大型薄壁结构与大晃动粘性流体的流固耦合数值研究

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大型储液容器在很多工业部门中广泛使用,但其在地震中的破坏却会导致十分严重的灾害。所以,世界各国几十年来一直在进行储液容器的抗震研究,虽然取得了一些研究成果,但在很多问题上还没有达成共识。鉴于储液容器在理论模型和实验测试研究方面具有的高度复杂性,本文采用有限元方法将储液容器作为大型薄壁结构和大晃动粘性流体组成的流固耦合问题进行数值研究。 为了研究大型薄壁结构,本文首先构造了一种高性能8结点实体壳元。对于这种具有8结点实体单元外形的单元,通过组合ANS方法和EAS方法对所有应变场都进行了重构处理来提高单元的性能,从而彻底避免了剪切锁死、薄膜锁死、厚度锁死和曲率锁死。数值算例表明,ANS方法和EAS方法在8结点实体壳元中的作用是相辅相成的,二者共同来保证实体壳元的高性能特征。 本文还研究了这种实体壳元的各种非线性分析格式。对于大型薄壁结构这种大位移小应变问题,采用全Lagrange格式、向后Euler法和罚函数法分别构造几何非线性、材料非线性和边界非线性分析格式。对于应力场的更新计算问题,构造了一种基于ANS方法的高效算法。计算结果表明,8结点实体壳元在各种非线性分析中的性能完全可以达到甚至超过二次实体单元。 对于粘性流体大晃动问题,本文建立了一种高效ALE分步有限元格式。ALE描述下网格可以自由运动,而在分步有限元中速度和压力可以等阶插值。另外,本文还三种措施来提高晃动问题的精度,即通过压力修正来精确满足不可压条件、通过速度修正精确跟踪液面和通过引入稳定项避免解的振荡。数值结果表明,上述这些方法对分析长时间尺度大流体晃动问题都是非常必要的。 本文最后构造一种流固耦合求解格式,来实现储液容器实例计算分析。在导出流固耦合问题的数学模型和有限元模型后,给出了耦合方程的分步迭代求解格式。对于这种格式涉及到的变量传递问题,构造了一种高效的点线模型。储液容器的流固耦合实例分析,不仅表明了这种求解格式的可行性和高效性,而且还对容器结构在流体晃动下的破坏机理进行了初步解释。
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