柔性儲液容器數(shù)值計算方法的研究與應(yīng)用.pdf

1、近十年來，我軍初步形成了后勤裝備體系，但相對作戰(zhàn)裝備的發(fā)展，后勤裝備發(fā)展緩慢，與信息化戰(zhàn)爭的需要極不適應(yīng)。而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，后勤保障能否到位將成為制約戰(zhàn)爭勝負(fù)的直接因素之一?？胀秲σ喝萜髋c車載儲液容器等柔性容器作為多元化后勤保障裝備之一在戰(zhàn)場補給方面發(fā)揮了重要作用，各國都對此展開了相關(guān)研究。此外自然災(zāi)害發(fā)生時的供水問題也是搶險救災(zāi)所面臨的重要問題之一。因此，我國開展了針對國防設(shè)備與搶險救災(zāi)等領(lǐng)域而設(shè)計的空投儲液容器與車載儲液容器等相關(guān)柔性

2、容器的研究。通過數(shù)值方法計算該類柔性容器的動態(tài)響應(yīng)過程，可確定儲液容器的應(yīng)力分布情況及相關(guān)因素的影響，進(jìn)而確定儲液容器易破損位置，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。此外，該類容器為典型的流體-結(jié)構(gòu)耦合問題，因此對其進(jìn)行研究不但具有現(xiàn)實意義，也具有很強的理論意義。針對儲液容器的研究現(xiàn)狀與實際需要，論文主要涉及四個方面的研究，即儲液容器材料性能參數(shù)的數(shù)值預(yù)測、柔性儲液容器動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬方法、針對流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的并行計算及空投儲液容器與車載儲

3、液容器的動態(tài)響應(yīng)研究。
　　對于材料性能參數(shù)數(shù)值預(yù)測的研究，主要是由于該類容器采用了柔性的織物增強復(fù)合材料，其性能參數(shù)不易測量。論文提出了考慮增強材料方向的單胞模型建模方法，首先根據(jù)材料的實際卷曲模型尺寸建立材料的單胞模型，在劃分網(wǎng)格時要保證單胞模型的相對面上的節(jié)點一一對應(yīng)，模型不但考慮了紗線的空間構(gòu)型，也考慮了增強材料方向的變化，然后施加周期性邊界條件進(jìn)行材料性能參數(shù)的預(yù)測?；谏鲜龇椒?，本文首先針對已有的織物材料進(jìn)行了預(yù)測，并

4、與其他學(xué)者的結(jié)果進(jìn)行了對比，從而驗證了該方法的正確性。然后利用該方法預(yù)測了該類柔性儲液容器的材料性能參數(shù)，并將這些參數(shù)應(yīng)用于儲液容器結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的計算。
　　對于該類容器的數(shù)值模擬方法的研究，一方面，從數(shù)值分析的理論角度出發(fā)，研究了ALE有限元法的相關(guān)理論，為儲液容器動態(tài)響應(yīng)的求解提供理論依據(jù)。具體來說，通過引入弱可壓縮流體處理流體材料的不可壓縮性，利用材料模型與材料狀態(tài)方程確定流體力學(xué)性質(zhì)。在對控制方程求解時，采用了顯式積分格式

5、，通過算子分解的方式分步求解方程，首先進(jìn)行Lagrangian步的計算，然后進(jìn)行網(wǎng)格的平滑與對流計算。另一方面，結(jié)合該類儲液容器研究的實際需要，提出了全三維非線性的擬實建模方法，并建立空投儲液容器與車載儲液容器的有限元模型?？紤]到該類容器結(jié)構(gòu)的大變形響應(yīng)，采用了Lagrangian描述下的Belytschko-Tsay薄殼單元作為結(jié)構(gòu)單元;對于流體材料則采用了ALE的多物質(zhì)單元，通過控制網(wǎng)格運動的方式，保證計算時間步長的穩(wěn)定性;對于儲液

6、容器與其內(nèi)部流體的相互作用則通過基于罰函數(shù)的耦合方式加以實現(xiàn)，且考慮了耦合的阻尼作用。此外，模型考慮了儲液容器的多處接觸行為，在縮短計算時間的同時，使得結(jié)果更加接近真實的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
　　對于流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的并行計算研究，主要是由于建立的該類容器規(guī)模較大，且流體的對流與平滑計算及流體與結(jié)構(gòu)間的耦合計算等非線性計算都是十分耗時的，普通的串行計算技術(shù)無法勝任，因此采用了并行計算技術(shù)?，F(xiàn)有的并行計算研究主要是針對結(jié)構(gòu)的計算或是流體的計

7、算，涉及流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的計算研究較少。且現(xiàn)有的以各節(jié)點自由度數(shù)均衡的分區(qū)策略，沒有考慮每個節(jié)點的計算量可能的不同，從而影響了并行計算效率。本文根據(jù)柔性儲液容器動態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬的要求，以及結(jié)合上海超算中心曙光4000A計算機的體系結(jié)構(gòu)特點，在遞歸坐標(biāo)二分分區(qū)方法的基礎(chǔ)上，提出了粗粒度的基于耦合計算的負(fù)載均衡二分算法，從而保證了各節(jié)點負(fù)載的均衡，并把該方法分別應(yīng)用到空投儲液容器和車載儲液容器的有限元模型計算上。相對于遞歸坐標(biāo)二分法，該方

8、法具有更高的加速比與并行效率。
　　最后，將上述研究成果應(yīng)用于空投儲液容器與車載儲液容器的有限元模型上，通過顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA計算了其動態(tài)響應(yīng)，通過與試驗結(jié)果的比較驗證了數(shù)值模擬方法的正確性。對于空投儲液容器，確定了其易破壞的位置，并分析了空投高度與裝水量對儲液容器動態(tài)響應(yīng)的影響。對于車載儲液容器，采用了控制體積法與下拉拉帶到實測位置固定的方式獲得了儲液容器運行前的初始狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上，對其在制動、轉(zhuǎn)彎及裝卸過程進(jìn)行了