基于TRM法的移动荷载作用下层状非饱和土地基动力响应研究

根据非饱和多孔介质理论,建立了二维层状非饱和土地基的计算模型,研究了移动荷载作用下层状非饱和土体的动力响应问题。通过Fourier变换和Helmholtz矢量分解原理,采用传递、反射矩阵(TRM)法,结合边界及层间连续条件推导获得了二维层状非饱和土地基在频域中的动力响应解答,并利用Fourier逆变换得到了层状非饱和土体中位移、应力和孔隙压力的数值解。通过数值算例分析讨论了均质土、软夹层和硬夹层三种层状地基中荷载移动速度、土层剪切模量、饱和度和荷载频率对其动力响应的影响规律。研究结果表明:层状非饱和土地基中当荷载移动速度接近非饱和土地基中Rayleigh波速时会引起土体产生共振,地表竖向位移迅速增大到峰值;层状非饱和土地基中土层的排列次序对地表位移影响显著,与均质土地基相比,硬夹层地基的地表竖向位移大,而软夹层地基的地表竖向位移小;饱和度对层状非饱和土地基动力响应影响显著;随着荷载频率的增大,三种层状地基的位移沿水平距离方向呈现出明显波动性。

一种新的动网格更新技术及其应用

针对计算流体力学中的各种动网格更新技术进行了综合分析,提出了一种域动分层法的动网格更新技术,对该技术的原理进行了阐述.应用该方法对导弹在同心筒内的垂直发射过程以及液压缸的缓冲过程进行了数值模拟.结果表明,该方法正确可行,结果精确性较高,可实现含复杂外形流场情况下的动网格应用,相对局部网格重组法可使数值模拟速度加快2倍左右.

燃气弹射发射筒内燃气-空气二次燃烧现象研究

燃气发生器喷出的燃气射流与发射筒内空气发生二次燃烧现象对导弹发射装置产生强烈的热冲击和烧蚀。为了研究含运动边界的发射筒内二次燃烧现象,采用三阶精度MUSCL格式求解9组分10步H2/CO基元化学反应动力学模型,使用域动分层网格更新方法模拟导弹运动。在与燃气自由射流冲击平台效应实验数据对比验证的基础上,分析了发射筒内二次燃烧现象对发射筒内流场和内弹道的影响以及筒内燃气-空气二次燃烧产生的原因。数值结果表明:二次燃烧不仅影响温度场分布,而且影响导弹的内弹道特性;发射筒内二次燃烧现象是由于燃气发生器喷出的可燃成分与发射筒内O2发生了强烈的化学反应导致的。研究结果对燃气弹射导弹内弹道设计提供了一定的理论基础。

同心筒发射过程燃气射流冲击效应研究

为研究导弹发射过程中燃气射流对同心筒和弹体的热冲击和动力冲击效应,基于欧拉-拉格朗日方法,使用域动分层动网格方法,对同心筒发射过程含Al2O3颗粒的气-固两相流场进行了数值计算,得到了发射过程中流场的温度和压强分布情况,计算结果与试验数据的相对误差在允许范围内,表明文中所用计算模型是可靠的。发射过程中燃气射流对后盖的冲刷和烧蚀较为严重,燃气主要从内外筒之间排出。内外筒间距增大后,内筒中的温度先降低后增大,后盖处的压强随之逐渐降低。发动机喷管出口与后盖的距离增大后,内筒中的温度变化较小,后盖处的压强随之逐渐降低。

新型舰载同心筒发射过程流场研究

采用同心筒垂直发射装置,内外筒要保证足够的间隙尺寸用来排导燃气,目前舰载发射均采用通垂方式,势必使得内筒尺寸较小,从而导弹的直径也就较小,不利于发挥弹道导弹的优势。在此基础上提出将传统的外筒设计为一方形结构,在与相同尺寸的通垂架相连接的前提下,增加了内外筒之间燃气排导空间,降低发射过程中导弹表面的温度。计算中使用三维动网格更新方法对同心筒发射过程进行了计算研究,网格更新方法采用域动分层法。结果表明,导弹运动位移曲线与试验符合较好,新型同心筒方案使得整个发射过程中导弹表面的温度均明显降低。

喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响

以含水室的燃气-蒸汽弹射动力装置为研究对象,采用Mixture两相流模型、k-ε湍流模型和域动分层动网格技术,研究了不同喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响。研究表明:随着喷水孔数量的增加,燃气进入弯管和发射筒内阻力逐渐增大,弹射装置内冷却水消耗完的时间逐渐缩短,弹射过程中的最大压力峰值逐渐降低。同时,喷水孔的数量对0.1~0.4s时间内的发射筒内的温度影响较大,对0.55s以后发射筒内的温度影响较小。喷水孔数量的增加引起发射筒内混合气体动能的降低,导致导弹的出筒时间延长和导弹的出筒速度降低。研究结果为燃气-蒸汽弹射喷水方案设计提供了理论依据。

基于解析层元法的成层半平面地基移动荷载动力响应研究

解析层元法具有较高的计算效率和数值稳定性,为此基于解析层元法研究移动荷载作用下层状各向同性地基的平面应变动力响应问题。假定研究坐标系随移动荷载同步移动,移动荷载相对于移动坐标系处于相对静止状态,从而将移动荷载作用下的动力问题转化为准静态问题。结合移动坐标系下的控制方程和傅里叶变换方法,推导出单层有限厚度和半空间土体在傅里叶变换域内的解析层元。根据有限层法原理组装各土层的解析层元得到总刚度矩阵,再结合边界条件求解总刚度矩阵方程在积分变换域内的解。然后,利用傅里叶积分逆变换将变换域内的解答转换为物理域内的解。最后,通过算例验证本文理论的正确性,并分析荷载移动速度、荷载作用深度、成层性及地基加固厚度与加固效果等对成层地基动力响应的影响。研究表明：地基的竖向位移和竖向应力随荷载移动速度的提高而不断增大,当移动速度接近土体的剪切波速时,地基竖向位移和竖向应力均迅速增加;移动荷载作用下地基的成层性对土体的竖向位移有较大的影响,且主要受地基表层土体性质的影响;表层土体的加固对减小地基沉降有显著效果,随着加固效果的增加,地表沉降的减小量逐渐降低。

移动荷载作用下基于薄层单元法的土动力分析

详细推导了用薄层单元法(Thin-LayeredElementMethod)计算移动荷载作用下地基土动力响应的计算过程,得到了地基土的位移和加速度响应,并与分层法的结果进行了比较.结果表明:薄层单元法和分层法的结果吻合很好,用于计算移动荷载作用下地基土的动力响应是有效的.

导弹箱式垂直热发射过程燃气流冲击效应研究

为了研究导弹箱式垂直热发射过程燃气流场对导弹及发射装置的影响,使用计算流体力学方法,将燃气流场与导弹运动耦合计算,采用域动分层动网格更新方法模拟了导弹的发射过程,采用多组分冻结流计算燃气流场,得到了导弹热发射过程中流场分布及导弹、发射箱的热、力载荷分布情况,并采用发射试验进行了验证。研究结果表明,导弹在箱内运动过程中,弹表面基本为负压,各测点导弹截面出箱以后,压力迅速升高为一个大气压;在点火时刻弹尾部产生一个775 K的温度峰值,在整个运动过程中,弹表面温度基本保持在300 K;发射箱的温度变化经历先升高,出箱后降低,运动一段距离到超临界状态又升高,随着导弹远离发射箱,箱内表面温度逐渐降低;导弹运动过程中,发射箱内基本为负压,喷管运动至观测点截面附近时,该观测点压力降至最低,之后缓慢升高,到超临界状态,压力下降形成一个波谷,随着导弹远离发射箱,箱内壁面压力逐渐升高为一个大气压。

埋置移动荷载作用下成层饱和地基的动力响应

利用Fourier变换和传递反射矩阵法(TRM法)研究了成层饱和地基在埋置移动荷载作用下的动力响应。土体被假设为完全饱和的多孔弹性介质并且服从Biot多孔弹性波动方程,用修正粘滞阻尼模型来描述土体的粘弹性行为,采用TRM法来考虑饱和地基的成层性,利用Fourier变换和Fourier逆变换得到了埋置移动荷载作用下饱和地基动力响应积分形式解答。当饱和成层地基退化单层饱和地基时,该文解与已有解能很好的吻合。最后,通过数值计算分析了埋置荷载深度﹑荷载速度、荷载频率及软硬夹层对动力响应的影响。

高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应

基于Biot流体饱和多孔介质理论,求得层状饱和地基表面移动荷载的动力格林函数,进而建立2.5维间接边界元方法,研究了高速移动列车荷载作用下层状饱和地基-轨道耦合系统的动力响应。该文通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀饱和半空间地基和饱和基岩上单一饱和土层地基为模型进行了数值计算,分析了列车移动速度和饱和土层等对动力响应的影响。研究表明,层状饱和地基和均匀饱和地基对应的动力响应有着显著的差别;列车移动速度接近饱和地基的Rayleigh波速时,会引起饱和地基-轨道耦合系统的共振,产生较大的动力响应;饱和地基不透水情况下动力响应最大,饱和地基透水情况下动力响应次之,干土情况下动力响应最小。另外,饱和土孔隙率、饱和基岩与饱和土层刚度比、饱和土层厚度等也对动力响应具有重要影响。