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强动荷载作用下流固耦合问题数值模拟

周春辉  
【摘要】:近年来研究以爆炸冲击等强动荷载为主要荷载形式的流固耦合问题受到日益关注,其在反恐和军工领域具有非常重要的实际意义。 本文对强气动荷载作用下流固耦合问题进行了阐述,详细介绍了流固耦合问题的界面信息传递方法,综合比较了当今求解流固耦合问题的几种方法:“强耦合”及“弱耦合”。发展了基于“弱耦合”方法的流固耦合程序框架体系,构建了基于自主气动力学软件和多种商用有限元程序的流固耦合程序框架。 建立了基于位移相等条件的流固耦合数值模拟程序,通过串联耦合方式对爆炸冲击荷载作用下的流固耦合问题进行了数值模拟。其中固体域采用基于拉格朗日方法描述的有限元法进行离散。非定常流场采用基于ALE描述下的非定常Euler方程进行描述,流场采用格心格式的有限体积法进行求解。流固耦合界面信息采用径向基函数插值方法进行传递。数值结果表明,与具有理论解的一维弹簧活塞问题比较,位移及速度与理论解均能较好的吻合,说明本文采用的串联弱耦合方法在流固耦合问题数值模拟中具有可靠的计算精度。基于程序框架,采用有限元软件ABAQUS作为固体求解器进行集成,对于破坏单元采用ABAQUS软件的删单元方法进行判断,并引入虚拟网格通气技术,将破坏网格作为通气状态处理。对墙体在受到爆炸冲击荷载作用的破坏过程进了行数值模拟,并对车体受到爆炸冲击荷载作用下的弹塑性变形行为进行了数值模拟。


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