表面闭合越晚;冲击载荷与入水速度有关,入水速度越大,峰值出现越早,震荡越明显,速度超过100 m/s时,回转体产生塑性形变。

     

截锥体头型弹丸低速斜入水实验研究

为研究截锥体头型弹丸在低速斜入水条件下,头部直径大小对入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同截锥体头型弹丸低速倾斜入水对比实验,得到了截锥体头弹丸头部直径大小对入水空泡、运动速度、俯仰角的影响规律。实验结果表明：截锥体头弹丸头部直径越大,尾部越早与空泡下壁面发生碰撞;头部直径大小对空泡深闭合时间几乎没有影响;弹丸空泡随头部直径增大而增大;头部直径过大或者过小均不利于入水稳定性;弹丸速度低于临界值时呈上升趋势,高于临界值时将呈现下降趋势。

     

刚性球体三维高速垂直自由入水载荷

入水结构体在从空中弹道转入水下弹道的入水阶段,其周围的流体将呈现出强非线性性质,本文针对传统基于Wagner理论的结构体入水载荷计算模型不能很好描述流体三维流动的情况,基于无黏不可压流体流动模型,考虑流体弹性,采用微元边界运动等效方法对运动边界进行分段分析,计及入水过程中系统的动能损失,根据能量守恒,对刚性球体高速垂直自由入水过程中流体的三维流动进行了理论分析,建立了基于无黏不可压弹性流体的刚性球体垂直高速入水载荷计算模型,并与基于多介质任意拉格朗日欧拉方法的有限元模型进行了对比分析,验证了该方法的可行性。基于此模型,本文进一步分析了入水载荷的影响因素。该方法提供了一种计算结构体垂直高速入水载荷的思路,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

冲击载荷下柔性储液罐动态响应数值模拟及规律分析

针对柔性材料大变形、非线性等特点,对柔性储液罐的冲击响应规律进行研究,依据实验结果,采用ALE有限元方法对冲击情况下柔性罐状储液容器及其中流体的动态响应进行了数值模拟.所得结果与实验结果具有较好的一致性.在此基础上,深入分析了空投高度、装水量等对柔性储液罐动态响应的影响规律.重点关注了表面一些关键部位的变形和应力变化情...     

Dynamic buckling and plastic collapse of rectangular strips under axial slamming impact

The dynamic buckling and plastic collapse of elastic-plastic rectangular strips under axial slamming impact are investigated experimentally. The dynamic response of the specimens is measured by several back-to-back paris of strain gages located at different positions. According to the experimental records, the compressive and bending motions of the rectangular strips are analyzed. The strips exhibit three different critical dynamic conditions: buckling, plastic incipience and plastic collapse. Based on the response characters, three criteria are proposed which completely define the elastic-plastic dynamic behavior of rectangular strips under axial slamming impact with loading durations ranging from 14 to 18 milliseconds. These conditions are estimated by introducing three critical axial compressive strains. Moreover, the effect of geometric imperfection on the dynamic behavior of the strips is discussed.     

平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析

为探究回转体在高速入水过程中的结构强度,基于非线性有限元LS-DYNA软件中流固耦合任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)方法,分析了不同壁厚的回转体以100 m/s的初速度入水过程中的冲击力特性和结构强度。结果表明：数值计算得到的入水冲击压强峰值和速度衰减曲线与相应的理论值吻合较好,从而验证了数值方法的有效性;入水冲击载荷峰值出现在结构入水瞬间,结构入水后冲击载荷急剧变小且微小震荡;回转体的结构形式对其在高速入水过程中的结构强度有重要影响,尤其回转体头部厚度影响回转体结构强度,当回转体头部厚度为8 mm、后体壁厚大于2.5 mm时,可以保证回转体强度要求。

     

飞机撞击建(构)筑物研究进展

飞机撞击重要建(构)筑物会导致灾难性后果。本文从试验研究、理论分析、数值模拟等3个方面对飞机撞击建(构)筑物的国内外研究现状,相关研究难点、需要注意的问题和研究方向及趋势进行总结,包括:缩比试验的系统和验证,飞机撞击力模型,撞击所致局部破坏计算公式,飞机和建(构)筑物的精细化建模,撞击所致振动特性,撞击荷载和火荷载对结构的耦合毁伤效应,一般模型和精细化模型、解耦和耦合方法以及不同数值模拟程序计算结果的对比分析等方面,以期为后续研究提供参考。     

弹体高速入水特性实验研究

进行了速度在35～160 m/s的平头、卵形和截卵形弹体入水实验,利用高速相机记录了弹体入水和空泡扩展的详细过程,得到了3种弹体在入水初期的水中弹道轨迹和空泡形状,并比较分析了弹体头部形状对入水弹道稳定性的影响.结果表明,平头弹体在水中飞行有良好的弹道稳定性,截卵形弹体往往由于受力不均衡在入水后期发生偏转,卵形弹体则在...