机械设备流固耦合动力分析有效方法

提出流固耦合动力分析的新方法。该法通过结构动力学的有限元求解方程和Ｎｅｗｍａｒｋ法，导出了新的迭代公式。流场的动压力使弹性体的动态变为载荷非线性问题；同时，固体位移场的变形作用使流场成为可变域流场。这些问题都可用本不得以解决。文中给出算例和工程应用实例。数值解结果表明，该法收敛速度快，效率高，克服了耦合问题的求解困难。     

积冰机翼失效故障诊断

针对某型飞机机翼积冰后机翼性能改变问题,提出了一种基于流场和结构场耦合分析的机翼气动特性、结构特性故障诊断方法。该方法首先应用有限体积法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解,采用四阶龙戈-库塔（RK）法求解水滴运动方程确定污染程度,然后耦合流场和结构场分析积冰后的机翼特性,通过对比未污染时的机翼气动特性和结构特性和安全飞行包线指标,判断积冰机翼是否失效。通过机翼积冰的相似实验结果表明,该方法能有效的应用于积冰机翼的性能判断和故障诊断中。     

机翼积冰对机翼动态特性的影响

针对某型飞机机翼积冰后机翼性能改变问题,提出了一种基于流场和结构场耦合分析的机翼结构特性方法。该方法应用有限元法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解,采用四阶龙格-库塔(RK)法求解水滴运动方程确定积冰污染程度,通过与未污染时的机翼特性和安全飞行包线指标对比,分析机翼积冰对机翼动态特性的影响。算例说明了该方法的有效性。     

翼面热颤振的分区协调耦合推进时域研究

提出了基于分区协调耦合推进的翼面热颤振时域研究方法，其中气动力和气动热采用有限体积法求解，且流场空间离散采用AUSM+格式，而结构温度场采用有限元法求解。采用模态叠加法进行结构瞬态响应的求解，在耦合面上采用基于虚拟空间的插值方法进行耦合变量的传递。研究了高超声速翼面的热颤振问题，获得了不同马赫数下的翼面温度场分布。根据“频率重合理论”获得了热环境下翼面一阶弯曲和一阶扭转频率的相互靠近导致了翼面临界颤振速度下降的结论。     

瑞利法在耦合系统振动固有频率计算中的应用

以由堆芯吊篮和反应堆压力容器组成的耦合振动系统的扭转振动问题为例,介绍瑞利法求解耦合振动系统固有频率的基本步骤,并利用瑞利法求解该系统的一阶固有频率;通过与精确解的比较,说明瑞利法求解结果的基本性质,分析假设振型对该结果的影响,说明瑞利法可作为初步分析方法,用于核电设备耦合振动系统固有频率的估算。     

单级轴流压气机内部三维流动的数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解轴流压气机的内部流场及全工况特性。该方法采用时间推进法和有限体积差分格式进行求解，对某单级轴流压气机内部流动进行了详细的数值模拟，计算结果与试验结果吻合良好，同时对压气机内部流场进行了分析。     

流固耦合作用对轴流泵内部流场影响的数值计算

采用雷诺时均Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,基于弹性体结构动力学方程,对轴流泵内部流场和叶轮结构响应进行多工况双向同步耦合求解,研究了流固耦合作用对轴流泵内部流场的影响。结果表明:考虑流固耦合作用后,叶片工作面和背面的压差有所减小,说明叶片性能有所下降;叶片出口处的二次回流现象有所加剧;计算得到的轴流泵水力性能参数更加接近试验值,说明考虑流固耦合后的流场更加接近于真实流场。     

基于流固耦合的汽车空调多翼离心通风机气动声学特性分析

建立了一个简单几何模型,通过试验验证得出双向流固耦合计算比非耦合计算准确性更高的结论。以某汽车空调系统的多翼离心通风机为研究对象,分析了蜗壳流固耦合作用对通风机气动噪声的影响。利用CFX和ANSYS软件分别进行流场和结构计算。以MFX-ANSYS/CFX为数据耦合平台,采用双向同步求解的方法,对通风机内流场和蜗壳结构响应进行联合求解,并将耦合计算结果与非耦合计算结果进行对比。结果表明,流固耦合作用使得流场压力脉动增强;在考虑流固耦合作用影响后,离心通风机叶轮出口处及蜗壳气道内表面的声功率级明显增大,通风机出口处的气动噪声值增大了5.24dB。     

机翼极限环颤振的CFD/CSD全隐式紧耦合方法

发展了一种机翼极限环颤振的全隐式紧耦合数值方法。流场的空间和时间离散分别采用基于有限体积法的Roe格式和双时间步长法。结构瞬态响应采用基于Newmark法的有限元法求解,并考虑机翼大变形情况下的几何非线性。此外,流场和结构分析均采用隐式时间推进格式。紧耦合方法在传统松耦合方法的基础上增加了伪迭代,当伪迭代收敛后再进行与真实时间步相关的物理迭代的分析,即能降低传统松耦合方法分析过程中冻结边界条件带来的时间滞后效应。进行了切尖三角翼的跨声速极限环颤振分析,结果表明,紧耦合方法获得的翼尖极限环振荡的幅值和频率均优于传统松耦合方法,更靠近试验结果,因此,紧耦合方法在一定程度上能消除时间推进累积的误差,具有更高的耦合时间精度。     

高速离心叶轮内部三维粘性流场的数值模拟

采用一种快速求解三维黏性流场的计算方法求解某离心压气机内部复杂的流场，该方法利用Denton J．D．教授的粘性体积力法模拟粘性对叶轮机械内部流动的影响，采用时间推进法和有限体积差分格式对叶轮机械内部的流动进行求解。为加速收敛，使用了多重网格法，当地时间步长和局部残差光顺技术。对某离心压气机内部流动进行了详细的数值模拟，得出了压气机转子性能、叶顶周向平均静压以及准正交面上子午速度分布图，计算结果与试验结果吻合良好。采用该方法详细分析了不同工况下离心压气机内部流场。     

接触条件下组合结构的动力学分析

组合结构的动力学分析中因存在高度非线性的接触边界而成为有限元分析中的技术难点。文中直接采用接触单元和非线性算法,对组合结构进行模态计算和接触状态稳定性能分析。在分析接触算法中影响组合结构刚度矩阵变化的因素、在何种程度下可以将组合结构线性化的机理的基础上,讨论组合体受预紧力时的组合模态、不同摩擦因数对组合结构模态的影响,进行不同预紧力下组合结构抗干扰能力的计算。通过该理论得到的规律和结论可以指导其他组合结构的动力学计算,并且排除以往分析方法由于使用人员不同、分析经验不一样而导致的计算结果随机性和不正确性,对组合结构的动力学分析提出新思路、新方法。     

Dynamic stress analysis of sewage centrifugal pump impeller based on two-way coupling method

Current research on the operational reliability of centrifugal pumps has mainly focused on hydrodynamic instability. However, the interaction between the fluid and structure has not been sufficiently considered; this interaction can cause vibration and dynamic stress, which can affect the reliability. In this study, the dynamic stresses in a single-blade centrifugal pump impeller are analysed under different operating conditions; the two-way coupling method is used to calculate the fluid-structure interaction. Three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved with the SST k-o9 turbulence model for the fluid in the whole flow passage, while transient structure dynamic analysis is used with the finite element method for the structure side. The dynamic stresses in the rotor system are computed according to the fourth strength theory. The stress results show that the highest stress is near the loose bearing and that the equivalent stress increases with the flow rate because the dynamic stresses are closely related to the pressure load. The stress distributions on the blade pressure side, suction side, leading edge, and trailing edge are each analysed for different flow rates; the highest stress distribution is found on the pressure side. On the blade pressure side, a relatively large stress is found near the trailing edge and hub side. Based on these results, a stress distribution prediction method is proposed for centrifugal pumps, which considers the interaction between the fluid and structuxe. The method can be used to check the dynamic stress at different flow rates when optimising the pump design to increase the pump reliability.     

Application of computational fluid dynamics and fluid structure interaction techniques for calculating the 3D transient flow of journal bearings coupled with rotor systems

Journal bearings are important parts to keep the high dynamic performance of rotor machinery. Some methods have already been proposed to analysis the flow field of journal bearings, and in most of these methods simplified physical model and classic Reynolds equation are always applied. While the application of the general computational fluid dynamics (CFD)-fluid structure interaction (FSI) techniques is more beneficial for analysis of the fluid field in a journal bearing when more detailed solutions are needed. This paper deals with the quasi-coupling calculation of transient fluid dynamics of oil film in journal bearings and rotor dynamics with CFD-FSI techniques. The fluid dynamics of oil film is calculated by applying the so-called ’’dynamic mesh’’ technique. A new mesh movement approach is presented while the dynamic mesh models provided by FLUENT are not suitable for the transient oil flow in journal bearings. The proposed mesh movement approach is based on the structured mesh. When the journal moves, the movement distance of every grid in the flow field of bearing can be calculated, and then the update of the volume mesh can be handled automatically by user defined function (UDF). The journal displacement at each time step is obtained by solving the moving equations of the rotor-bearing system under the known oil film force condition. A case study is carried out to calculate the locus of the journal center and pressure distribution of the journal in order to prove the feasibility of this method. The calculating results indicate that the proposed method can predict the transient flow field of a journal bearing in a rotor-bearing system where more realistic models are involved. The presented calculation method provides a basis for studying the nonlinear dynamic behavior of a general rotor-bearing system.     

Dynamic behavior of composite joints in hydrodynamic ram simulator

The fracture behavior of carbon/epoxy composite joint structures under highly dynamic pressure loading was studied experimentally and numerically. The considered dynamic pressure loading, called hydrodynamic ram (HRAM), potentially causes fractures in structures filled with fluid. First, experiments using the HRAM simulator method were carried out to monitor the fracture behavior of the composite joint structure. In the experiment, highly dynamic pressure loading was generated which propagated and initiated the fracture of the composite joint. Next, numerical simulation was performed through finite element analysis using LS-DYNA. The dynamic pressure loading inside the fluid was predicted using the arbitrary Eulerian Lagrangian (ALE) method and the fracture behavior of the composite joint structure was simulated using cohesive zone modeling (CZM). The analysis was validated by comparing the predicted results with those from the experiment. The predicted pressure loadings were well-matched with the experimentally measured ones. The strain histories and failure strain values obtained by the analysis also agreed reasonably well compared to those in the experiment for selected points in the composite structure. Finally, the effects of impact velocity and the stiffness of the joint structure on the fracture behavior were examined.

     

基于动网格技术的减振器流通阀片仿真分析

液力减振器流通阀片与减振液间的微观、高频的流固耦合作用机理非常复杂,决定着液力减振器的阻尼特性和异响发生。为深入分析这种流固耦合作用机理,文章建立了液力减振器流通阀片的力学模型,采用ANSYSCFX软件并结合其动网格技术,对液力减振器流通阀片在正弦进口速度载荷条件下的动力学特性进行仿真分析,得到了减振器流通阀片的振动特性,并进行了减振器噪声台架试验。结果表明,采用动网格技术能够较好地实现液力减振器流通阀片的仿真分析和计算。     

潜水深度对结构自振特性影响的数值分析

水下结构的自振特性不仅受流体动压力的影响，还受不同水深一的静水压力的影响，本文假设水为无粘、不可压、无旋流体，通过附连水质量解耦，用考虑初应力刚度的有限元方法计算了圆柱壳在不同水深下的自振特性，初步揭示了这种影响，所得结果和方法可供流固耦合方面的研究参考。     

水冷滚筒密封结构的安全设计与测试

针对水冷滚筒工作时需要经受高温差下进行冷热交互,高转速下实现动静密封,高压力下确保无泄漏等特殊工况,分析水冷滚筒密封结构的设计要求,在结构设计和密封件选择上采取可靠性更高的设计方案。针对该特殊工况下的动密封问题,采取不同材质的2种U形密封圈配对使用方案,从而兼顾了旋转密封结构的抗压能力和抗磨损能力。测试结果表明,针对水冷滚筒特殊工况下的密封结构安全设计是可行的,同时也为同类工程密封问题的解决提供了一种新思路。     

基于液—固耦合有限元仿真的液阻悬置集总参数模型动特性分析

探讨应用非线性固体有限元和液-固耦合非线性有限元仿真方法预测与识别液阻悬置集总参数模型的主要参数(如上液室的体积刚度和等效活塞面积、惯性通道中的液体和解耦板及其附连液体的惯性系数与流量阻尼系数等)的分析方法。在此基础上，利用集总参数分析模型对一种轿车用液阻悬置的动特性进行计算分析。数值预测结果与实测结果或近似解析计算结果的对比分析表明，基于液-固耦合有限元仿真方法的液阻悬置集总参数模型动特性分析技术是可行、有效的，其预测结果精度特性满足工程要求。应用这种方法，可以在液阻悬置的设计开发阶段较精确地预测产品的性能和进行优化设计，有利于提高产品设计质量、缩短开发周期。     

齿轮系统耦合振动的理论分析与试验研究

利用机械振动理论、动力分析有限元法,结合齿轮啮合理论,配合有关试验手段,研究斜齿轮系统耦合振动的动力学建模问题,同时进行结合部参数识别。对齿轮—传动轴—箱体系统在耦合振动条件下的动力学特性进行全面分析,为齿轮的动态特性优化提供理论基础。     

减振器节流阀非线性特性的有限元模拟分析

探讨汽车筒式液阻减振器节流阀非线性动态特性的有限元分析方法。利用ADINA有限元分析软件分别建立板阀型节流阀的结构动力学模型和流体动力学模型,并利用其液一固耦合分析模块,对此耦合模型进行瞬态响应分析,得到阀的非线性节流特性、阀板的动态运动响应以及节流阀内流场特性。模拟计算结果与实验结果具有较好的一致性,节流阀在工作时开度很小,液体压力场具有强不均匀性,液体对阀板的作用力也具有不均匀性,板阀型预载阀的节流特性接近于线性,节流通道在大流量下对节流阀的特性有较大影响,