爆炸冲击载荷作用下流固耦合数值模拟

建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序框架,通过串联弱耦合方式对爆炸冲击波作用下流固耦合效应进行数值模拟.其中非线性固体位移场采用基于Lagrange方法描述的时域间断伽辽金有限元方法进行处理.基于修正弹簧近似的非结构动网格新技术,非定常流场采用格心格式的有限体积方法进行求解.数值模拟结果表明:该文所发展的弱耦合分析程序在流固耦合数值模拟过程中具有可靠的计算精度.同时,程序对于爆炸强间断气动冲击载荷冲击作用下固体变形引起流场的反射和叠加效应,以及流场变化引起复杂的固体响应具有良好的耦合求解能力.

激波作用下含缺陷固体火箭装药的流固耦合数值模拟

采用弱耦合方法对激波作用下固体火箭发动机含缺陷药柱的流固耦合相互作用进行数值模拟。其中非定常流场采用基于任意拉格朗日-欧拉坐标系下的二维可压缩Euler方程进行描述,并采用格心格式的有限体积方法对方程进行离散求解;对激波冲击作用下含装药裂纹的固体位移场采用时域间断Galerkin扩展有限元法进行数值模拟,并对裂纹尖端动态应力强度因子进行计算。结果表明:激波在固体火箭发动机内装药裂缝传播过程中具有反射、绕射等现象,表现出高度非定常非线性的特点;同时流固耦合相互作用使得裂纹尖端位移场以及应力强度因子表现出振荡效应。

非傅里叶热弹性的时域间断迦辽金有限元方法

基于Lord--Shulman非傅里叶热弹性模型,提出了采用修正的时域间断迦辽金有限元方法(time discontin-uous Galerkin finite element method,DGFEM)求解方法.DGFEM对温度场、位移场基本未知向量及其时间导数向量在时域中分别插值;在最终的求解公式中,引入了人工阻尼.数值结果显示所发展的DGFEM较好地捕捉了波的间断并消除了热冲击作用下虚假的数值振荡,能够良好地模拟热弹性问题并具有较高的精度.

超低温对T700碳纤维/环氧复合材料弯曲性能的影响

研究正交铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)在超低温的环境下的弯曲性能和损伤破坏形式。对复合材料试样进行不同时间的液氧浸泡处理和不同次数的常温/液氧温度热循环处理来模拟液氧燃料贮箱使用工况,通过配有超低温试验装置的力学试验机研究CFRP在不同超低温条件处理前后的低温弯曲强度和弯曲模量的变化规律;采用扫描电子显微镜(SEM)对破坏前后试样的微观形貌进行分析。结果表明,经过液氧浸泡及常温/液氧温度热循环处理的CFRP的超低温弯曲强度和模量变化趋势基本一致,均随时间和循环次数的增加先下降后上升,这种变化规律与其超低温环境下材料的微观结构变化密切相关。结合CFRP破坏前后的宏观和微观结构特性以及微裂纹的扩展规律,揭示了正交铺层CFRP超低温弯曲性能变化的机理。

基于时域间断有限元方法的生物组织非傅立叶热行为数值分析

在热传导分析中,当热流与温度梯度存在时间延迟时,需采用非傅立叶热传导模型进行分析。生物组织具有较强的热松弛时间系数,承受激光、微波及烧烫等作用时,其呈现出较强的非傅立叶行为。本文对脉冲热源作用下生物组织的非傅立叶热传导进行研究,针对强脉冲引起的温度场在空间域的高梯度变化、波阵面的间断行为以及通用传统时域数值方法会带来虚假数值振荡的特点,提出采用所发展的时域间断Galerkin有限元法(DGFEM)进行求解计算。对多种脉冲热源作用下的非傅立叶热传导过程进行数值模拟,通过考量强脉冲作用下温度场分布和热致生物组织损伤行为的影响,表明了本文所发展的DGFEM能够有效、准确地描述温度场空间分布和热传导过程以及非傅立叶行为下的生物热损伤更为明显,在生物组织热行为分析中应该受到重视。

低温对碳纤维复合材料弯曲性能影响试验研究

由于航天运载器的轻量化需求,高性能碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)已经应用于液体燃料贮箱的研制,但其服役环境苛刻,往往要经受-183~-253℃的超低温或多次低温循环过程.目前,对CFRP的低温力学性能,尤其是常-低温循环力学性能的研究仍比较局限,这制约了CFRP燃料贮箱的设计和研制进程.本文针对一种液氧相容的环氧树脂体系,采用热压罐工艺制备了CFRP单向板,并测试其在25℃、-55℃、-120℃和-183℃下的弯曲力学性能.结果表明,弯曲强度和模量均随着温度降低而提高,当温度从25℃降低到-183℃时,弯曲强度提高约66.7%,弯曲模量提高约10.3%.同时,本文也研究了室温-液氧循环50~200次对弯曲力学性能及微裂纹萌生的影响.结果表明,200次循环后,单向板的弯曲强度基本没有降低,并且内部也无微裂纹产生.本文研究表明,该CFRP体系具有较为优异的低温力学性能和耐低温循环性能,在液体燃料贮箱领域有着巨大应用潜力.

宽频带天线罩电气性能计算中的四端网络法

宽频带天线罩除了要有精确的气动外形、足够的强度、良好的耐热及隔热性能,以适应飞行过程中的气动力、气动热和恶劣气候等环境,而且还必须在宽频段范围内具有优异的透波性能,最大限度地降低天线罩对天线辐射的电磁波的影响,以满足通讯或雷达制导的要求,因此,必须能够对宽频带天线罩的电气性能进行精确的计算。本文首先简要介绍了用于天线罩单层结构的介质平板的电气性能解析表示式,然后以宽频带夹层结构天线罩为研究对象,详细阐述了基于微波等效理论的四端网络法,并应用该方法对天线罩多层介质平板结构的功率透过系数、反射系数和插入相位移进行了分析计算,最后以五层介质平板和单层平板为实例,通过计算进行对比证明了多层介质平板对电波频带的延展性。

单向碳纤维增强树脂基复合材料的超低温力学性能

采用真空袋-热压罐工艺制备单向碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)层合板,并将高低温试验箱与万能试验机相结合,通过合理使用低温胶和低温引伸计,并在降温过程中实施应力-应变实时调零等关键技术,在室温和液氧超低温度(-183℃)下对单向CFs/EP层合板进行拉伸和弯曲试验,研究了其超低温力学性能,并根据室温和超低温试验后试样的微观和宏观特征,揭示了超低温环境下复合材料力学性能变化机制。结果表明,与室温力学性能相比,单向CFs/EP层合板超低温拉伸强度下降约为9.5%,而拉伸模量上升约为6.2%,主要是由于超低温环境下,树脂的收缩使绝大部分碳纤维与树脂间形成了强界面,拉伸后试样呈"劈裂式"破坏形式,无法使每根纤维都充分发挥其强度,拉伸强度下降,同时超低温也限制了树脂大分子链的运动,所以导致单向CFs/EP层合板拉伸模量上升;单向CFs/EP层合板超低温弯曲强度和弯曲模量分别提高约54.75%和11.64%,这是由于单向CFs/EP层合板的常温和超低温的弯曲破坏形式均为分层剪切破坏,超低温下复合材料的界面增强,提高了单向CFs/EP层合板抵抗剪切分层的能力,进而使CFs/EP的弯曲性能得到提高。

超低温介质对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响

针对超低温介质液氮和液氧对碳纤维增强树脂基复合材料(CFs/EP)力学性能的影响进行研究,将T700碳纤维和CFs/EP在液氮和液氧中处理120h,采用X射线光电子能谱(XPS)和SEM分析碳纤维表面元素和表面形貌的变化;并研究液氧和液氮处理后碳纤维和复合材料试样的力学性能。结果表明,在经液氮处理后的碳纤维表面,上浆剂有明显损伤产生,而经液氧处理后的碳纤维表面则没有损伤出现;两种超低温介质处理对碳纤维单丝拉伸强度、表面元素及其含量的影响几乎没有区别;经液氮和液氧超低温介质处理后,CFs/EP拉伸强度均有所下降,且两者下降率接近,分别约为15.26%和14.38%;弯曲强度均有大幅提高,且提高率接近,分别约为56.18%和57.81%。因此,液氧和液氮处理对CFs/EP力学性能的影响基本没有区别。

改进时域间断Galerkin有限元方法在弹塑性波传播数值模拟中的应用

对于高频、强脉动荷载作用下的结构动力学波传播分析,对比于传统的时域算法,时域间断Galerkin方法能捕捉到波阵面的间断,有效地避免了由于间断引起的数值振荡.但时域间断方法却带来了波前面的虚假数值振荡.论文针对上述波前数值振荡的现象进行研究,通过引入人工阻尼的方法对时域间断Galerkin有限元方法进行进一步改进.数值结果表明,所发展的方法能够有效的滤掉强动荷载产生的波前数值振荡现象,同时降低了时域间断Galerkin方法的网格依赖性.

运动活塞的流固耦合数值模拟

松耦合算法在数值模拟流固耦合问题时具有应用简单和计算高效的优势,但是需要解决流固界面上的信息传递算法.理论上在同时满足速度和位移相等条件是不可能的.本文基于界面上流固位移相等条件的松耦合,采用新的几何守恒律算法,对具有理论解的活塞问题进行了求解,数值实践表明新方法具有良好的计算精度.算例表明基于新几何守恒律的流体计算方法能良好的与传统的动力学方法Newmark方法相结合,新的松耦合方法在流固耦合数值模拟方面具有良好的应用前景.

热塑性颗粒-无机粒子协同增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料

针对碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性进行研究,通过在CF/EP复合材料层间添加四种无机纳米粒子和三种热塑性颗粒对其进行II型层间断裂韧性(GIIC)研究,选择工艺性和增韧性效果好的两种无机纳米粒子和热塑性颗粒进行协同增韧研究。结果表明,CF/EP复合材料的GIIC在适当的无机纳米粒子含量下都得到提高,这主要是由于无机纳米粒子在层间形成了有效吸收断裂能的微结构,纳米羟基氧化铝(AlOOH)的工艺性及增韧性等综合性能最好,AlOOH质量分数为1wt%时,CF/EP复合材料的GIIC达到931 J/m2,提高了29.3%;热塑性颗粒中,改性聚芳醚酮颗粒(PAEK)的综合性能最好,添加10wt%PAEK,CF/EP复合材料的GIIC可以提高32%,这是由于预制在层间的热塑性颗粒随着基体流动而得到扩散,形成了独特的跨层间连续结构,从而使裂纹扩展的阻力增加,有效提高了CF/EP复合材料的GIIC;10wt%PAEK和1wt%AlOOH共同增韧CF/EP复合材料的GIIC达到1 368 J/m2,相对于未增韧的CF/EP复合材料提高了90%,增韧效果比PAEK和AlOOH对CF/EP复合材料的增韧效果之和大,这表明,PAEK和AlOOH同时加入CF/EP复合材料层间,对CF/EP复合材料具有协同增韧效应。