霜状冰结冰数值模拟研究

提出了一种三维霜冰结冰的数值模拟方法。基于欧拉-拉格朗日法计算空气-水滴两相流流场,获得了表面水滴撞击特性以及撞击量,求解质量守恒和能量守恒方程获得网格单元内的结冰量,三维霜冰的结冰计算程序采用用户自定义（UDF）编写,FLUENT提供的动网格功能实现了结冰后的网格重构。计算了4°攻角,液态水含量为1 g/m3,水滴直径20μm,结冰时间6 min,温度分别为-19.4°和-28.3°时NACA0012翼型的结冰,并与相关文献结果进行了对比,计算结果与文献实验结果吻合较好,验证了方法的合理性和可靠性。分析了不同的粒径、液态水含量、来流速度等对撞击特性以及结冰的影响,随着粒径、来流速度的增加,水滴收集系数、撞击区和结冰厚度增大,随着液态水含量的增加,水滴收集系数和撞击区是不变的,但是结冰厚度增加。     

薄膜反射面结构新型折展方案设计

基于薄膜结构模拟方式的对比分析,选用VUMAT子程序修改了考虑褶皱问题的膜单元的本构关系,解决了膜单元不能承受压应力的问题。采用三维数字图像相关（3D-DIC）方法对聚酰亚胺薄膜材料进行性能测试,试验表明带折痕的薄膜材料的等效模量比无折痕的薄膜材料低15%左右。在考虑折痕弹性模量差异的基础上采用显式计算方法对Miura折纸的展开过程进行了仿真,并基于平面度和最大应力2个指标对不同数量加载点的情况进行了对比,结果表明,加载点数量增多对结构的平面度和最大应力指标均是有利的。最后,基于薄膜结构找形和Miura折纸概念提出一种新的薄膜折叠方案。     

针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

基于渐进损伤的纤维全缠绕铝内胆气瓶自紧工艺

采用渐进损伤的分析方法对纤维全缠绕铝内胆气瓶的力学行为进行分析。基于三维Hashin失效准则,自定义刚度折减方案,编译VUMAT子程序,实现了复合材料层合板损伤的产生和演化过程的模拟。依据经典网格理论并结合实际情况,建立气瓶有限元模型。分析了复合材料层渐进损伤发展和累积的过程,验证了自紧工艺对提高气瓶承载力的必要性,提出了合理的自紧力范围。研究结果表明,损伤发生的顺序或可能性:基体拉伸拉伸分层纤维拉伸/基体压缩,且损伤大都从螺旋缠绕层开始。除基体拉伸损伤由封头向筒体发展,由复合材料外层向内层发展,其余损伤大都从筒体中部向两端发展,由内层向外层发展。当自紧力为最大工作压力的1.5~1.65倍时,气瓶的应力分配得到改善,承载能力得到提高。从减少复合材料的损伤和最大程度降低内衬应力的角度,最优自紧力应为最大工作压力的1.5倍。     

基于Fluent计算的火箭离轨姿态运动仿真与分析

在航天器姿态运动分析中常遇到液体的流动、晃动及流/固耦合等问题,针对这类问题建立精确的数学模型是很困难的,通常需要利用数值计算和仿真手段进行分析。利用用户互动功能(UDF),引入自定义的变量源函数,应用Fluent对运载火箭离轨姿态控制进行剩余燃料的流场数据分析。通过在流体运动方程中加入相关的牵连运动,得到在轨运行状态下贮箱内剩余液体的运动参数和对贮箱的干扰力矩,为运载火箭系统的姿态运动分析和仿真提供运算参数,使得流场的变化与运载火箭的姿态运动相关联,分析各个时刻流场运动状态对箭体姿态的影响。     

基于动网格技术帆板摇帆空气动力特性分析

摇帆能改善帆的气动特性,提高帆板动力,利用CFD软件FLUENT模拟计算摇帆的非稳态过程,采用动网格技术实现摇帆的非稳态过程,通过用户自定义函数(User-Defined Function,UDF)定义摇帆的周期性运动,计算模拟得到摇帆空气动力特性的变化过程,与稳态帆比较了帆面气压分布、升力阻力系数,并对平摇转摇的气动特性进行对比分析,结果表明摇帆能大幅提高帆的气动特性.     

ADAMS用户子程序在软着陆动力学仿真中的应用

软着陆是实施月球表面探测的一项关键技术,为得到月球着陆器的着陆性能,采用ADAMS软件进行动力学仿真。由于着陆器缓冲装置中常采用铝蜂窝结构,且它具有独特的力学特性,仿真时采用了用户子程序,通过在“阿波罗”试验模型中加载子程序实现了系统仿真。最后将仿真结果和相关数据比较,验证了该子程序和建模方法的正确性。     

归一化参数蠕变模型的程序实现与验证

为了准确模拟实际构件的蠕变行为和应力松弛效应,在通用有限元程序环境下,利用其提供的用户可编程特性工具,将所发展的一种能完整描述蠕变3个阶段变形特征的归一化参数模型编制成用户子程序.考查了子程序计算结果与试验数据的差异、时间步长对计算结果的影响,并对不同规模有限元模型的计算耗时作了对比分析.针对变载(应力、温度)情形,在子程序中实现了时间硬化理论和应变硬化理论,并提出的介于两者之间的相对时间硬化理论.对带孔平板进行了实例计算,表明所发展的模型能够与有限元结果对实际结构进行蠕变模拟,计算结果的规律说明所发展的方法可较好地模拟实际构件的蠕变行为和应力松弛效应,验证了子程序的有效性.      

往复节流式正脉冲发生器性能分析CSCD

在石油开采与钻探领域,脉冲发生器作为旋转导向系统井下信号传输系统的重要组成部分,提高压力脉冲幅值有助于提升旋转导向系列产品的市场竞争力。为了揭示其工作原理及提高压力脉冲幅值,基于计算流体动力学,利用用户自定义函数(UDF)、动网格技术、非牛顿流体模型,借助Fluent平台对往复节流式正脉冲发生器进行了动态数值实验。利用离散形式的动量方程将主阀体与电磁阀的被动运动转变为主动运动,选择适用于k-ε湍流模型的赫-巴非牛顿流体本构方程描述泥浆,提高了计算的收敛性与运动的可控性。基于非牛顿流体的流固耦合方法,更真实地模拟了脉冲器在井下工作过程。结果表明限流环内径越小或入口排量越大,则压力脉冲幅值与信号发生频率越大。     

喷嘴损伤对环形回流燃烧室性能的影响

利用Fluent商用软件对模型环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场进行了数值模拟，研究了喷嘴损伤引起雾化效果变化对燃烧室性能的影响，采用可实现的k-ε模型模拟湍流黏性、离散相模型（DPM）通过添加UDF(user defined function)程序追踪燃油运动轨迹、正庚烷作替代燃料及层流小火焰模型.计算结果表明:采用的数值模拟方法可以预估实际燃烧室燃烧流场以及喷嘴损伤对其性能的影响，雾化性能变化导致燃烧室出口温度分布不均匀度升高，品质降低，并导致燃烧室燃烧效率降低；当燃油流量降低约19%时，燃烧室性能已不符合运行要求.