弹性底板矩形贮箱流固耦合系统的自由振动分析

基于Bernoulli方程,通过对弹性体与流场耦合作用机理的分析,建立了弹性底板矩形贮箱流固耦合系统的自由振动方程.将系统的自由振动问题降为一维问题来处理,提出了一种分析此系统自由振动问题的半解析方法,并采用迦辽金方法,求解了系统的自由振动频率.最后讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构几何参数以及液体的深度与密度对系统自由振动频率的影响,以便更确切地反映弹性底板矩形贮箱与流体耦合作用的实际机理.     

基于浸没边界和格子玻尔兹曼的流固耦合算法

为将格子玻尔兹曼方法(LBM)用于土木工程结构的气动弹性计算,提出了一种基于浸没边界-格子玻尔兹曼(IB-LB)方法的流固耦合算法.该算法在多松弛时间格式的格子玻尔兹曼框架下构造大涡模拟作为流场求解器;采用龙格-库塔法求解结构运动方程.为满足流固耦合面的无滑移性并提高算法的计算精度,采用一种迭代格式的浸没边界实施流固耦合面的数据交换.基于流固耦合算法编制分析程序对矩形断面的横向风振和福斯桥的颤振等气动弹性问题进行了模拟.与现有试验及数值结论的对比分析表明:本文算法可以较准确地预测矩形断面的涡振锁定风速、驰振临界风速及福斯桥的颤振临界风速.     

振动条件下旋流分离器内螺旋流的流固耦合研究

旋流分离器工作时受到外部流体的影响会产生振动,从而影响内部流场分布规律。为研究振动条件下旋流分离器内螺旋流的流固耦合作用,建立振动条件下旋流分离器的双向流固耦合模型,对同种激振频率下不同激振力的流固耦合作用进行数值模拟。结果表明:螺旋流场随着结构一起运动,而结构的运动引起了流场结构的偏移;周期振动下的流场径向速度变大,并随激振力的增大而增加;周期性激振力影响了切向速度的对称性,并使轴向速度近轴区域速度变大;不同截面的结构运动轨迹呈"O"型,振动形态呈抛物线状。     

细长轴对称体的水弹性振动特性分析

以在水中做纵向平面内运动的细长轴对称体为研究对象.在建立描述流体-结构耦合振动系统的计算模型时,对固体采用位移（包括刚体运动位移和弹性Euler梁振动位移）,对流体采用压力作为基本变量,首先建立了考虑流体作用力的结构动力学方程,推导了考虑结构运动的流体压力表达式,分析了水动力载荷的特征：包括水动压力的来源、组成、分布形式与影响范围等.在此基础上给出了描述水中运动物体的位移（结构）-压力（流体）格式的流固耦合系统模型.然后利用有限元数值方法（FEM）对方程进行了求解,克服了解析解对研究对象外形的限制,同时避免了流固耦合直接数值模拟中CFD＋FEM的复杂性,对于典型的工程结构非常适用.最后,通过算例给出了水中运动物体的水弹性频率和模态,并将计算结果与试验结果进行了对比,证明了本文计算模型的有效性.     

圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合模型

针对弹性圆柱薄壳与横向绕流场的流固耦合问题.采用相容拉格朗日-欧拉法,建立了问题的模型及理论分析方程组,着重求解壳体发生弯曲大变形时的法向位移和流体表面压力系数.结果表明:在横向绕流场作用下,壳体横截面由圆形变形为近似椭圆形,同时,壳体变形也对壳体表面流场压力产生了影响.通过算例,讨论有关参数对壳体法向位移和表面流体压力系数的影响.研究成果可供利用相容拉格朗日-欧拉法解决弹性弹性圆柱薄壳与粘性流体相互作用问题时参考.     

轴向流中平行简支弹性薄板的大挠度流固耦合的数值模拟

分析研究了轴向流中简支弹性薄板大挠度流固耦合系统的振动响应和流场特性.板结构动力学方程采用基于位移的有限元法离散;流场采用二维不可压缩粘性流体N-S方程,并用有限体积法离散;在此基础上结合动网格控制技术,建立模拟双向流固耦合作用下轴向流中简支弹性薄板的二维数值模型.利用该数值模型得到了单块简支板随流速变化流致振动特性,研究了结构大挠度的振动稳定性,分别得到了Pitchfork分岔曲线和非线性系统结构的Hopf分叉曲线.通过轴向流恒定流速下不同间距的平行两块简支弹性薄板流固耦合的数值模拟得到了的流致振动特性.     

基于虚拟弹性体的快速动网格方法

为减少流固耦合的计算时间,在现有弹性体方法的基础上,发展了一种快速动网格方法。首先根据弹性体方法的基本假设,将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体,然后将结构与该虚拟弹性体视为一个整体系统,并计算其固有振动的振型及频率,最后以结构受到的流体作用力为激励,通过振型叠加法计算结构网格及流场网格节点的位移。考虑到实际结构的流固耦合振动多为低阶模态的振动,在流固耦合计算中可以通过低阶模态的叠加计算流场网格节点的位移,从而达到快速更新流场网格的目的。采用该快速动网格算法,对某弹性梁颤振问题进行了流固耦合分析,计算结果与已有文献的结果吻合很好,说明了该算法的正确性。与现有的弹性体方法相比,该算法使流固耦合计算时间减少了65.5%。对Wing 445.6模型的颤振问题进行了分析,得到颤振边界与实验值吻合良好,且与现有弹性体法相比,可以减少计算时间54.8%。     

基于梁刚体元模型的圆柱风致响应耦合分析

基于梁刚体元方法提出了圆柱风致响应分析的近似模型,通过计算流体动力学(CFD)求解器FLUENT及其动网格方法求解流体方程,实现了结构与流体的流固弱耦合分析,并利用精细积分法提高了结构的动力分析效率.针对梁刚体元近似模型、刚性模型与弹性模型,比较了不同风速下三维圆柱结构的顶部位移与加速度响应.结果表明,随着风速的增大,结构横向振动幅值呈非线性增加;不考虑耦合作用的刚性模型计算结果误差较大.     

柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

轴向流中两平行弹性薄板大挠度流固耦合系统的数值模拟

研究了轴向流中两平行弹性薄板大挠度流固耦合系统的振动响应和流场特性.板的结构动力学方程采用基于位移的有限元法离散,流场采用完全的二维不可压缩粘性流体N-S方程,用有限体积法离散,结合动网格控制技术,建立了模拟轴向流中两平行悬臂弹性薄板双向流固耦合作用的二维数值模型,实现了弹性薄板—流体—弹性薄板之间的交互作用.利用该数值模型得到了单块板的流致振动特性;发现了随着两板间距大小的不同,两板表现出三种不同的的极限环振动:同相位、异相位以及不确定相位,并得到了同相位与异相位两种振动状态下的板边界层脱落及尾流变化规律;另外,分析还发现在同相位和异相位过渡阶段,两板均表现出拍现象.     

套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统横向振动特性分析

振动固井工程中利用激振器对套管柱进行激励使其达到共振效果,以此来提高固井质量,这就需要对套管柱-钻井液-水泥浆耦合系统进行模态和振动特性分析。针对这一问题,建立了套管柱-钻井液-水泥浆流固耦合模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行模态分析和振动响应分析,采用单因素分析法对其固有频率影响因素进行仿真分析。结果表明,套管柱在流固耦合状态下各阶固有频率低于无耦合时的情况,相同阶数下,模态振型基本相似;耦合系统横向振动频率随长度的增加而减小,随钻井液密度和水泥浆密度的变化较小,随温度的升高而降低;在较大激振力下,底端振幅较大。实际固井作业中,可以发挥大激振力和低频组合方式产生的共振效果,来提高固井质量。     

基于边光滑有限元法的二维CLD弹性空腔建模及声振特性分析

由于色散误差和单元离散的影响,传统有限元法在分析弹性空腔中高频声振特性时计算效率和计算精度较差。本文采用边光滑有限元法建立空腔的声场模型,并利用GHM模型模拟粘弹性材料,考虑弹性空腔、CLD结构以及腔内声场之间的多场耦合,建立了二维CLD弹性空腔的数值模型,分析了复合空腔的声振耦合特性。数值算例表明,在低频范围内本文所建立的混合有限元模型的计算精度与传统有限元模型相当,中高频率范围内本文模型的计算精度和稳定性优于传统有限元法。     

横向有限应变对张力腿平台空间涡激振动响应的影响

为研究张力腿平台的动力响应问题,基于Hamilton原理,根据克希霍夫假设以及拉格朗日函数,得到张力腿海洋平台空间运动的运动方程和边界条件,运用有限差分法对运动方程和边界条件进行离散,最终采用吉尔法求解微分方程组.采用半经验Morison公式模拟流体力的作用,在不同水流流速作用和涡旋脱落载荷共同作用下,比较了横向有限应变对空间涡激振动响应的影响.计算结果表明:当涡旋脱落频率接近结构的固有频率时,横向有限应变对涡旋脱落载荷作用方向的横向位移响应将产生较明显的影响,可产生超过30%的偏差.然而,即使在涡旋脱落频率不靠近结构的固有频率时,横向有限应变对水流作用方向的横向位移响应和轴向位移响应都有很大的影响,可产生100%以上的偏差.     

一种内贴片式压电泵的结构设计与理论分析

针对无阀压电泵的输出压力小的问题,提出了一种内贴片式无阀压电泵.压电泵采用螺纹配合结构,由压电振子和螺杆组成,其中压电振予包括金属基体和压电陶瓷片.压电振子通过交流电信号形成旋转弯曲运动,与外部衬套配合形成可移动空腔运输液体.首先进行了模态理论分析,构建了水环境下的流固耦合运动方程.接着利用有限元软件对压电振子进行了模态分析.结合频率一致性和相邻干扰模态设计要求,对压电振子的结构参数进行优选.对压电振子的湿模态进行了仿真分析.结果 表明:与空气条件下相比,水环境下的振动频率较低,下降了343.7 Hz和326.4 Hz,并且频率一致性更差,这为后续压电泵研究分析打下了基础.     

热屈曲碳/碳化硅薄壁结构非线性振动响应特征分析

鉴于高超声速飞行器部分薄壁结构处于严峻的热声环境中,利用有限元法研究热声载荷联合作用下的复合材料薄壁结构随机动态响应。依据板壳理论构建复合材料层合板结构系统运动方程,然后将系统运动方程转换到模态坐标下,并采用有限元法数值积分求解结构随机响应;此后基于C/SiC薄板后屈曲状态下动态响应中位移和应力信息,分析了典型的非线性振动响应特征。结果表明热载荷和声载荷对处于热后屈曲状态下的C/SiC复合材料薄板结构响应的影响方式不同;与此同时,分析了结构表现出的三类典型运动:沿初始热屈曲平衡位置线性随机振动、沿两个屈曲平衡位置之间地跳变运动以及沿任一热后屈曲平衡位置小幅值随机振动。     

流体介质中结构的动力特性及响应分析

将结构及其周围有限域内的流体组成一个耦合系统，依据变分原理导出流体动水压力和结构弹性振动的有限元方程系统，从而给出了考虑介质影响的结构动力特性和响应分析的数值方法。     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。     

沉没辊装置液固耦合数值模拟及振动实验

针对热镀锌线沉没辊装置出现剧烈振动的问题,基于湿模态的结构非完全液固耦合方法,数值模拟了装置在锌液中的振动模态,分析各阶振型及固有频率,并进行现场振动实验.锌液中沉没辊的局部振型改变轴承的装配关系,而在实测信号的时域波形中出现削波现象,表明锌液中滑动轴承存在碰摩;幅值谱中波峰对应的频率为45.05 Hz,与湿模态的第4阶固有频率接近且振型相似,表明实验中的装置主要以第4阶固有振动为主;液固耦合的非线性振动引起倍频振动;锌液流场的持续作用是导致幅值谱中波峰两侧出现边频带的主要原因.理论及数值分析与实验研究有显著的关联性,结构非完全液固耦合方法能有效应用于工程实践.     

LAMOST焦面板及其支撑结构的设计与分析

首先通过对LAMOST焦面板及其支撑结构的主要设计参数进行有限元数值分析,得到满足LAMOST光纤定位系统技术精度指标的优化参数.考虑到LAMOST焦面板形状接近平板的特点,将壳体模型近似为平板模型进行模拟,运用有限元大型分析软件ANSYS对结构参数的优化进行搜寻.再将优化的参数代入更接近实际的壳体模型,以验证该支撑结构下的焦面板是否满足LAMOST光纤定位系统的技术精度指标的要求,结果表明,该支撑结构较好地满足了各项技术精度指标,支撑参数的选取是合理有效的.最后,对该支撑结构的振动模态进行分析,进一步确定了该优化结构的合理性.     

薄板在不同媒质中振动及声辐射特性研究

根据薄板结构的形状特点,采用8个节点等参单元离散结构,对其周围的媒质采用20节点三维等参单元离散结构,建立薄板流固耦合系统模型及其声辐射模型.通过理论计算可知:在不同媒质(大气、煤油、水)中,媒质的密度越大,薄板结构的第一阶频率越小;薄板的各阶振型不受媒质密度影响,薄板各阶振型影响其声辐射效率;薄板的频率特性变化,薄板结构的声辐射特性也发生变化;薄板的厚度增加会降低结构振动基频.空气中薄板结构模态测试结果与考虑薄板周围媒质的影响薄板模态计算值一致.