高能破冰弹水下破冰过程数值模拟

以黄河凌汛期采用爆破法破冰防凌为背景,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了高能破冰弹水下破冰动态响应模型,对高能破冰弹在侵彻冰盖瞬间弹体各部位的应力分布、弹体引信延期时间以及弹体在水下爆炸破碎冰盖过程等主要破冰参数进行了数值模拟,并在黄河破冰防凌现场进行了相同当量药包的模拟破冰试验。模拟试验显示药包放置在水下4.5 m左右对冰盖破碎范围最大。研究结果可为高能破冰弹弹体的优化设计与利用迫击炮发射高能破冰弹进行黄河爆破法破冰排凌作业提供理论支持。     

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。     

全垫升式气垫船破冰过程的数值模拟

气垫船破冰是指采用大吨位气垫船以临界航速在冰面上航行进行破冰,是一种较新的内河破冰方法,可应用于黄河凌汛灾害的防治领域。本文对浅水厚冰层条件下气垫船破冰过程进行了数值模拟。计算结果表明：临界航速下,气垫船始终位于船首波峰后方,对所兴起的船波起持续的推波作用,在冰面上逐渐兴起幅值较大的船波。冰层在船尾波谷处最先产生纵向裂缝并向前后延伸,向前延伸至船首波峰处时引起冰层横向破裂并扩展,完成一个破冰周期。船身后方的裂缝沿气垫船轴线方向呈 号形状,不同破冰周期的横向裂缝交叉后,冰层破裂成三角形的碎冰片。气垫船破冰的不同工作航次应尽量沿同一方向平行进行,使不同航次的裂缝进一步交叉,将冰层破裂成尺度更小的碎冰片。     

黄河冰层的爆炸破冰及作用效应试验

以黄河内蒙古段厚冰冻层为试验对象,开河前期进行了厚冰层的爆破破冰试验。试验采用专门研发的破冰产品,从冰面接触聚能爆炸和冰下水中爆炸两种破冰方式,分析了冰层的破碎机理和爆破振动、水中冲击波压力的变化特征及对周围环境安全的影响。研究成果对破冰产品研制、人工干预开河、江河冰凌灾害治理及环境安全控制等具有理论研究和应用价值。     

黄河冰层的爆炸破冰及作用效应试验

以黄河内蒙古段厚冰冻层为试验对象,开河前期进行了厚冰层的爆破破冰试验。试验采用专门研发的破冰产品,从冰面接触聚能爆炸和冰下水中爆炸两种破冰方式,分析了冰层的破碎机理和爆破振动、水中冲击波压力的变化特征及对周围环境安全的影响。研究成果对破冰产品研制、人工干预开河、江河冰凌灾害治理及环境安全控制等具有理论研究和应用价值。     

气泡在幂律流体中长大过程的有限元数值模拟

针对幂律型流体,建立了气泡在有限聚合物熔体内长大过程的有限元模型。气泡内气体遵守理想气体定律,且气泡边界处发泡剂浓度与气泡内气体压强符合亨利定律。采用Galerkin方法对有限元控制方程进行求解,并编写了计算程序。采用隐式差分法对扩散方程中的时间导数项进行离散,确保了数值计算的稳定性。采用幂律型流体本构关系描述聚合物流变性质,计算了不同材料的物性参数和工艺参数对气泡长大过程的影响。     

基于Rankine源法的气垫船破冰数值模拟

基于黏弹性薄板假设和势流理论,建立了气垫船在水面、冰面、碎冰面上航行时引起冰层-水层振动问题的统一的理论数学模型,提出了采用Rankine源与有限差分相结合的数值计算方法,通过C语言与Matlab联合编程,建立了冰层-水层的位移响应、应力分布以及破裂效果的预报方法。针对黄河水域冰层特点,对气垫船以亚临界、临界以及超临界速度航行时冰层的应力分布以及破裂情况进行了数值模拟。结果表明:所建立的理论模型和计算方法可以反映冰层的位移变形及其内部应力的分布特征,可以捕捉到气垫船破冰的临界速度,计算得到的冰层振动特性与已有文献的研究结果一致。     

热锻过程中动态再结晶的数值模拟

在热锻过程中,由动态再结晶引起的微观组织演化是决定锻件最终性能的重要因素之一.基于更新的拉格朗日格式刚塑性有限元和考虑动态再结晶的粘塑性模型,建立了能够模拟变形过程、温度变化过程和动态再结晶过程的有限元方法,研制了轴对称有限元软件,并用该软件模拟26Cr2Ni4MoV小圆柱试样镦粗过程中由动态再结晶引起的微观组织演化.在软件中应用网格重新划分技术降低由于网格畸变引起的计算误差.模拟结果和实验结果符合良好.     

ECAPT过程中载荷变化规律的数值模拟

为了掌握纯铝在ECAPT过程中的力学变化规律,利用刚塑性有限元技术对纯铝1100的ECAPT变形行为进行数值模拟,重点分析了载荷在挤压过程中的变化规律及产生变化的原因。结果表明:ECAPT过程大致分为载荷骤升、2次小幅度升高和载荷下降4个阶段;载荷峰值随着摩擦因数的增大迅速增大,应采取有效的润滑措施减小摩擦从而降低载荷峰值,提高模具寿命;随着摩擦因数的增大,载荷在达到各阶段峰值后下降趋势越来越明显。     

激光熔凝过程中三维温度场的数值模拟

采用有限元法,模拟计算了激光表面熔凝单晶合金材料中的三维温度场分布,得到了材料表面及截面的温度梯度分布,为激光熔凝过程中CET转变及液固相变过程中温度梯度G的变化提供了理论依据。将材料热物性参数随温度的变化引入计算模型,并得到了其对计算结果的影响,为下一步残余应力的数值模拟做了预研准备。计算结果表明:随温度变化的材料的热物性参数对温度梯度G的影响较大;在单晶合金凝固过程中,材料内温度梯度G对CET转变起关键作用;模拟结果与实验测量结果吻合很好。     

土坡中剪切带形成过程的数值模拟

为实现对土坡中剪切带扩展过程的模拟,该文将区域控制扩展分析方法嵌入改进的扩展有限元(XFEM)程序中构建了可追踪土中剪切带扩展过程的模拟系统,并利用此系统对两个土坡中剪切带形成过程的算例进行了模拟研究,验证了其合理性。结果表明,区域控制扩展分析方法可较好地描述剪切带尖端应力集中和重分布对剪切带扩展方向的影响,同时为土中剪切带扩展方向的判断提供了更合理的区域占优假定,从而使得基于区域控制扩展分析方法的XFEM程序能够合理地描述和追踪土坡中剪切带的扩展过程和路径。     

纳米颗粒在火焰中聚结过程湍流稀释的数值模拟

针对TiO2纳米颗粒合成过程,利用CFD商业软件FLUENT及其自定义函数功能,模拟了燃烧室中湍流扩散火焰的温度场和组分场;把二氧化钛作为一种准气体,在颗粒动力学模型中考虑了火焰中径向湍流引起的稀释作用对颗粒聚结的影响,对产物颗粒直径、聚集块中颗粒的数目等进行了预测,并对结果进行了分析;同时与未加径向湍流稀释项的模拟进行了比较,得出湍流的稀释作用对颗粒的生长过程有一定的影响,并分析了火焰温度、先驱物载体气体、燃料、氧化剂流量等对生成颗粒或者颗粒聚集块的尺寸的影响。     

Cu-Mg合金连续挤压成形过程的数值模拟和试验对比分析

对高速铁路用Cu-Mg合金接触线进行了热变形模拟试验,试验结果显示,Cu-Mg合金的应力-应变曲线特征在400℃时主要以加工硬化为主,而在500℃以上时,不同应变速率条件下的应力-应变曲线均表现出了一定程度的加工软化特征,且温度越高应变速率越低,加工软化特征越明显。结合铜镁合金热变形模拟试验的结果和Arrhenius双曲正弦函数,建立了铜镁合金的本构方程。通过Deform 3D软件平台,并利用铜镁合金的本构方程,对高速铁路用Cu-Mg合金接触线连续挤压生产过程进行了3D有限元数值模拟分析,对比模拟结果与生产试验结果可知,两者的温度场分布基本一致,数值模拟结果的可靠性得到了验证。此外,结合3D有限元数值模拟结果,对高速铁路用Cu-Mg合金接触线连续挤压成形过程中出现的分层缺陷进行了分析,认为Cu-Mg合金接触线连续挤压成形生产过程中出现的分层缺陷是由于连续挤压过程中正压力异常分布所造成的。     

啤酒灌装过程数值模拟

针对啤酒灌装过程,将酒液与空气的运动归结为具有自由表面的VOF两相流模型问题.以640mL啤酒灌装为例,应用Fluent软件计算了不同灌装速度下瓶内流场的速度、压力、紊流损失等,分析了瓶子形状和灌装速度对液体运动状态的影响,宏观显示了啤酒灌装过程中瓶内气液两相流的运动状态,计算结果与前人计算结果相符.模拟计算结果将对调整啤酒灌装工艺、设计和改进啤酒瓶形状提供依据,从而对提高瓶装啤酒质量等具有重要意义.     

硝基胍连续喷雾干燥数值模拟研究

在对喷雾干燥塔内流动特点认识的基础上,采用较为成熟的计算流体力学（CFD）模型及算法,建立适用于硝基胍物料喷雾干燥的应用模型。利用Gambit软件对几何模型进行网格划分,导入Fluent中进行数值计算,预测塔内流场分布情况、液滴含水率及颗粒平均粒径等。通过测试样机干燥产品的含水率、产品粒度分布及场内温度分布等发现,预测结果与实验结果大致吻合,说明模拟结果有一定的准确度和可靠性。     

塑料注射成型流动过程中温度场数值模拟

采用有限差分方法进行塑料注射成型流动过程中温度场的计算机模拟,对能量方程中瞬态项和热传导项分别采用向后差分和隐式差分近似;同时,为保证数值计算过程的稳定性,采用上风法处理对流项。最后讨论了数值求解的稳定性。     

气泡在幂律流体中长大过程的有限元数值模拟EI北大核心

针对幂律型流体,建立了气泡在有限聚合物熔体内长大过程的有限元模型。气泡内气体遵守理想气体定律,且气泡边界处发泡剂浓度与气泡内气体压强符合亨利定律。采用Galerkin方法对有限元控制方程进行求解,并编写了计算程序。采用隐式差分法对扩散方程中的时间导数项进行离散,确保了数值计算的稳定性。采用幂律型流体本构关系描述聚合物流变性质,计算了不同材料的物性参数和工艺参数对气泡长大过程的影响。     

车削过程中工件模态时变特性的数值模拟

建立车削工件的力学模型及其弯曲振动的时变微分方程,指出车削过程中工件的自振频率及振型具有时变特性。利用ABAQUS软件对车削工件进行了有预应力的模态分析,得到了工件在不同车削长度时各阶模态的自振频率及振型。计算表明随着车削长度的增加,工件的一阶自振频率先增大后减少,一阶自振频率-车削长度曲线呈近似的抛物线分布。     

微重力条件下熔体中对流过程的数值模拟

微重力条件下生长优质晶体遇到的最大问题是要控制晶体生长的条件，抑制由于重大的减弱而引起的熔体中的热毛细时流。但是，用实验来解决这些问题费用高，周期也长，而且有时完全用实验来模拟也是很困难的。用数值计算方法来模拟微重力条件下熔体中的对流过程是空间晶体生长研究的一个重要的方向，计算结果对控制空间生长晶体和抑制熔体中的对流有指导意义。对微重力条件下熔体中对流发生、发展的过程进行了数值研究。以有限差分法研究了沿上表面为自由表面的水平区域不同边界条件下的熔体中的对流过程。     

多孔介质冻结过程中温度变化的数值模拟

多数对多孔介质冻结过程的研究是建立模型借助于计算机技术给定数值解。笔者在借鉴现有数值模型的基础上，考虑多孔介质的内部特点，采用容积平均法建立数学模型，对无限大平板状多孔介质在第三类边界条件下发生的一维冻结过程中温度变化进行分析并加以实验验证。