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ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%~62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。

导弹水下潜射过程的流体—固体耦合仿真

导弹潜射是集高速流动、冲击、结构响应于一体的流体—固体—气体三态非线性耦合复杂过程,是决定潜射导弹发射成败的关键环节。本文应用LS-DYNA显式程序建立了三种包含水体、空气、导弹、发射井和筒盖的多物质耦合ALE网格模型,使用罚函数流体—固体耦合方法对导弹水下无攻角潜射过程进行了数值模拟,给出了弹体质心的轴向加速度、轴向流体阻力及阻力系数、空泡区压力分布。仿真结果表明,模型2的仿真过程与实际导弹潜射过程最为相符。同时总结介绍了LS-DYNA程序中流体—固体耦合计算的相关设定原则和方法。本文可为潜射导弹的水动力载荷设计和数值仿真提供有益的参考。

发动机排气管流-固-热强耦合分析

为研究发动机排气管在流-固-热强耦合作用下的复杂工况,用INTESIM软件中流-固-热强耦合的方法计算某型发动机排气管在工作过程中流场、温度场、热变形和热应力的分布情况.结果表明,与传统的分析方法相比,INTESIM的强耦合方法收敛性更好,并且可以在同一软件平台下对模型耦合矩阵方程直接求解得到结构应力场、位移场、流场和温度场的所有结果.

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。

基于ALE流固耦合方法的刷式密封刷丝接触变形特性理论与试验研究

刷式密封刷丝接触变形引起的泄漏损失、刷丝断裂等问题较为突出,现有刷式密封流固耦合方法存在因刷丝接触引起网格畸变而难以计算的问题。提出基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法建立刷式密封刷丝接触变形特性三维瞬态求解模型,设计搭建刷式密封刷丝接触变形观测试验装置,设计加工基本型和有/无压力腔低滞后型共三种刷式密封试验件,在理论计算与试验测试结果相互对比验证的基础上,系统研究压比和刷式密封结构对刷丝接触变形和接触应力的影响,基于接触摩擦力量化分析比较三种刷式密封的滞后效应。研究结果表明,ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封数值方法难以计算的问题,可准确计算刷式密封的流场特性与刷丝接触变形特性;在所研究工况下,无压力腔低滞后型刷式密封泄漏量和刷丝轴向变形量最大,其刷丝固定端接触应力也最大,基本型刷式密封泄漏量和刷丝轴向变形量最小但产生的滞后效应最强,有压力腔低滞后型刷式密封可以减弱刷丝变形和滞后效应,但末排刷丝与后挡板的接触应力最大,该位置易发生因应力集中而导致刷丝断裂。

海上风机大直径单桩动态打桩过程数值仿真分析

在海上风电场建设中,基础施工是项目建设中最重要的关键环节之一,因此研究超大直径单桩动态打桩过程中桩-土-水相互之间的耦合效应有非常重要的意义。分析了海上风机大直径单桩的动态打桩过程,以江苏启东H3海上风力发电场建设过程中的沉桩为工程背景,使用商用有限元软件LS-DYNA进行建模,基于多物质ALE流固耦合法,通过定义多物质材料和流固耦合关键字建立了流体(海水和土壤)和固体(桩体)之间相互作用的耦合机制。对动态打桩过程中土体的应力、应变、体积分数以及沉桩阻力的变化规律进行了仿真分析,发现在桩端附近的土体有明显的应力集中区,应力分量的等值线具有类似于“应力泡”的层状结构,这表明桩端土体具有类似球形的扩张形式。随着贯入深度的增加,桩端处的压应力也在逐渐增大,但各应力集中区的影响范围和等值线的轮廓形状变化不大,说明动态打桩过程对土壤的影响范围是有限的。每次击打过后,由于应力波的反射作用和土体受压缩出现的塑性屈服,桩体会先向下移动一段距离再向上回弹一段距离,从而导致沉桩阻力先增大后减小,直到下一锤击又开始。为海上风机大直径单桩的动态打桩过程提供了数值仿真建模参考和实用的分析方法。

水下单壳体结构抗爆性能仿真分析

采用ALE流固耦合技术,以水下单壳结构和同等排水量水下双壳结构为仿真模型,讨论了双层壳体结构非耐压壳的2种处理方式对双壳结构抗爆性能的影响,比较了相同排水量的单壳结构模型与双壳结构模型的抗爆性能。结果表明,在同等冲击因子爆炸载荷作用下,与双层耦合方式相比,双壳结构的单层耦合方式预报得到的结果偏于危险,相同排水量的单壳结构模型迎爆面的径向挠度高于双壳结构模型径向挠度,而单壳结构的最大塑性应变却低于双壳结构,单壳结构模型迎爆面结构变形较为均匀,具有相对较好的抗破损性能。

柔性储液容器斜面稳定性数值模拟研究

基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)和罚函数方法实现流固耦合计算,进行了柔性储液容器在斜面上稳定性的三维数值模拟。首先通过控制体积法得到柔性容器不同装载量的初始形态,随后基于此初始形态,采用ALE方法模拟了倾斜平面上储液结构的动态响应。计算采用了并行求解算法,减少了大规模非线性流-固耦合问题的求解时间。仿真结果表明:装载量越大,柔性储液容器在斜面上稳定性越低,越容易产生液体晃动和翻滚现象。结果可为该类结构的设计提供参考依据。

民机机头复合材料风挡结构鸟撞分析

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡结构撞击相对速度很大,呈现出流体特性,属于典型的流固耦合瞬态冲击动力学问题。首先针对文献中的鸟撞铝板试验采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法进行了分析,对计算方法与鸟体模型进行了验证。然后建立了包括风挡玻璃、风挡骨架以及蒙皮在内的民机全尺寸风挡结构抗鸟撞动响应分析的有限元模型,进行了鸟撞数值模拟,其中风挡骨架与蒙皮采用复合材料。全尺寸的复合材料风挡骨架目前还没有应用到民机上,因此,对复合材料风挡结构的研究是很有意义的。