流固耦合数值模拟方法及其在分段式SRM的应用

固体火箭发动机工作过程由于结构变形与内流场之间的流固耦合作用可能造成发动机内流场压强振荡,导致载荷的动态受力甚至可能毁坏载荷。从耦合算法、界面数据传递、动网格算法三个方面介绍了流固耦合数值计算方法,总结了流固耦合在分段式固体火箭发动机工作过程压强振荡方面的研究及应用进展。指出基于分离解法,结合流场大涡模拟模型,能较好的求解固体发动机内因流固耦合因素导致的压强振荡问题。     

轴编炭/炭复合材料组分材料的微细观热结构特性分析

为研究轴编炭/炭（C/C）复合材料组分材料的微细观热结构特性,开展了复合材料和组分材料纤维束的微细观形貌表征实验。推导立方体单胞和正六棱柱单胞温度周期性边界条件的表达式,建立了组分材料纤维束的代表性体积单元（RVE）计算模型;以均匀化理论和周期性边界条件为基础,在各向同性材料计算模型上验证了所提预测等效热结构参数方法的正确性;研究轴编C/C复合材料纤维束不同类型RVE模型的热结构特性,与实验数据进行了对比分析。结果表明：利用扫描电镜可以得到轴编C/C复合材料和组分材料纤维束的微细观形貌特征,纤维单丝在纤维束内是随机任意分布的状态;通过提出的预测等效热结构参数方法分析了纤维束不同RVE模型的计算精度,该方法也同样适合于其他复合材料等效热结构性能的计算;纤维束RVE模型等效热结构参数在横向满足各向同性的性质。     

考虑不连续屈服的钛合金高温变形本构模型

以发生不连续屈服的钛合金高温变形流动曲线特性为基础,讨论各阶段的变形机制。利用位错增殖动态理论和统一粘塑性理论,构建反映变形温度和应变速率影响且能描述不连续屈服、下屈服点后存在轻微应变硬化、动态再结晶等变形特性的高温粘塑性本构模型。将所建模型应用于新型亚稳β钛合金Ti2448发生明显不连续屈服的高温变形,并用改进的遗传算法确定模型中的相关材料参数。预测值与实验值误差在5%以内,表明这种基于内变量构建的本构模型不仅物理意义清晰,能够有效描述发生不连续屈服的钛合金高温变形,而且具有较强的外推能力,能为其它钛合金的本构模型构建提供参考。     

新型亚稳β钛合金Ti2448的温变形行为及本构模型

采用压缩实验研究应变速率和变形温度对新型亚稳β钛合金Ti2448温变形行为的影响。热模拟压缩实验在Gleeble-3800热模拟机上进行,变形温度为473-673 K,应变速率为0.001-10 s-1,变形程度为45%。结果表明:在高、低应变速率下合金呈现不同的变形特性。低应变速率(0.001-0.1 s-1)下,流动曲线呈现明显的应变硬化特性;在10 s-1的高应变速率下,流动应力在达到饱和后,因温升效应而下降;在673 K变形温度下流动应力因材料内部相变而具有显著的应变速率负敏感性。基于分段外推饱和模型和改进的Voce模型分别构建Ti2448合金在温变形高、低应变速率下的流动应力模型;该模型得到的预测曲线(应力—应变曲线)和实验曲线吻合较好,能够有效预测Ti2448合金在温变形过程中的流动应力,其中,改进的Voce模型能同时较好地描述饱和型和非饱和型应变硬化特性。     

基于经典塑性理论的新型亚稳β钛合金热变形粘塑性统一本构模型

对含动态回复(DRV)、动态再结晶(DRX)的钛合金热变形本构模型进行了研究。其中基于经典塑性理论和内变量粘塑性统一本构理论构建模型的思想,在两者相关点的基础上,结合材料的变形特性,通过对相关表达式的具体推导,构建了相应的本构模型,模型物理意义清晰。最后将模型应用于预测新型亚稳β钛合金Ti2448的热变形流变行为。根据所建模型得到的预测曲线和实验曲线吻合较好,能够有效预测该合金在热变形过程中的流动应力。本研究所建本构模型是有效的,构建方法是合理的,能为构建亚稳β钛合金热变形本构模型提供一种有效的方法。     

丁羟推进剂黏结体系中增塑剂迁移的分子模拟

为克服固体推进剂中增塑剂与黏结体系之间加速老化实验手段的不足,构建了增塑剂和黏结体系的分子模型.利用分子模拟方法在COMPASS力场下分析了增塑剂癸二酸二辛酯(DOS)在由端羟基聚丁二烯(HTPB)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)组成的黏接体系中的相容性和扩散性.用无定形动力学方法计算组分的溶度参数,判断DOS与HTPB、IPDI的相容性.结果表明,DOS与HTPB、IPDI相容性较好.这与由共混方法计算的结合能得到相容性好的结论一致;通过分子动力学方法模拟计算得到增塑剂DOS在黏结体系(HTPB-IPDI)中的扩散系数为1.2×10-7cm2/s.     

丁羟推进剂模型体系中键合剂作用机理的分子模拟研究

为研究不同键合剂在丁羟(HTPB)推进剂中作用机理,采用分子动力学(MD)方法和COMPASS力场对固本填料(Al/Al_2O_3)晶面、键合剂及HTPB所组成的层面模型进行了模拟计算,求得了吸附能与静态力学性能,研究了键合剂对体系力学性能的影响;在303 K温度下对推进剂中氧化剂分解气体O_2和H_2O在键合剂膜层中的扩散进行了模拟,探讨了键合剂对推进剂抗老化性能影响.结果表明,键合剂加入能够增强固体填料同HTPB界面吸附能力,使体系弹性系数增强,刚度增加;而键合剂膜层对气体扩散的阻碍能力也同提高体系抗老化性能趋势一致.     

锥角对锥柱形贮箱金属膜片翻转行为的影响

该文针对锥柱形贮箱膜片,选取不同的金属材料(纯钛、304L 不锈钢、铝),系统研究了锥角为8°~12°时,金属贮箱膜片翻转过程中出现的结构屈曲和后屈曲状态,这一过程涉及材料与几何非线性。膜片在翻转过程中,当载荷增加至结构的临界载荷时,结构的切线刚度趋于零,传统的Newton-Raphson法难以追踪后屈曲平衡路径,通过弧长法,准确求解了结构的后屈曲平衡状态。数值计算得出:锥角对不同材质膜片的翻转行为的影响,304L不锈钢最显著,纯钛次之,铝最不显著;结构屈曲载荷及后屈曲状态时膜片的承载能力均随锥角的增加而减小;10°锥角为最优解,这一角度兼顾了膜片内部容积和翻转效率这两个因素。     

双股液体射流撞击雾化的SPH方法数值模拟

双股液体射流撞击雾化过程存在复杂的界面运动,传统网格法很难处理。运用SPH方法对双股液体射流撞击雾化问题进行三维数值模拟;根据实际的双股液体射流撞击雾化过程提出了合理的简化模型;弱可压缩状态方程中参考压强采用了新的计算公式;利用有限差分与SPH一阶导数相结合的方法处理粘性项中的二阶导数;对人工应力提出了新的参数值选择方案。将数值仿真结果与文献实验结果进行对比,二者比较吻合,表明SPH方法很适合解决射流撞击雾化等复杂的界面运动问题。