基于粘聚单元模型的平整冰-竖直圆柱体碰撞数值模拟

基于非线性有限元数值方法,引入粘聚单元模型并结合线性软化弹塑性本构模型,对平整冰与竖直固定圆柱体碰撞进行了数值模拟,研究了碰撞过程中平整冰的破坏模式和柱体所受冰载荷。数值模拟结果与实际观测到的冰层撞击灯塔时的破坏模式进行了比较,两者吻合良好;随后分别分析了粘聚单元破坏准则和碰撞速度对圆柱体所受水平冰载荷的影响。结果表明:柱体所受水平冰载荷受粘聚单元破坏准则影响有限,与碰撞速度呈正相关且平均冰载荷的增长速度稍高于线性增长。     

考虑初始缺陷的平整冰-锥体结构碰撞数值模拟

基于非线性有限元数值方法,对含初始缺陷的平整冰与锥体结构碰撞场景进行了模拟。将标记为初始缺陷的实体冰单元从平整冰模型中删除,并将黏聚单元插入到实体冰单元之间。在实尺度下对平整冰与锥体碰撞场景进行了数值模拟,分析了平整冰的断裂破坏模式并预报了锥体所受冰载荷,并将数值模拟结果与不考虑初始缺陷的数值模拟结果进行了比较。分别分析了初始缺陷分布位置和含量对锥体所受冰载荷的影响。结果表明,初始缺陷对于平整冰的断裂破坏模式和冰载荷均有重要的影响。     

破冰船在层冰中运动的数值模拟方法

为研究破冰船在层冰中运动的特点与海冰的破坏方式,该文建立了包含冰载荷、敞水阻力、螺旋桨推力与舵力的六自由度动力学方程。考虑海冰的弹性弯曲对破冰力的影响,引入海冰的二次断裂与动态弯曲破坏准则,提出了更加精确、完善的船-冰动态接触模型。在此基础上,对瑞典破冰船Tor Viking Ⅱ在层冰中的直航与回转运动进行了数值模拟,并与全尺寸试验数据对比,验证了数值模拟结果的合理性。结果表明:模拟运动轨迹与真实运动轨迹相符,最大回转直径的相对误差仅为3.32%,因此本文建立的数值模拟方法能够真实地模拟破冰船在层冰中的运动。     

船-冰碰撞载荷时间历程的模型试验研究

船-冰碰撞载荷是极地船舶船体外板结构强度的设计载荷,但目前的极地船级规范中尚未涉及船-冰碰撞载荷的时变特征。以我国新一代极地科考船为原型开展室内冰水池物理模型试验,对船首与浮冰的碰撞过程进行模拟;试验测试以主拖车拖曳船模撞击浮冰的方式进行,碰撞过程中船体所受冰载荷由布置在船首表面的触觉传感器测得。试验发现:船-冰碰撞过程中的整体冰载荷沿船体外板的作用呈现出近抛物线的轨迹,同时,载荷经历了先上升、后下降的完整过程,最大载荷作用时刻出现在冰体最大下压弯曲变形时刻;此外,最大载荷出现的水平位置集中在1/4船宽附近,相应局部碰撞载荷的时程曲线特征以‘单峰’型形态为主。     

输电线雾凇覆冰过程的二维数值模拟

基于拉格朗日法提出了一种输电线表面雾凇覆冰过程的二维数值模拟方法.采用同位网格上的SIMPLE算法求解非定常不可压缩流动的RANS方程和SST-κ-ω湍流模型以获得空气流场;采取拉格朗日法跟踪流场中过冷水滴的运动轨迹得到输电线表面各控制体的瞬时局部碰撞率;求解基于Messinger控制容积法建立的覆冰热力学方程以获得各...     

船-桥梁浮式钢套箱碰撞数值模拟中的流场处理方法对比研究

本文采用Ansys/Ls-dyna对1000吨级船舶与浮式桥梁钢套箱的碰撞过程进行了数值仿真,为了较精确地分析流场处理方法对于数值计算结果的影响,分别采用了流固耦合方法和附加质量系数法来模拟碰撞过程中流场的作用,并对比分析了两种方法下浮式钢套箱的碰撞力、撞深、竖向位移、内能变化等计算结果。研究结果表明,与采用附加质量系数法的结果相比,考虑流固耦合时防撞钢套箱的最大撞深较小而最大撞击力较大,且随着碰撞能量的增加,最大撞击力明显大于采用附加质量系数法的结果。因此对于桥梁的防撞钢套箱设计,常规附加质量系数法偏于危险,有必要用流固耦合方法来考虑流场的作用。另外,船体的撞击能量越大时,浮式钢套箱的竖向位移约束也越重要,可以通过设计浮式钢套箱的压载水,减小钢套箱在碰撞过程中的竖向位移,以提高其吸能效果。     

小流量工况泵阀耦合系统失稳机理研究EI北大核心CSCD

在实际应用中,当泵阀耦合系统在小流量偏工况下运行时,系统容易发生流动失稳,并伴有剧烈的结构振动,严重时会影响系统的可靠性。该研究基于动网格和滑移网格技术,对泵阀耦合系统在小流量工况下的非稳态流致激励特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。结果表明:由于离心泵导叶区域的周期性堵塞,流场内部出现低频压力脉动;离心泵的出口压力波动直接影响阀瓣所受流体力,导致弹簧止回阀发生颤振现象;在阀瓣运动过程中,阀杆处的节流作用是引起泵阀耦合系统流量脉动的主要原因。综上分析表明,离心泵和弹簧止回阀之间存在强烈的耦合作用,该研究可为泵阀系统耦合设计与优化提供理论指导。     

基于模型试验的船-冰碰撞载荷空间分布演变历程研究

针对船-冰碰撞载荷空间分布的演变历程,通过一系列的冰水池模型试验,分别从"整体"与"局部"的角度,对船-冰碰撞载荷沿船体表面的空间移动轨迹,及局部冰压力空间分布形态随时间的变化过程进行了研究。结果表明:船-冰碰撞过程中的冰载荷沿船体外板的整体作用呈现出近抛物线的轨迹;同时,冰压力的局部空间分布也呈现出与冰载荷时程曲线中"峰-谷"循环波动特征相对应的"单-双"高压力区周期性的动态演变过程,极端冰载荷只存在于"单高压力区"型的局部空间分布形态下。基于多个载荷板对船-冰接触轨迹进行覆盖的理念,提出一种移动冰载荷的构建方法。相邻载荷板之间的载荷时程存在重叠以更好地模拟载荷的空间"移动",而各载荷板上的非均布冰压力则通过高斯函数进行拟合。     

潜艇感应磁场的三维积分方程法数值计算研究

论述了应用积分方程法计算潜艇感应磁场的数值方法，采用底面为部分圆环的柱体剖分单元，推导了耦合系数的计算公式，编制了数值计算程序，对潜艇船模进行了计算，取得了较好的计算效果。     

超空泡射弹异步并联入水流场与运动特性研究EI北大核心CSCD

为研究超空泡射弹异步并联入水性能,基于Fluent流体仿真软件,采用有限体积法、VOF多相流模型以及重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联入水数值方法,利用高速摄影机及轻气炮进行了单发射弹高速入水试验,通过对比仿真结果与试验结果验证了数值方法的可靠性。在此数值方法的基础上,分别对弹丸初始纵向间距为0,0.5,1.0,1.5,2.0及3.0倍弹长时并联超空泡射弹入水的过程进行了数值模拟,并对比分析了不同纵向间距下两发射弹的流场特性与运动特性。研究结果表明,异步并联弹丸空泡间的耦合关系与同步并联相比变化明显。当初始纵向间距为0.5倍弹长时,弹1空泡受到弹2空泡的剧烈挤压,弹1右侧刺破空泡发生一次尾拍;当初始纵向间距为3.0倍弹长时,弹2受弹1空泡干扰明显,入水后期弹丸完全失稳。相比起同步并联,异步并联时弹2所受入水冲击载荷较小,并且随着初始纵向间距由0增加到3.0倍弹长,弹2所受入水冲击载荷呈现递减趋势。     

基于非线性有限元法的船舶-冰层碰撞结构响应研究

采用非线性有限元法建立船舶与冰层的三维有限元模型,对船-冰碰撞进行了数值模拟。研究了船舶在不同速度下与不同厚度冰层碰撞的动态结构响应,分析了碰撞冰力的大小、船艏结构的变形损伤和能量变化等特性。得到了船舶初速度、冰层厚度等因素对船-冰碰撞载荷的影响,对分析船舶与冰体碰撞的结构性能具有参考价值。     

基于重叠网格法的飞机水上降落水动力砰击载荷研究

为分析飞机在水上降落过程中的砰击载荷及运动规律,基于数值模拟研究NACA TN2929飞机水上降落过程,考查飞机的初始速度、初始仰角对降落过程的影响。求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)模拟飞机与水的相互作用,采用VOF方法捕捉自由面,采用重叠网格技术及DFBI模型模拟飞机与流体的耦合运动。通过计算楔形体和圆锥体自由入水过程验证模型的可靠性,通过网格和时间步长的收敛性分析确定合适的网格和时间步大小,与实验结果对比确定计算结果的正确性。模拟飞机以不同初始速度与不同仰角的着水过程,分析飞机底部压力的变化规律,研究飞机初始速度、初始仰角对砰击载荷及运动姿态的影响规律。数值计算结果表明飞机在入水0.2 s左右砰击载荷会达到峰值,载荷峰值与飞机着水的速度的平方线性相关;飞机机身底部压力峰值出现在水面与机身的正向交界处;飞机初始仰角增加,砰击载荷峰值会有所减小。     

浮冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应研究EI北大核心CSCD

采用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合混凝土冰材料数值模型,建立了楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板动态响应数值仿真模型,得到了碰撞过程的冲击力时间曲线和冲击力位移曲线、蜂窝金属夹芯板的变形以及冲击能量分配情况,并开展了楔形冰-蜂窝金属夹芯板碰撞冲击试验验证。研究结果表明,楔形冰碰撞下蜂窝金属夹芯板上面板表现为局部凹陷与整体弯曲的耦合变形模式,下面板表现为整体弯曲变形模式,冲击能量转化为蜂窝金属夹芯板的变形能和楔形冰的回弹动能以及冰体破碎耗散能量,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型的准确性。在此基础上,研究了浮冰碰撞冲击位置以及蜂窝芯层厚度对其动态响应及能量分配的影响规律。     

考虑导线偏心覆冰对四分裂导线舞动的影响

采用风洞试验获得典型新月形覆冰四分裂导线的升力、阻力和扭矩系数随风攻角的变化规律。基于ABAQUS有限元软件提出一种考虑偏心覆冰作用的导线数值模拟方法,并利用算例验证了该方法的正确性。在此基础上,利用ABAQUS用户自定义子程序UEL编写气动载荷单元,实现考虑偏心覆冰作用的导线舞动数值模拟方法。采用该方法与传统数值模拟方法对典型新月形覆冰四分裂导线的舞动特征进行对比分析。结果表明,该方法能准确反映覆冰导线运动过程的扭转特性。考虑偏心覆冰作用后,覆冰四分裂导线的位移和扭转角幅值明显增大,振动形态更为复杂。因此,在研究覆冰导线舞动时,有必要考虑偏心覆冰作用的影响。     

破冰船冰区操纵性能离散元分析

针对浮冰区与平整冰区中航行船舶冰阻力与操纵性的预报问题,采用冰-水-船相互作用数值模型对“雪龙”船在浮冰区与平整冰区中的回转运动特性进行了数值分析。在数值模型中,采用具有黏结破碎特征的球形离散元模型来模拟冰盖的破坏过程,采用球体-三角形接触模型来模拟船-冰之间的碰撞过程,建立了考虑船舶桨力、舵力及水动力的六自由度操纵运动方程。在此基础上对船舶在不同厚度（1.2 m~1.7 m）、不同密集度（40%,60%,80%）浮冰区与不同厚度（0.8 m~1.2 m）平整冰区行进时的破冰阻力及回转特性进行了数值模拟。模拟结果表明:在相同厚度的浮冰区航行时冰阻力小于平整冰区航行的阻力值;浮冰区中回转圈直径约为敞水中回转直径的1倍~2倍;平整冰中回转直径约为敞水中回转直径的2倍~6倍。     

超弹性柔性结构与流体耦合运动的浸入边界法研究

浸入边界法是模拟大变形柔性弹性结构和粘性流体相互作用的重要数值方法之一。该文有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法,对圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟。其中,固体采用超弹性材料,利用有限单元法求解,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。通过数值计算,得到柔性超弹性结构的耦合振动特性和流场动态分布特性,并将计算结果同其他文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。     

流固耦合问题的网格更新与信息传递新方法

研究流固耦合问题中的网格技术。针对流体域的网格移动,提出基于映射结构化网格的插值更新的新方法,采用映射插值函数计算流体网格节点位移并与初始网格坐标值叠加,以获取流体新的节点坐标。对二维正方形、梭形及三维立方体流场网格更新开展数值计算。计算表明,该方法可保持原网格的拓扑关系,且更新速度快,更新质量好。使用约束反力分配法和投影插值法分别传递流体域到结构域、结构域到流体域的信息,运用基于该方法的自编程序对典型形体的结构流固耦合界面进行信息传递计算模拟。通过对比传递前后结构与流体的作用,验证了基于该方法的数值传递效果理想。     

三维单元劈裂法与压剪裂纹数值模拟

对材料裂纹扩展问题进行三维数值模拟对于实际工程具有重要意义。为了解决裂纹扩展模拟过程中网格重新划分问题,并有效地再现受压裂纹面之间的接触和摩擦效应,在二维单元劈裂法基础上进行拓展并推导了三维单元劈裂法。三维单元劈裂法利用四面体单元的几何性质,推导了三维劈裂单元刚度矩阵。通过该三维单元劈裂法,可以在原网格划分方案基础上直接对已有裂纹扩展问题进行模拟,而无需对原有网格划分进行调整,这为实际计算带来了很大的方便,提高了计算效率。数值模拟算例表明该方法是有效的。     

水下近场爆炸冲击波与射流载荷联合作用分析方法

针对舰船水下近场爆炸,提出综合考虑冲击波载荷与射流载荷的分析方法。对水下近场爆炸气泡脉动过程进行数值模拟,建立射流冲击计算模型,进而简化射流载荷,在冲击波阶段流固耦合模拟结束后自动添加射流载荷,形成完整水下近场爆炸过程的计算流程。建立舷侧板架结构有限元模型,采用MSC.Dytran软件进行流固耦合数值模拟验证方法的可行性。该方法综合考虑冲击波与射流载荷对结构作用,能较真实模拟水下近场爆炸过程,具有一定工程意义及参考价值。     

板单元蓄冰／融冰性能研究

为了对板单元的蓄冰／融冰性能进行研究,本文建立了一套实验装置,考察了蓄冰槽进口温度及载冷剂流量对蓄冰／融冰过程的影响,理论上,分别建立了蓄冰与融冰过程的数学模型并进行了数值求解,将计算结果与实测值进行了比较,分析了差别存在的原因,另外,通过数值模拟,本文还预测了板单元排蓄冰过程及载冷剂量流量对融冰过程的影响。