基于流固耦合方法的气囊展开数值模拟研究

摘要

气囊被广泛地应用在军事、航空、船舶、汽车和其他的领域。由于气囊易变形而吸能被应用于战车、大型贵重仪器或物资的空投，船舶上排下水；其浮力效应被人们应用于飞机水上迫降、沉船打捞，等等。对气囊的研究多基于实物实验，但实物实验投资大，周期长，结果数据不全面。随着计算机硬件和软件技术的快速发展，可以利用数值模拟技术来对气囊展开进行模拟分析，数值模拟以其代价低周期短可重复性高的优点被广泛应用于各个领域。目前，对气囊展开的数值研究主要采用基于热力学理论的CV(Control Volume)方法，该方法虽然计算速度快，也可以得到很好的结果，但并不能准确模拟气囊的展开过程特别是气囊展开的初始阶段，因此可以采用考虑高速气体与气囊织物相互作用的流固耦合ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)方法。 提起气囊，人们更为熟悉的是汽车用气囊，因此本文借助于汽车用气囊，利用显式有限元软件LS-DYNA对气囊展开的流固耦合ALE方法进行了研究和数值模拟。文中首先给出了一种折叠气囊的规则网格的划分方法，介绍了复杂三维形状气囊的有限元模型的建立过程，为了验证供给气囊展开所需气体的气体发生器的质量流动率的可靠性和正确性，分别用CV和ALE方法进行Tanktest计算，计算结果显示ALE方法得到的容箱内的压力与实验结果完全符合，这也初步验证了ALE方法的正确性。随后分别对展平汽车用气囊和折叠汽车用气囊用ALE方法充气展开，得到气囊中某位置的压力时程与实物实验结果基本相符。 最后将汽车用气囊展开计算方法应用到一种水下气囊，其中气囊采用CV展开，气囊与周围水介质的作用采用ALE计算，并分别计算了单独气囊和带重物气囊两种情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1流固耦合ALE方法

1.2气囊介绍

1.3本文所用软件介绍

1.3.1 FEMB软件介绍

1.3.2 MADYMO软件介绍

1.3.3 LS-DYNA软件介绍

1.4本文内容结构

2理论基础

2.1 ALE方法

2.1.1 ALE运动学描述

2.1.2ALE描述的基础方程

2.1.3 ALE描述的控制方程

2.2接触算法的有限元理论

2.4时间步长控制

2.3气囊基本理论和展开方法

2.3.1 BT壳单元/膜单元

2.3.2气囊CV展开方法

3汽车用气囊研究

3.1气囊有限元模型建立

3.2.1网格划分

3.2.2内置子气囊建模

3.2.3外气囊建模

3.2.4气囊折叠

3.2.5气体发生器建模

3.2接触实现

3.3耦合实现

3.4算例

3.4.1Tanktest

3.4.2气囊计算结果

3.5本章小结

4水下气囊研究

4.1模型建立

4.2单独气囊

4.3带重物气囊

4.3本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢