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岩石和钢结构受冲击波作用动力学响应的计算研究

刘亚东  
【摘要】: 本文研究冲击载荷作用下的流固耦合问题。采用TVD格式求解Euler方程,得到爆炸流场数值解,采用等参有限元求解Lagrange坐标系下的虚功方程,得到固体动态响应数值解。以现有计算程序为基础,针对冲击载荷作用问题,添加了弹塑性本构和岩石本构(帽盖模型)计算模块,将LS-DYNA软件单元失效法引入本计算程序,用于断裂问题的有限元模拟,使计算程序具有模拟应力波传播和裂纹扩展等初步功能。选择弹塑性波在长杆中传播和薄板中不同倾角裂纹动态扩展问题,本文考核所用计算方法和计算程序,并对含内构件管道充入H2/空气预混气爆燃和油井下单发射孔弹工作过程的流固耦合问题进行了数值研究。 本文主要内容简述如下: (1)第一章介绍研究背景、相关研究进展和本文主要内容。 (2)第二章介绍了流固耦合问题计算的控制方程、数值方法和定解条件,重点介绍了固体计算的控制方程和有限元方法。 (3)第三章主要介绍弹塑性本构和岩石本构关系及其本构的数值解法,还简要介绍了本文所用断裂准则及单元失效方法。 (4)在第四章,选择长杆的应力波传播和不同倾角裂纹动态扩展问题,验证本文数值方法和计算程序。 (5)第五章求解和冲击波加载相关的、典型的流固耦合问题:①含内构件复杂管道中充入H_2/空气预混气,经点火爆燃后产生冲击波,计算了爆炸流场和冲击波与管道、内构件相互作用的动态响应过程。②针对油井中单发射孔弹,点火后形成高温高压气体在水中膨胀,形成冲击波作用于钢套管、岩石(射孔),本文对该过程进行了数值模拟。


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