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。     

基于ALE方法的航行体高速入水缓冲降载性能数值研究

针对航行体高速入水过程中的降载问题,设计了缓冲组件模型,并采用有限元任意拉格朗日-欧拉（ALE）的流固耦合方法,建立精确数值计算模型,对安装缓冲组件的航行体高速入水问题进行数值计算分析,获得入水过程中缓冲罩壳与缓冲泡沫的动态破坏过程及航行体运动参数,从而分析不同缓冲方案的缓冲性能。结果表明已设计的缓冲组件在航行体入水时能够吸收一定的冲击能量发生破坏并及时脱离航行体,同时缓冲泡沫的分层设计改变了缓冲罩壳的破坏方式,使罩壳破坏时间提前;撞水时在罩壳的头部与预设沟槽处会出现明显的应力集中,并且罩壳的沟槽设计能有效的引导其破坏形态,分层后的缓冲泡沫不易完全破坏,出现了二次缓冲的现象;缓冲组件使航行体入水速度曲线变化更加平缓,相同时间内航行体位移更大,分层缓冲泡沫方案降载率可达73.2%,缓冲效果较单层泡沫方案更好。     

非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法

推导了一种基于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,即任意的拉格朗日-欧拉）描述下的带有自由液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元数值计算方法,在时间域上采用分步格式计算,这种方法与混合插值方法比较其优点是速度和压力可使用同阶线性插值,给数值计算带来很大方便,将所得到的方法应用到结构与TLD（调谐式（液体阻尼器）装置之间的耦合问题,数值计算结果验证了本文所推导的方法。     

基于FPM方法的入水问题数值模拟研究

结构体入水作为一个高度非线性的冲击动力学问题,广泛存在于船舶海洋和军事等工程领域,因此,对该问题进行精确而高效的数值模拟是十分必要。采用有限质点法(finite particle method, FPM),结合无反射边界,数值模拟研究了二维结构体入水的动态过程。通过分析楔形体入水所受的垂向力、速度和压力,并与相关文献结果对比分析,验证了该方法的有效性。在此基础上,对不同工况下的入水问题进行了模拟,研究了不同尺寸、形状、初速度和质量等情况下,结构入水冲击时垂向力和速度随时间的变化规律,以及不同时刻下压力响应的变化趋势。研究结果表明：楔形体的底升角尺寸、结构体形状、入水初速度和质量等因素都会直接影响结构体入水的力学特性,为入水结构体的力学设计提供了参考。     

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。     

激波作用下含缺陷固体火箭装药的流固耦合数值模拟

采用弱耦合方法对激波作用下固体火箭发动机含缺陷药柱的流固耦合相互作用进行数值模拟。其中非定常流场采用基于任意拉格朗日-欧拉坐标系下的二维可压缩Euler方程进行描述,并采用格心格式的有限体积方法对方程进行离散求解;对激波冲击作用下含装药裂纹的固体位移场采用时域间断Galerkin扩展有限元法进行数值模拟,并对裂纹尖端动态应力强度因子进行计算。结果表明:激波在固体火箭发动机内装药裂缝传播过程中具有反射、绕射等现象,表现出高度非定常非线性的特点;同时流固耦合相互作用使得裂纹尖端位移场以及应力强度因子表现出振荡效应。     

计算域可变的CEL方法

为了更好地兼顾拉氏方法和欧拉方法各自的特长,提出一种可将拉氏介质映射到欧拉计算域的耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法。通过这种映射,将欧拉-拉格朗日重叠区域的接触面协调问题转换为欧拉区域内的多介质计算问题,简化了CEL方法的构造过程。通过与侵彻实验和结构对爆炸冲击波响应实验的比较,验证了新算法,计算结果与实验数据符合较好。     

基于S-ALE方法的圆柱体垂直出水破冰研究

以往针对结构物垂直贯穿冰层破裂的研究多不考虑水的作用, 与实际应用场景不符. 本文应用 LS-DYNA 有限元软件建立了基于结构化-任意拉格朗日欧拉(S-ALE)流固耦合方法及罚函数接触算法的冰?水?结构物耦合作用数值模拟方法. 采用欧拉算法描述空气域和水域, 采用拉格朗日算法描述圆柱体结构和冰层结构, 使用弹塑性应变率模型表征冰材料力学性质. 自主搭建了圆柱体垂直贯穿冰层试验台架, 验证了有限元方法计算结构物?冰层相互作用问题的可行性. 通过模拟圆柱体垂直出水破冰过程, 并与无水环境下圆柱体垂直贯穿冰层破裂过程进行对比. 结果表明: 有水环境下结构物?冰层间作用存在“水垫效应”; 冰层突破载荷极值大小与有、无水环境无显著变化; 有水环境下的结构物突破冰层冰载荷持续时间明显长于无水环境下持续时间; 有水环境冰层弹性变形阶段更长, 且有水环境冰层挠度变化大于无水环境下的挠度变化. 本文研究成果为极地冰区环境下结构物垂直出水破冰的结构强度计算及优化设计提供了研究基础.      

土中爆炸冲击混凝土道面的数值模拟

炸药在多相介质中的爆炸是气态爆轰产物和固态介质之间的耦合作用问题，对其进行数值模拟一般不考虑炸药而直接将爆轰压力加在介质上，而耦合方法对炸药和其周围的介质进行离散，炸药和介质采用统一的控制方程，通过界面条件实现相互作用。任意拉格朗日欧拉（Arbitary Lagrangian and Eularian）法，是最近兴起的适用于计算固体大变形问题的数值计算方法。将其引入爆炸力学计算，可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和计算困难。同时混凝土的损伤模型，更加符合混凝土在高应变率加载条件下的力学特性和破坏机理。将这三种方法引入数值模拟，计算结果与相关试验结果有较好的吻合。     

非线性流体弹性力学研究进展

流体弹性力学理论是用来描述液体、气体的运动与弹性结构相互作用的学科.由于其交叉性质, 涉及到人类日常生活中的方方面面,致使在许多学科和工程领域中都成了主要的研究内容,并得到了广泛地应用.本文在阐述研究流体与弹性体相互作用的非线性问题的重要意义及分类方法的基础上,介绍了非线性流体弹性力学的特征、研究现状和非线性问题的研究方法,如理论分析法、实验分析法、数值分析法和半解析法等的进展;介绍了描述介质相互作用的任意拉格朗日-欧拉(ALE)法、相容拉格朗日-欧拉(ULE)法、单一拉格朗日(SL)法和单一欧拉(SE)法之间的关系,并且对这些研究方法的优缺点进行了比较;介绍了非线性流体弹性力学研究的内容和在气动弹性力学、水弹性力学、环境流体弹性力学、微尺度流体弹性力学和涡激振动等领域中的应用;阐述了非线性流体弹性力学的发展前景和所面临的任务.      

航行体开槽包裹式缓冲头帽结构设计及其降载性能

针对空投航行体和火箭助飞航行体高速入水过程中遭受巨大的冲击载荷,可能导致的结构损坏、弹道失控等问题,提出了一种开槽包裹式缓冲头帽,用于保护航行体入水过程中的结构安全。首先,给出了缓冲头帽的详细设计参数,基于任意拉格朗日-欧拉算法,建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值模型,并对该数值模型的正确性进行了验证。然后,在此基础上,研究了不同入水角度下,空泡流场的演变过程,分析了入水时缓冲材料的应力分布情况。最后,探究了不同入水速度和入水角度下缓冲头帽的降载性能。结果表明,数值计算所得空泡形态与实验图像基本吻合,且数值计算和实验测试所得的冲击加速度变化趋势基本一致,两者轴向加速度峰值相对误差为6.72%,径向加速度峰值相对误差为7.52%。航行体装备所设计的缓冲头帽以300 m/s的速度垂直入水时轴向降载率为22.17%;以100 m/s的速度60°入水时,轴向降载率为31.83%,径向降载率为66.80%。     

高精度欧拉流体弹塑性问题的数值方法研究

将描述固体材料的应力应变关系与欧拉流体动力学方程组耦合求解,通过引入界面捕捉方法描述多物质界面,将带弹塑性的多材料相互作用问题从形式上转化为计算单一材料问题,采用Roe方法近似求解Riemann问题,给出以Godunov方法为基础的二阶精度欧拉弹塑性流动的数值计算方法,适用于计算大变形流动等问题,并通过数值实验进行验证.     

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。     

入水问题的Euler-Lagrange流固耦合数值模以技术研究

针对结构入水过程的特点,建立了一种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把结构对水作用的过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了结构与水之间流固耦合作用过程的模拟.其中水、空气的运动利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序进行模拟,结构的运动变形利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应.通过板入水问题的计算结果与商业软件计算结果进行比较,验证了计算方法对流固间相互作用处理的正确性.本文计算程序可用于一般入水问题的结构响应-流场运动分析中.     

一种基于几何重构的Youngs-VOF耦合水平集追踪方法

针对界面追踪方法中拉格朗日方法和欧拉--拉格朗日方法计算效率低、不适用大变形、不能应用于三维数值计算模型等问题,研究了一种效率高、界面清晰、适用于三维模型的计算气液两相界面迁移特性的欧拉运动界面追踪方法,该方法将"米"状相邻单元Youngs方法用于运动界面重构,将Youngs-VOF和水平集通过几何方法耦合,提高运动界面精度,克服了VOF和水平集方法存在的缺陷,避免了利用高阶导数本身的稳定性去求解水平集对流方程和距离函数方程."米"状相邻单元Youngs方法避免了数值耗散、数值色散性以及非线性效应引起的捕捉界面模糊的情况.Youngs-VOF耦合水平集方法既保证了计算界面时的稳定性,与拉格朗日方法相比又提高了计算效率.利用Youngs-VOF耦合水平集方法与VOF方法对单个气泡在水中上升过程数值计算与实验对比并对经典剪切流场中圆形运动界面模型的数值计算,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的有效性并比VOF方法捕捉界面更清晰、锐利;通过对溃坝--自由表面流动过程数值计算并与实验进行对比,验证了Youngs-VOF耦合水平集方法的稳定性以及对三维数值模型的适用性.      

GLARE层板鸟撞数值模拟分析

运用大型非线性动力学有限元分析软件MSC.Dytran的ALE(任意拉格朗日欧拉耦合)分析功能,建立了基于耦合解法的GLARE层板受鸟撞作用的数值模拟模型.由于鸟体与结构发生高速撞击时呈现出流体特征,在计算中鸟体用流体本构模拟.为得到GLARE层板的层间应力,GLARE层板采用三维实体单元模拟.在耦合界面上,通过定义ALE界面传递流体域和固体域之间的相互作用.计算比较了五种不同铺层角度的GLARE层板,得到复合材料铺层角度为0°,30°,45°,60°,90°时,GLARE层板对鸟撞动力的响应,通过对计算结果比较,发现随着铺层角度增大,材料在X方向刚度降低,GLARE层板产生的应力减小,为GLARE层板的设计和应用提供了参考依据.     

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

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.      

入水后爆炸问题的数值模拟技术

应用各种数值计算方法及计算处理技术,编制程序实现了对弹体入水后爆炸问题全过程的数值模拟.其中弹体与水,爆轰产物气体与弹壳之间的相互作用通过流固耦合技术来描述;水面与空气、爆轰产物与水、空气之间的相互作用采用VOF方法(Volume-of-Fluid)来描述;采用了刚体-柔体转换、单元失效删除等计算技术以更高效、更好地模...     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型,其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型,并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响;(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下,传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析,比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别,得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果;(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.