钛合金包边复合材料风扇叶片的鸟撞数值仿真

为降低鸟体撞击航空发动机中带钛合金包边树脂基复合材料风扇叶片的试验成本,开展了数值仿真研究,为钛合金包边在航空发动机风扇叶片上的应用提供参考和依据。对风扇叶片进行简化,采用ABAQUS有限元软件构建了鸟撞带钛合金包边和不带钛合金包边的风扇叶片模型,其中,钛合金包边和复合材料叶片之间用粘结界面单元进行粘接,研究了不同鸟体冲击角度和速度下2种风扇叶片的损伤。结果表明:在鸟体冲击速度相同时,随着冲击角度的增大,风扇叶片的损伤增大且能量吸收率提高,在冲击角度也相同时,带钛合金包边的风扇叶片损伤更小且能量吸收率更高;在鸟体冲击角度相同时,随着冲击速度的加快,风扇叶片的损伤增大且能量吸收率提高;在鸟体冲击下,粘结界面单元最终发生拉伸破坏,在低速度冲击下还会发生剪切损伤。

复合推进剂细观力学行为试验及数值仿真研究进展

复合固体推进剂是一种以黏合剂体系为连续相,固体颗粒为分散相的高固体颗粒填充比例的复合含能材料,其宏观尺度力学行为强烈依赖于其细观尺度的三维结构。从推进剂细观力学行为角度综述了复合推进剂细观结构的界面特性和复合推进剂细观结构模型,数值分析了复合推进剂细观损伤演化,通过试验验证了推进剂细观损伤与宏观力学性能的相关性,指出了推进剂宏观性能的微细观结构影响机制,分析了目前标准的现状。为高颗粒填充高能固体推进剂的构效关系及配方设计与创制和复合推进剂标准建设提供重要参考。

采矿工程本研贯通多元数值仿真教学体系探索

针对采矿工程数值仿真教材、模拟程序和实践平台等本-研贯通性、进阶性不足问题,开展采矿工程本-研贯通的数值仿真教学探索与实践,编著采矿工程数值模拟教材、实验指导书、典型案例库和教学程序,组建一支高水平的数值仿真教研梯队,建成实践创新能力培养的多元数值仿真实验平台,构建符合采矿工程科技人才培养规律的本-研贯通式多元数值仿真教学体系,为培养采矿基础扎实、创新能力突出的工程和科技人才提供重要的支撑。

预张预应力-承插式预制桥墩抗震试验数值仿真

为充分利用承插式桥墩施工容差大、无黏结预应力桥墩震后可自恢复的优势,同时减少现场预应力张拉施工,提出一种承插式连接和工厂预张无黏结预应力筋连接的混合连接预制拼装桥墩。采用ABAQUS软件建立了该桥墩的三维有限元模型,基于已开展拟静力试验结果验证了该数值模型的精确性,并分析了桥墩的局部损伤、滞回行为、骨架曲线、耗能能力以及预应力筋张拉力、接缝开口等行为。结果表明:该研究建立的数值模型可以较好地再现拟静力结果,混合连接预制拼装桥墩力-位移曲线表现为“旗帜型”;当墩顶偏移率为5%时,墩柱仅出现横向裂缝,无其他明显结构损伤;当承插深度为0.4D时,承台出现轻微裂缝,当承插深度为0.7D时,承台可以提供足够的抗拔力且无明显损伤;外包钢管和钢垫板存在应力集中现象。

面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学

在电气工程专业本科生电磁场实验教学中,开展面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学,对培养学生的工程观念、综合应用多学科专业知识解决实际电气工程问题的能力具有重要的意义。以电力系统中广泛应用的电力设备——干式空心电抗器为研究对象,阐述了开设干式空心电抗器电、磁、热以及力场等多物理场数值仿真开放实验的目的、内容及实施过程。这些开放实验取得了良好的教学效果。

数值仿真实践在流体力学课程拓展中的应用

为加强学生对流体力学基础理论的应用,本文将数值仿真实践与课程拓展进行结合,分析了数值仿真实践在课程拓展中应用的优势,由“基础概念理解”“物理现象阐释”“综合扩展应用”3个层次设计了基于数值仿真的课程拓展方案。以流体黏性为例,运用Ansys FLUENT软件对工程案例进行数值模拟分析,直观呈现了流体流态并阐明了基本原理。数值仿真实践在流体力学课程拓展中的应用能够有效提升教师教学水平以及学生理论与实践相结合的能力。

覆冰厚度对气动脉冲除冰效果影响的数值仿真与试验验证

叶片结冰影响风力发电机的安全稳定运行,现有的叶片热力除冰、涂料防冰技术分别存在能耗高、耐候性差等问题,均无法大面积推广应用。受飞机机翼气囊除冰方法启发,该文提出一种新结构式的气动脉冲除冰方法。利用Abaqus商业软件对该方法的简化模型进行除冰过程的数值仿真,对比分析了不同脉冲充气气压下覆冰厚度对除冰效果的影响。同时,通过人工覆冰与除冰试验,对仿真结果进行验证。仿真与试验结果表明:在低充气气压下,冰层越薄越容易破碎脱落,覆冰厚度的增加有利于提升低充气气压下的脱冰率;在相同充气气压下,冰层厚度的增加可以降低结构表面形变。

掺氢天然气管网数值仿真轻量化算法

目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求解。最后,结合计算机库函数的缺点以及现代CPU中SIMD (Single Instruction Multiple Data)模型的特点,提出了针对封闭关系与状态方程的轻量化算法,并验证了算法的高效性。研究结果表明:(1)封闭关系与状态方程模型中的耗时原因为直接调用库函数的次幂运算、指数运算、对数运算以及除法运算;(2)由于次幂运算效率远低于其他运算,通过变换消除了模型中几乎所有的次幂运算;(3)利用SIMD指令来计算指数运算与对数运算,实现了在单核CPU上同时计算多个数据的指数与对数,最后通过数学变换将所有除法转换为乘法;(4)轻量化算法加速效果显著,其整体加速比为18,而在状态方程求解模块的加速比更是高达70以上。结论认为,该轻量化算法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度,对于提高掺氢天然气管网在线仿真与智能管网的建设具有重要的理论价值和技术支撑。

选区激光熔化镍基合金IN625数值仿真热源模型比较研究

热源模型的选取对数值模拟增材制造过程中准确预测温度场分布和熔池形貌至关重要。本文选取面热源模型、体热源模型和双椭圆热源模型进行对比分析。3种热源模型被汇编成用户自定义子程序嵌入Abaqus/Standard仿真软件中用于镍基高温合金IN625选区激光熔化过程中最高温度和熔池形貌的预测。仿真与实验结果对比表明,双椭圆模型可以较好地预测熔池几何形貌,而体热源模型在预测最高温度值时准确度更好。相比之下,面热源模型在预测最高温度和熔池形貌时准确度最差。研究结果表明,在开展深入研究之前,热源模型的校准修正是提高效率和模拟准确性的前提。

基于滑移流模型的真空容器内羽流流场数值仿真

预示真空容器内羽流的力、热分布规律是制定大型真空羽流试验方案、提升试验环境模拟有效性的关键前提之一。针对“嫦娥七号”飞跃器点火试验,利用考虑H_(2)O与CO_(2)吸附的滑移流计算流体力学(CFD)方法,对真空容器内羽流流场压力、温度及气体组分时空分布的初期变化进行了仿真计算。结果表明,流场整体温度与H_(2)O组分质量分数均随时间推移呈急剧上升后平稳下降趋势,而压力则随时间推移呈波动上升趋势。基于该结论提出了试验优化建议。该方法为真空容器内羽流流场仿真提供了新思路,可为后续相关试验方案设计提供支撑。

氨气射流卷吸特性的数值仿真

基于Ansys Fluent软件进行三维数值仿真,研究了氨气射流贯穿距特性及卷吸特性,分析了射流形成的亚膨胀区结构及涡流特点,并利用控制截面法对氨气射流的卷吸质量特性进行了研究.结果表明:氨气射流贯穿距的发展分为三阶段,这种三段式特点由氨气射流形成的一次涡及剪切层的特性所引起;第一阶段(0<t<0.14 ms)为线性阶段,在亚膨胀区及其边界氨气射流对空气无卷吸;第二阶段(0.14 ms≤t≤0.40 ms)为过渡阶段,在该阶段内一次涡及剪切层快速发展,卷吸质量增加了50%以上(喷压比R为8.0);第三阶段(t>0.40 ms)为准稳态阶段,卷吸质量较最大值减少30%(喷压比为8.0).平均卷吸空气总质量随喷压比增加而增大,第一、二阶段一次涡存在时平均瞬时卷吸空气质量较大,剪切层充分发展时平均瞬时卷吸空气质量达到最大值,卷吸质量最多增长58%(喷压比为8.0).

空气涡轮起动机包容性数值仿真与结构优化设计方法研究

运输类飞机适航条款明确规定空气涡轮起动机等含高能转子的设备必须具备足够的轮盘破裂包容能力,但国内相关单位普遍缺乏空气涡轮起动机包容结构的正向优化设计方法。为解决该问题,本文采用有限元数值仿真方法开发出多参数优化的自动化计算软件平台和流程,通过建立包容环结构的多参数实验设计(Design of Experiments,DOE)样本数据库,根据样本数的优化结果构建Kriging近似模型,并利用有限元计算获得最优的结构设计参数。该方法选取U形包容环截面的厚度δ,槽宽a,槽深h和槽缘宽s等参数进行优化,采用数值仿真和试验验证相结合的方式进行对比分析。结果表明,优化后的包容环径向变形量可达到29.7%,相比于优化前的18.9%具有明显提升;优化后的包容环径向变形更充分、吸能效果更好,在相同包容性条件下减重效果高达38%。通过采用本文提出的结构优化设计方法,实现了某型空气涡轮起动机包容环的正向优化设计,该方法可用于在役空气涡轮起动机包容环的优化与新型号空气涡轮起动机包容环设计。

爆炸冲击波作用于生物体损伤的数值仿真研究进展

立足于爆炸冲击波作用下生物体损伤高精度数值仿真与准确评价的需求,对爆炸冲击损伤数值仿真算法、力学本构模型与参数确定、以及不同部位损伤表征力学参量3个方面的研究现状进行了综述,结合相关现状,分析了影响现有损伤评价精度的主要因素:①现有适用于描述爆炸冲击生物体损伤的本构模型理论发展尚不完善,需构建考虑塑性、损伤、率相关等非线性效应的力学模型,且同步发展生物体动态试验模型参数确定方法;②现有生物体损伤表征量尚未统一,需关注数值仿真结果分析与实验结果对比研究,确定影响生物体不同器官损伤的主要力学参量,获取精确的损伤阈值;③与自由场爆炸相比,密闭空间爆炸冲击波传播情况更为复杂,需进一步发展密闭空间爆炸生物体损伤高精度仿真方法并揭示相关损伤机制。

诱导轮液氧空化流动特性数值仿真

诱导轮是决定涡轮泵抗空化能力的关键部件,为了揭示诱导轮内部液氧空化流动特性,建立了基于能量方程源项修正的低温空化数值计算方法,同时耦合了液氧物性随温度变化关系,利用经典低温空化和诱导轮空化试验数据进行了充分验证,对某三叶片诱导轮内部液氧空化流动进行了仿真分析。结果表明:低温介质空化过程中与周围液体存在剧烈的能量交换,但只有一部分空化溃灭释放的热量被传递至周围流场,通过调节能量方程源项中空化溃灭释热比例可使空化区尾部温度场预测精度提升0.5%。对比等温计算,考虑热效应后,液氧空化区范围和内部汽相体积分数大幅减小,对流道的阻塞程度降低,有效延缓了诱导轮扬程断裂。对3种温度下液氧空化流动进行仿真研究,发现液氧温度越高,空化范围越小,同时空化区温降越大,诱导轮空化性能改善也越显著。

串联战斗部隔爆体材料选型的数值仿真

串联战斗部采用前后两级战斗部先后爆炸的方式击穿爆炸反应装甲和坦克主装甲。为防止前级战斗部爆炸时破坏后级战斗部,需要设置可靠级间隔爆体。隔爆体的隔爆性能受到与前级距离、材料、结构等方面的综合影响。主要研究了不同材料隔爆体的隔爆性能,利用有限元分析软件LS-DYNA建立了前级战斗部与隔爆体的数值仿真模型,得到了级间隔爆材料对隔爆性能的影响规律。结果表明:针对单一材料隔爆体,采用聚氨酯等软质材料无法满足强度要求;采用硬质高强度材料,其波阻抗越高,隔爆体所需厚度越低;针对组合材料隔爆体,采用逆序波阻抗的组合材料可以大幅度降低隔爆体质量,其中以碳纤维复合材料+有机玻璃组合降低质量的能力最为显著。研究结论可为串联战斗部隔爆体的材料选型设计提供指导。

某微型导弹气动特性工程估算与数值仿真研究

微型化是空空导弹发展的一个重要方向,美国在导弹微型化方面已经取得一些进展。气动特性研究对微型导弹的控制系统和弹道设计具有重要意义,利用工程和数值方法对某微型导弹气动力系数进行仿真,以风洞实验数据为基准对仿真结果的相对误差进行分析。结果表明,两种仿真方法都能够得到与风洞实验相符的结果,其中数值仿真精度相对误差最大为12.42%,相较于工程方法(相对误差不大于27.31%)精度更高,但是在微型导弹初始方案设计阶段,工程方法计算效率更高。

基于光滑粒子元的水-沙两相流冲刷数值仿真

基础河床冲刷逐渐成为水工建筑物等结构破坏的主要原因,传统分析方法基于欧拉网格法模拟,易出现网格畸变、计算不收敛等情况,降低了计算效率与精度.基于拉格朗日坐标系下无网格光滑粒子元法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对河床冲刷过程进行数值模拟;将泥沙相视为非牛顿流体,分为沉积物、推移质、悬移质三种状态;引入Drucker-Prager与Shields应力模型作为泥沙状态转化判断准则,为不同状态泥沙粒子赋予不同流变特性,使计算结果可准确描述水-沙耦合过程.提出了基于SPH多相流模型的河床冲刷数值仿真改进算法,编写了泥沙冲刷计算模块,采用GPU进行计算加速,最后将所得数值水槽模型与Louvain溃坝试验及其他同类仿真结果进行对照.结果表明:本文模型能够更为准确地反映冲刷发展整体趋势;各时刻自由液面、水-沙交界面轮廓均方根误差均在合理范围内;数值模型与试验结果吻合度较高.

隧道纵向开挖变形位移监测数值仿真分析

隧道纵向开挖变形位移监测数值仿真分析在监测过程中存在位移数据收集失误的情况,检测数值仿真的精准程度较低,在进行仿真的同时需调节位移数据收录系统的监测结构,影响最终的仿真效果。针对此类问题,构建隧道纵向开挖变形位移监测数值仿真模型,根据地基与隧道的模型结构设置参数,进一步调整预测的变形位移监测数据,精准录入收集的监测信息,获取精确度较高的位移数值,并构建数值仿真模型,完成整体数值仿真分析研究。结果可知,该数值仿真分析方法具有较强的监测精准度,在相同的地表数据沉降拟合条件下,监测的地表沉降值与实际值的误差为0.005%,隧道隆起值与实际值的误差为0.001%,能有效监测隧道变形位移状况,具有较强的监测性能。

装液战斗部液体分散的数值仿真与试验研究

通过建立典型战斗部结构在不同驱动压力、不同动力黏度液体工况下的液体分散流体动力学仿真模型,对战斗部壳体的受力情况进行计算分析,仿真计算结果与试验测试数据对比可知,计算模型可为该装液战斗部壳体的受力规律分析提供支撑。建立了战斗部壳体内部压力测试系统,获得壳体内部轴向的不同部位的压力时程曲线和压力峰值,得出战斗部壳体内部由于压力波的叠加导致战斗部内部壳壁的峰值均高于驱动压力值,位于喷射孔近区的战斗部壳体承受压力值最大,随着与喷射孔距离的增加,压力峰值随之下降;火药产生的驱动压力和液体动力黏度与战斗部壳体的压力值均正相关。

数值仿真视角下的信息疫情演进与治理

后疫情时代,在人类与新冠肺炎疫情的常态化共存中不能忽视对信息疫情的治理,而作为顶层设计的数字健康干预能有效提升针对信息疫情的防控水平。文章以完善其中缺少的信息疫情干预内容为起点,建立UEIR信息疫情演进模型,利用Netlogo在无标度网络上进行动态仿真模拟,分析知晓率、感染率、初始免疫率、获得免疫率、重新感染率在不同数值下的影响。研究揭示了信息疫情演进的宏观规律,发现采取系统化的干预措施能减小信息疫情的影响程度,为补足数字健康干预顶层设计以指导信息疫情防控提供了科学依据。