多孔覆盖层水下爆炸流固耦合分析

针对芯层为塑性多孔材料的抗冲覆盖层在水下非接触爆炸载荷作用时的流固耦合问题开展了理论研究。依据塑性冲击波理论求解覆盖层的动态压缩;采用改进的Taylor板理论求解流体与覆盖层的耦合作用;并以空化理论求解流体空化的传播及空化溃灭的二次加载过程,建立了完整的考虑覆盖层大变形、流固耦合效应及空化效应的理论模型。研究结果揭示了塑性多孔覆盖层在水下爆炸作用时的流固耦合及空化效应的影响。     

不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FEIBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在理论和计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏大,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,两种耦合模式在0～12 Hz范围内求解结果近似,在12 Hz～200 Hz范围内求解结果差距较大,基于声固耦合模式的FEIBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法。合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。     

基于Kriging模型的充液管道共振非概率可靠性分析

为解决传统概率可靠性在解决流固耦合问题方面的不足,研究了结构不确定参量用超椭球凸集模型和区间变量共同描述下的非概率共振可靠性问题。针对隐式极限状态函数难以求解的问题,引入Kriging模型和超立方抽样技术应用于非概率可靠性分析。该方法用Kriging模型作为近似模型描述原结构,并在计算过程中不断更新近似模型。考虑管道与液体之间的耦合作用,利用有限元软件对所建立的简单管道系统进行模态计算并且结合防共振理论进行充液管路系统的流固耦合振动非概率可靠性分析,用优化的方法计算可靠性指标。工程算例分析表明该方法的合理性,能完善流固耦合管道系统的防共振可靠性分析方法与理论。     

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。     

弯曲输流管道流固耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。以流固耦合理论为基础,对脉动压力作用下的弯曲输流管道建立流体动力学模型及固体运动模型,在ANSYS Workbench中分别进行双向流固耦合受力分析、单双向流固耦合对比分析和模态分析,并考虑脉动压力,壁厚和管径等参数的影响。结果表明,弯管最大应力发生在入口和出口附近上下部,最大变形发生在转角及中间处;双向耦合作用下弯管最大等效应力与最大变形量均大于单向耦合;双向耦合作用下弯管固有频率明显降低,且固有频率随壁厚和管径的增大呈非线性增长。     

水下运动体的三维动力特性分析

在水下运行的物体,由于其与周围水之间的相互作用,从本质来说是一种典型的流固耦合问题。采用位移-压力格式(结构用位移来描述而流体用压力来描述)的流固耦合模型来描述运动体和水之间的相互作用。这种格式和有限元方法将水下运动体的三维动力特性问题,归结为一个大型非对称方程的特征值问题。采用Arnoldi方法进行此非对称特征值的求解。此外,对于刚体模态带来的零频问题,构造出一种特殊的迭代求解格式。最后,给出了一个水下圆柱体的实例计算分析,计算结果表明本文中的方法是切实有效的。     

流固耦合的多层搅拌反应器振动特性研究

针对某型号搅拌反应器搅拌主轴因振动断裂的问题,基于流固耦合理论,采用CFD和FEM相结合的单向耦合稳态的数值模拟以及经验公式计算方法。在考虑流场作用的条件下分析多种方法得出搅拌器的临界转速结果。分析主轴断裂的原因及影响搅拌器的固有频率的流体因素,并对主轴结构进行改进。得出结论:主轴驱动电机转速大于主轴的最低设计转速是主轴产生振动断裂的主要原因;搅拌介质的流体力和阻尼作用对搅拌器的固有频率均有影响;可以将主轴适当加粗以提高其临界转速,从而远离共振范围并有效解决振动问题;采用流固耦合的方法能够考虑搅拌器转动、流体载荷和搅拌桨叶的影响。其计算结果比经验公式更接近实际情况。     

弱耦合算法的实现及其应用

介绍了一种求解流固耦合问题更有效的方式即弱耦合技术,将计算结构动力学(CSD)和计算流体动力学(CFD)联合起来。CSD通过计算结构位移用来指定流体域的固体边界范围,而CFD计算用来定义作用在CSD上的荷载。荷载和位移的传递分别采用守恒和非守恒插值方法,详细介绍了其插值的实现过程。这种流固耦合算法是一种对整个问题进行离散化后,采用迭代求解方法的处理复杂的流固耦合问题的数值模拟方法。最后通过对一轻柔膜结构和风荷载的流固耦合问题的求解,表明了这种方法通过耦合CFD和CSD程序,提供了一种便利的、有效的耦合问题求解方法。     

流固耦合的多层搅拌反应器振动特性研究EI北大核心CSCD

针对某型号搅拌反应器搅拌主轴因振动断裂的问题,基于流固耦合理论,采用CFD和FEM相结合的单向耦合稳态的数值模拟以及经验公式计算方法。在考虑流场作用的条件下分析多种方法得出搅拌器的临界转速结果。分析主轴断裂的原因及影响搅拌器的固有频率的流体因素,并对主轴结构进行改进。得出结论:主轴驱动电机转速大于主轴的最低设计转速是主轴产生振动断裂的主要原因;搅拌介质的流体力和阻尼作用对搅拌器的固有频率均有影响;可以将主轴适当加粗以提高其临界转速,从而远离共振范围并有效解决振动问题;采用流固耦合的方法能够考虑搅拌器转动、流体载荷和搅拌桨叶的影响。其计算结果比经验公式更接近实际情况。     

含复杂结构应力的平板振动解析方法研究

工程结构物中常常含有分布形式复杂的非均匀结构应力,该应力会影响结构的振动特性。有限元法虽然可以求解,但不利于从本质上分析结构应力与振动的内在物理联系、不方便研究结构应力对振动的影响规律,而且还有施加特定非均布应力操作复杂、计算量较大等限制。在解析方法研究方面,以往的方法主要用来求解含整体均匀分布应力的结构,不适用于实际工程结构中的非均布应力的情况。提出了一种求解含非均布应力结构振动的解析方法,以平板结构为对象,用特殊级数形式表示非均布的结构应力,将应力影响加到原平板振动方程,并实现结构模态的部分解耦,然后对解耦后的方程进行求解得到解析解。推导出的解析方法适用于任意应力状态下的平板振动求解,并且相对于有限元法有计算量小、物理解释明晰等优点,方便定性地研究结构应力与振动之间的物理联系,进行考虑结构应力的振动精确预报与控制。     

含复杂结构应力的平板振动解析方法研究EI北大核心CSCD

工程结构物中常常含有分布形式复杂的非均匀结构应力,该应力会影响结构的振动特性。有限元法虽然可以求解,但不利于从本质上分析结构应力与振动的内在物理联系、不方便研究结构应力对振动的影响规律,而且还有施加特定非均布应力操作复杂、计算量较大等限制。在解析方法研究方面,以往的方法主要用来求解含整体均匀分布应力的结构,不适用于实际工程结构中的非均布应力的情况。提出了一种求解含非均布应力结构振动的解析方法,以平板结构为对象,用特殊级数形式表示非均布的结构应力,将应力影响加到原平板振动方程,并实现结构模态的部分解耦,然后对解耦后的方程进行求解得到解析解。推导出的解析方法适用于任意应力状态下的平板振动求解,并且相对于有限元法有计算量小、物理解释明晰等优点,方便定性地研究结构应力与振动之间的物理联系,进行考虑结构应力的振动精确预报与控制。     

楔形体匀速和自由落体水弹性砰击的半解析法求解EI北大核心CSCD

针对二维弹性楔形体入水过程的流固耦合问题,提出一种基于耦合Wagner理论和模态叠加法的半解析解方法。结构湿表面的速度势基于Wagner理论求解并考虑了结构弹性影响。砰击压力根据伯努利方程求解,为提高求解精度考虑了伯努利方程中速度平方项。通过平均弹性速度修正模型推导出附加质量和阻尼矩阵,将其代入固体动力学方程从而建立统一的流固耦合方程,耦合方程通过基于隐式的Newmark-β算法实现求解。通过计算楔形体垂直恒速和自由落体入水两种运动状态,并与基于半解析、数值和试验的文献结果进行了对比,验证了所提理论的可靠性。     

基于双渐进方法的水下爆炸气泡载荷作用下舰船的动态响应分析

通过建立一套有限元方法与双渐进方法（DAA）相结合的计算程序,研究了水下爆炸气泡作用下舰船模型的动态响应。阐述了水下爆炸气泡与水面舰船结构之间的流固耦合理论分析。分别建立了一个考虑气泡迁移,自由面效应和气泡阻力的气泡模型和一个水面舰船船体模型。研究了气泡作用下船模的总体响应和局部响应。得到了不同位置的加速度,速度和位移时程曲线。详细讨论了水下爆炸气泡作用下船模总体响应和局部响应的特征与机理。     

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。     

不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FE-IBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏小,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,基于声固耦合模式的FE-IBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法;合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

分流叶片离心泵非定常流动及动力学特性分析

为了研究在流固耦合作用下分流叶片对低比转数离心泵内部非定流动及结构动力特性的影响,以高温熔盐泵为研究对象,采用计算流体力学软件ANSYS CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对有/无分流叶片的两种方案高温熔盐泵,进行了考虑泵内部流场和结构场的相互作用的双向流固耦合求解。对比分析了两种方案对泵非定常流动及结构动力特性的影响,结果表明:流固耦合作用使得各监测点的压力脉动和径向力脉动规律和幅值均发生了明显变化,说明在该类泵的流场模拟中,流固耦合作用较明显,不可忽视;分流叶片的添置减小了流场内压力脉动及径向力脉动幅值;带分流叶片转子的变形量变化梯度、等效应力变化梯度、最大变形量及最大应力值均小于不带分流叶片转子,且带分流叶片转子等效应力随时间的变化也明显小于不带分流叶片转子。即分流叶片的添置不仅有利于提高转子的承载能力,而且还有利于改善转子的变形和受力,从而提高转子的抗疲劳能力。     

水下近场爆炸冲击波与射流载荷联合作用分析方法

针对舰船水下近场爆炸,提出综合考虑冲击波载荷与射流载荷的分析方法。对水下近场爆炸气泡脉动过程进行数值模拟,建立射流冲击计算模型,进而简化射流载荷,在冲击波阶段流固耦合模拟结束后自动添加射流载荷,形成完整水下近场爆炸过程的计算流程。建立舷侧板架结构有限元模型,采用MSC.Dytran软件进行流固耦合数值模拟验证方法的可行性。该方法综合考虑冲击波与射流载荷对结构作用,能较真实模拟水下近场爆炸过程,具有一定工程意义及参考价值。     

蒸汽发生器传热管流体结构耦联动态特性分析

利用流体-结构动力学理论对蒸汽发生器传热管动态特性进行了解析推导,得出了该种传热管的流固耦合动态特性,并用MATLAB计算出其耦合固有频率.利用参数化有限元模型,对传热管进行了流固耦合动态特性数值模拟,所得结果验证了解析推导的正确性,且得到了一些有价值的结论.数值模拟重点研究了管外流体半径的变化对传热管固有频率的影响.     

塑性泡沫抗冲覆盖层深水爆炸响应分析

针对芯层为塑性泡沫的抗冲覆盖层在静水压力及水下非接触爆炸载荷共同作用时的响应问题进行理论分析。采用塑性冲击波理论、流固耦合理论及空化理论,建立塑性泡沫覆盖层深水爆炸响应理论模型,形成针对特定输入载荷的覆盖层定量计算方法。研究结果揭示了塑性泡沫夹芯结构的冲击防护机理、防护效果以及静水压力的影响。