弹性结构入水砰击载荷特性三维数值模拟研究

依据双渐进法建立研究弹性结构入水砰击过程中弹性效应的数值方法。在弹性结构入水瞬态砰击过程中,自由液面速度势满足自由液面的非线性条件,并通过考虑结构运动非线性的伯努利方程将流体域控制方程与结构弹性动力响应方程耦合求解,计算结果与试验结果进行了比较分析。结果分析表明,流固耦合效应对弹性结构入水砰击载荷及结构弹性动力响应影响不可忽略。圆柱体倾斜入水过程中水平、垂向合力在头部入水和尾部入水时刻出现两个峰值;入水角度对船舶入水砰击安全性至关重要。     

考虑液体晃荡的部分充液圆柱壳受迫振动分析

充液圆柱壳结构广泛存在于在工程中,在外部激励作用下,圆柱壳会与流体产生耦合振动,且未充满的液面也会产生晃荡,这种耦合振动响应分析在工程中具有重要意义。提出了一种求解考虑内部液体小幅晃荡的弹性圆柱壳振动响应的半解析法。首先分别在壳体建立结构坐标系、在自由液面建立液体坐标系,各自用来描述结构及内部液体的运动。基于Flügge壳体理论建立了圆柱壳的运动控制方程。将液体视为无黏、不可压缩的理想流体,根据线性水波理论和液体自由表面运动边界条件,得出了内部液体的速度势函数。通过流固耦合界面的连续性条件,结合坐标变换推导得到流固耦合系统的运动控制方程。研究了壳体在径向点力激励下振动响应,并得出了对应的液面晃荡响应。和有限元法对比验证了方法的正确性,然后改变相关参数讨论了考虑内部液体晃荡的弹性圆柱壳振动响应特性。     

考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性

该文研究考虑桩身横向惯性效应和桩周土竖向支承作用的楔形管桩纵向振动特性。首先,根据楔形管桩特殊的桩身结构和桩周土的成层性,将桩-土系统沿纵向划分为若干微元段,采用Voigt体模型模拟桩周土对楔形管桩桩段的竖向支承作用;基于考虑土体竖向波动效应的三维轴对称模型建立桩周土纵向振动控制方程并求解,得到桩-土之间的侧摩阻力;然后,基于Rayleigh-Love杆模型建立桩的纵向振动控制方程以考虑其横向惯性效应,求解桩的振动控制方程并结合Laplace变换和阻抗函数递推,得到考虑桩周土竖向支承作用的桩顶复阻抗和速度导纳解析解,进一步地,通过卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶时域响应半解析解;最后,通过与已有解的对比验证了该文解的合理性,并通过参数分析的方法研究了桩身横向惯性效应、桩周土竖向支承作用及桩身参数对桩顶动力特性的影响。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

基于WCSPH-SPIM流固耦合模型的弹性体入水模拟

对于入水砰击这类强非线性问题,运用网格方法不可避免会发生网格畸变、自由液面捕捉不准确等问题,而拉格朗日型无网格方法在处理该类问题时展现出很强的优越性。针对这一特点,采用两种无网格方法分别作为流体与固体求解器、建立流固耦合模型模拟入水问题;在通过刚性体入水问题对弱可压光滑粒子水动力法(WCSPH)进行验证之后,采用新提出的弱可压光滑粒子水动力与光滑点插值(SPIM)流固耦合方法(WCSPH-SPIM)分别对弹性体低速和高速入水问题进行了计算。结果显示关键点处变形与压力随时间的变化情况都与试验值或半解析解吻合良好,证明了该方法对模拟弹性体入水问题的有效性。     

求解地面运动激励下的部分覆盖约束层阻尼贮液圆柱壳耦振的整合状态传递矩阵法

摘要：基于一般情况下的线弹性薄壳方程和势流理论,考虑被动约束层阻尼（PCLD）的剪切变形的能量耗散和液固耦合相互作用,文中首先导出了PCLD圆柱层合壳的整合一阶矩阵微分方程,该方程的状态向量的每个元素都有明确的物理意义,更方便用于层合壳体在各种边界支承条件的动力学问题的求解。然后通过将流体动压力写成含待求系数的解析形式,借助流固交接条件、新型齐次扩容精细积分法和叠加原理,建立了一种分析该类结构耦振问题的高效率、高精度的半解析半数值方法。通过与无水、两端简支的全覆盖PCLD圆柱壳在轴对称情况下自由振动的解析解结果比较,验证了本文方法的有效性。最后基于文中提出的方法,研究了部分覆盖PCLD贮液圆柱容器在地面运动激励下的动力响应,研究了PCLD厚度、长度、敷设位置以及粘弹芯的复剪切模量模型对减振效果的影响。     

桨叶弹性对螺旋桨轴承力影响及计算方法研究

螺旋桨水弹性问题研究对于船舶减振降噪及水弹性力学发展具有重大意义。该研究围绕螺旋桨流体激励特性开展流固耦合机理与计算方法研究。提出了一种基于时域面元计算刚体桨非均匀流中旋转所受流体力、频域面元计算弹性桨均匀流中振动所受流体力、有限元求解结构动力学的弹性桨双向流固耦合非定常水动力预报算法——时域/频域面元-有限元法,可克服频域面元-有限元法非线性伯努利方程难处理及时域面元-有限元法低效率问题。研究表明:桨弹性效应特别是流体附加阻尼在桨-轴-船系统减振降噪设计中应予以足够重视;空间不均匀来流下弹性桨轴承力计算可在平衡位置表面施加不可穿透条件。该方法和结果可为低噪声桨-轴-船系统设计提供必要的理论参考。     

刚性背衬条件下覆盖层弹性对水下爆炸冲击波载荷的影响规律

先前的研究求解夹芯结构水下爆炸响应时，认为与水接触的板为刚性，其纵向的弹性很少考虑。基于波动理论建立了考虑冲击波、流固耦合和空化一维理论模型求解具有不同刚度和厚度的弹性覆盖层的响应。理论模型通过有限元结果得到验证。开展了包括破水波和重构波的传播以及重构波前辐射的压力波的空化的形成、扩展过程的研究。并利用理论模型预测覆盖层阻抗和厚度对湿表面压力峰值和传递的冲量的影响。     

考虑流固耦合作用屋顶游泳池减振效应研究

某结构计划在屋顶设计标准游泳池,游泳池下部为一大跨度多功能会议室,对其进行抗振性能研究成为设计方案能否实施的关键。该文将屋顶游泳池视为调谐液体阻尼器(TLD)装置,基于位移-压力格式有限元方法,给出了TLD-结构体系流固耦合运动方程。应用ABAQUS软件建立了流固耦合实体模型,并基于TLD等效非线性调谐质量阻尼器(TMD)理论,在SAUSAGE中建立了等效调谐质量(等效TMD)模型。研究了地震荷载作用下屋顶游泳池对结构抗振性能的影响,分析了流固耦合作用的减振效率。研究结果表明：流固耦合运动方程求解与ABAQUS软件数值模拟的位移与加速度时程曲线具有较好的一致性,验证了流固耦合运动方程的准确性;大跨屋顶标准游泳池对结构在X与Y方向的地震响应均有明显的抑制作用,结构的第一阶模态振动减振效果要优于第二阶模态;流固耦合模型在地震作用下的楼层位移与基底减振率相较于不考虑流固耦合作用的等效调谐质量模型有明显提高,在设计屋顶游泳池时应充分考虑流固耦合作用的影响。     

减振器节流阀片组当量刚度的有限元分析方法研究

针对如何高效准确地通过有限元分析方法获取减振器节流阀片组刚度特性的问题,采用有限元分析方法对节流阀片组建立考虑流固耦合效应的流固耦合模型和不考虑流固耦合效应的结构模型。对模型进行求解,提取计算结果中节流阀阀片组的刚度特性曲线,发现：当节流阀阀片和阀座不存在开槽且阀片变形较小时,可建立结构模型求解节流阀片组刚度特性,当变形较大时,则需建立流固耦合模型求解阀片组刚度;当节流阀或阀座存在开槽时,需建立流固耦合模型进行求解;对流固耦合模型中的流体施加不同的速度载荷,发现：高速激励且阀片变形较大时,需建立流固耦合模型求解节流阀阀片组刚度特性,同时发现：阀片组刚度特性与阀片变形速度有关且阀片变形速度越大,阀片组刚度特性越弱。建立某型双筒充气阀片式液压减振器的性能仿真模型,通过仿真结果与试验结果对比可知,以上所得结论是正确可信的。     

Frequency-dependent thermal resistance of vertical U-tube geothermal heat exchangers

As marine vessels expand their range of operations and their planing speeds increase, understanding the physics of shallow water entry becomes of paramount importance. High-speed impact on the surface is responsible for impulsive hydrodynamic loading, spatiotemporal evolution of which is controlled by the entry speed and the vessel geometry. For shallow water impact, the presence of the ground may further influence the hydrodynamic loading, by constraining the water motion beneath the impacting hull. Here, we present a theoretical and experimental framework to investigate shallow water entry, in the context of the two-dimensional water impact of a wedge. Wagner theory is extended to describe the finiteness of the water column, and the resulting mixed boundary value problem is analytically solved to determine the velocity potential, free surface elevation, and pressure field. To complement and validate the semi-analytical scheme, experiments are performed using particle image velocimetry, by systematically varying the height of the water column. The velocity data are then utilized to reconstruct the pressure field in the fluid and infer the hydrodynamic loading on the wedge. Experimental observations confirm the accuracy of the proposed modeling framework, which is successful in anticipating the role of the bottom wall on the physics of the impact. Our results indicate that the pressure distribution is controlled by the water height, whereby we observe an increase in the pressure at the keel, accompanied by a decrease in the pile-up, as the water column becomes thinner. The results of this study are expected to offer insight into the design of marine vessels and constitute a solid basis for understanding the role of fluid confinement in shallow water entry.     

基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

提出基于ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的输水隧道地震动响应并行数值分析方法,采用ALE方法模拟内水和隧道的相互作用,提出基于耦合负载均衡的并行计算方法加快求解速度,采用显式中心差分法完成方程求解。针对某大型输水隧道,建立内水-隧道-土体耦合的全三维数值模型,分析其在非一致地震激励下的动力响应。模型中考虑材料非线性、接触及流固耦合非线性等实际情况,并采用PML （Perfectly Matched Layer）建立人工边界模拟无限区域。在曙光5000A超级计算机上,利用所提方法,完成该大规模非线性问题的求解。通过与附加质量法对比,验证ALE方法模拟内水-隧道耦合的可行性;分析输水隧道地震激励下的应力及变形情况;讨论内水量及变形缝对隧道动力响应的影响;分析并行计算效率。结果表明:环向应力较大值出现在靠近工作井的截面,隧道结构满足强度要求;隧道截面变形量处于安全范围内;满水隧道较空隧道承受更大应力;变形缝可以降低隧道的动力响应;所提并行计算方法可以获得较好的并行效率。     

Nonlocal piezoelasticity based wave propagation of bonded double-piezoelectric nanobeam-systems

Piezoelectric nanobeam (PNB) offer the possibility of being used in micro-electromechanical systems and nano-electromechanical systems and the dynamic testing of such structures often produces stress wave propagation in them. This work concerns with the size-dependent wave propagation of double-piezoelectric nanobeam-systems (DPNBSs) based on Euler–Bernoulli beam model. The two piezoelectric nanobeams are coupled by an enclosing elastic medium which is simulated by Pasternak foundation. Nonlocal piezoelasticity theory is used to derive the general differential equation based on Hamilton’s principal to include those scale effects. Particular attention is paid to the wave propagation piezoelectric control of the coupled system in three cases namely in-phase wave propagation, out-of-phase wave propagation and wave propagation when one PNB is stationary. In three mentioned cases, an analytical method is proposed to obtain phase velocity; cut-off and escape frequencies of the DPNBSs. Results indicate that the imposed external voltage is an effective controlling parameter for wave propagation of the coupled system. Furthermore, the phase velocity of in-phase wave propagation is independent of elastic medium stiffness.     

一种基于压力泊松方程的流体结构紧耦合算法

从流固耦合系统的整体控制方程出发,推导出与流体控制方程一致的耦合等价方程,并得到基于耦合方程的压力泊松方程,通过求解耦合系统压力泊松方程和一致的等价方程就能获得耦合系统的解,而不需要直接求解整体耦合系统的控制方程,有利于降低求解自由度。预估-校正多步迭代格式用于耦合系统的时间推进,克服了传统迭代耦合方法由于时间不同步而产生较大数值误差的不足。应用该方法对附带局部突起的主动脉弓动脉瘤进行流固耦合分析,验证数值方法的可行性。     

不同高度重力坝动水压力分析及Westergaard修正公式研究

对5种不同高度的重力坝进行了地震作用下坝体-库水系统耦合计算,将所得结果与Westergaard公式解析解相比较发现,两种方法得到的动水压力结果沿坝高度上的分布有很大不同,流固耦合结果在坝面上有上部偏大,下部偏小的趋势;随着坝体高度的增加流固耦合模型的这种趋势越为明显,坝面上出现动水压力最大值的位置也逐渐升高。据此,对Westergaard公式做出修正,考虑到多方面因素对动水压力的影响,对原公式引入了坝体高度修正项、坝体弹性修正项、库底吸收修正项。修正的Westergaard公式解与流固耦合结果及以往文献的试验和计算结果吻合良好。     

楔形体诱导的非定常超空泡计算

采用积分方程方法,研究了楔形体外部自然超空泡流问题。提出了楔形体在静止流体中做变速运动所引起的非定常超空泡的积分方程。作为特例,得到了均匀来流时非定常超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法和有限差分法对积分方程进行了求解,得到了楔形体做变速运动、楔角变化、空化数变化、小扰动空化流等各种情况下的数值解。数值结果表明:非定常超空泡具有时滞性和波动性。楔体做变速运动时,加速度越大,时间滞后越长。在匀减速运动时,空泡不封闭,可能有回注射流发生。扰动频率越高,空泡长度变化越小,时间滞后越长。扰动以波动形式沿着空泡表面传播,传播速度为来流速度。该文所得到的结果,对于非定常超空化水翼的设计和分析能够起到参考作用。     

基于谱方法分析有阻尼负载圆柱壳频散特性

以Chebyshev多项式系为基函数,采用谱方法离散弹性理论的波动方程,建立对应的广义特征值问题。依据壳体结构波运动、内部流体及外部阻尼材料在界面处的位移、应力连续条件,构造此复杂圆柱壳系统广义特征值方程。通过数值求解特征值获得对应频率下波数,进而获得圆柱壳结构的频散曲线。分别讨论充水与否、有阻尼负载圆柱壳的频散曲线,获得有价值结论。     

流体诱导弹性管束振动响应数值分析

基于流固耦合问题的弱耦合法,研究弹性管束不同流速的壳程或/和管程流体诱导下的振动响应。研究表明,流体诱导振动幅值随壳程或/和管程流速的增加而增加。与相同管程流速条件相比,壳程流体引起的振幅较大。随壳程流速增加监测点振动频率增加;随管程流速增加监测点振动频率基本不变。壳、管程流体耦合诱导的振动位移曲线与仅壳程流体诱导的振动位移曲线类似,说明弹性管束工作过程中的振动主要由壳程流体诱导。流体诱导的振动频率接近管束第一阶固有频率时,监测点在y、z方向振幅逐渐趋于峰值。流体诱导弹性管束的振动主要表现为面内振动。     

A boundary element method for calculating the shape and velocity of two-dimensional long bubble in stagnant and flowing liquid

A numerical method based on a boundary element method (BEM) has been developed for computing the velocity and the shape of long bubbles moving steadily in stagnant and flowing liquid in 2D case: plane and axisymmetrical. The flow is assumed to be inviscid and incompressible. The method consists in solving simultaneously a Poisson equation characterizing the flow and an equation for bubble shape in the form of a functional-differential equation resulting from both Bernoulli equation and the jump conditions at the interface. The Poisson equation is solved by a BEM with an iterative loop for nonlinear source term while the system of nonlinear algebraic equations obtained by discretizing the equation on the interface is solved by the Powell's hybrid algorithm. The bubble shape and velocity are obtained as a part of the solution. The problem of multiple solutions is investigated numerically and the maximum velocity criterion is used for selecting the physical solution. The results obtained by the simulation are in good agreement with the experimental and numerical results of previous studies.