基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。     

风敏感空间结构风致耦合研究与分析述评

风敏感空间结构轻质、高柔、低阻尼,其风致耦合问题突出。对近年来该类结构的风致耦合作用研究进行分析与评述。简要阐明了流固耦合研究方法,这是风致耦合作用分析的基础。阐述了风敏感空间结构风致耦合的研究现状、有关分析方法及各自特点,主要包括风致耦合作用的简化模型方法及其附加质量和气动阻尼的获取,风洞试验与现场实测方法等,基于CFD技术的风致耦合数值模拟方法及其结构域、流体域和网格域的力学建模、数值离散方法和数值求解策略,湍流模型及特点,网格生成与网格更新、耦合界面信息传递与交换等。     

桡动脉脉搏波的数值模拟

动脉脉搏波的波形可以作为动脉疾病无创检测的重要指标.本文建立了动脉管壁-血液耦合模型,利用ANSYS WORKBENCH和CFX相互结合的流固耦合算法,进行了结构分析和流体分析的双向耦合计算,实现了对桡动脉脉搏波的数值模拟.     

基于流固耦合的T型管振动特性分析

针对由流体引发的T型管振动问题,采用基于双向流固耦合的模态分析方法,对流体作用下的T型管模态进行分析;在双向流固耦合基础上分析流体压强,流体速度和流体密度对管道固有频率的影响;通过分析管道在流体作用下的应力和变形情况,对T型管振动剧烈的结合部位进行谐响应分析。研究表明:基于双向流固耦合的模态分析可以较确切地反映内部流体作用下的管道模态;在各因素中,流体压强对管道固有频率影响是最大的;当激励频率为第2阶(800 Hz)和第8阶(1 060 Hz)固有频率时,管道的振动响应分别达到峰值。     

考虑双向流固耦合的换热器弹性管束流致振动特性三维数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究换热器管束的流致振动特性,开展了考虑双向流固耦合情况下的换热管束三维数值模拟研究。建立换热管及管内外流域的三维有限元模型,计算单、多跨换热管的固有频率,考虑到换热管与支撑板之间的有效支撑具有随机性,对支撑板失效情况下的四跨管固有频率及振型进行了计算。在此基础上,针对单、多管与管外流域进行双向流固耦合数值模拟分析。结果表明:计算得到的固有频率与理论值误差基本低于3%;同阶固有频率随着支撑失效个数增多而降低;单、多跨管的振动频率与之升、阻力频率一一对应;多跨管对称跨的振动位移曲线形状相似且幅值相近;管束间距越大,管子之间相互影响越小,振动位移曲线越易出现Strouhal振型。     

蒸汽发生器传热管流体结构耦联动态特性分析

利用流体-结构动力学理论对蒸汽发生器传热管动态特性进行了解析推导,得出了该种传热管的流固耦合动态特性,并用MATLAB计算出其耦合固有频率.利用参数化有限元模型,对传热管进行了流固耦合动态特性数值模拟,所得结果验证了解析推导的正确性,且得到了一些有价值的结论.数值模拟重点研究了管外流体半径的变化对传热管固有频率的影响.     

时变侧风下双层客车的流固耦合数值模拟

流固耦合效应会影响行驶安全性。利用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法对某型客车1︰1模型实施时变侧风下的流固耦合数值模拟。其中车辆使用系统六自由度动力学模型简化,并选取了三种典型的侧风工况(线性、伪阶跃、正弦)分别模拟。对于各类工况,通过耦合与非耦合计算的比较,得到流固耦合效应对气动升力和俯仰力矩影响较显著。其机理在于流固耦合效应造成的流场结构的变化。有助于量化了解流固耦合效应对各个气动力的影响,为更精细地模拟车辆行驶状态提供计算方法上的参考。     

滚振试验台液压管道系统的振动特性分析

液压管道系统是跨座式单轨车辆滚动振动试验台的重要组成部分,在设计过程中需要对管道的振动特性进行重点分析。为此,基于单向和双向流固耦合的模态分析方法,采用k-ε 的湍流模型,对比分析管道在不同分析方法下的固有频率和振型;在双向流固耦合基础上分析流体速度和压强对管道的影响。研究表明：单向流固耦合下管道的固有频率均大于双向流固耦合作用下管道的固有频率,相差率达2 %～10 %,相同阶次下的振型形态基本一致;流体压强对管道的固有频率的影响比流体速度大,在一定的压强范围内,管道的固有频率随着流体的压强增加而增加,流体的管道总变形量和等效应力随流体压强和支管流速增加而增加。     

滚振试验台液压管道系统的振动特性分析

液压管道系统是跨座式单轨车辆滚动振动试验台的重要组成部分,在设计过程中需要对管道的振动特性进行重点分析。为此,基于单向和双向流固耦合的模态分析方法,采用k-ε 的湍流模型,对比分析管道在不同分析方法下的固有频率和振型;在双向流固耦合基础上分析流体速度和压强对管道的影响。研究表明：单向流固耦合下管道的固有频率均大于双向流固耦合作用下管道的固有频率,相差率达2 %～10 %,相同阶次下的振型形态基本一致;流体压强对管道的固有频率的影响比流体速度大,在一定的压强范围内,管道的固有频率随着流体的压强增加而增加,流体的管道总变形量和等效应力随流体压强和支管流速增加而增加。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合特性分析,包括模态分析和动力学分析。模态分析研究了有无流固耦合存在时立管振动模态的变化以及流体边界条件对立管固有频率和阵型的影响;同时,将仿真分析同DNV公式求解的固有频率进行了对比验证。动力学分析研究了单、双向流固耦合振动分析,并将单、双向流固耦合进行了对比分析,同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响,提出了立管减振措施。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。     

地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法

针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。     

基于双向流固耦合的机载导弹分离动力学研究

导弹与载机之间的安全与稳定分离过程对导弹飞行稳定性和载机安全具有非常重要作用。为了研究大长径比机载导弹弹射分离过程中与载机之间的相互干扰以及导弹在分离过程中相对于载机的运动轨迹,该文分别使用刚体六自由度（6DOF）方法和计算流体力学/计算结构动力学（CFD/CSD）双向流固耦合方法对典型空空导弹发射分离过程进行了数值模拟,刚体6DOF方法基于对流体力学控制方程与外弹道6DOF运动方程的耦合求解,而CFD/CSD双向流固耦合方法基于对流体力学控制方程与结构运动方程的耦合求解。两种方法得到了导弹分离时的整个气动流场及其变化特性,揭示了不同时刻导弹气动系数随时间的变化曲线和导弹弹道参数,比较与分析了两种计算结果的异同,并对导弹结构弹性变形对其分离运动的影响进行了讨论。     

求解粘弹性问题的时域自适应等几何比例边界有限元法

提出一种基于分段时域自适应算法和等几何分析的求解粘弹性问题的数值方法。利用时域分段展开,建立了递推格式的比例边界元求解方程,环向比例边界采用等几何技术离散,在继承常规比例边界有限元半解析、便于处理应力奇异性/无限域问题等优点的同时,可更准确地描述几何边界,由此进一步提高了计算精度;在时域,通过分段时域自适应计算,保证不同时间步长下的计算精度。通过数值算例,从计算精度、收敛性等方面,对所提方法的有效性进行了验证。     

轮胎硫化过程的数值模拟技术

把轮胎硫化热传导作为轴对称问题处理,从用热流密度表示的轴对称问题的有热源的非稳态热传导方程出发,建立了复合材料轴对称结构热传导分析有限元列式,进而结合轮胎硫化生热机理及变化的轮胎硫化加温历程研制了一个较全面地考虑胎硫化过程复杂性的有限元分析软件。用该软件对某轮胎的硫化过程进行了仿真计算,得到了一系列的数值计算结果。可以看出这些数值计算结果是符合实际的。     

用耦合有限元／边界元方法研究加筋板的声传输

采用耦合的有限元／边界元方法,建立了考虑流体结构耦合的加筋板结构声传输计算模型,并利用该模型计算研究了加筋板的声传输特性。数值计算表明：结构的传声损失与结构的固有频率和激励频率密切相关,避免共振仍是产要的;改变板厚或肋骨惯性矩后,由于结构固有频率发生了变化会使得结构传声损失曲线上极小值的位置发生改变;当声波从空气经结构向空气中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩可明显增大结构的传声损失;而当声波从空气经结构向水中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩也增大了结构的传声损失,但效果明显不如当声波从空气经结构向空气中传递时显著。     

The scaled boundary finite element method in structural dynamics

The scaled boundary finite element method is extended to solve problems of structural dynamics. The dynamic stiffness matrix of a bounded (finite) domain is obtained as a continued fraction solution for the scaled boundary finite element equation. The inertial effect at high frequencies is modeled by high‐order terms of the continued fraction without introducing an internal mesh. By using this solution and introducing auxiliary variables, the equation of motion of the bounded domain is expressed in high‐order static stiffness and mass matrices. Standard procedures in structural dynamics can be applied to perform modal analyses and transient response analyses directly in the time domain. Numerical examples for modal and direct time‐domain analyses are presented. Rapid convergence is observed as the order of continued fraction increases. A guideline for selecting the order of continued fraction is proposed and validated. High computational efficiency is demonstrated for problems with stress singularity. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

强耦合流激振动的建模及求解的预测多修正算法

将基于Lagrangian描述的结构振动问题与基于Eulerian描述的不可压缩粘性流动问题通过流-固系统的功率耗散平衡在广义变分原理的框架下统一,建立了描述强耦合流激振动的有限元控制方程。采用将Newmark法和Hughes预测多修正法相结合的求解策略,提出了基于稳定有限元法求解小变形弹性结构强耦合流激振动的计算方法,用于计算复杂边界条件下的流激振动问题。以三维混流式水轮机叶道为例的数值算例表明,模拟结果与试验实测结果吻合较好。     

基于Layerwise理论的共固化粘弹阻尼复合材料动特性分析

共固化粘弹性复合材料兼具结构承载和阻尼减振功能。针对传统的混合单元法在应用于粘弹性夹层复合材料结构阻尼性能分析时存在着前处理困难、计算规模大、精度低以及难以考虑正交各向异性铺层自身损耗能力的缺点,推导了一种基于Layerwise离散层理论的四节点四边形复合材料层合板单元,并利用直接复特征值解法建立了共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析方法。将该方法应用于不同的阻尼结构,分析结果与文献中已公开结果和混合单元法的计算结果进行了对比验证。结果表明,基于离散层理论的层合板单元具有计算精度高、前处理建模简单和计算规模小的优点,可有效应用于复杂共固化粘弹性复合材料结构的阻尼性能分析和设计。     

An h‐hierarchical adaptive procedure for the scaled boundary finite‐element method

The scaled boundary finite‐element method (a novel semi‐analytical method for solving linear partial differential equations) involves the solution of a quadratic eigenproblem, the computational expense of which rises rapidly as the number of degrees of freedom increases. Consequently, it is desirable to use the minimum number of degrees of freedom necessary to achieve the accuracy desired. Stress recovery and error estimation techniques for the method have recently been developed. This paper describes an h‐hierarchical adaptive procedure for the scaled boundary finite‐element method. To allow full advantage to be taken of the ability of the scaled boundary finite‐element method to model stress singularities at the scaling centre, and to avoid discretization of certain adjacent segments of the boundary, a sub‐structuring technique is used. The effectiveness of the procedure is demonstrated through a set of examples. The procedure is compared with a similar h‐hierarchical finite element procedure. Since the error estimators in both cases evaluate the energy norm of the stress error, the computational cost of solutions of similar overall accuracy can be compared directly. The examples include the first reported direct comparison of the computational efficiency of the scaled boundary finite‐element method and the finite element method. The scaled boundary finite‐element method is found to reduce the computational effort considerably. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于对称有限元模型的车辆乘坐室声振耦合分析的子结构方法

建立了车辆乘坐室声振耦合分析的对称有限元模型。在此基础上,提出了一种可用于综合内饰等乘坐室附属结构对乘坐室声振特性影响的动态子结构方法。该方法将内饰或附属结构等效为乘坐室壁结构与内部声空间中的一对相应的子结构/子空间,并将其影响引入到到声振耦合分析的对称有限元模型中,从而使有限元分析的精度大为提高。最后,以一国产轿车为对象给出了算例,验证了所提方法的正确性。