囊结构流固耦合动力学问题的数值计算方法及应用

囊结构在国防装备、航空航天、交通运输等领域的应用愈来愈多。囊结构流固耦合动力学问题的数值计算对于提升囊结构的自主开发能力具有重大的理论意义和实用价值。囊结构流固耦合动力学问题数值计算的难点在于：一是强非线性：既有材料非线性、几何非线性，还有气-液-固三相耦合产生的边界非线性；二是海量计算：计算模型自由度规模大，多相耦合迭代计算非常复杂，计算时间长。本项目提出采用多物质ALE理论，建立囊结构气-液-固三相耦合的精细模型；采用分步计算方法，考虑囊结构充载和平衡状态的影响；采用流固耦合计算量均衡的区域分割并行计算方法，提高并行计算效率。通过本项目的研究，最终形成囊结构流固耦合动力学问题高性能数值计算的系统性理论与方法，既可以提高计算精度，又可以减少计算时间。并将这种囊结构流固耦合动力学问题的高性能数值计算方法应用于海岸储水囊和海上漂浮囊的设计，缩短设计周期，降低研制成本，提高产品质量。

近年来，囊结构的应用越来越多。例如，用于地面运输的车载运水囊，用于水上运输的海上运油囊，用于空中运输的空投水囊等。在我国，囊结构的设计还主要采用“经验设计-样件试制-试验验证”的传统方法。为了达到产品性能和质量要求，需要多次反复。导致新产品研制周期长、成本高。因此，采用数值计算技术实现囊结构的有理设计和优化设计，对于提高我国国防装备的自主研制能力具有重要的理论意义和实用价值。.囊结构流固耦合动力学问题的数值计算方法的难点在于：第一，强非线性。必须考虑编织复合材料的本构关系非线性、囊体大变形导致的几何非线性、以及气-液-固三相耦合产生的边界非线性。第二，海量计算。为了避免流固耦合计算中的泄漏，固体和流体有限元模型的单元尺寸必需足够小。为了减少有限边界的影响，囊外流体模型的外廓尺寸必须足够大，从而导致囊结构流固耦合动力学计算模型的自由度数量巨大。.针对以上难点问题，本项目对囊结构流固耦合动力学问题的数值计算方法进行了深入和系统研究，取得了如下主要创新性的研究成果：.（1）提出了基于多物质ALE理论的精细建模方法。采用多物质ALE理论，建立囊体结构、囊内流体和囊外流体的精细有限元模型；建立囊结构与囊内流体、囊结构与囊外流体、囊内部的气体与液体、囊外部的气体与液体的耦合模型，使囊结构的仿真模型更加接近真实状态。.（2）提出了考虑充载和平衡状态的分步计算方法。将囊结构流固耦合动力学问题数值计算的整个过程分为三大步：囊结构充载状态的数值计算、囊结构平衡状态的数值模拟和囊结构工作状态的数值计算，使囊结构的仿真模拟可以描述整个工作过程。.（3）提出了耦合计算负载均衡的并行计算方法。采取区域分割方法将囊结构流固耦合动力学整体模型分解为若干个子区域，使每个子区域的流固耦合计算量和动态接触计算量尽量相等，计算负载更加均衡，提高了并行计算效率，缩短了囊结构仿真模拟时间。.（4）将本项目研究成果应用于海岸储水囊和海上漂浮囊的设计。海岸储水囊采用编织复合材料制造，使用时内部装满淡水，不加固定的放置在海滩上。漂浮囊采用编织复合材料制造，内部充满气体，利用浮力将装备浮出水面，并在海面上漂浮。通过采用囊结构流固耦合动力学问题的数值计算方法，缩短了设计周期，降低了研制成本，提高了产品质量。.本项目的研究成果可以应用于各类囊结构的设计和分析，具有广泛的工程应用前景和实用价值。