基于耦合欧拉-拉格朗日方法的浮筒着水数值仿真

基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对浮筒着水进行数值仿真。建立浮筒着水三维模型,在保持浮筒质量、水平速度不变的情况下,利用三维模型对不同初始姿态角和下沉速度时浮筒着水工况进行数值仿真,最后对比各工况下垂直加速度、垂直速度、姿态角时历曲线。结果表明:下沉速度越大,浮筒所受载荷越大,初始姿态角越小,浮筒发生第二次弹跳的时间就越早;垂直加速度的仿真结果与水池着水试验结果比较吻合。

基于CEL法的破损边界附近气泡动力学特性研究

为研究船舶受到水下爆炸冲击波打击后遭受气泡二次冲击,对船体产生破损甚至折断这一类问题,气泡与破损边界的相互作用机理。将破舱壁面简化为具有圆形破口的弹性壁面,基于耦合欧拉-拉格朗日法建立了破损边界附近水下爆炸气泡动力学模型,将数值结果与模型试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,研究了气泡射流、气泡体积、脉动周期,以及气泡对壁面冲击损伤的影响,探明了不同破口参数下气泡的脉动规律和射流穿透破口、撕裂等特征规律。为高能武器的研发和舰船破损后安全防护提供理论和技术支撑。

一种网-桁架式海上拦截装置仿真分析

针对海上设施的安全防护问题,提出了一种网-桁架式海上拦截装置,目的是在有效拦截来袭小艇撞击的同时尽量降低对拦截装置本身的损伤.为验证这一装置的有效性,基于显式动力学和欧拉-拉格朗日耦合方法对拦截装置拦截小艇过程进行数值模拟,设定小艇垂直撞击支撑柱、支撑柱间隙和45°撞击支撑柱、支撑柱间隙4种工况,每种工况包含10、20、30 m/s 3种速度.通过对这12组仿真的碰撞力、能量以及破损状态分析,全方位分析了该装置的防撞性能和对小艇的拦截效果.所有工况下该装置都能完成对小艇的拦截,说明这种装置具有优秀的拦截效果.

流固耦合问题的描述方法及分类简化准则

在流固耦合的工程实际问题中的大多数情况下,弹性薄壁构件的变形为几何非线性,再加上流体方程的非线性,将导致流体和弹性体相互作用界面上的强非线性。在界面上便可以结合拉格朗日法和欧拉法建立方程和接触条件。其方法主要有单一拉格朗日法、单一欧拉法、相容拉格朗日-欧拉法和任意拉格朗日-欧拉法四种方法。引入描述弹性体变形特征的数值m、n、k和描述流体运动特征的数值λ、ν,可将流固耦合问题进行分类。在流体弹性力学理论的基础上,介绍了流固耦合问题界面相互作用的描述方法,并根据诺沃日洛夫BB(НовожиловВВ)在非线性弹性力学中,从几何非线性方面对弹性力学问题的分类方法出发,对流体弹性力学中的流固耦合问题进行分类,由此,可为按类别对运动学条件、动力学条件及界面上的接触条件进行相应的简化提供可靠的依据。

考虑水流-结构强耦合作用的水流动力效应分析

在深水桥墩及桩基础等结构地震反应中,地震激励下的水流动水压力对水中结构的作用以及结构位形变化对水体的反作用,属于典型的流固强界面耦合问题。以一顶端伸出水面的圆柱式结构为研究对象,基于任意拉格朗日-欧拉描述的Navier-stokes方程,建立了考虑水流-结构强耦合效应的水流-结构三维有限元模型。以正弦位移波输入,考察结构材料模量、水流流速和水位、激振频率和位移幅值等多种因素,分析了结构表面作用的动水压力反应特征以及水流动力效应,探讨了水流动力效应的主要影响因素。结果表明:考虑流固强耦合作用时,结构表面作用的动水压力及其分布具有强烈的频率依赖性,高频激励可显著增强动水压力作用;由于结构周围流体具有一定的粘滞性及动载作用下具有较强的辐射阻尼效应,水流动力效应对结构的位移、内力反应均有一定的抑制作用;激振频率、水流流速和水位以及结构材料模量等因素,对水流动力效应均有一定的影响。

竖向小曲率半径曲线顶管掘进管节-土体相互作用

“长江口二号”古沉船采用国际首创的曲线顶管底幕法进行打捞,其顶管机的机械设计及管节的结构设计需明确顶管管节与地层的相互作用并建立合理的顶推力计算模型.在厘清顶管掘进过程中管节-地层相互作用因素的基础上,基于极限平衡理论,推导竖向小曲率半径曲线顶管掘进顶推力计算方法.采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对单根管节的动态掘进过程进行数值模拟分析,获得小曲率半径矩形曲线顶管掘进过程中地层应力和地表变形的动态变化规律,并通过与模型试验、现场施工监测数据和理论计算结果的对比分析,明确竖向小曲率半径曲线顶管动态掘进过程中顶推力的动态变化特征及控制因素.研究成果可为类似“长江口二号”打捞工程的实施提供重要的理论依据和技术指导.

堆载作用下邻近单桩响应的耦合与非耦合分析

本文介绍了两种计算堆载对邻近单桩影响的方法:目前较常用的是将土和桩的响应分开求解的非耦合方法;另一种为使用显式耦合欧拉-拉格朗日(CEL)技术建立数值分析模型。计算并比较了耦合/非耦合方法所得的桩基响应,并分析其结果差异的原因。此外,应用CEL耦合模型对堆载间距、强度、桩径进行参数敏感性分析得出:(1)堆载距离单桩越近,0~5 m深度内桩的水平位移越大,桩顶位置尤其突出。间距为1.0 B时弯矩最大值相对于间距0.5 B减小约71%、间距为1.5 B时弯矩最大值相对于间距B减小约57.3%;(2)堆载强度增加,桩身水平位移增加。堆载下沉深度为0.05 B时桩基弯矩最大值与下沉0.1 B基本一致,只是弯矩最大值点深度增加;堆载下沉深度为0.15 B时桩基弯矩最大值相对于下沉0.1 B增加约88.3%;(3)桩径由0.375 m增大到0.75 m可使桩顶位移减小82%,桩基相对弯矩(M/EI)最大值减小73%。

圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合模型

针对弹性圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合问题.采用相容拉格朗日-欧拉法,建立了问题的模型及理论分析方程组,着重求解壳体发生弯曲大变形时的法向位移和流体表面压力系数.结果表明:在横向绕流场作用下,壳体横截面由圆形变形为近似椭圆形,同时,壳体变形也对壳体表面流场压力产生了影响.通过算例,讨论有关参数对壳体法向位移和表面流体压力系数的影响.研究成果可供利用相容拉格朗日-欧拉法解决弹性弹性圆柱薄壳与粘性流体相互作用问题时参考.

车载柔性储液结构动态仿真方法

车载柔性储液结构与结构内液体的作用为典型的流体-结构耦合问题.采用显式动力软件LS-DYNA,首先通过控制体积法与ALE有限元法相结合的方法间接得到了柔性储液结构的初始状态,然后,采用ALE有限元法实现了大型车载柔性储液结构三维动态仿真,研究其在制动工况下的动力行为.通过与试验结果相比较,证实该仿真方法的可行性,为该类车载柔性储液结构的设计与整车性能的改进提供了参考依据.

两栖车辆水上高速航态的数值仿真方法研究

针对高速两栖车辆水上外动态特性分析,需要依赖试验数据确定车辆航态的现状,为实现车辆航态计算自动化的目的,提出采用任意拉格朗日-欧拉法解决车辆与水流的动力耦合,进而获取车辆航态的方法。计算中结合刚体空间运动方程与流场控制方程建立两栖车辆水上运动的数学模型,用有限体积法求解流场控制方程和动网格实现动边界,再用加权递推估计方法解决了数值计算中由于网格更新引起的振荡问题。对比典型工况下概念车型航态和阻力的计算与试验结果,表明这种方法能够反映出车辆滑行航态的典型特征,适合于模拟高速水上航行车辆外流场的最终稳定状态。

基于ALE方法的群伞稳降阶段的数值模拟

随着计算机技术和数值模拟的兴起,精确描绘降落伞力学特性成为可能。文章采用任意拉格朗日—欧拉法对美国"阿波罗"飞船降落伞回收系统的稳降阶段进行了数值模拟。通过建立结构动力学与计算流体力学的耦合模型,研究了3具环帆伞的流固耦合过程,并模拟了降落伞的外形变化和伞衣内外流场的变化。流固耦合计算结果表明,各伞最终稳定在20°左右,环帆伞的群伞效率因数约为0.93,比C-9伞大。文章的分析结果对中国探月工程回收系统的主伞设计具有参考意义。

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。

钻井船插桩CEL数值模拟中的若干问题分析

依据模拟钻井船在不同场地条件下贯入阻力的离心模型试验结果及具体工程实例,对利用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)有限元方法模拟钻井船在黏土、砂土、黏土下覆砂土、砂土下覆黏土及成层土场地插桩过程时,影响贯入阻力计算结果的几个因素进行了研究。结果表明,对于不同土层场地条件,有限元模型中欧拉区域范围对贯入阻力几乎没有影响。为确保CEL数值结果的精度,有限元建模时靠近桩靴部分设置为细网格区域,以外区域设置为粗网格区域;对于不同土层场地条件,减小细网格尺寸及增大细网格范围可以减小贯入阻力的振荡情况;经比较总结,细网格尺寸建议取0.05倍桩靴直径,细网格范围建议取2倍桩靴直径。采用位移控制模拟钻井船插桩时,桩靴贯入速率对黏土场地的贯入阻力影响较小,对砂土下覆黏土场地的贯入阻力影响很大,对一般成层土场地的贯入阻力有一定影响。经比较总结,建议在研究钻井船在不同土层场地的计算贯入阻力时,有限元模型的桩靴贯入速率取0.2 m/s。

基于静态加载和CEL的纯水射流冲击压力有限元分析

静态加载和耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)被广泛用于纯水射流冲击强化的研究。为对比分析2种仿真方法,运用ABAQUS有限元分析软件分别建立其纯水射流冲击强化模型,获取能量历程变化、冲击压力作用的动态过程规律。将冲击压力仿真结果与理论结果、实验结果进行对比,结果表明:2种仿真模型的结果均与理论结果相吻合,而CEL法与实验结果吻合程度更高。所得结论可以为探究纯水射流冲击强化提供一定的参考。

爆炸消减钢桥面顶板-纵肋焊接残余应力的模拟分析

焊接残余应力会严重影响正交异性钢桥面的疲劳强度和使用寿命。爆炸处理方法已在冶金设备、压力容器及海上采油设施等大型焊接结构的残余应力消减中得到了应用,提出了焊接-爆炸处理全过程数值模拟流程,分析了顶板-纵肋焊接连接残余应力变化过程,考察了爆炸处理对钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的消减效果。首先,采用热-结构间接耦合分析方法模拟了顶板-纵肋焊接连接的焊接过程,使用生死单元法模拟焊缝金属的填充及热源输入过程,得到了动态温度场和应力场。然后,采用LS-DYNA显式动力分析软件,基于任意拉格朗日-欧拉法(arbitrary Lagrange-Euler algorithm,ALE)和流固耦合算法模拟了爆轰波与顶板-纵肋焊接连接的相互作用过程。结果表明:焊接过程在焊趾处引起的横向残余应力高达112 MPa,纵向残余应力高达117 MPa;爆炸处理后焊趾处横向残余应力消减幅度达159 MPa,纵向残余应力消减幅度达278 MPa。表明该方法可使焊接区域残余应力产生重分布,从而有效消减残余应力。分析结果可为类似桥梁的残余应力消减处理提供技术参考。

纺锤形桩靴基础贯入过程Eulerian-Lagrangian耦合有限元法的模拟

采用欧拉-拉格朗日耦合(Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)有限元方法对于纺锤形桩靴基础的贯入过程进行数值模拟,揭示均质黏土、均质砂土及上砂下黏层状地基中桩靴基础的贯入机理。通过与已有离心模型试验结果的对比,在一定程度上验证建立的CEL有限元模型的合理性,进一步表明基于圆形浅基础承载力理论的桩靴贯入阻力计算公式在预测深层贯入时误差较大。随后比较系统地探讨上层砂土内摩擦角、下层黏土不排水抗剪强度等土性指标对基础贯入阻力曲线的影响,为层状地基中纺锤形桩靴基础承载力的计算提供一定参考。

球形爆炸冲击波正面作用下人体头部损伤规律的数值模拟

在军事行动、恐怖袭击和工业事故等爆炸事件中,爆炸冲击波引起的头部损伤已成为主要致伤形式之一。为了阐明冲击波损伤规律及头部承受冲击波损伤阈值,针对不同冲击波入射压力对人体颅脑不同部位的损伤规律进行了研究。建立了头部三维有限元模型,验证了其有效性。建立了冲击波-头部流固耦合模型,在大脑表面沿正中矢状面选取5个特征点,对头部分别在1 000 kPa、800 kPa、600 kPa、400 kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa和50 kPa入射冲击波作用下的损伤情况进行分析。在球形冲击波的作用下,颅骨分散冲击波,为脑组织提供防护;冠状面前侧的特征点受压,后侧特征点受拉;入射冲击波超压大于600 kPa时,距离爆源越近的特征点压力越大,距离爆源越远的特征点压力越小;造成颅脑组织80%严重损伤的入射冲击波超压临界值约为137 kPa。

T型管及管内流体动态响应仿真研究

根据实际物理实验,采用ALE有限元方法模拟了冲击情况下T型管及管内流体动态响应的水锤过程。经过对比关键点水压时程变化的仿真结果与实验数据,验证了ALE流固耦合有限元方法在水力瞬变仿真模拟方面的可行性。在此基础上,进一步分析了T型管的变形和动态周向应力。通过仿真发现管壁动态周向应力峰值大约是静周向应力的1.2～1.6倍。并且周向应力呈现与水锤压力变化一致的周期性,管壁动态周向应力主要受水锤的影响。这证明动态效应是导致更大动态应力的原因。这一结论与直管的结论一致。

U形渡槽水体大幅晃动的ALE有限元模拟

应用任意拉格朗日—欧拉有限元方法分析大型U形渡槽结构中流体的大幅晃动问题 ;针对不同的水位 ,研究渡槽结构在谐波激励和地震作用下的振动反应 .数值分析表明 ,渡槽结构中水体的晃动具有明显的非线性特征 ,且随着水位的增高 ,水体晃动的非线性增强 ;同时存在某一水位使得水体的晃动幅度产生突变增大 .

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。