流固耦合动力学与控制专刊征稿启事

流固耦合动力学是航空、航天、船舶、土木、海洋工程、轨道交通等领域重大工程和装备设计、建造及运行中关注的核心基础性力学问题之一。流体与固体相互作用诱发的动力学问题不仅影响装备和工程结构的关键性能，还可能引起装备和结构的破坏失效，导致巨大的生命财产损失。如飞行器结构颤振、海洋立管涡激振动、土木结构风激振动、舰艇振动与噪声等诱发的安全和可靠性问题。流固耦合动力学系统具有显著的非线性特征，其动力学现象、     

大变形柔性管道两相流流致振动研究

针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,本文采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型.基于流体体积法对气液两相流动界面进行追踪并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法考虑流体域网格变形,同时采用有限元方法建立了柔性管道动力学模型,根据流体和管道壁面的相互作用构建强流固耦合计算模型.研究表明,在两相流作用下柔性管道的振动主要以类似一阶和二阶振动模态响应为主且会发生模态切换;模态切换与管内的液塞长度、液塞流动频率以及气液塞在管内的轴向分布有关;管道的大变形振动促进了短气塞的融合并显著改变了液塞的长度和频率,进而影响管道的振动和流型转变界限.     

输流管道动力学与控制的最新进展

管道系统在航空航天, 石油输送, 深海探测, 核能工程等工程领域发挥着输送流体的作用.由于复杂结构功能设计、支承条件、内部流体和外部环境等因素引起输流管道中的流体和管道发生强烈地耦合,导致的动力学问题严重限制了输流管道在各种领域中的工程应用.因此,输流管道的复杂动力学行为引起了工程和科学领域学者们的广泛关注, 本文综述和讨论了最新的输流管道振动与控制的研究和进展.     

基于多物理场的管道强度与模态分析(三)管道的流固耦合模态分析

由于流体作用而引起管道的冲击振动,对其可靠性和安全性具有重大影响。本文对充液管道的流固耦合模态进行了分析,并研究了壁厚和管径对管道固有频率的影响,为管道的设计和安全评价提供参考依据。     

流固耦合动力学与控制专题序

围绕管道流固耦合振动建模理论与方法、流致振动与控制、涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果.     

转子动力学研究进展

本文简要回顾了转子动力学的发展历程,指出了转子动力学的研究对象,如以汽轮发电机、燃气轮机、离心/轴流压缩机和航空发动机等大型装备为代表的复杂转子系统;主要研究内容涉及转子系统动力学建模、临界转速和振动响应计算、柔性转子动平衡技术、支承转子的各类轴承动力学特性、转子系统动力稳定性、转子系统非线性动力学、转子系统振动故障及其诊断技术、转子系统振动控制和多场耦合激励下转子系统振动,如机电耦合振动等.未来的研究主要聚焦在转静子系统耦合振动,基于大数据的转子系统智能诊断和考虑新材料、新结构的转子系统振动控制技术等方面.     

大型水电站厂房结构流固耦联振动特性数值模拟

水电厂房内的多场耦合振动分析是工程界十分关心的问题.为了实现发电厂安全生产的目标,过去在对其进行共振校核时,往往只对结构进行模态分析,而忽略了流体的存在;但是厂房流道内存在着大量的流体,流体的存在改变了厂房结构的动力特性,是属于典型的流固耦合振动问题.因此,在对其进行共振校核时应该考虑流体的影响.由于机理的复杂性、建模、数值模拟的困难性,迄今为止关于这方面的分析研究成果很少.本文借助于2个实际工程,对厂房结构与流体复杂的耦合振动问题进行分析,并对其进行比较,详细的阐述了厂房结构-流体的耦合振动特点.本文的研究成果对于解决流体-结构相互作用问题具有重要的工程意义,同时对于解决其他类型的流固耦合振动问题也具有很高的参考价值.     

面向高端装备制造CAE技术的机遇和挑战

针对高端装备制造在设计、分析、制造、服役和维护等全过程中对CAE的需求,从结构、流体以及流固耦合等3个方面概述CAE技术国内外进展及其面临的机遇和挑战,指出在发展具有能够对装备在极端服役环境下准确的结构、流体和流固耦合CAE分析技术的基础之上,需不断突破面向工程应用的多物理场耦合、跨尺度分析、多学科综合设计、产品性能评估和集成等关键技术,使CAE逐步向支持现代设计和全寿命周期管理转变.     

弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析

弹性环挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出ERSFD的力学特性.为了进一步探究ERSFD的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取ERSFD中油膜压力的分布规律.在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出ERSFD等效刚度、等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中.通过数值计算研究了ERSFD支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图、轴心轨迹等.同时,通过对比分析,进一步揭示了ERSFD所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对ERSFD轴承支撑特性的理解.     

旋转Timoshenko输流管道的固有频率和稳定性分析

基于Timoshenko梁模型,本文研究了旋转输流管道在自由振动状态下的流固耦合振动特性.考虑流体压力、重力、初始轴应力作用,基于Hamilton原理和欧拉角转换,推导得到了旋转Timoshenko输流管道的偏微分方程.根据Galerkin截断法将运动方程进行离散,通过求解系统的特征方程即可得到输流管一阶复频率的实部和虚部,实部代表固有频率,虚部代表能量变化.在流速较高时,研究发现必须考虑4阶及以上Galerkin截断,才能得到稳定的结果.通过与EulerBernoulli梁模型对比,验证了本文的结果正确性.研究发现针对短粗型管道,Timoshenko梁模型更加精确.此外研究了多种参数对旋转Timoshenko输流管道固有频率和振动稳定性的影响.研究结果表明质量比、流速、剪切系数对Timoshenko输流管道流固耦合振动的稳定性影响显著,而转动惯量、重力、流体压力和初始轴应力在一定程度上也会影响管道振动的频率和稳定性.转速的出现将管道频率分为两个量值,但转速并不影响系统能量变化.     

GDQR法用于输流曲管的流致振动研究

将广义微分求积法(GDQR)用于分析输流曲管的流致振动问题,这是一个新的尝试．基于输流曲管的面内振动微分方程,利用GDQR法使曲管系统在空间域上得以离散化,从而获得了输流曲管的动力学方程组．数值算例中,计算得到了输流曲管在几种典型边界条件下的固有频率以及曲管发生失稳的临界流速等,这些计算结果与前人的解析解结果吻合较好．此外,还给出了两端固定输流曲管典型的动力响应行为．研究表明,GDQR法极易处理输流曲管这一类动力学模型,精度令人满意,进一步的研究可望推广到输流管道的非线性振动分析中．     

两端固定输流管振动实验研究

通过实验的方法对简谐激励和脉动流作用下的两端固定输流管的动力学行为进行振动测试分析.设计并制作了两端固定输流管的振动实验装置,为确保实验结果翔实可靠,选取三种不同材料的管分别进行了三次实验,研究了管内流体流速、激振力振幅和脉动流频率对两端固定输流管振动特性的影响.结果表明,流体流速和激振力幅值对两端固定输流管的一阶共振特性和振动幅值有着显著影响,在脉动流作用下,两端固定输流管存在混沌运动,并且随着脉动频率的增大,管道平均振幅减小.     

用微分求积法分析输液管道的非线性动力学行为

将微分求积法(Differential Quadrature Method,简称DQM)应用于输液管道的非线性动力学分析,采用此法研究了受非线性约束输液管道的分岔现象和混沌运动问题.从悬臂输液管道模型出发,利用微分求积法形成管道的动力学方程.以分岔图、相平面图、时间历程图和Poincare映射等分析手段考察了系统参数(管内流速)变化对管道振动形态的影响.结果表明,在所研究的系统中存在出现倍周期分岔现象和混沌运动的参数区域,这与前人的研究成果具有一致性.这为一类结构的非线性动力响应问题提供了一种新的研究思路.     

变流速输液管的周期和混沌振动

研究了参数激励和外激励联合作用下输流管道的非线性振动问题．只考虑管道变形的几何非线性因素,利用Hamilton原理得到单侧受简谐均布载荷作用下输液管的非线性动力学方程,对系统运动偏微分方程综合运用多尺度法和Galerkin离散方法,得到了主参数共振-1／2亚谐共振和1：2内共振情况下的平均方程．数值模拟结果表明参数激励和外激励联合作用下的悬臂输液管呈现周期运动、多倍周期运动和混沌运动的变化规律．     

复杂变时滞作用下的钻头纵扭耦合非线性振动

油气探采中的钻柱是一个纵扭耦合的超大柔性转子系统,该系统在钻头-岩层切削界面的时滞、非光滑效应作用下极易产生破坏性的黏滑振动失稳并造成钻柱失效.研究围绕钻柱纵-扭耦合动力学及时滞稳定性问题展开,考虑钻柱内部结构阻尼、外部阻尼、重力、钻井液浮力以及更一般的顶部边界,建立了钻柱4自由度缩减模型.同时,基于井底钻头存在跳钻与扭振的实际工况,在钻头-岩层界面引入了多重再生切削效应,建立了复杂变时滞作用下的钻柱纵扭耦合非线性动力学模型.随后,基于半离散法,得到了该系统的线性派生时滞系统的稳定性判据,并在转速-钻压参数平面得到了稳定钻进的参数包络线.通过参数研究,分析了顶部边界条件、岩层强度等因素对钻柱参数空间稳定性包络线的影响.同时,通过对系统的时域非线性仿真,验证了稳定性分析的正确性并重现了井底钻头的黏滑运动、跳钻、钻头反转等多种强非线性运动.最后,对时滞引起的钻柱自激振动,通过优化的顶部柔顺边界实现了振动抑制,为钻柱纵扭耦合振动的抑制提供一种简单有效的思路.     

飞机液压导管干涉故障分析和维修方法研究

飞机液压导管工作过程中因为振动导致发生导管间干涉、导管与结构干涉、导管与成附件的干涉等问题。运用有限元方法对某型飞机某段液压导管进行了振动特性分析，发现振动确实容易引发导管与成附件间的干涉，严重时还会导致导管磨损和破坏故障。在总结传统导管干涉处理方法的基础上，提出了基于颗粒碰撞减振器的降振维修方法，并通过试验和离散元仿真的方法验证了其有效性，为工程实际中解决由于振动导致的导管干涉问题提供了新的方向。     

基于内流动力学的海洋输油柔性立管鲁棒边界控制

海洋输油柔性立管的振动是引起立管疲劳破坏的主要原因,对其研究边界控制是消除振动疲劳、减少断裂的有效方法.本文引入内流动力学,完善了立管原始无穷维分布参数模型,更好地表达了柔性立管的动力学响应.为抑制柔性立管在内外流激励下的振动奠下基础,本文用Lyapunov直接法对柔性立管系统的稳定性和状态一致有界性进行了证明,设计了边界控制器调节柔性立管的振动,其中控制器使用了符号函数来消除不确定性环境扰动对振动控制效果的影响,提高了系统的鲁棒性.仿真实验表明本文所设计的控制算法有效地减少了柔性立管的振动偏移量.     

基础激励作用下悬臂输流管的振动实验研究

通过实验的方法对基础激励作用下悬臂输流管的动力学行为进行振动测试分析.设计并搭建了悬臂输流管振动测试的实验平台,深入研究了悬臂输流管在不同流速及不同参数情况下的振动行为,分析了在基础激励作用下,悬臂输流管振幅的变化规律.结果表明,悬臂输流管的物理参数对悬臂输流管发生颤振失稳的临界流速有着极其显著的影响,在基础激励作用下,悬臂输流管的振幅明显增大,并且当激振力频率接近悬臂输流管的固有频率时,输流管的振幅达到最大.