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流固耦合与接触冲击算法的研究及实现

刘磊  
【摘要】:本文主要研究两部分内容,涉及冲击载荷作用的流固耦合问题和接触冲击问题。本文中流场数值计算部分采用TVD格式求解流场的Euler方程,固体数值计算部分采用三维等参有限单元求解Lagrange坐标系下的虚功方程,接触冲击算法部分采用Pinball Method求解接触面上主从单元间的接触力。基于现有计算程序平台,添加了可压缩型岩土和泡沫材料与粘弹性材料两种本构关系。计算了复合射孔弹起爆后火药的燃烧场及其在水中的传播,在流场冲击载荷被施加到岩石材料的情况下,模拟了岩石材料的动力学响应,得到了岩石动态破碎区域分布,及其与加载参数之间的关系。针对预置不同角度裂纹的板结构,分析了其受到冲击载荷后,裂纹的扩展规律,裂纹周围应力场的分布。采用Pinball Method实现了接触冲击算法,对此算法在一维弹性接触碰撞,三维低速碰撞和三维高速碰撞等情况下的计算结果进行了考核。进一步计算了包含流固耦与接触冲击的算例,得到了一系列的计算结果。 本文的主要内容简述如下: 1.第一章介绍了本文的研究背景,相关领域的研究进展以及本文的主要研究内容。 2.第二章介绍了本文固体和流体计算,接触冲击算法的理论基础,重点介绍了固体有限元方法和接触冲击算法的理论基础,离散形式,边界条件及数值解法。 3.第三章第一部分介绍了所添加的两个本构关系,第二部分第一个算例计算了涉及流固耦合的火药燃烧场计算,岩石受高温高压燃气压裂过程,动态破碎区分布。第二个算例计算了受到冲击载荷后,预置不同角度裂纹板裂纹的扩展规律及裂纹周围应力场的变化规律。 4.第四章详细介绍了接触冲击算法的具体实现。采用Pinball Method来实现接触算法,接触力采用了两种不同的求解方法,二者有各自的适用范围,并用三类算例对程序进行了考核验证。 5.第五章主要是流固耦合计算与接触冲击计算的进一步算例。 6.第六章是本文的结论,以及下一步的研究建议。


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