稳定流与三翼圆柱的流固耦合研究

在低雷诺数下,应用有限元数值模型计算了带有三扰流翼板圆柱的涡激振动问题,研究涡的释放形式和圆柱的振动幅度．在数值模型中,针对低雷诺数外部流场采用无量纲的N-S方程,三扰流翼板圆柱振动简化为质量-弹簧的断面系统,通过在流固边界上位移与应力的反复迭代,进行三扰流翼板圆柱与外部流场耦合计算,计算结果表明triangle60型的三扰流翼板可以明显地减小圆柱的涡激振动．     

管道中流固耦合作用下的活门运动分析

为了探索管道中活门在管道流体压力作用下的运动规律和运动机理，对管道中流体与活门的流固耦合问题进行了理论分析与数值模拟.通过推导二维不可压缩流场中的任意拉格朗日欧拉(ALE)控制方程组，得到改进的ALE法.在模拟的过程中考虑了重力的影响，采用Gap条件来模拟活门的关闭，给出了一种特殊的网格划分方法，在活门即将关闭时, 保持大部分流体网格有较小纵横比.模拟结果表明，管道中的活门在关闭过程的起始阶段有小回摆，整个关闭过程中存在振荡，活门结构本身是一个摆.在重力场影响下，若活门初始开启角度过大，则关闭困难.     

功能梯度圆柱曲板在超音速流中的非线性动力学分析

研究了在外部激励作用下,功能梯度圆柱面曲板在超音速流中的非线性动力学行为。假设材料属性与温度有关,功能梯度曲板的组分材料沿厚度方向呈梯度变化,并按照体积分数的幂律分布,运用一阶活塞理论得到了超音速空气动力载荷;以von-Karman型的非线性应变位移几何关系为基础,通过Hamilton原理推出了曲板的非线性运动控制方程;运用伽辽金法离散化控制方程,得到一个包含二次非线性项和三次非线性项的二自由度非线性系统;利用数值计算,分析了面外内载荷对系统非线性动力学的影响。     

流固耦合输流管系统的动力学分析及参数影响

为了探究航天器供能系统中输流管系统的动力学问题,建立了输流弯管的有限元模型,并进行流固耦合模态分析,研究了输流管壁厚、管径及弯角角度对其固有频率的影响.另一方面,选取星载质子交换膜燃料电池系统中的一段输流管,进行非定常流输流管动力学响应分析,研究了阀门安装位置和壁厚对管道动位移和应力值的影响.数值结果表明:流固耦合作用降低了输流管的固有频率,随着输流管壁厚的增大,输流管固有频率逐渐增大,输流管管径和弯角角度对输流管的低阶固有频率影响较小,但对高阶固有频率有较大影响;流体的非定常流动会导致管壁动位移值和应力值产生突变,管道动位移幅值和应力幅值受阀门安装位置影响很小,但出现应力极值的位置随其变化而变化;随着输流管壁厚的增加,输流管动位移幅值和应力幅值减小.     

基于CT成像的冠状动脉搭桥血管的流固耦合分析

针对冠状动脉旁路再狭窄重建个性化血管模型,通过计算流体力学方法研究血管几何模型和弹性血管壁对血流动力学特性变化导致的冠脉搭桥血管再狭窄的影响.根据冠状动脉搭桥手术患者的原始CT数据,导入到MIMICS软件中构造出冠状动脉移植血管的三维表面模型,并生成血管壁NURBS曲面模型,进而建立血管壁/血液耦合模型,采用有限元方法在ANSYS Mechanical和CFX两个模块的基础上,通过专用的流固耦合算法实现弹性血管壁和血液的双向耦合计算,在给定脉冲压条件下模拟出弹性管壁和刚性壁面的壁剪应力分布和变形情况,并且进行比较.研究结果表明:个性化模型的最大壁面剪应力和位移要高于CAD简化模型,而且2模型中最大位移发生的位置也完全不同;流固耦合模型的最大壁面剪应力和位移均低于刚性血管壁模型.计算结果可为临床上冠脉再狭窄的诊断提供更加合理的数据参考.     

基于LBM流固耦合算法的桥梁颤振稳定性分析

为有效分析风-桥梁的相互作用和研究桥梁的颤振稳定性问题,发展了一种显式求解流固耦合问题的LBM数值模拟方法。将传统大涡模拟的亚格子涡黏性模型—动态Smagorinsky模型（Dynamic Smagorinsky Model, DSM）引入多松弛时间格式的格子玻尔兹曼方法(Multiple Relaxation Time–Lattice Boltzmann Method,MRT-LBM)中,在MRT-LBM框架下构造了一种显式运算的大涡模拟方法—MRT-LBM-DSM作为流固耦合算法的流场求解器;将结构视为弹性支撑于流场中的刚体,其运动方程采用Runge–Kutta法求解;利用格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)的移动边界技术更新流固耦合面的位置,实现了流固耦合问题的松耦合分区求解。基于LBM流固耦合算法编制计算程序对Great Belt东桥的颤振稳定性问题进行了分析。研究表明由LBM流固耦合算法计算得到的Great Belt东桥颤振临界风速与试验和其他数值结论吻合良好,初步说明LBM流固耦合算法可以较为准确地预测颤振现象的发生。     

基于ANSYS的含液容器流固耦合模态分析

讨论了含液容器流固耦合动力特性的有限元方程，用ANSYS软件对正方形充液容器进行了模态分析。得出其理论模态特性，结果表明该模型有效可靠。     

大型单墩渡槽流固耦合动力分析

基于所建立的考虑流固耦合渡槽梁段单元动力分析模型,对单墩渡槽结构振动特性和在地震波下的地震响应进行计算分析.该模型综合考虑了渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形、以及槽内水体与渡槽槽身的流固动力相互作用的影响.计算结果表明流体和槽身的横向动力相互作用对渡槽的横向低频振动影响较大,对横向高频影响较小.动力分析模型的正确性和可靠性说明该模型是考虑渡槽内水体流固耦合的实用的动力分析模型,计算结果可为大型渡槽抗震设计提供参考.     

考虑流固耦合作用的PET瓶跌落碰撞数值仿真

以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶为研究对象,选用Johnson-Cook本构模型构建PET材料的率相关方程,并根据率相关拉伸实验确定Johnson-Cook方程中的参数.采用Euler法描述流体方程,Lagrange法描述结构方程,应用动力学软件MSC.Dytran中基于混合的Lagrange格式和Euler格式的有限单元和有限体积技术实现流体和结构的耦合作用,完成了贮液PET瓶跌落碰撞过程的数值仿真计算.通过计算,分析PET瓶在碰撞冲击过程中力学行为和能量转化过程,得到碰撞过程中PET瓶底部接触单元不同高度的等效应力时程曲线和最大等效应力随跌落角度、贮液量和壁厚的变化关系,从而分析比较不同跌落高度、跌落角度、贮液量及PET瓶壁厚对PET瓶跌落冲击特性的影响.计算结果表明:随着跌落高度和贮液量的增大,PET瓶所受冲击应力和损伤逐渐增大;冲击应力与壁厚为非线性关系,而与跌落角度呈现强差异性.     

基于流固耦合FEM的液压悬置关键参数提取

发动机液压悬置(HEM)系统是指动力总成与车架之间的弹性连接系统.为了获取HEM集总参数(LP)模型中的等效活塞面积和解耦膜等效刚度系数,本文以FAW某型号HEM为研究对象,应用有限元计算软件COMSOL MULTIPHYSICS和流固耦合移动网格方法,建立了橡胶主簧与液室(模型1)、解耦膜与上液室(模型2)的流固耦合模型.计算了模型在骨架位移边界条件(模型1)、上液室压强条件(模型2)相应液室的体积,结果显示液体体积与位移、液体体积与压强呈线性关系,这与线性假设一致,最后计算得出所需参数.流固耦合FEM,可以较精确的提取LP模型中的参数,减少采用实验法或者简化模型方法提取参数的误差,降低试验成本.     

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法

为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

薄壁金属气囊抛撒性能流固耦合分析

为研究机载布撒器囊式抛撒系统中气囊的抛撒性能,以初始为扁平结构的薄壁金属(304不锈钢)气囊为研究对象,采用流固耦合的方法对其膨胀抛弹过程展开数值仿真分析,得到囊内的流场特性和囊壁的应力响应,计算结果与试验吻合较好.分析了入口边界条件及气囊结构对抛撒结果的影响,计算结果表明:气囊入口直径和入口边界条件是影响子弹分离速度和过载的关键因素,装药量、入口直径越大,子弹过载越大;一定装药量下,气囊入口直径不同时,子弹存在极限分离速度;气囊初始面积对子弹分离速度影响很小(仅4%),主要影响囊内的燃气压力,初始面积越大囊压越小,有利于降低囊壁的应力值.计算结果可为气囊结构的优化设计与工程实际应用提供重要参考.     

基于流固耦合的大风区接触网正馈线舞动机制分析

为进一步明确挡风墙尾流影响下接触网正馈线的舞动机制,以兰新高铁接触网正馈线为研究对象,基于空气动力学理论,建立了接触网正馈线风致振动响应的分析模型。采用流固耦合方法对不同固有频率比和自由度的二维接触网正馈线模型进行了时程分析。研究结果表明:频率比和自由度对接触网正馈线的舞动幅值存在较大的影响。频率比越小,接触网正馈线的振幅受风速影响越大,接触网正馈线发生舞动时的风速范围更广。垂直单自由度系统中接触网正馈线的舞动幅值大于垂直-水平两自由度系统中接触网正馈线的舞动幅值,表明接触网正馈线的水平振动对垂直振动存在一定限制作用。当接触网正馈线在挡风墙尾流影响下发生振动时,正馈线的风攻角不断发生变化。迎风角较大时,正馈线垂直方向气动力幅值增大,更易引起正馈线垂直方向的大幅舞动,并将接触网正馈线的舞动模式归属为无覆冰条件下的Den Hartog舞动。研究结果进一步明确了大风区段无覆冰条件下接触网正馈线的舞动机制,为接触网正馈线舞动的防治提供一定的理论支撑。     

复合材料壁板热颤振的有限元分析

壁板颤振是发生在高速飞行器上的一种典型的超音速气动弹性现象。在超音速飞行器的设计中，由于气动加热效应相当剧烈，考虑热效应的壁板颤振问题成为一个不可忽视的气动弹性问题。文中采用von Karman大变形应变一位移关系、气动叻活塞理论以及准定常热应力理论建立了考虑热效应的复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型。使用计及壁板横向剪切效应的三结点三角形Mindlin板单元(MIN3单元)推导出考虑热效应的颤振有限元方程，并给出了在频域和时域求解其颤振方程的方法。分别对一个矩形复合材料壁板和梯形复合材料壁板，计算出壁板的颤振边界并分析了温度对壁板颤振边界的影响规律。     

基于最大李雅普诺夫指数的壁板热颤振特性分析

文章介绍了李雅普诺夫指数的定义,给出了壁板热颤振特性分析模型,计算得到超声速气流中受热壁板的非线性颤振运动形态以及相应的最大李雅普诺夫指数,画出了壁板稳定性区域图,结果显示不同参数下,超声速气流中受热壁板具有包括颤振在内的5种不同性质的振动形态:收敛于平壁板平衡点的衰减振动、收敛于屈曲平衡点的衰减振动、简谐型极限环颤振、非筒谐周期型极限环颤振和混沌型颤振,并给出了各种振动形态典型的时程响应图、相轨迹以及对应的最大李雅普诺夫指数.分析结果表明,来流速压和温升都严重影响着受扰壁板的非线性振动响应特性,壁板颤振容易发生在来流速压较大或者温度较高的参数区域,系统的最大李雅普诺夫指数能够定量表征壁板稳态响应时的运动形态,可以用该指数来判断超音速气流中受热壁板的稳定性并确定所研究参数范围内壁板的稳定性边界.     

关于船舱中液体晃荡问题

液体晃动现象在工程实践中经常遇到,其重要性随着航运、水利以及核电等的发展越来越为人们所认识。本文叙述了液体晃动的性质和特点,研究晃动的意义以及研究的方法:解析法;数值模拟;统计分布和实验方法。并着重论述了可以解决大幅值非线性液体晃动的任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)和混合时间隐显式数值积分法(mE-I),同时讨论了对可变形容器的研究情况。     

冷却顶板空调系统热工参数分析

建立了冷却顶板辐射供冷传热过程的数学模型,并编制了NATLAB计算程序,分析了冷却顶板的各参数对冷却顶板性能的影响,研究发现：主要影响制造费用的是：管间距、面板材料、管材。可用价格低廉的铁管代替铜管以及可用铁板取代昂贵的铝板。该研究对冷却顶板的生产、设计和推广应用奠定了基础。     

冷却顶板空调系统热工参数分析

建立了冷却顶板辐射供冷传热过程的数学模型,并编制了MATLAB计算程序,分析了冷却顶板的各参数对冷却顶板性能的影响,研究发现:主要影响制造费用的是:管间距、面板材料、管材。可用价格低廉的铁管代替铜管以及可用铁板取代昂贵的铝板。该研究对冷却顶板的生产、设计和推广应用奠定了基础。     

一类转子-密封系统中的气流激振动力学分析

研究了一类在三维转子-密封系统中,以稳定气体流动,转子轴心为原点,圆柱坐标系(r,θ,σ)下的流体激振现象.通过4种边缘假设推导出系统的三维气体激振方程,并分析了该系统的流固耦合振动特性.