基于任意拉格朗日-欧拉算法的气帘展开数值模拟

大多数气囊展开模拟采用均匀压力算法,为了更有效地模拟充气气体与袋体的相互作用,建立了基于任意拉格朗日-欧拉算法(ALE)的气帘仿真模型,详细介绍了ALE模型相关组成部件、参数设置和接触定义方法,并利用LS-DYNA软件对该模型进行了仿真验证,最后将所建的气帘ALE模型初步应用到某车侧面碰撞仿真中,以考察气帘对乘员的保护作用。

基于耦合欧拉- 拉格朗日算法的航行体缓冲头帽冲击性能

航行体在入水过程中会受到强烈的冲击载荷,过高的冲击载荷极易造成结构破坏和内部设备失灵,研究结构高速入水降载技术具有十分重要的意义。设计一种以预制裂纹碳纤维材料作为外罩、泡沫铝作为内部缓冲材料的缓冲头帽。基于有限元方法,采用耦合欧拉- 拉格朗日求解器研究缓冲头帽的降载效果,通过对比数值结果与小球入水实验图像验证数值方法的有效性。分析在不同入水速度和入水角度条件下,缓冲头帽的抗冲击性能、损伤模式以及空泡的发展过程。结果表明:缓冲头帽撞击水面后沿着预制裂纹破碎,泡沫铝压缩吸能;随着自由液面以下的空泡不断向外扩张,破碎的头帽贴着空泡内壁向四周散开;缓冲头帽对于不同入水速度和入水角度的航行体有着良好的降载效果,在最恶劣的垂直入水条件下降载率可达75%以上。

大型舰船圆筒型水下防护结构性能分析

[目的]针对传统“空舱-液舱-空舱”三舱型防护结构重量大、防护效率较低的问题,探讨圆筒型水下防护结构的防护性能。[方法]建立基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法的数值模型,通过典型的结构接触爆炸算例,验证ALE算法的精度;然后在此基础上分别建立传统的三舱型防护结构和圆筒型防护结构模型,通过数值模拟分析相同药量水下接触爆炸后的应力、应变最大值以及能量吸收等特征参数,从而得到各自的防护性能。[结果]结果显示,圆筒型防护结构防御纵壁的位移小于防水纵壁的位移,这与传统三舱型防护结构的规律相反;甲板、双层底结构吸收的能量相比传统防护结构少了9.92%,具有明显的垂向抗变形优势。[结论]研究表明,圆筒型防护结构在药量相同的情况下其毁伤程度更低,可为水下防护结构的创新设计提供新的思路。

水下管汇入水冲击数值模拟研究

基于ABAQUS软件,采用耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)对水下管汇入水工况中框架响应进行数值模拟。根据管汇框架入水受力特点,选取其局部结构(工字梁)建立入水数值模型,其中工字梁采用壳单元模拟,海水区域采用欧拉网格离散,为模拟管汇质量的影响,采用等效密度方式修正工字梁质量。模拟了工字梁入水过程,计算了关键部位速度和应力时间历程,给出了不同时间点的应力场,讨论了初始速度对最大Mises应力的影响,为管汇框架入水强度分析奠定了基础。

基于多介质ALE算法的柱体高速垂直入水仿真

针对未来海上平台发射的大口径平头回转体高速入水过载问题,为了探究柱体头部圆倒角大小对柱体垂直入水的动力学响应,使圆倒角平头柱体外形设计满足高速入水强度要求,文中通过入水载荷及空泡验证了任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法计算此类问题的正确性。并应用该算法对速度为300m/s的不同倒角柱体垂直入水进行数值仿真,得到其入水冲击作用下的动力学响应。通过对入水过程中柱体速度和加速度的分析,得出如下结论:入水初期,随着柱体头部倒角的增大,速度的衰减越来越小;柱体入水时受到的冲击加速度会出现振荡;一定尺寸的圆倒角能有效减小柱体入水时的冲击加速度,球头柱体入水的冲击加速度峰值最小,在数值上不到平头柱体的1/10;平头柱体垂直入水的载荷峰值与其头部圆顶面积呈线性正相关。以上方法及结论可为柱状结构体入水冲击过程研究以及高速入水回转体外形设计提供一定参考。

PBM算法在近场爆炸数值模拟中的运用研究

为探究爆炸粒子算法(PBM)在近场爆炸问题中的适用性,分别采用PBM法及任意拉格朗日-欧拉算法(ALE&S-ALE),开展AL-6XN不锈钢板近场爆炸的仿真模拟。结合T B rvik的试验结果,对比了ALE、S-ALE和PBM方法的计算精确度和运算效率;采用PBM算法对不同爆心距的钢板近场爆炸工况进行仿真计算,分析了粒子总数和粒子个数比对PBM算法计算精度的影响;通过对150 mm爆心距、球状C4炸药近场爆炸场景进行仿真,分析了不同算法运算时效占比规律。结果表明:不同工况下PBM算法得到的钢板挠度最大误差为20%,离散系数0.12,优于ALE和S-ALE算法;相同的网格划分,PBM算法运算用时仅为ALE和S-ALE算法的十分之一;粒子总数一定时,粒子数量比越接近粒子质量比或粒子个数比一定,粒子总数越多,PBM算法精度越高,模拟效果越好。

鱼雷垂直入水瞬间结构响应的数值模拟

垂直入水的鱼雷在短时间内弹道稳定,基于此,针对跨介质鱼雷撞水冲击造成的结构问题展开研究,探究了各舱段壳体和连接部位的轴向运动规律及受力特性,利用任意拉格朗日-欧拉算法及罚函数法建立了流固耦合数值模型,并对其合理性和网格无关性进行了验证。对采用不同连接方式的4种头型鱼雷分别模拟,并与整体式鱼雷进行了对比。结果表明:鱼雷撞水后加速度瞬间升高,头型越尖,所受的冲击越小;由于应力以波的形式向后传递,因此各舱段会依照距离头部的远近依次响应,且强度逐渐减弱;相邻壳体的相对静止状态被打破,运动过程中会不断拉压连接件,使之形状和位置都发生较大变化;壳体相互远离时,雷体外缘产生缝隙,此时连接件应力也达到最大,对连接的稳固性不利。因此,建议工程中增加密封圈或其他固定装置等,以加强对连接部位的保护。

爆裂轮胎精确建模及其动态特性仿真方法研究

汽车行驶中轮胎突然爆裂是极其危险的行驶工况,但轮胎爆裂过程的准确测试分析难度很大,而其现有仿真方法因需大幅简化使得难以描述轮胎爆裂过程的瞬态特性。针对此问题,本文中提出分别模拟胎内、外空气,且考虑轮胎各种材料失效特性、胎内空气与轮胎车轮总成流-固耦合的汽车轮胎爆裂过程仿真分析方法,实现轮胎滚动中爆胎过程的瞬态动力学特性仿真;并通过对比仿真和理论计算结果,验证仿真模型的正确性;同时,通过计算还获得爆裂轮胎内部空气泄漏规律和路面对轮胎径向力的变化特性,以及轮胎速度、胎压与裂口尺寸对爆胎过程持续时间和轮胎力学特性的影响机理。本文工作聚焦于仿真方法研究,对掌握爆裂轮胎瞬态特性、研究爆胎后整车动力学控制策略具有意义。

基于流固耦合的入水特性仿真与试验研究

针对跨介质飞行器入水冲击过程中流固耦合问题,研究不同速度对飞行器载荷和姿态的影响,基于LS-DYNA软件,采用任意拉格朗日-欧拉算法对速度在40~120 m/s的飞行器入水模型进行数值模拟,获取模型入水过程中的冲击过载和姿态变化,并通过试验验证。结果表明,冲击过载峰值随着速度增大而增大,且脉冲宽度越窄;角速度和俯仰角的变化斜率呈现先增大再减小的趋势。研究结果可为飞行器入水特性的理论和试验研究以及工程化应用提供参考。

复杂边界条件下近场水下爆炸对固支方板的毁伤效应

近场水下爆炸会产生复杂的载荷模式,而复杂的边界条件使结构在近场水下爆炸作用下的毁伤形态更加难以预测。因此,采用耦合的欧拉-拉格朗日算法探究了水下爆炸气泡在多边界耦合作用下(自由面、弹塑性板、泥沙边界)的演化过程及其对固支方板的毁伤效应。首先,开展了2.5 g TNT在不同尺寸(板边长为0.46、0.92和1.61倍最大气泡直径)固支方板底部10 cm起爆的水下爆炸试验,验证了有限元方法的准确性。然后,结合试验和有限元结果分析了不同边界条件下板的毁伤机理。最后,通过系列数值模拟发现:随着板尺寸和爆距的增大,气泡会出现溃散、下射流和上射流3种不同的演化方式;随着板尺寸的增大,爆距对板中心最终变形的影响减小;泥沙边界能减缓气泡收缩,使气泡从中部塌陷形成方向相反的对射流,降低固支方板的位移和应变,对于气泡提前溃散的工况,泥沙边界基本无影响。

地下空间爆炸冲击波传播规律研究

炸药在地下受限空间爆炸时产生的冲击波由于受到周围介质的限制,会发生反射和叠加,其产生的爆炸冲击波流场远比自由场复杂。考虑直墙圆拱形坑道较圆形坑道其爆炸冲击波传播规律更为复杂,以某大断面直墙圆拱形坑道为研究对象,采用三维多物质任意拉格朗日欧拉(ALE)算法,对冲击波荷载的分布规律进行了数值模拟,对比分析了不同炸药高度和药包形状对爆炸流场的影响规律。结果表明:坑道壁面压力峰值衰减曲线受壁面位置、装药形状及炸高情况影响较大,尤其在近爆区与目前所用的经验公式差异较大,但随传播距离的增加,衰减曲线趋于一致,在进行结构抗爆设计时需区别对待。

船舶应急抛锚计算方法研究

应用常规经验公式和有限元CEL大变形计算方法,结合抛锚试验,研究了上海LNG管道项目北港5 wt级船舶8.3 t船锚、南港40 wt级船舶18.80 t船锚在BSZ111等多个钻孔点的应急抛锚贯入深度情况,其中CEL方法还考虑了正面贯入、窄面斜向贯入和宽面斜向贯入情况.公式法计算的应急抛锚最大贯入深度北港为2.60m,南港为3.13 m,而有限元CEL大变形计算方法得出北港为2.86 m,南港为5.24 m.结果表明:CEL方法计算所得窄边(60°)贯入深度普遍大于经验公式计算所得值,说明横截面积的变化是影响贯入深度计算的重要因素.公式法的结果受到土壤系数恒定不变因素的限制,无法考虑贯入过程中土壤的竖向和横向刚度的变化,结果相对偏小,而CEL法可考虑多层土壤刚度以及土壤刚度随土层变形增加后的折减,计算过程更为客观,结果偏于安全考虑,适合作为设计依据.所以,对土层组成相对单一时可采用公式法,而对土层组成多变的复杂情况,建议采用更加客观和安全的CEL方法.

复合织物软体容器非线性流固耦合

复合织物制作的软体容器受力分析中,受水的影响,壳体变形大,属于非线性流固耦合问题。利用数字散斑测试技术(DSCM)测量了复合织物泊松比ν,通过任意拉格朗日欧拉算法(ALE)对容器进行了注水工况动态仿真,得到了与工程实际相同的结果,为复合织物在软体贮液容器方面的工程应用提供了参考。

挖掘机工作装置疲劳分析方法

针对挖掘机载荷谱难以实测获取,从而难以对其工作装置进行疲劳分析的问题,提出一种新的解决方法:首先通过对铲斗挖掘土壤过程进行仿真,获得挖掘阻力的完整变化过程,即挖掘阻力载荷谱;然后通过整机作业过程仿真,获得与上述挖掘阻力载荷谱相对应的工作装置各铰点载荷谱,并通过实测油缸压力进行对比验证;最后以经过验证的各铰点载荷谱实现工作装置的动臂和斗杆疲劳寿命分析。以某23t液压反铲挖掘机为例,详述了采用上述方法对其工作装置进行疲劳分析的过程,计算出动臂和斗杆在典型作业循环工况下的最低疲劳寿命分别为10^(5.978)和10^(6.47)次,验证了所提方法的有效性。

某轻型车辆底部结构爆炸仿真与试验研究

以某轻型车辆为研究对象,在爆炸冲击作用下车身底部结构响应进行仿真与试验研究。采用任意拉格朗日—欧拉算法(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)对爆炸冲击作用下的板壳结构响应进行仿真计算分析。通过对比分析仿真结果与理论结果,验证了算法的准确性。根据某轻型车辆建立试验样车有限元模型,进行了爆炸仿真分析,研究其在爆炸冲击作用下车身底部结构损伤与车身底板结构响应。研究了试验样车爆炸试验方法进行了样车的实爆试验,验证了样车仿真的准确性,根据车身及底部结构损伤形态为后续整车车身设计提供合理建议。

沥青混凝土路面轮胎临界滑水速度数值模拟

为了揭示沥青混凝土路面轮胎滑水力学机理、评估各项因素对临界滑水速度的影响,运用数值模拟方法,建立了沥青路面模型和花纹充气轮胎模型,并利用欧拉-拉格朗日耦合算法建立了轮胎滑水模型.对滑水模型的适用性与精确性进行了验证,模拟计算出轮胎路面竖向接触力变化曲线以及临界滑水速度,并对轮胎花纹、轮胎充气压力、水膜厚度和路面类型的影响进行了评估.结果表明:增加轮胎花纹复杂度可增大轮胎行驶振动强度,减少水膜对轮胎的托举作用;提升轮胎充气压力和减小水膜厚度可以有效提高轮胎路面竖向接触力和临界滑水速度;OGFC路面在防止滑水现象发生方面显著优于AC路面和SMA路面,MPD值可用于评估有水路面的滑水性能.

储液容器跌落事故的有限元分析

考虑了流固耦合效应在储液容器跌落分析中的作用,采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法模拟液体在储液容器跌落过程中的惯性效应以及液体对容器所产生的侧向液动压力,综合考虑了流固耦合效应对储液容器跌落过程中容器本身的变形和动态响应的影响。结果表明,该方法可以较为准确地评价容器的安全性和结构设计的合理性,也为同类结构的设计评价提供参考。

贮液容器跌落冲击的有限元数值模拟研究

以塑料容器为研究对象,建立三维有限元模型,运用LS_DYNA程序中的ALE算法解决容器跌落冲击动力学中液体与固体耦合的问题。通过数值仿真,分析跌落角度、跌落高度、容器壁厚以及装水量对贮液容器跌落冲击应力的影响,为贮液容器的耐撞性分析、评估与设计提供理论依据。

含蜂窝夹层的V型底部复合装甲仿真研究

车辆底部的抗爆炸冲击问题一直是防护型车辆领域的研究重点。为了提高车辆底板的抗爆炸冲击能力,利用LS-DYNA软件,采用任意拉格朗日—欧拉算法(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)对爆炸冲击作用下某车辆台架V型底部结构响应进行了仿真分析。首先通过对比仿真结果与试验结果,验证算法的准确性,然后在V型底部结构中安装单层横向、纵向以及双层横向3种不同形式的蜂窝夹层结构,通过比较不同蜂窝夹层结构在爆炸冲击载荷作用下能量吸收、底板变形量和底板加速度等物理量,分析了不同蜂窝夹层结构的防护性能。结论是:双层横向蜂窝夹层结构吸收能量最多,底板变形和加速度最小,防护性能最好。

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%。