柔性儲(chǔ)液容器數(shù)值計(jì)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(duì)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(zhēng)的需要極不適應(yīng)。而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，后勤保障能否到位將成為制約戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的直接因素之一?？胀秲?chǔ)液容器與車載儲(chǔ)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(chǎng)補(bǔ)給方面發(fā)揮了重要作用，各國(guó)都對(duì)此展開了相關(guān)研究。此外自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的供水問題也是搶險(xiǎn)救災(zāi)所面臨的重要問題之一。因此，我國(guó)開展了針對(duì)國(guó)防設(shè)備與搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的空投儲(chǔ)液容器與車載儲(chǔ)液容器等相關(guān)柔性

2、容器的研究。通過數(shù)值方法計(jì)算該類柔性容器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，可確定儲(chǔ)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(chǔ)液容器易破損位置，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行研究不但具有現(xiàn)實(shí)意義，也具有很強(qiáng)的理論意義。針對(duì)儲(chǔ)液容器的研究現(xiàn)狀與實(shí)際需要，論文主要涉及四個(gè)方面的研究，即儲(chǔ)液容器材料性能參數(shù)的數(shù)值預(yù)測(cè)、柔性儲(chǔ)液容器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬方法、針對(duì)流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的并行計(jì)算及空投儲(chǔ)液容器與車載儲(chǔ)

3、液容器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。
　　對(duì)于材料性能參數(shù)數(shù)值預(yù)測(cè)的研究，主要是由于該類容器采用了柔性的織物增強(qiáng)復(fù)合材料，其性能參數(shù)不易測(cè)量。論文提出了考慮增強(qiáng)材料方向的單胞模型建模方法，首先根據(jù)材料的實(shí)際卷曲模型尺寸建立材料的單胞模型，在劃分網(wǎng)格時(shí)要保證單胞模型的相對(duì)面上的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，模型不但考慮了紗線的空間構(gòu)型，也考慮了增強(qiáng)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(cè)?；谏鲜龇椒?，本文首先針對(duì)已有的織物材料進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并

4、與其他學(xué)者的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證了該方法的正確性。然后利用該方法預(yù)測(cè)了該類柔性儲(chǔ)液容器的材料性能參數(shù)，并將這些參數(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)液容器結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算。
　　對(duì)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(chǔ)液容器動(dòng)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(duì)控制方程求解時(shí)，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(jì)算，然后進(jìn)行網(wǎng)格的平滑與對(duì)流計(jì)算。另一方面，結(jié)合該類儲(chǔ)液容器研究的實(shí)際需要，提出了全三維非線性的擬實(shí)建模方法，并建立空投儲(chǔ)液容器與車載儲(chǔ)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(duì)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(yùn)動(dòng)的方式，保證計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的穩(wěn)定性;對(duì)于儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)，且考慮了耦合的阻尼作用。此外，模型考慮了儲(chǔ)液容器的多處接觸行為，在縮短計(jì)算時(shí)間的同時(shí)，使得結(jié)果更加接近真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
　　對(duì)于流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的并行計(jì)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(duì)流與平滑計(jì)算及流體與結(jié)構(gòu)間的耦合計(jì)算等非線性計(jì)算都是十分耗時(shí)的，普通的串行計(jì)算技術(shù)無法勝任，因此采用了并行計(jì)算技術(shù)?，F(xiàn)有的并行計(jì)算研究主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算或是流體的計(jì)

7、算，涉及流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的計(jì)算研究較少。且現(xiàn)有的以各節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)均衡的分區(qū)策略，沒有考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量可能的不同，從而影響了并行計(jì)算效率。本文根據(jù)柔性儲(chǔ)液容器動(dòng)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(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jì)算的負(fù)載均衡二分算法，從而保證了各節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡，并把該方法分別應(yīng)用到空投儲(chǔ)液容器和車載儲(chǔ)液容器的有限元模型計(jì)算上。相對(duì)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(chǔ)液容器與車載儲(chǔ)液容器的有限元模型上，通過顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA計(jì)算了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性。對(duì)于空投儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)液容器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。對(duì)于車載儲(chǔ)液容器，采用了控制體積法與下拉拉帶到實(shí)測(cè)位置固定的方式獲得了儲(chǔ)液容器運(yùn)行前的初始狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)其在制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎及裝卸過程進(jìn)行了