《囊結構流固耦合動力學問題的數值計算方法及套用》是依託上海交通大學，由金先龍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：囊結構流固耦合動力學問題的數值計算方法及套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：金先龍
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
囊結構在國防裝備、航空航天、交通運輸等領域的套用愈來愈多。囊結構流固耦合動力學問題的數值計算對於提升囊結構的自主開發能力具有重大的理論意義和實用價值。囊結構流固耦合動力學問題數值計算的難點在於：一是強非線性：既有材料非線性、幾何非線性，還有氣-液-固三相耦合產生的邊界非線性；二是海量計算：計算模型自由度規模大，多相耦合疊代計算非常複雜，計算時間長。本項目提出採用多物質ALE理論，建立囊結構氣-液-固三相耦合的精細模型；採用分步計算方法，考慮囊結構充載和平衡狀態的影響；採用流固耦合計算量均衡的區域分割並行計算方法，提高並行計算效率。通過本項目的研究，最終形成囊結構流固耦合動力學問題高性能數值計算的系統性理論與方法，既可以提高計算精度，又可以減少計算時間。並將這種囊結構流固耦合動力學問題的高性能數值計算方法套用于海岸儲水囊和海上漂浮囊的設計，縮短設計周期，降低研製成本，提高產品質量。
結題摘要
近年來，囊結構的套用越來越多。例如，用於地面運輸的車載運水囊，用於水上運輸的海上運油囊，用於空中運輸的空投水囊等。在我國，囊結構的設計還主要採用“經驗設計-樣件試製-試驗驗證”的傳統方法。為了達到產品性能和質量要求，需要多次反覆。導致新產品研製周期長、成本高。因此，採用數值計算技術實現囊結構的有理設計和最佳化設計，對於提高我國國防裝備的自主研製能力具有重要的理論意義和實用價值。 囊結構流固耦合動力學問題的數值計算方法的難點在於：第一，強非線性。必須考慮編織複合材料的本構關係非線性、囊體大變形導致的幾何非線性、以及氣-液-固三相耦合產生的邊界非線性。第二，海量計算。為了避免流固耦合計算中的泄漏，固體和流體有限元模型的單元尺寸必需足夠小。為了減少有限邊界的影響，囊外流體模型的外廓尺寸必須足夠大，從而導致囊結構流固耦合動力學計算模型的自由度數量巨大。 針對以上難點問題，本項目對囊結構流固耦合動力學問題的數值計算方法進行了深入和系統研究，取得了如下主要創新性的研究成果： （1）提出了基於多物質ALE理論的精細建模方法。採用多物質ALE理論，建立囊體結構、囊內流體和囊外流體的精細有限元模型；建立囊結構與囊內流體、囊結構與囊外流體、囊內部的氣體與液體、囊外部的氣體與液體的耦合模型，使囊結構的仿真模型更加接近真實狀態。 （2）提出了考慮充載和平衡狀態的分步計算方法。將囊結構流固耦合動力學問題數值計算的整個過程分為三大步：囊結構充載狀態的數值計算、囊結構平衡狀態的數值模擬和囊結構工作狀態的數值計算，使囊結構的仿真模擬可以描述整個工作過程。 （3）提出了耦合計算負載均衡的並行計算方法。採取區域分割方法將囊結構流固耦合動力學整體模型分解為若干個子區域，使每個子區域的流固耦合計算量和動態接觸計算量儘量相等，計算負載更加均衡，提高了並行計算效率，縮短了囊結構仿真模擬時間。 （4）將本項目研究成果套用于海岸儲水囊和海上漂浮囊的設計。海岸儲水囊採用編織複合材料製造，使用時內部裝滿淡水，不加固定的放置在海灘上。漂浮囊採用編織複合材料製造，內部充滿氣體，利用浮力將裝備浮出水面，並在海面上漂浮。通過採用囊結構流固耦合動力學問題的數值計算方法，縮短了設計周期，降低了研製成本，提高了產品質量。 本項目的研究成果可以套用於各類囊結構的設計和分析，具有廣泛的工程套用前景和實用價值。
