本文關(guān)鍵詞：氣囊展開及其與環(huán)境相互作用計(jì)算技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： ALE方法 氣囊展開 動(dòng)力松弛法 入水緩沖 方差分析 優(yōu)化

【摘要】：氣囊展開是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,涉及到氣體流動(dòng),柔性材料的非線性大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng),流固耦合以及氣囊與外部環(huán)境間的相互作用。研究氣囊展開問題,對(duì)揭示其緩沖機(jī)理,評(píng)估其作業(yè)過程中的安全性,具有非常重要的工程意義。在氣囊的研發(fā)過程中,與耗資大、周期長的物理實(shí)驗(yàn)相比,數(shù)值實(shí)驗(yàn)具有成本低、效率高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)得到研究者的青睞。人們不斷完善和開發(fā)各類氣囊數(shù)值模型來提高模擬的精度。而影響計(jì)算精度的主要因素包括氣體模型的表達(dá),柔性材料大變形、大轉(zhuǎn)動(dòng)的處理,氣囊網(wǎng)格初始狀態(tài)的建立以及環(huán)境結(jié)構(gòu)的響應(yīng)等幾個(gè)方面。本文針對(duì)以上因素應(yīng)用任意拉格朗日歐拉方法(ALE)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了數(shù)值分析,具體內(nèi)容包括：1.在ALE方法中引入氣源模型,精確定義了氣體發(fā)生器出氣孔的位置、面積及氣體流動(dòng)方向,能夠詳細(xì)地描述氣體的流動(dòng),為氣囊進(jìn)一步在展開、沖擊計(jì)算中的精確求解奠定了基礎(chǔ)。目前,充氣的數(shù)值模型主要分為兩種。一種是從熱力學(xué)方程出發(fā),將求解的氣體壓力加載在氣囊表面計(jì)算其展開,即均勻壓力模型,這種充氣模型無法模擬真實(shí)的氣體流動(dòng)；另一種是壓力流入模型,它應(yīng)用了任意拉格朗日歐拉(ALE)方法模擬氣體流動(dòng),較均勻壓力模型有很大提高,但它簡化了氣體發(fā)生器的模型,只能計(jì)算單一氣體的流入,同時(shí)忽略了氣體發(fā)生器排氣孔的噴射特性及氣體的初始流動(dòng)方向。2.氣囊的有限元建模是提高模擬精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)于初始展平的氣囊模型可以直接按照其幾何構(gòu)建對(duì)應(yīng)的有限元模型。而初始狀態(tài)復(fù)雜、褶皺的氣囊,通常的做法是對(duì)模型進(jìn)行簡化,這種簡化使計(jì)算偏離試驗(yàn)狀態(tài),計(jì)算準(zhǔn)確性大大降低。本文結(jié)合氣囊展開試驗(yàn)的初始下垂、褶皺狀態(tài),以氣囊三維設(shè)計(jì)展開形狀為基礎(chǔ),應(yīng)用基于動(dòng)力松弛法的計(jì)算手段反向還原了氣囊在重力作用下下垂的有限元初始網(wǎng)格。與試驗(yàn)的對(duì)比表明良好的初始網(wǎng)格可以獲得與試驗(yàn)高度一致的展開形狀、氣體壓力、沖擊力。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法(DOE)對(duì)影響氣囊展開效能的因素進(jìn)行了方差分析(ANOVA),給出了影響壓力峰值及峰值時(shí)間的顯著性因素。3.對(duì)氣囊作業(yè)過程的模擬在保證氣囊高精度計(jì)算的同時(shí)還需要準(zhǔn)確描述外部環(huán)境的狀態(tài)。熱塑性氣囊盒在氣囊展開過程中受沖擊載荷作用發(fā)生破壞,其材料失效參數(shù)的確定是正確求解的關(guān)鍵所在。靜拉伸試驗(yàn)無法反應(yīng)材料受沖擊時(shí)的復(fù)雜響應(yīng),文中通過不同加載速率的拉伸試驗(yàn)獲得了熱塑性材料應(yīng)變率相關(guān)的材料屬性。進(jìn)一步以沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本空間,失效參數(shù)作為自變量,計(jì)算值作為響應(yīng)值,二者間的均方差為目標(biāo)函數(shù),應(yīng)用參數(shù)識(shí)別方法反向獲取了材料的失效參數(shù),并通過補(bǔ)充試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,解決了熱塑性材料斷裂的求解問題。4.封閉空間內(nèi),柔性材料在固壁及動(dòng)邊界條件下的大變形響應(yīng)及邊界的運(yùn)動(dòng)是求解的難點(diǎn)。通過氣囊技術(shù)的引入并結(jié)合非線性動(dòng)力學(xué)的計(jì)算,求解了柔性材料在氣體壓縮／膨脹階段的高頻動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。文中就液壓蓄能器隔膜破壞的算例進(jìn)行了求解,通過應(yīng)用控制體積法結(jié)合脈動(dòng)載荷的加載計(jì)算了柔性面在交變動(dòng)載作用下的力學(xué)響應(yīng)。分析表明橡膠隔膜在動(dòng)載下的殘余應(yīng)變引起了局部褶皺和應(yīng)力集中,通過減小隔膜的表面積可有效改善其工作中的應(yīng)力水平。此外,多級(jí)航行體的級(jí)間冷分離是利用高壓氣體推動(dòng)前后兩級(jí)使之分離,屬于柔性材料在動(dòng)邊界條件下的展開。分離過程中涉及到前后兩級(jí)的運(yùn)動(dòng)、柔性織物的運(yùn)動(dòng)及二者之間的耦合。常規(guī)分析方法僅考慮了前后級(jí)在壓力作用下運(yùn)動(dòng)的理想模型,忽略了織物材料在分離過程中摩擦、溢出等因素的影響。文中,級(jí)間的壓力腔可視為氣囊模型,結(jié)合控制體積方法求解了氣囊的展開及前后級(jí)的運(yùn)動(dòng),得到了前后級(jí)分離過程中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。5.氣囊在作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,除常見的結(jié)構(gòu)環(huán)境外還有高壓氣體、水環(huán)境等。氣囊在水環(huán)境中的緩沖變形包含了氣、夜、固三相間的耦合,使得此類問題變得非常復(fù)雜。本文將氣囊技術(shù)及ALE方法對(duì)大變形問題的適用性有機(jī)地結(jié)合起來,通過數(shù)值模擬對(duì)飛機(jī)水面降落氣囊緩沖問題進(jìn)行了分析,給出了氣囊及連接部的載荷特點(diǎn),為氣囊及局部連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了重要參考。
【關(guān)鍵詞】：ALE方法 氣囊展開 動(dòng)力松弛法 入水緩沖 方差分析 優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V244
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-22
• 1 緒論22-32
• 1.1 問題提出與研究意義22-24
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展24-27
• 1.3 顯式動(dòng)力分析理論研究27-30
• 1.3.1 動(dòng)力學(xué)基本方程27-28
• 1.3.2 非線性接觸理論28-30
• 1.4 本文主要研究思路與內(nèi)容30-32
• 2 氣囊展開數(shù)值模擬的理論研究32-45
• 2.1 控制體積方法32-36
• 2.2 基于ALE方法的氣囊計(jì)算36-45
• 2.2.1 ALE方法描述37-39
• 2.2.2 ALE方法的控制方程39-45
• 3 無限空間氣囊自由展開動(dòng)力學(xué)研究45-87
• 3.1 引言45-46
• 3.2 氣體發(fā)生器充氣流動(dòng)特性研究46-52
• 3.3 無折疊氣囊的展開研究52-71
• 3.3.1 無折疊氣囊展開試驗(yàn)研究52-54
• 3.3.2 無折疊氣囊展開的數(shù)值計(jì)算54-62
• 3.3.3 氣囊動(dòng)力松弛方法的反向建模62-66
• 3.3.4 無折疊氣囊展開沖擊計(jì)算66-71
• 3.4 氣囊展開的參數(shù)分析71-76
• 3.5 折疊氣囊的建模及計(jì)算76-85
• 3.6 小結(jié)85-87
• 4 有限空間內(nèi)氣囊展開動(dòng)力學(xué)研究87-155
• 4.1 引言87
• 4.2 氣囊盒撕裂線的破壞87-108
• 4.2.1 應(yīng)變率相關(guān)材料模型88-91
• 4.2.2 帶撕裂線PP試件模型研究91-94
• 4.2.3 聚丙烯塑料失效的參數(shù)識(shí)別94-98
• 4.2.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證98-108
• 4.2.5 小結(jié)108
• 4.3 塑料間熔接強(qiáng)度研究108-125
• 4.3.1 試件加工110-111
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)方法111-113
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析113-115
• 4.3.4 熔接強(qiáng)度的數(shù)值研究115-125
• 4.4 氣囊盒沖擊試驗(yàn)研究125-133
• 4.5 氣囊與氣囊盒的耦合研究133-134
• 4.6 氣囊的破壞及優(yōu)化研究134-145
• 4.6.1 材料模型136-138
• 4.6.2 蓄能器氣囊數(shù)值模型138-139
• 4.6.3 計(jì)算結(jié)果及分析139-144
• 4.6.4 小結(jié)144-145
• 4.7 壓力助推分離技術(shù)的氣囊模擬145-153
• 4.8 小結(jié)153-155
• 5 氣囊與外部水面相互作用研究155-165
• 5.1 引言155
• 5.2 氣囊水面著陸緩沖數(shù)值研究155-163
• 5.3 小結(jié)163-165
• 6 結(jié)論與展望165-167
• 6.1 結(jié)論165
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)165
• 6.3 展望165-167
• 參考文獻(xiàn)167-174
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果174-175
• 致謝175-176
• 作者簡介176

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本文編號(hào)：554650