内流场-曲边柱壳-多刚体系统紧耦合算法及分析

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1、分类号学号M201271502学校代码10487密级硕士学位论文内流场-曲边柱壳-多刚体系统紧耦合算法及分析学位申请人：刘立辉学科专业：固体力学指导教师：江雯副教授答辩日期：2015年05月20日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreefortheMasterofEngineeringStrongCouplingAlgorithmandAnalysisofaInnerFlowField-CurvedBoundaryCylindricalShell-Ri

2、gidBodySystemCandidate:LiulihuiMajor:SolidMechanicsSupervisor:Assoc.Prof.JiangWenHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全

3、意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月华中科技大学硕士学位论文摘要曲边柱壳-多刚体系统由于其

4、质量轻、刚度大、变形过程发生大位移小应变等特点，广泛应用于航空航天、国防科技、机械电力等相关领域。此前对该系统的研究是基于对各组成部分展开独立研究，或是采用简化模型（忽略曲边柱壳）研究系统的动力学行为。本文采用紧耦合算法实现了曲边柱壳与多刚体以及内部流场的真正耦合，研究了外部刚体在内压作用下曲边柱壳膨胀的推动作用下的运动特性，以及在此过程中曲边柱壳的膨胀变形特性。本文首先整合了曲边柱壳在动态内压作用下的非线性变形理论、基于两相流理论的内部压力场分析及外部刚体的运动分析，形成了该系统的完整理论；然后在此基础上，选择了稳定性较好、收敛特性不依赖

5、于耦合条件所在子系统位置和子系统求解顺序的分块牛顿迭代法，设计并实现了曲边柱壳-多刚体系统与内部流场耦合的紧耦合算法。基于所建内流场-曲边柱壳-多刚体系统的理论和求解体系，进一步考察了用流体理论替代控制方程复杂、普遍适用性较差的两相流理论进行内部压力场分析的可能性。计算结果对比分析表明，在固体颗粒在流场空间内的浓度较小的工况下，流体理论替代两相流理论所引起的对曲边柱壳膨胀特性和外围刚体运动特性的影响可以忽略不计。因此，用流体理论进行内部压力场的分析可以同时达到准确仿真和简化模拟的要求。另外，本文还进一步考察了上述流场计算中将复杂的曲边柱壳边

6、界等效为简单的圆柱壳边界的处理方法，讨论了等效系数选取规律。本文所提出的内流场-曲边柱壳-多刚体系统的紧耦合求解算法，具有良好的精度和可靠的收敛性，为进一步研究该系统的动力力学特性打下了良好基础。关键词：曲边柱壳；流固耦合；数值方法；紧耦合I华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTCurvedboundarycylindricalshell-rigidbodysystemhasbeenwidelyappliedinmanyfieldssuchasaerospaceengineering,nationaldefense,mechanicale

7、ngineeringandelectricpowerindustry,duetoitslightweight,highstrengthandthepropertyofexpandingwithlargedeformationbutsmallstrain.Previousresearchonthissystemfocusedoninvestigatingtheindependentcomponentsofthesystem,orstudyingthewholesystembyadoptingsimplifiedcomputationalmod

8、el(e.g.,byignoringthecorrugatedshell).Inthisthesis,astrongcouplingalgorithmispresentedtos