液体非线性晃动的同步Hopf分叉现象

针对受俯仰激励作用的圆柱形贮箱中液体非线性晃动,用变分原理建立了液体晃动的压力体积分形式的Lagrange函数;并将速度势函数在自由液面处作波高函数的级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;最后用四阶Runge-Kutta法求解非线性方程组。计算发现,在一定的激励频率内面外主模态和次生模态发生同步Hopf分叉,并给出了发生分叉的频率区域。     

二维晃动自然频率与阻尼比系数的试验识别

液体的晃动模态（自然频率、振型与阻尼比系数）是贮液结构设计以及振动控制的重要参数。在液体晃动的模态试验中,需要激发液面的模态运动,但液面的对称模态运动一般比较难以激发出来,使得对称模态参数（特别是阻尼比系数）难以精确识别。本文采用参数激振的方法对矩形、U形和圆形截面容器进行竖向激振,可容易激发出液体表面的前四阶模态(包括对称模态)运动,撤除激励后液体表面按某一特定的振型作自由衰减振动,通过激光测量液体表面波高的自由衰减曲线,从而精确得到液体晃动的自然频率与对应的阻尼比系数,测得晃动频率与理论频率结果吻合良好,表明本文试验识别方法有效。     

微幅晃动下考虑地基效应的矩形贮液结构动力响应研究

一般情况下矩形贮液结构通过底板直接坐落在地基上,有必要在考虑地基效应的基础上研究其动力特;定义微幅晃动波高限值,并建立矩形贮液结构的简化模型。采用人工边界模拟地基效应,建立了有限元计算模型,对比两类模型对应的晃动波高以验证简化模型的合理性,基于势流理论在微幅晃动范围内研究在不同边界条件、不同地震波和不同地震加速度幅值下矩形贮液结构的动力响应。结果表明,两类模型得到的晃动波高趋势一致,且最大晃动波高相差较小。在微幅晃动范围,液体最大晃动波高和地震加速度幅值成线性关系,考虑土-结构相互作用后,壁板水平位移、壁板有效应力和液体晃动压力有较大程度的的减小,而地基效应对液体晃动波高影响很小。     

内置横向圆柱体TLD的动力特性分析

为增大调谐液体阻尼器（TLD）中液体的晃动质量,以获得更优的动力特性,本文首次提出内置横向圆柱体TLD（TLD embedded a transverse cylinder,简称TLDETC）的概念。结合流体力学原理以及能量方法推导了TLDETC的晃动质量、晃动力、晃动阻尼比以及晃动频率的表达式,并通过三种设置方案对TLDETC与普通TLD进行了动力特性的对比分析。推导结果表明,TLDETC有效地增大了液体的晃动质量;而分析结果表明,TLDETC具有比普通TLD更优的动力性能。     

用ALE和时间分裂步法分析三维粘性流体大幅晃动的非线性问题

本文提出了在ＡＬＥ标架下用时间分裂步法求解罐内含自由液面大幅晃动的非定常的三维粘性流体（Ｎ－Ｓ）问题的方法。它使得求解储液罐的液面大幅度晃动问题不限于线性势流理论的范围和回避了自由表面波高函数和速度的随体导数中非线性项对求解造成的困难；从而它可以有效地处理带自由边界的粘性不可压的三维流体的非线性流动问题。     

基于多维模态方法的流体二维非线性强迫晃动分析

基于多模态方法分析了二维容器内液体的强迫非线性晃动问题,采用绝对速度势函数描述动坐标下的流体非线性运动,根据Bateman-Luke变分原理,将非线性自由边值问题转化为等效的泛函极值问题,将自由液面波高函数和绝对速度势函数展开为广义Fourier级数,得到相互耦合的有限维非线性模态系统(一组非线性常微分方程),采用Runge-Kutta(龙格-库塔)法求解非线性常微分方程组,从而得到液体的强迫非线性晃动响应,分别模拟并讨论了矩形容器内液体在强地震作用下的晃动响应、在水平谐波作用下的普通共振稳态响应、在竖向谐波作用下的参数共振稳态响应,预测了液体在普通共振与参数共振共同作用下的液面响应。将多模态结果与其它数值方法的结果进行了对比,计算结果表明,多模态方法在长时间非线性稳态响应分析上具有其独特的优势。     

内部带阻尼格栅的 TLD 减振性能试验研究

采用有色噪声激励的调谐液体阻尼器（TLD）特性振动台试验,对 TLD 液面多点波高信号进行解耦分离,再采用不同识别方法获取液体晃动的模态参数,以含格栅的 TLD 为例研究了格栅稠度比、格栅位置、激励相对幅值对TLD 阻尼性能的影响并和已有的线性化理论值进行比较。结果表明,有色噪声激励下的振动台试验方法能够快速准确地获得 TLD 减振性能参数;信号解耦分离方法、参数识别方法具有较高可靠性。在 TLD 内设置阻尼格栅能够不改变 TLD 频率、增大 TLD 阻尼比,且阻尼比分别随稠度比、相对激励幅值增加而增大,格栅的设置能够增加TLD 高阶模态阻尼比,进而有助于抑制非线性响应。     

航天器弹性充液贮箱双向流固耦合响应特性数值分析

贮箱是航天器的重要组成部分,就其结构方面来讲,基本特点是结构重量轻、刚度和强度要求高。贮箱本身填充大量液体,同时还需要经历较复杂的力学环境。因此薄壁贮箱的流固耦合问题,特别是动力学问题,一直是航天器的关键问题之一。针对薄壁贮箱的流固耦合问题,建立了弹性充液贮箱模型,采用双向流固耦合方法对考虑流固耦合效应的充液贮箱进行了瞬态响应分析,得到了充液贮箱液体晃动波高以及贮箱结构应力随时间的变化历程。通过改变贮箱的材料、厚度以及箱内液体的充液比,研究了箱体柔性对液体晃动及结构受力特性的影响。结果表明:适当增加箱体材料的柔性,即通过减小材料的杨氏模量、密度和厚度,可以有效抑制贮箱内液体晃动;增大箱体的厚度或者减小材料的杨氏模量和密度,箱体受到的应力均减小;改变箱内液体的充液比,可以发现,随着箱内液体充液比的增加,液体晃动幅度减小,箱体受到的应力增大。     

水平激励下任意截面柱形储液罐内液体的晃动响应

采用半解析法研究水平激励下任意截面柱形储液罐内液体的晃动响应。基于叠加原理,将液体运动速度势分为两部分:刚体速度势和摄动速度势。满足非齐次边界条件的刚体速度势可解析得到;以自由晃动模态为广义坐标、时间为变量的摄动速度势可由模态叠加法设出。将整个速度势函数代入自由表面波方程,利用模态的正交性得到动力响应方程。结果与有限元非常吻合。     

变曲率滚动隔震动力学分析及在球形储罐中的应用

根据力平衡原则推导了椭圆轨道滚动隔震装置恢复力力学模型,并分析了其不同椭圆函数参数及滚动摩擦系数时的力学性能。得出滚球半径及椭圆轨道短轴尺寸一定时,随着长轴的增加,刚度系数逐渐减小,且刚度函数及周期函数的变化率逐渐变小,地震作用时可调节范围也逐渐变小。建议椭圆长轴值的选取综合考虑上部结构自振频率及有可能产生的最大水平位移优化设计。采用速度势刚性理论推导球形储罐考虑储液晃动的变曲率滚动隔震简化力学模型,并进行了地震动响应研究。结果表明:考虑滚动基础隔震后能够有效地减小球形储罐地震动响应,尤其对基底剪力及倾覆弯矩有较好的减震控制作用。同时对储液的晃动响应也能起到一定的抑制作用。球形轨道滚动隔震与椭圆形轨道滚动隔震各工况均值减震率相差较小,且变曲率滚动隔震能在一定程度上限制隔震层位移。     

地震激励下储罐内液体的减晃试验研究及有限元分析

为了避免因液体晃动过大而引起的储罐"象足"型失稳破坏,采用减晃板作为抑晃装置并对其进行了减晃优化设计。分别采用缩尺模型试验(缩尺比1∶30)和有限元分析等手段对有、无安装减晃板的储罐内的液体晃动波高、罐底剪力及罐壁压应力等关键指标进行了实测和仿真模拟。研究结果表明:关键指标的模拟值与实测值较为接近,进而验证了储罐减晃有限元分析的可靠性;当减晃板在距液面0.125倍~0.225倍的储罐高度且其宽度在0.15倍的储罐半径附近时,减晃板对储液晃动波高、罐底剪力及罐壁压应力都具有较好的抑制效果;减晃优化设计后,"象足"失稳区(接近罐底处)的罐壁压应力峰值得到了较为显著的抑制。     

内置有挡板的矩形水箱阻尼比估算方法比较分析

该文以一矩形水箱为研究对象，假定水箱底部受到的外加激励为正弦激励，利用能量耗散原理和虚功原理两种方法，分别推导了底部安装有多块垂直挡板和左右侧壁对称安装有多组水平挡板的矩形水箱线性阻尼比估算公式。一方面，分析和讨论了挡板宽度、挡板所在位置、水深比及激频比对水箱系统线性阻尼比的影响；另一方面，把阻尼比数值估算结果与已有实验结果进行了对比分析。该文研究结果表明:在线性条件下利用能量耗散原理和虚功原理推导的矩形水箱阻尼比估算公式具有一致性，且都具有较好的估算效果；同时激频比对矩形水箱的阻尼比影响较大，不可忽略。该文研究结果对内置有多种类型挡板布置形式的矩形水箱阻尼比的估算具有一定的参考价值。     

Sloshing in a vertical circular cylindrical tank with an annular baffle. Part 1. Linear fundamental solutions

The paper centres around fundamental solutions of the linearised problem on fluid sloshing in a vertical circular cylindrical tank having a thin rigid-ring horizontal baffle. It develops an analytically oriented approach, which provides accurate approximations of natural frequencies and modes. The singular asymptotic behaviour of the velocity potential at the sharp baffle edge is also captured. A numerical analysis quantifies the natural frequencies and modes versus vertical position and width of the annular baffle. Forthcoming parts will use these approximate fundamental solutions in both nonlinear modal modelling and estimating the damping due to vorticity stress near the baffle.     

Non‐linear sloshing in partially liquid filled containers with baffles

A finite element method is used for computing the non‐linear sloshing response of liquid in a two‐dimensional rigid rectangular tank with rigid baffles. The potential formulation is considered for the liquid domain and a mixed Eulerian–Langrangian scheme is adopted. The solution is obtained by the Galerkin method. The fourth‐order Runge–Kutta method is employed to advance the solution in the time domain. A regridding technique is applied to the free surface of the liquid, which effectively eliminates the numerical instabilities without the use of artificial smoothing. Through the comparison with the available results for the rectangular tank without baffle, the validity of the present formulation is checked and then extended to the solution of tanks with rigid baffles. The effects of baffle parameters such as position, dimension and numbers on the non‐linear sloshing response are examined. The present numerical solution procedure is also applied to the non‐linear sloshing problems in a circular cylindrical container with annular baffle. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

平动矩形贮箱刚-液耦合非线性动力学研究

首先应用H-O原理建立了矩形贮箱刚-液耦合系统平动的耦合动力学模型,在贮箱水平运动情况下,给出满足边界条件的速度势函数和液面波高的级数表达式,采用伽辽金法离散,将动力学模型转化为常微分方程组,在给定贮箱运动规律和给定外力规律两种形式下,分析了刚-液耦合系统固有频率变化规律,并应用多尺度法对系统的一阶主共振进行解析分析,研究了液体稳态解的幅频曲线,均发现跳跃及软、硬特性随液深转换的现象,在给定水平外力下,得到液体稳态解的同时还可得到刚体稳态解,两者定性性态相同。最后用数值法验证了解析解的正确性。     

Analytical modeling of liquid sloshing in a two-dimensional rectangular tank with a slat screen

Potential-flow theory is employed with linear free-surface conditions, multimodal method, and a screen-averaged pressure-drop condition to derive an analytical modal model describing the two-dimensional resonant liquid motions in a rectangular tank with a vertical slat-type screen in the tank middle. The tank is horizontally excited in a frequency range covering the two lowest natural sloshing frequencies. The model consists of a system of linear ordinary differential [modal] equations responsible for liquid sloshing in compartments, as well as a nonlinear ordinary differential equation describing the liquid flow between the compartments. New experimental model tests on steady-state wave elevations near the tank wall are reported for the solidity ratios 0.328 ?? Sn ?? 0.963 where Sn is the ratio between the solid area and the full area of the screen. The experiments generally support the applicability of the model. The discrepancy can be explained by the free-surface nonlinearity. The screen acts as a damping mechanism for low and intermediate solidity ratios, but it causes an increase in the lowest resonant sloshing frequency at higher solidity ratios as if the screen had been replaced by an unperforated wall.     

软土场地大型LNG储罐考虑桩土相互作用的地震响应分析

在通用有限元软件ANSYS平台上建立了桩-土-LNG储罐相互作用体系的三维整体有限元模型,分析了在IV类软土场地上考虑桩土相互作用对LNG储罐地震响应的影响。结果表明,LNG储罐的基底剪力峰值、倾覆力矩峰值和内罐壁等效应力最大值均有不同程度的减小,而最大晃动波高增大。另外还讨论了不同保温层刚度对LNG储罐地震响应的影响,通过对比发现,保温层刚度对储罐的地震响应具有重要的影响,随着保温层刚度在一定范围内的增加,基底剪力峰值、倾覆力矩峰值和最大晃动波高变化较小,但内罐壁等效应力最大值减小明显。     

汽车燃油箱减振元件设计方法研究

汽车刹车之后油箱的燃油晃动噪声会引起车内驾驶员和乘客的不适,采用油箱减振元件是降低车内燃油晃动噪声的较为方便的手段。通过理论推导研究燃油晃动时油箱对车身的传递力,得出减振元件的效果主要由车身、油箱的局部机械导纳以及减振元件的柔度确定的结论。根据传递路径分析方法,设计了车身的力和加速度传递函数测量实验和整车制动实验,计算了减振元件工作时车身的受力情况。根据理论研究结果提出了一套油箱减振元件设计方法。     

核电厂房安全壳流固耦合动力响应分析

在地震荷载作用下,核电厂房安全壳水箱内水会发生晃动,这种流固耦合作用会影响到安全壳的动力响应。采用简化附加质量法和光滑粒子流体动力学(SPH)法,分别对应不考虑和考虑水体晃动的效应,选取常用自然波Northridge波和上海人工合成波作为地震动输入,获取了7个水位工况下包括基底剪力、位移和加速度的动力响应。通过对比两种方法的模拟结果,发现考虑水体流动的SPH法要比不考虑水体晃动的简化附加质量法的动力响应要小,水箱内水的晃动对结构整体的动力响应起到了减震的作用;并分析SPH法各水位工况下的动力响应,结果表明:水位高度4.0 m时,安全壳动力响应相对较小,是水箱较为合理的储水水位。     

防晃水箱控制高层建筑风振响应研究

防晃水箱作为一种新型调谐流体阻尼器,是在一般水箱内安置环形防晃板,在高层建筑顶部设置这种水箱可以增加阻尼,减小建筑物的振动响应。本文应用数值模拟技术对高层建筑物的顺风向和横风向风载进行了时程模拟,考虑了水箱和结构间的动力耦合作用,分析了水箱对高层建筑物风响应的控制作用,为强风下研究高层建筑物的舒适性和安全性提供了一个有效的分析过程,也为合理设计防晃水箱提供了理论依据。