并列刚性双圆柱流激振动风洞试验研究EI北大核心CSCD

通过风洞试验研究了弹性支撑条件下并列刚性双圆柱的流激振动,试验雷诺数范围Re=3200~36200。圆柱间距比S/D=1.5~4.0,其中S为两圆柱圆心间距,D为圆柱直径。结果表明:随着间距的变化,并列双圆柱的振动幅值呈现涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)和尾流耦合涡激振动(wake-coupled vortex-induced vibration,WCVIV)模式。WCVIV发生在间距比S/D≤3.0时,此时双圆柱之间相互干涉作用较强,双圆柱振动幅值响应呈现不一致性,振动位移之间表现为同相位或反相位耦合特征,圆柱尾流场对称点的涡脱频率也不相同,尾流呈现不对称性。而VIV发生在间距比S/D=3.5~4.0时,此时双圆柱相互独立,其振动幅值和涡脱频率几乎相同,尾流的不对称现象消失,振动位移之间相位差不再近似等于恒定值而是随时间周期性的“划动”。无论发生WCVIV还是VIV,振动频率的主频均锁定于1倍的固有频率。     

低雷诺数下串联双圆柱涡激振动机理的数值研究

利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体的Navier-Stokes方程,结合任意拉格朗日-欧拉（ALE）动网格方法,对低雷诺数下（Re = 150）等直径串联圆柱的涡激振动问题进行了数值模拟研究。其中上游圆柱固定,下游圆柱在弹簧和阻尼作用下允许同时发生顺流向和横流向的运动。在约化速度Ur = 3.0 ~ 12.0的范围内（阻尼比ξ = 0.007）研究了两圆柱圆心间距比（LX / D = 3.0、5.0、8.0）及圆柱质量比（m* = 5.0、10.0、20.0）对下游圆柱的运动响应及受力的影响。数值结果表明,圆柱间距比的变化会导致锁定区间的变化,进而影响到圆柱涡激振动的位移响应和受力特性。这些方面都与尾流区涡旋脱落模式密切相关,体现了双圆柱间干涉作用对涡激振动的影响。进一步的研究表明,圆柱质量比的变化对以约化速度表征的锁定区间、运动响应和尾流模式等都有一定的影响作用。     

主动约束层阻尼圆柱壳动力学分析的新传递矩阵法

基于作者最近导出的被动约束层阻尼(PCLD)圆柱壳的一阶整合矩阵微分方程,结合压电材料本构关系和比例微分负增益反馈控制策略(PD),建立了一种求解主动约束层阻尼(ACLD)圆柱壳动力学问题的新传递矩阵方法。提出的ACLD圆柱壳的一阶矩阵微分方程,采用了简化的机电耦合模型。通过对ACLD圆柱壳自由振动及其在地震激励作用下的动力学响应分析,表明ACLD圆柱壳的阻尼特性和减振效果相对于PCLD圆柱壳具有明显优势,并且发现采用周向分块敷设ACLD,且施加与结构变形中的占优模态相匹配的控制电压分布方式对地震激励的抑制效果更好。     

壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响

研究了不同壳间连接介质的加筋双层壳的振动声辐射特性.基于Flügge壳体理论和Helmholtz波动方程,求解了双壳体声-流体-结构耦合方程,计算了有限长双层壳体在径向点激励下的声功率和振动速度级.结果表明,水层的耦合作用随频率的增高而降低,托板的耦合作用随频率的增高而增加,托板在内、外壳的振动传递中起着较大的作用.为了减小托板对振动及声辐射的影响,提出了阻尼托板结构,即在托板上添加阻尼材料,对含阻尼托板的圆柱壳声学特性进行了数值研究.结果表明,在中高频段,阻尼有效抑制了振动能量的传递,壳体的辐射声压明显降低,这对水下结构的减振降噪设计具有重要的参考意义.     

利用延迟反馈控制柔性圆柱涡激振动数值研究EI北大核心CSCD

以三维细长柔性圆柱为研究对象,基于结构梁振动模型和尾流振子模型,采用二阶中心有限差分方法求解耦合方程,研究延迟反馈控制作用下柔性圆柱的涡激振动(vortex-induced vibration,VIV)响应特性。研究发现:柔性圆柱的振动幅值和振动频率会随着延迟时间τ的增加呈现周期性变化,不同的延迟时间τ耦合不同的延迟增益k_(d),可以实现柔性圆柱不同振动幅值和振动频率的控制;在耦合延迟增益(k_(d))符号相反时,变化曲线会有半个周期的相位差;且延迟时间τ并不能改变振幅峰值,其大小只与延迟增益k_(d)有关。理论分析证明:当τ不断增加时,振动频率f和波数k会趋向于定值。该研究提出的延迟反馈方法能够有效控制柔性圆柱的涡激振动,为海洋立管等柔性钝体的振动控制提供新的方法和思路。     

被动湍流控制圆柱驰振能量收集的等效电路研究

为更好的预测驰振压电能量收获机的性能,首先建立了等效电路仿真模型(ECM)并通过实验验证,最大误差不超过10%。采用该方法分析了被动湍流控制(PTC)下圆柱驰振压电能量收集的仿真模型,且该方法可将驰振能量转化系统的质量-弹簧-阻尼(M-C-K)控制方程中各参数用等效电路的电子元件来表示,从而可以分析过往仿真手段所不能解决的直流电路耦合问题。其次,从能量收集效率角度分析了交流-直流等效电路中临界风速(Ucr)随外接载荷的变化规律,及输出电压与功率随不同风速和外界载荷的变化规律。结果表明,交流电路中Ucr随载荷的增大先增大后减小,直流电路中Ucr随载荷的增大逐渐减小。当风速达到Ucr的最大值时,驰振在任一电阻下均会发生。U≥Ucr时,驰振出现锁定现象,输出电压和功率均随着风速的增大而增大。当风速过大时,增长率有减小趋势。输出电压均随着电阻的增大而增大,功率随电阻的增大先增大后减小。相比于交流电路,直流电路的最佳负载由1.1 MΩ提高到2.0 MΩ,同时功率峰值从0.08 mW降低到0.04 mW。     

低雷诺数下两类串列圆柱的涡激振动

为了研究上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动的影响,针对两类串列双圆柱(上游圆柱固定、下游圆柱可作两自由度振动,上下游圆柱均可作两自由度振动),在低雷诺数下(Re=100),采用数值模拟方法,研究了下游圆柱在不同尾流干扰下的振幅、振动频率、相位差等振动特性随折减速度的变化规律,从能量输入和尾流模态角度探讨了上游圆柱的振动状况对下游圆柱涡激振动的影响规律及其流场机理。研究表明:上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动有显著影响;与上游圆柱固定情况相比,上游圆柱振动时下游圆柱存在明显的振动锁定区间;下游圆柱横流向振幅更大且最大振幅发生在更高的折减风速下。振动过程中两类串列圆柱的顺流向间距比明显不同。上游圆柱固定时,顺流向圆柱间距大于上游圆柱振动情况。两类双圆柱的尾流模态也有明显不同,上游圆柱固定、下游圆柱振动时的串列双圆柱为平行涡街模态,而上下游圆柱均能振动时的尾流为"2S"模态。     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

压电双晶连接形式对振动发电机力电输出特性的影响

为了分析压电双晶体连接形式对振动发电机力电输出特性的影响,并有效改善发电机综合性能,考虑发电机机械端的力-电耦合与电路端的电-电耦合作用,利用压电本构方程建立了双晶压电悬臂式振动发电机的有限元分析动力学方程,利用ANSYS软件建立了相应的有限元机电耦合分析模型,对比分析了在相同外力激振条件下,压电双晶不同连接形式对发电机输出力特性(末端振动速度)和电特性(电压、电流和电输出功率)的影响。最后,对两种类型发电机的电输出功率进行优化分析,得到了压电双晶不同连接形式时发电机的优化负载电阻和最大输出功率。研究结果表明:串联型振动发电机的优化负载电阻是并联型发电机优化负载电阻的4倍;串联型发电机具有较大的输出电压,压电双晶并联型振动发电机具有较大的输出电流,但两者具有相同的最大输出功率。     

低雷诺数下直圆柱和波型圆柱受迫振动的数值研究EI北大核心CSCD

对低雷诺数下(Re=150)的直圆柱和波型圆柱在均匀来流中横向受迫振动问题进行了数值模拟研究。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升阻力,确定各自的锁定区间并分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值结果表明:虽然波型圆柱在静止情况下能够完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升阻力随振动频率的变化趋势与直圆柱相似;波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段;升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同;锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,观察到2S和C(2S)两种模式;波型圆柱尾流区观察到唯一一种泻涡模式。     

低雷诺数下直圆柱和波型圆柱受迫振动的数值研究

对低雷诺数下(Re=150)的直圆柱和波型圆柱在均匀来流中横向受迫振动问题进行了数值模拟研究。通过改变运动圆柱的振动频率和振幅,对比分析直圆柱和波型圆柱所受的升阻力,确定各自的锁定区间并分析在锁定状态下升力及尾涡的变化特性。数值结果表明:虽然波型圆柱在静止情况下能够完全抑制卡门涡街,但在受迫振动下其升阻力随振动频率的变化趋势与直圆柱相似;波型圆柱对升力和阻力的抑制分别体现在低频和高频段;升力曲线在锁定和非锁定状态下表现不同;锁定状态下,直圆柱尾流区的泻涡模式由振动频率控制,观察到2S和C(2S)两种模式;波型圆柱尾流区观察到唯一一种泻涡模式。     

高频变流诱发的电主轴高次谐波振动及其抑制方法

高速电主轴已在超高速磨削中获得成功应用,但由高频变流诱发的高次谐波机电耦合振动严重影响磨削系统的稳定性和磨削质量,而其动力学机理尚不明确.利用传统的砂轮转子机械模型尚不能定量解释高频变流诱发高次谐波机电耦合振动的原因.在传统砂轮转子机械模型的基础上建立了"逆变器-电主轴-砂轮-磨削载荷"系统的机电耦合数学模型.利用该模型研究了启动、升速及突变磨削载荷等条件下磨削系统的几类典型非平稳过渡过程,并在超高速平面磨床上进行了试验研究.揭示了功率开关高频变流诱发超高速磨削系统机电耦合振动的物理机理,提出了通过优化逆变器工作参数抑制机电耦合振动的具体策略.     

刚性联结串列双圆柱尾流致涡激振动研究EI北大核心CSCD

为了研究刚性联结对串列双圆柱尾流致涡激振动的减振效果及其流场作用机理,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的无联结及刚性联结串列双圆柱为研究对象,在雷诺数Re=150时,采用数值模拟方法研究了刚性联结对圆柱振幅、振动轨迹和锁振区域的影响规律,分析了振动响应和气动力之间的内在联系,探讨了两类圆柱振动差异背后的流场机理。研究表明:刚性联结对串列双圆柱的尾流致涡激振动有一定的减振作用,提高了发生涡激振动的起振风速,减小了发生涡激振动的折减速度范围,降低了下游圆柱的振幅,但上游圆柱振幅略有增加。发生尾流致涡激振动时,无联结串列双圆柱和刚性联结串列双圆柱的的流固耦合机制不同,两者的尾流模态有很大差异。     

三角分布的海洋立管涡激振动数值分析

基于格子Boltzmann粒子网格技术,采用XFlow求解器对三角分布的海洋立管进行涡激振动数值模拟。运用二阶范德波尔方程描述二维圆柱横向单自由度涡激振动,研究了三圆柱间距比及来流约化速度对圆柱涡激振动特性的影响,圆柱间距比取L/D=0.5、2.0、4.0,来流约化速度为U_(r )=1～9;分析了圆柱涡激振动的振幅、升阻力系数特性及圆柱尾流中旋涡脱落模式。结果表明:圆柱间距比为L/D=0.5、2.0、4.0时对应的上游圆柱涡激振动的锁振区间分别为U_(r )=3.5～7.0、3.5～7.5、3.5～6.0,最大振幅分别为Y_(rms)/D=0.372, 0.546, 0.470。间距比过大或过小时,其流体流动模式分别受接近效应和尾流效应的影响,中间间距比时,在非锁振区间内,其流体流动模式受两者组合效应的共同影响,在锁振区间,其流体流动模式同大间距比一样主要受尾流效应的影响;流体干涉效应的变化对圆柱升阻力系数的变化起着重要的作用,不同间距比,圆柱升阻力系数的变化趋势相似。     

周期性粘弹性复合圆柱壳的功率流

在振动和噪声控制工程中,人们广泛使用各种粘弹性阻尼材料,并将它们粘贴在结构上减少结构振动和噪声.本文研究在圆柱壳上周期性粘贴阻尼材料后,该复合圆柱壳中的波传播和功率流.分析结果表明阻尼层的刚度和损耗因子极大地影响圆柱壳中的波传播和功率流.对相同体积的阻尼材料,增加阻尼层的厚度可比增加阻尼层的长度更有利于减少功率流.     

刚性耦合三圆柱流致振动特性和机制EI北大核心CSCD

采用迭代式浸入边界法对刚性耦合三圆柱的流致振动进行了数值模拟研究。三圆柱按照等边三角形排列,上游两个并排圆柱,下游一个圆柱。圆柱间距比为P/D=1.0~4.0,雷诺数为Re=100,质量比为m=2,折合流速为U_(r)=3~30。通过研究圆柱的振幅、频率和流体力随折合流速的变化规律,发现了两种不同的振动模式,即小间距比条件(P/D=1.0)下的驰振模式和中、大间距比条件(P/D=1.6~4.0)下的涡激振动模式。而涡激振动模式在不同的间距比条件下又具有单锁定区间(P/D=1.6)和双锁定区间(P/D=2.5~4.0)两种不同振动特征。进一步分析尾流模式,发现第一锁定区间(含单锁定区间)内的振动响应由剪切层重附着机制激发,而第二锁定区间内的振动响应由交替尾涡泄放机制激发。     

薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的振动特性分析

摘要：为深入研究薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的运动特性,应用Donnell简化壳理论,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的影响,建立了薄壁圆柱壳在流体脉动激励下的非线性振动方程。基于Galerkin方法将偏微分方程转化为方便求解的常微分方程,利用多尺度法求解了系统主共振的一次近似解,得到了系统稳态响应的转迁集与分岔图,并通过奇异性分析,得到了系统工作稳定性和可靠性的结构参数区域。对薄壁圆柱壳在流体作用下的振动特性进行了数值模拟和实验研究,考察了阻尼系数、脉动频率、液体深度等对系统动力学特性的影响。研究表明,考虑阻尼、结构非线性和附加质量的非线性振动方程更能体现薄壁圆柱壳在流体脉动激励下完整的动力学特性,同时系统中存在多种分岔行为。     

质量比对圆柱涡激特性的影响研究

采用有限体积法对不同质量比圆柱在限制流向及不限制流向下的涡激振动进行了研究。圆柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,结合SST  湍流模型对限制流向和不限制流向下圆柱涡激振动进行了数值模拟。研究发现：限制流向和不限制流向时圆柱涡激振动横向振幅均出现了初始激励分支和下端分支, 不限制流向质量比2.0时还出现了超上端分支,其横向振幅最大值为1.05D,是限制流向工况的1.81倍,质量比越大两者相差越小;限制流向和不限制流向两种工况下圆柱涡激振动均发现频率锁定现象,但锁定区间不同;质量比大小对圆柱涡激振动锁定区间也有影响;最后对不同质量比下圆柱涡激振动轨迹进行了讨论分析。     

带有弹簧-质量-圆柱壳耦合结构自由振动分析

采用子结构导纳法研究了简支边界条件下带有多根弹簧-集中质量-圆柱壳耦合结构的自由振动。根据已有结果,通过求解多根弹簧等效刚度的推导思路,采用柔度法得到各子结构矩阵元素的柔度系数,进而求得集中质量带有多根弹簧的圆柱壳耦合结构自振频率及模态理论公式,并与已有文献结果作对比,证明了本文理论推导的正确性。应用本文理论方法进一步求解了集中质量带有三根弹簧圆柱壳耦合结构的自振频率及振型,并与建立的ANSYS有限元模型分析结果作对比,二者结果误差很小,可以忽略,再次验证本文理论的合理性及正确性。     

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响EI北大核心CSCD

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。