Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статьи журнала - Вычислительная механика сплошных сред
Все статьи: 750
Статья научная
Выполненное численное моделирование представляет собой методологическую и доказательную основу проведенных ранее экспериментов по стационарной термоконцентрационной конвекции в газовых смесях сухого воздуха и паров ундекана или воды. Экспериментальные данные получены двумя способами: термопарный метод применен для измерения данных количественного описания теплового потока, а голографическая интерферометрия - для наглядного изображения движения прозрачной газовой смеси (как альтернатива цифровой трассерной визуализации (PIV)). Конвекция, обусловленная одновременным действием градиентов концентрации пара и температуры, описывается отношением концентрационного и теплового чисел Рэлея для газовой смеси при одинаковой средней температуре. Количественные данные термопарных измерений интерпретируются в предположении об одновихревом квази-2D течении в прямоугольной конвективной ячейке размерами 15х´´15х320 мм. Целью работы является проверка и обоснование течения ожидаемого вида путем сравнения экспериментальных и расчетных интерферограмм (поверхностей показателя преломления света), установленных в результате численного моделирования тепловой конвекции сухого воздуха. Граничные условия и геометрия задачи идентичны условиям эксперимента. Уравнения тепловой конвекции в приближении Буссинеска записываются согласно двухполевому подходу. Система дифференциальных уравнений решается методом сеток посредством программы, написанной авторами на языке Python. Экспериментальные интерферограммы обработаны вручную в графическом редакторе LibreOffice Draw. Сделано прямое сравнение около полусотни пар совпадающих экспериментальных и расчетных интерферограмм отвечающих одинаковым значениям температур нагревателя и холодильника ячейки. Прямое сравнение расчетных и измеренных данных подтвердило прогноз образования одновихревого квази-2D конвективного течения газа.
Бесплатно
Статья научная
Обсуждается проблема перехода от системы двумерных уравнений микрополярной (моментной) теории упругости в тонкой криволинейной области к одномерной системе уравнений деформирования микрополярного упругого тонкого стержня с круговой осью (имеется в виду изогнутый стержень, со срединной поверхностью в виде дуги окружности). При осуществлении этого перехода применяются так называемые обобщенные на микрополярный случай гипотезы Тимошенко. Исходя из них, построена прикладная модель, описывающая напряженно-деформированное состояние при изгибе микрополярного (с независимыми полями перемещений и вращений) упругого тонкого стержня с круговой осью. Показано, что модель включает закон сохранения энергии, энергетические теоремы, вариационные принципы. Все основные функционалы построенной модели получены из функционала двумерной микрополярной теории упругости, содержащего производные перемещений и поворотов только первого порядка. Для решения граничных задач статики и динамики на основе прикладной модели изгиба микрополярного упругого тонкого стержня с круговой осью разрабатывается соответствующий вариант метода конечных элементов (МКЭ). Сформулированы основные понятия и этапы реализации модифицированного МКЭ: дискретизация, выбор основных узловых неизвестных, аппроксимация искомого решения и построение основных разрешающих уравнений. Приведены примеры конечно-элементных решений задач статического деформирования и задач о собственных колебаниях стержней с круговой осью в рамках как микрополярной, так и классической теории упругости. Выполнен сравнительный анализ решений, в результате которого установлены некоторые эффективные свойства стержней с круговой осью при рассмотрении их деформаций согласно микрополярной теории упругости.
Бесплатно
Статья научная
Предложена математическая модель расчёта трёхмерных полей вектора скорости движения водной среды, базирующаяся на уравнениях движения Навье-Стокса и уравнении неразрывности, регуляризированном по Б.Н. Четверушкину в случае переменной плотности. При решении трёхмерных задач диффузии-конвекции для областей, которые по своей протяжённости вдоль одного из направлений существенно меньше, чем по остальным двум пространственным направлениям (мелководные водоёмы), используются схемы последовательного разбиения на задачи - двумерную по горизонтали и одномерную по вертикали. Расчёт двумерной задачи осуществляется по явной схеме, одномерной - на основе схемы с весами. Применение схемы с весами позволяет отойти от главного недостатка явной схемы - жёсткого ограничения на величину временного шага. Заданная погрешность достигается при временных шагах, в 10-30 раз превосходящих шаги явной схемы. Описаны параллельные алгоритмы решения сеточных задач гидродинамики, возникающих при численной реализации в пространственно-трёхмерных областях с «вытянутой геометрией», попеременно-треугольным методом и путём расщепления на двумерную и одномерную задачи. Параллельные алгоритмы, использующие гибридную технологию, продемонстрировали своё преимущество по сравнению со стандартными алгоритмами, базирующимися на технологии MPI и ориентированными на супервычислительные системы. Результаты, полученные при запусках созданного программного обеспечения, показали высокую эффективность алгоритмов разработанных для исследования гидрофизических процессов в Азовском море методами и средствами математического моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Построено полное решение задачи о втором предельном состоянии плоских армированных дисков, вращающихся в установившемся режиме. Конструкции жестко закреплены на внутреннем контуре (на валу) и могут иметь лопатки, прикрепленные к внешнему контуру. Материалы компонентов композиции являются жесткопластическими с возможно разными пределами текучести при растяжении и сжатии. Связующий материал полотна диска может обладать цилиндрической анизотропией. Для структур армирования характерна осевая и радиальная симметрия. Механическое поведение композиции описывается соотношениями структурной модели, учитывающей двумерное напряженное состояние во всех компонентах. Рассмотрены гладкие и кусочно-линейные критерии текучести композиции полотна диска при учете неоднородности структуры армирования и переменности толщины конструкции. Показано, что в общем случае армирования задача оценки несущей способности композитных дисков сводится к численному решению одного нелинейного функционального уравнения относительно предельной угловой скорости их вращения. Для дисков с радиальной, окружной и радиально-окружной структурами армирования получено полное решение задачи в аналитической форме. При этом ортотропный материал связующего подчиняется ассоциированному закону течения, определяемому модифицированным критерием текучести Трески-Ху. Для однородных дисков постоянной толщины проведено сравнение предельных угловых скоростей вращения, рассчитанных по первому и второму предельным состояниям. Продемонстрировано, что армирование позволяет существенно увеличить несущую способность дисков по сравнению с аналогичными конструкциями той же массы, но изготовленными, из традиционных конструкционных материалов, в частности, из высокопрочной стали. Наибольшую несущую способность дискам обеспечивает радиально-окружная структура армирования. Выявлено, что в композитных дисках, находящихся в предельном состоянии, в окрестности внутреннего контура может возникнуть жесткая кольцевая подобласть.
Бесплатно
Потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным нагревом
Статья научная
В работе рассмотрены потоки углового момента во вращающемся слое с локализованным источником тепла. Как известно, ключевым для формирования азимутальных течений во вращающемся слое является транспорт углового момента благодаря меридиональной циркуляции. Перенос углового момента, его стоки и источники существенно зависят от начальных и граничных условий. Основная цель работы заключается в анализе распределения и потоков углового момента в жидкости и на границах слоя при различных значениях управляющих параметров. Исследование проводилось путем лабораторного эксперимента и численного моделирования в отечественном CFD пакете FlowVision. Экспериментальная модель представляла собой цилиндрическую кювету радиусом 15 см, установленную на стенде, обеспечивающем строго равномерное вращение в широком диапазоне скоростей. Толщина слоя жидкости составляла 3 см, верхняя граница была свободной. В качестве рабочих жидкостей использовались различные силиконовые масла. Измерения полей скорости производились при помощи PIV системы «Полис». Экспериментальные измерения и численное моделирование показали, что их результаты хорошо согласуются между собой и подтверждают особую важность радиального переноса углового момента в формировании интенсивного вихря. Обнаружено, что распределение углового момента зависит от управляющих параметров. Так, в результате уменьшения вязкости жидкости, увеличения мощности нагрева или скорости вращения модели распределение углового момента становится неоднородным, что приводит к потере осесимметричности вихря или его распаду. Для описания эволюции структуры вихря проведено детальное изучение переноса углового момента меридиональной циркуляцией, определено расположение стоков и источников углового момента в вязких пограничных слоях вблизи дна и боковых стенок. Исследована структура локализованного циклонического вихря при уменьшении вязкости рабочей жидкости. Продемонстрировано, что потеря устойчивости циклонического вихря связана с перестройкой структуры радиального течения.
Бесплатно
Приближенные двумерные уравнения для вихревого течения в плоском слое с твердыми границами
Статья научная
Рассматриваются приближенные двумерные уравнения для описания турбулентных вихревых течений в плоских слоях жидкости, полученные автором в более ранних работах с использованием приближения мелкой воды и с пренебрежением циркуляционными течениями в поперечном сечении слоя. Показывается, что возвратные течения в сечении слоя, вызванные центробежным эффектом при вихревом течении жидкости, слабо влияют на течение жидкости в плоском слое и ими можно пренебречь.
Бесплатно
Приближенный алгоритм решения задач линейной вязкоупругости
Статья научная
Работа посвящена развитию приближенных методов решения задач линейной теории вязкоупругости. На основе ранее полученных эффективных по времени модулей лагранжевого и кастильянового типов для изотропных тел найдены две пары новых эффективных характеристик. В соответствии с известным подходом механики композитных материалов предполагается, что вязкоупругое тело представляет собой двухкомпонентный композит, один из компонентов которого имеет свойства, определяемые парой эффективных модулей лагранжевого типа; свойства второго компонента задаются парой модулей кастильянового типа. Далее для двухкомпонентного тела записываются выражения эффективных модулей, полученные как осреднения свойств по Фойгту и Рейсcу. Удельное объемное содержание одного из компонент задается в виде некоторой функции времени. На примере двух задач проводится сравнение получаемых с помощью новых эффективных модулей приближенных решений с аналитическими, которое показывает их совпадение в пределах 5%.
Бесплатно
Статья научная
Постулируется существование некоторой несущей среды и предполагается, что эта среда описывается уравнениями классической теории упругости. Далее предполагается, что с каждой точкой несущей среды связано бесконечное количество не взаимодействующих между собой осцилляторов. В результате оказывается, что каждая материальная точка введенной среды состоит всего лишь из одной материальной точки классической теории упругости и связанных с ней осцилляторов. Анализ демонстрирует главное свойство вибрационного поля в этой среде: коэффициент пространственного затухания вибрации имеет конечное значение даже для пренебрежимо малого трения в подвеске осцилляторов. Этот эффект характерен только для модели, в которой учитываются присоединенные осцилляторы. С физической точки зрения он может быть объяснен тем, что подвешенные осцилляторы действуют как динамические поглотители колебаний. Такая модель позволяет определить глобальные свойства поля вибрации сложных инженерных конструкций без учета их несущественных деталей.
Бесплатно
Статья научная
Численная реализация ряда задач механики деформируемого твердого тела приводит к алгебраической проблеме действительных или комплексных собственных значений. При использовании дискретных численных методов, в частности, метода конечных элементов, как с точки зрения погрешностей соответствующего численного метода, так и с точки зрения механического содержания изучаемых задач, имеет смысл решать лишь частичную проблему собственных значений. Данное обстоятельство определяет требование к алгоритму, состоящее в том, что собственные значения должны находиться в порядке их возрастания. В работе предлагается алгоритм решения алгебраической проблемы собственных значений, основанный на использовании метода Мюллера. Демонстрируется, что алгоритм эффективен, но имеет лишь один недостаток, связанный с условием нахождения корней в порядке возрастания при решении алгебраической проблемы комплексных собственных значений. Для устранения этого недостатка к данному алгоритму предлагается дополнительная процедура на основе принципа аргумента. Описывается методика нахождения собственных значений, созданная на основе метода Мюллера и принципа аргумента. Приведены ссылки на работы, которые содержат приложения рассматриваемого алгоритма в задачах механики деформируемого твердого тела.
Бесплатно
Применение виртуальных элементов при определении напряженного состояния оболочек вращения
Статья научная
В работе для описания поведения оболочки используется классическая теория, основанная на гипотезах Кирхгофа-Лява. Предложен подход, который позволяет аппроксимировать модельные уравнения с учетом произвольной внешней нагрузки. При определении напряженного состояния изотропных и ортотропных оболочек вращения от действия локальных нагрузок используются предложенные так называемые виртуальные элементы и метод разложения в ряды Фурье. Приводятся результаты вычислений для оболочек, нагруженных локальными механическими нагрузками различного вида. Проведено сопоставление напряженного состояния, полученного с применением виртуальных элементов, и рассчитанного с использованием метода конечных элементов. Расчеты показали, что применение виртуального оболочечного элемента и предложенное разложение нагрузки в ряд Фурье позволяют понизить размерность задачи на единицу. При этом обеспечивается достаточно высокая точность аппроксимации внешней нагрузки, а следовательно, и вычисленных характеристик напряженного состояния изотропных и ортотропных оболочек вращения.
Бесплатно
Применение итерационно-интерполяционного метода для решения задач математической физики
Статья научная
На основе итерационно-интерполяционного метода разработан алгоритм решения уравнения параболического типа и получена разностная схема для численного решения уравнения вида пограничного слоя с учетом различных режимов течения и в широком диапазоне чисел Рейнольдса и Маха. Полученная неявная разностная схема безусловно устойчивая с погрешностью аппроксимации второго порядка по поперечной и первого порядка по маршевой переменной. Методом пробной функции рассмотрена практическая сходимость разностной схемы.
Бесплатно
Статья научная
На примере задачи деформирования ячейки периодичности волокнистого композиционного материала с нелинейно вязкоупругим связующим рассматриваются численные аспекты применения итерационного метода решения нелинейных задач вязкоупругости, использующего идеи метода «физического погружения». Реализована численная процедура решения, основанная на сведении исходной задачи неоднородной нелинейной вязкоупругости к итерационной последовательности линейных упругих задач для однородного изотропного материала. Исследованы релаксационные процессы, протекающие в элементарной ячейке волокнистого композита при различных уровнях деформации.
Бесплатно
Статья научная
В рамках теории упругости рассмотрена плоская задача определения поля напряжений, возникающего при взаимодействии нескольких близко расположенных круговых отверстий в плоскости в условиях двухосного нагружения на бесконечности. Для решения задачи применен метод мультипольного разложения, основанный на представлении функции скачка смещений в виде суммы мультипóлей. Исследовано несколько вариантов расположения отверстий и их конфигураций. Построены изолинии напряжений в областях взаимовлияния отверстий и в окрестностях их контуров. Особое внимание уделено концентрации напряжений на краях отверстий. Определены точки концентрации и ее величины, проведено сравнение с таковыми у одиночного отверстия при тех же нагрузках.
Бесплатно
Статья научная
Разработана численная модель многослойного вязкого пласта переменной толщины, расположенного на вязком слое, на основе совместной системы уравнений Стокса (в вязком слое) и уравнений Рейнольдса (в многослойном пласте). Проведено аналитическое исследование этой модели и показано различие режимов ее эволюции на малых и больших временах. Методом малого параметра получено асимптотическое условие, позволяющее реализовать сопряжение разнородных уравнений с хорошей аппроксимацией поля скоростей на больших временах. Для включения этого условия в численную модель используется метод проекции градиента. Сравнение аналитического и численного решений показало хорошую точность разработанного метода сопряжения.
Бесплатно
Применение метода проекции градиента к численному решению трехмерной задачи Стокса
Статья научная
Разработан эффективный численный подход к решению трехмерной задачи Стокса в естественных переменных, основанный на сочетании метода конечных элементов с методом проекции градиента, обладающий преимуществами как метода «векторный потенциал-завихренность», так и метода «скорость-давление»: условие несжимаемости выполняется с высокой степенью точности и не существует трудностей при решении задач со свободной границей. Предлагаемый подход позволяет значительно сократить размерность конечно-элементной задачи с сохранением разреженной структуры ее матрицы жесткости. Приводятся численные результаты тестирования на задачах со свободной границей, подтверждающие его преимущества.
Бесплатно
Статья научная
Одно из самых важных преимуществ метода сквозного счета заключается в его способности естественным образом обрабатывать топологические изменения. Вместо явного отслеживания поведения границы раздела сред вводится изоповерхность функции уровня и изучается ее динамика. Это позволяет проводить численное моделирование динамики многофазной жидкости как одной среды с изменяющимися параметрами. Известно, что недостатком метода сквозного счета является возможность появления нефизичных колебаний поля скорости вблизи поверхности раздела сред, возникающих при больших поверхностных силах вследствие погрешности вычисления кривизны поверхности раздела и высоких градиентов других функций в переходном слое. Другой недостаток метода состоит в том, что в ходе моделирования за счет погрешности вычислений масса среды в расчетной области не постоянна. В настоящей работе апробируется несколько модификаций метода сквозного счета, дающих возможность снизить потери масс жидкостей, улучшить сходимость при неявном решении уравнения переноса и уменьшить колебания скорости вблизи границы раздела жидкостей в случае больших значений коэффициента поверхностного натяжения. Предложенные подходы испытаны на решении стандартной тестовой задачи динамики двух несмешивающихся жидкостей.
Бесплатно
Статья научная
В работе с высоким порядком точности исследуется процесс торможения при сверхзвуковом течении газа в прямоугольном трехмерном канале квадратного сечения. На примере торможения сверхзвукового вязкого потока показано образование системы псевдопрямых и икс-образных скачков. Приводится структура течения для различных значений числа Маха. Представлена методика интегрирования уравнений газовой динамики, основанная на WENO-алгоритмах и симметричных конечно-разностных схемах высокого порядка аппроксимации, позволяющая определять характеристики высокоскоростных закритических потоков газа.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается проблема идентификации параметров модели материала Джонсона-Кука с уравнением состояния Ми-Грюнайзена. Проводится конечно-элементное моделирование высокоскоростного ударного взаимодействия двух алюминиевых пластин с помощью программной системы LS-DYNA. В ходе моделирования определяется зависимость скорости свободной поверхности мишени от времени. Исследуется влияние на данную зависимость ряда параметров материала - коэффициента наклона ударной адиабаты, упрочнения, вязкости. Параметры выбираются из условия наилучшего соответствия известным экспериментальным данным. В результате достигается практически полное соответствие результатов численного моделирования и эксперимента.
Бесплатно
Статья научная
На основе пошагового алгоритма с привлечением центральных конечных разностей для аппроксимации по времени разработана математическая модель упругопластического деформирования перекрестно-армированных пластин с изотропно упрочняющимися материалами компонентов композиции. Модель позволяет в дискретные моменты времени находить решение упругопластической задачи по явной схеме. В приближении Кармана сформулирована начально-краевая задача динамического поведения гибких армированных в своей плоскости пластин. При этом учитывается их ослабленное сопротивление поперечному сдвигу. С единых позиций получены разрешающие уравнения, соответствующие двум вариантам теории Тимошенко. Построена явная схема типа «крест» для численного интегрирования поставленной начально-краевой задачи, согласованная с пошаговым алгоритмом моделирования упругопластического поведения армированной среды. Проведены расчеты динамического поведения различно армированных стеклопластиковых прямоугольных удлиненных пластин при их упругопластическом цилиндрическом изгибе. Показано, что структура армирования существенно влияет на их упругопластическое динамическое поведение. Выявлено, что классическая теория пластин, как правило, не приемлема для проведения соответствующих расчетов (разве что для весьма тонких пластин), а первый вариант теории Тимошенко дает удовлетворительные результаты только в случаях относительно тонких конструкций, армированных низкомодульными волокнами. Исходя из результатов работы рекомендуется использовать для расчетов упругопластического поведения армированных пластин, второй вариант теории Тимошенко как более точный.
Бесплатно
Статья научная
Развита математическая модель пластического течения с кинематическим и изотропным упрочнением. Приведена экспериментально-теоретическая методика определения материальных параметров используемых определяющих соотношений. Особое внимание уделено техническому обеспечению проведения базовых экспериментов. Экспериментально определены значения материальных параметров определяющих соотношений термопластичности для конструкционных сталей 15Х2МФА и 08Х18Н10Т. Для оценки степени адекватности применяемых соотношений и методики определения материальных параметров эволюционных уравнений пластического деформирования конструкционных материалов проведено численное моделирование базового эксперимента. Показано, что разность экспериментальных и расчетных данных не превышает 4%.
Бесплатно
