计及附加质量系数变化效应的立管涡激振动时域响应研究

针对海洋立管涡激振动问题提出了一套时域预报数值方法,引入附加质量单元,能够计及附加质量系数变化效应对立管模态分析及涡激振动预报的影响。基于上述方法对均匀流工况以及线性剪切流工况下立管模型的涡激振动响应进行分析,并与相应试验结果的均方根位移及曲率、应变及位移响应时历曲线以及响应幅值谱进行了对比。结果表明,本文模型能够有效预报海洋立管涡激振动响应,且与传统数值模型相比,本文模型预报结果与试验数据更为吻合,可以较好地体现附加质量系数变化效应对涡激振动预报较为明显的影响。     

振荡流下柔性立管涡激振动时域响应研究

引入受迫振动试验所得流体力系数库,采用全新的锁定判定区间及锁定准则,针对柔性立管振荡流条件下涡激振动问题提出了一套可供选择的时域预报数值方法。涡激振动流体力由瞬时来流速度及立管截面运动共同决定,相关流体力系数为无因次幅值及频率的函数。基于上述方法对某4 m立管模型不同KC数及最大约化速度的振荡流工况进行模拟,预报结果与相应试验实测吻合较好,并捕捉到振幅调制、迟滞、频率转换及高频谐振等现象。进而,对于不同KC数及最大约化速度组合的振荡流工况下立管动力响应表现出的诸多有别于定常流条件的特性,从涡激振动发生机理层面进行分析讨论并给出合理解释。最后,通过对振荡流与均匀流下立管涡激振动响应进行对比发现,在流速相当的条件下,振荡流工况的涡激振动均方根位移大于对应均匀流工况的对应值;而当最大约化速度相同时,较小的KC数对应较大的涡激振动均方根位移。     

基于离散点涡的双自由度涡激振动尾流振子模型研究

建立了一种新的预报双自由度圆柱涡激振动响应的尾流振子模型,提出了以近壁点涡强度为变量描述尾流振子方程.通过势流理论推导出了结构所受流体流向和横向水动力与点涡强度的量化关系,从而得到了结构振子和流体振子的耦合方程组.使用该模型对圆柱的双自由度涡激振动问题进行了数值计算,得到了结构流向和横向的响应振幅及频率的变化规律.通过与实验结果进行对比,表明模型预测的涡激共振区、锁定频率和“8”字形运动轨迹等结果与实验观测结果基本一致.     

用完全水弹性模型预报钢闸门流激振动特性

基于完全水弹性模型研究水工钢闸门流激振动问题.首先研制完全水弹性模型材料并在实验室采用该材料制成钢闸门比尺物理模型,然后通过模态试验和泄洪响应试验分别获取钢闸门模型动力特性和响应特性并预报原型钢闸门流激振动特性,最后分别以原型钢闸门结构有限元分析结果和现场观测结果对模型预报结果进行检验和验证.研究结果表明以三峡水利枢纽底孔弧形闸门为例,采用完全水弹性模型预报水工钢闸门流激振动特性是一种研究闸门振动可靠而又实用的有效方法.     

叶轮式介质搅拌磨单相湍流场的数值模拟

采用计算流体动力学对叶轮式介质搅拌磨中的单相流湍流流场进行数值模拟,分析不同转速下的流体速度、速度梯度、剪切力、湍流强度、湍动能输运等流场特性,并对该搅拌磨磨腔内单相流(水)的流体速度进行实测。结果表明,磨腔中的流体能量不断分散并重新分配,产生随机分布的涡量,流场能量主要集中在靠近叶轮搅拌器及腔筒内壁的区域内,为有效研磨区;在一定范围内增大搅拌器转速,流体速度及速度梯度增大,流体之间剪切力增大,研磨效果改善;黏度越小的湍流场,湍流强度越高,湍动能在传输过程中耗散越小,能量利用效率越高;实测所得的流体速度变化情况与模拟结果相似,两者的平均速度值相差较小,表明模拟方法可行。     

深海顶张式立管顺流涡激振动响应预报方法

针对深海顶端张紧式立管,基于刚性圆柱体顺流方向受迫振荡实验的水动力信息,采用有限元方法和能量平衡原理,建立了立管顺流涡激振动幅值响应的分析模型。该模型计及了立管横流方向涡激振动对顺流升力放大效应,根据激发力来源不同,分无量纲频率响应区间计算幅值并进行加权模态叠加。预报结果与Chaplin阶梯状来流涡激振动实验测量数据对比,吻合程度较好。     

流体激发结构振动响应预测模型及激振力的识别

本文引入模态分析方法用以建立流体诱发结构振动的应变响应予测模型。具体讨论了处于横向流作用下的单根圆柱的振动应变响应问题,推导了用模态参数表达的应变传递函数矩阵及应变响应的表达式,叙述了应用电阻应变计来测量应变响应和应变传递函数的方法。在此基础上,测量了在某一流场条件下的振动应变响应,据此识别了流体激励力谱。实验结果表明,在雷诺数为10~4左右时,流体的激振力主要来自旋涡脱落,湍流脉动所起作用则较小。     

圆柱体涡激振动的高阶非线性振子模型研究

为快速准确预报圆柱双自由度涡激振动幅值响应等重要特性,提出了一种高阶非线性振子模型。基于拉格朗日第二类动力学方程及二元函数的泰勒展开公式推导了四对称弹簧固定的圆柱振动方程,在其中计入了轴向拉伸非线性项和耦合非线性项;根据离散点涡理论推导了圆柱涡激振动中所受的脉动升力和脉动阻力,并得到了它们之间的数学量化关系;利用包含五阶气动阻尼项的改进Van der Pol方程来模拟流体振子,进而建立了非线性结构振子和流体振子的耦合方程组模型。在此基础上对不同质量比和阻尼比的圆柱进行涡激振动预报,并与试验数据进行对比分析,验证了该模型应用的正确性和广泛性,最后对模型中的各项参数进行了敏感性分析。     

线性剪切流中深海立管顺流涡激振动响应及疲劳损伤研究

采用圆柱体顺流受迫振荡试验数据,并引入顺流流体力放大因子,建立考虑横流对顺流响应影响的深海立管顺流涡激振动预报模型。该模型假定对应顺流涡激振动两个不稳定区的涡脱落模式相互独立,因此允许对应于不同不稳定区的两个模态能量输入区相互叠加。运用建立的涡激振动预报模型对HanØtangen试验模型进行分析,并与试验结果的位移均方根和主要控制模态进行了比较,结果均吻合较好。采用S-N方法,对顺流涡激振动诱发的深海立管疲劳损伤进行分析,研究了能量比截断值、顶端张紧力和流速分布对疲劳损伤的影响,得到一些有意义的结论。     

基于谱单元方法的平板冲击流固耦合研究

假设流体无粘且无旋,计及流体中的气穴现象,采用谱单元方法建立水下爆炸瞬态流固耦合的三维数值模型,探讨了水下爆炸瞬态流固耦合作用的机理,用经典的平板冲击问题对数值模型进行验证,数值结果与解析解吻合良好,并根据数值结果绘制了流体中的气穴区域,对气穴效应进行分析,分析显示,气穴效应会对结构响应产生很大影响,在计算中应予以考虑。基于本文建立的数值模型,在不同网格细化的条件下,分别采用谱单元方法和有限元方法对弹簧——平板模型进行水下爆炸瞬态流固耦合问题的求解,并在此基础上对谱单元方法和有限元方法进行对比研究,研究发现,谱单元方法在提高精度的同时能大量节省计算时间,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求解中。本文旨在为相关水下爆炸瞬态流固耦合的研究提供参考。     

真空气淬过程数值模拟湍流模型适用性研究

分别采用标准κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型和可实现的(Realizable)κ-ε模型对某喷嘴型真空高压气淬淬火过程进行了数值模拟.结果表明:通过合理选择湍流模型,可以通过数值模拟的方式实现对淬火过程的预测和分析.由于三种湍流模型对湍流耗散率处理方式的不同,使其适用领域有所不同,对于真空气淬过程,可实现的( Realizable)κ-ε模型适用性最好,重整化群(RNG)κ-ε模型次之,标准κ-ε模型与实验吻合度最差.     

平板前掠翼发散风洞试验预测技术

介绍了平板前掠翼的发散试验技术。采用了Southwell方法进行发散动压预测,该方法是一种亚临界发散试验技术。通过试验,也介绍了预测试验和临界试验中的一些关键技术。试验采用了三个平板前掠翼模型,其中两个为复合材料层合平板,一个为铝合金平板。为了对亚临界试验结果进行预测和验证,在试验前进行了发散动压的计算并补充进行了临界发散风洞试验。计算结果和临界试验结果均表明,利用Southwell方法进行发散动压的预测能够取得较好的结果。模型发散动压的计算是利用NASTRAN的柔度法和自行开发程序的模态法进行的,两种方法均采用亚音速偶极子格网法气动力理论的定常部分进行气动力的计算。通过对计算结果、预测试验结果和临界试验结果的对比分析,可以看出三者具有较好的一致性。     

Prediction of turn down warping during hot plate rolling based on a Gaussian function

Turn down warping is a shape defect observed at the front end of a plate during hot rolling. To produce a flat plate without warping, a precise prediction of turn down warping is essential to achieve optimal control. Therefore, we propose a model based on a Gaussian function to predict turn down warping. The model uses the results from numerical analyses of hot plate rolling. The finite element code MARC was used for the numerical analysis. Hot plate rolling processing parameters, such as roll diameter, plate dimension, rolling speed, and pass line were all considered in the model. To verify the accuracy of the prediction model, the numerical results obtained by FEM were confirmed with data measured during industrial hot plate rolling. For the actual measurements of turn down warping, image processed high speed camera data from the exit side of the rolling were used. The results show that the proposed Gaussian function model can successfully predict turn down warping of a plate’s front end under various hot plate rolling conditions.     

近场气泡载荷下柔性结构耦合响应实验研究

通过电火花气泡装置和高速摄像设备对气泡与附近刚性/柔性边界间的耦合现象进行实验观测和研究。针对不同材质平板和不同距离参数下气泡脉动实验数据进行整理,对气泡动力学特性如撕裂现象、射流方向特性及气泡迁移特性等进行机理分析;并借助MATLAB开发图片数字化识别程序,分析总结了整个气泡脉动载荷下柔性板的整体运动响应模式和结构中心测点的响应特征。实验结果表明:气泡在柔性板附近收缩时出现“棒槌”状或气泡撕裂及远离对向射流现象;探究气泡载荷下柔性结构响应模式,发现气泡膨胀时柔性板呈一阶响应,收缩时呈现三阶响应及双峰值迁移现象。     

Definition of diagonal Poisson’s ratio and elastic modulus for infill masonry walls

The prediction of the response of infilled frames through the simplified approach of substituting the infill with an equivalent pin-jointed strut is treated. In this framework the results of an experimental study for the mechanical characterization of different types of masonry infills having the aim of estimating strength, Young modulus and Poisson’s ratio are presented. Four types of masonry were investigated and subjected to ordinary compressive tests orthogonally to the mortar beds and along the directions of the mortar beds. The experimental campaign confirmed the possibility of using an orthotropic plate model for prediction of the Poisson’s ratio and Young modulus along the diagonal direction of infills (these parameters are requested by a model already known in the literature for the identification of struts equivalent to masonry infills). The experimental campaign made it possible to recognise a correlation between the Poisson’s ratios and the strengths of masonries investigated along the orthotropic axes and to obtain the diagonal Poisson’s ratio without specific experimental tests. Finally, the experimental responses of some infilled frames were used to test the reliability of the model proposed here.     

基于时域响应灵敏度分析的板结构损伤识别

提出了一种基于响应灵敏度分析的有限元模型修正法,对平板结构的局部损伤进行识别。在正问题研究中,将结构的局部损伤模拟为板结构单元杨氏模量的减少,建立了板结构的有限元动力学方程,利用直接积分法获得了结构强迫振动响应。在损伤识别反问题中,基于响应灵敏度分析,直接利用结构的动态响应进行有限元模型修正和损伤识别。算例表明,本文方法能有效识别板类结构的局部损伤,具有需要测点数目少,损伤识别精度高,对模拟的测量噪声不大敏感的优点。     

The interaction of shock waves with a boundary layer on a sharp plate and a blunted plate

The interaction of shock waves with a turbulent boundary layer on a sharp plate and a blunted plate is numerically investigated. The shock waves in the flow are generated by wedges installed on the flat plate. The flow is simulated by the dynamic equations of a viscous perfect gas. The effect of the blunting radius of the plate’s leading edge and the wedge angle on the flow field and the local aerodynamic coefficients is shown. The calculated results are in agreement with the experimental data.     

桥梁气动导数的格子Boltzmann大涡模拟仿真

为将格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)用于桥梁气动导数的识别,该文将壁面自适应局部(Wall-Adapting Local Eddy, WALE)涡黏性模型引入到多松弛时间格式(Multiple Relaxation Time,MRT)的LBM中,构造了一种能够有效模拟桥梁结构高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-WALE。采用MRT-LBM-WALE和动边界技术驱动主梁断面在流场中做正弦竖向或扭转振动,在虚拟风洞中实现了强迫振动法识别气动导数的LBM仿真。利用方柱非定常绕流问题验证MRT-LBM-WALE的可靠性后,对理想平板和Great Belt东桥的气动导数进行了计算。研究证明MRT-LBM-WALE能够得到近壁面上真实的亚格子涡黏性,可以准确地预测湍流流动的发展。同时,研究表明气动导数的MRT-LBM-WALE仿真值与理论解或试验值吻合较好。     

融合多源数据的非线性退化建模与剩余寿命预测

针对目前基于单个传感器剩余寿命预测方法存在预测精度不高的问题,该文提出一种融合多源传感器数据的非线性退化建模与剩余寿命预测方法。该方法包括复合健康指标的构建、模型参数的估计和传感器融合系数的确定,在确定融合系数后,结合设备历史寿命数据与实时监测数据,利用Bayesian参数更新公式推导出设备的剩余寿命概率分布,实现设备的剩余寿命在线预测。最后通过由商用模块化航空推进系统仿真生成的发动机退化数据集进行仿真实验,结果表明该文所提方法能够有效提高设备剩余寿命预测的准确性。     

叠层板状结构流致振动特性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行求解,研究系统零流速状态的固有频率和模态,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式。结果表明,悬臂支承模型发生颤振失稳;两端固支模型发生屈曲失稳。