基于动网格降阶算法的机翼颤振边界预测

基于弹性体动网格技术,发展了一种用于机翼流场网格变形的降阶算法。将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体。以虚拟弹性体变形的静力平衡方程为基础,结合机翼的振动控制方程,推导了机翼与虚拟弹性体的整体的振动控制方程。通过模态叠加方法计算机翼和流场网格节点的位移,进而得到变形后的流场网格。考虑到机翼颤振多为1阶弯曲和扭转振动,所以在流场网格节点位移的计算中只需考虑1阶弯曲和扭转振型。为了保证计算精度,在计算中同时考虑了2阶弯曲和扭转振型。RANS方程为流体控制方程,采用Spalart-Allamras湍流模型,结合动网格降阶算法,对AGARD Wing 445.6颤振边界进行了流固耦合计算。计算结果相对于实验值的偏差小于2%,且与已有的弹性体动网格方法比,计算时间减少了54.8%。     

基于大涡模拟方法的多层动网格技术识别平板气动参数

【摘要】从弱耦合的角度出发,对流体计算软件fluent进行二次开发,利用其用户自定义函数(UDFs)描述结构的运动状态并结合动网格技术实现流固耦合。在保证动网格运动速度符合空间守恒法则的条件下,针对固体模型在流场中运动受网格尺寸限制且易造成网格变形过大导致计算失败的问题提出了多层动网格的解决方法。流体动力计算时考虑湍流的作用,采用大涡模拟方法求解N-S方程。数值模拟了平板做单自由度强迫振动的断面绕流流场,通过最小二乘法拟合气动力时程曲线获得气动导数。仿真结果与通过Theodorsen理论导出的平板气动导数具有良好的一致性。     

大跨柔性空间结构风压和耦合风效应分析

研究大跨柔性空间结构的表面风压和流固耦合风效应.引入流体运动控制方程和大涡模拟湍流模式,提出风与结构的流固耦合方程的迭代求解过程.提出张拉索膜结构的加载预应力态、稳定态和耦合态等三个受载状态概念和统一形式的动力方程表达.以某典型索穹顶结构为例,采用以风时程为荷载的动力响应时程方法、单向耦合算法和双向耦合算法,开展结构风效应的数值计算和比较.研究发现,动力响应时域方法和单向耦合算法的结构平均位移计算结果基本相同,但前者的结构风振系数较大.双向耦合算法的结构平均位移计算结果小于前两种方法,但风振系数在三种方法中最大.     

采用快速动网格技术的时空同步流固耦合算法

为了减少流固耦合计算时间,发展了一种时空同步流固耦合算法。在每一次耦合迭代中,首先求解RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,然后采用本课题组所提出的快速动网格技术计算结构及流场网格节点位移,并更新流场网格,实现流场与结构振动的空间同步求解。在每一时间步,通过多次耦合迭代,使流场计算收敛,同时保证结构振动计算的收敛,实现流场与结构振动的时间同步求解。采用该算法对弹性梁流固耦合振动及Wing 445.6颤振问题进行了研究,计算结果与文献中的结果一致。与已有文献的时间同步算法相比,此算法可以减少计算时间81.2%。     

基于非局部应变梯度欧拉梁模型的充流单壁碳纳米管波动分析

将非局部弹性理论和应变梯度理论结合,再根据流体滑移边界理论,建立了考虑流体和固体小尺度效应的充流单壁碳纳米管(SWCNT)流固耦合动力学模型,分别以非局部应力效应、应变梯度效应和流体滑移边界效应模拟微观小尺度效应对系统的影响,推导得出充流单壁碳纳米管的Euler-Bernoulli梁波动控制方程。通过对控制方程的求解,分析材料不同类型尺度效应对充流碳纳米管的振动和波动特性影响。结果显示,应变梯度效应和流体边界效应对低频波动起促进作用,对高频波动起阻尼作用,应力非局部效应则对波动始终产生阻尼作用。三种尺度效应对低流速系统的振动有促进作用,而对高流速系统产生阻尼作用。     

无变形网格下运动参考系求解平动流固耦合问题

为模拟平动涡激振动,采用一种无变形网格的计算方法。通过运动参考系模拟整个求解域的运动,结合非结构网格下高精度算法,在NS方程中引入运动参考系引起的对流项及采用新的边界处理方式,通过构造合理的计算求解域,对低雷诺数下(Re=200)圆柱涡激振动进行了模拟,得到了圆柱涡激振动振幅以及详细流场结构,与实验结果和数值结果相比都得到了很好的一致性。并对不同阻尼比、频率比等参数进行研究,详细对比了不同振幅下尾流结构特征。结果证明了该计算方法是可行的、准确的。     

中下承式拱桥吊杆应力冲击系数不均匀性研究

为研究中下承式拱桥在公路车辆作用下的吊杆冲击系数不均匀性问题,提出基于车桥耦合振动的公路桥梁动力响应分析方法。首先,将车辆简化为4个自由度的整车模型,根据D’Alembert原理推导了车辆振动方程,将桥梁离散为有限元模型,根据车辆与桥梁接触点处位移与力的协调条件耦合二者的振动方程;然后,采用Newmark-β算法,基于MATLAB语言编制了公路桥梁车桥耦合振动计算程序VBAP;最后,以某钢管混凝土拱桥为例,利用该方法与程序分析结构阻尼、桥上路面粗糙度、车重及车速对吊杆应力冲击系数的影响。     

混凝土泵车臂架系统振动机理的研究

结合悬臂输液管流固耦合理论,建立泵车臂架结构与混凝土的流固耦合动力学方程,从流固耦合的角度分析混凝土泵车臂架振动问题。通过试验测试获得混凝土脉动流速图以及仿真边界条件。采用Newmark-β法求解动力学方程,仿真分析了混凝土流动为脉动和常速流时臂架振动响应,发现振动位移响应基本吻合,说明脉动流速对臂架结构应力历程影响较小;仿真分析转台振动为零振动时,混凝土脉动和常速流时臂架振动响应,发现泵送油缸导致的车体振动激扰是臂架振动的主要因素,在臂架系统振动研究时应重点考虑。     

高雷诺数下圆柱顺流向和横向涡激振动分析

本文利用CFD方法,研究了较高雷诺数下圆柱流向与横向耦合涡激振动特性。利用FLUENT软件求解粘性Navier-Stokes方程、圆柱涡激振动的结构动力响应方程,运用动网格技术,实现流固耦合,对圆柱进行了单自由度和两自由度涡激振动的数值模拟,得到了雷诺数为 范围内的圆柱涡激振动的升力系数、阻力系数、振幅比及频率比随约化速度变化的规律,捕捉到涡激流固耦合振动的“锁定”“相位开关”等现象,结果表明在此雷诺数范围内锁定区域对应的折减速度范围为Ur=3~7.5。对比单自由度及两自由度的模拟结果,表明在低质量比情况下,流向的振动会对横向振动产生影响。     

水中结构振动时声学相似性的数值验证

摘 要：以声学相似性原理为基础,用因次理论得到了在相似准数相等条件下的无因次系数,给出了模型和原型声学相似的条件。采用结构有限元耦合流体边界元方法计算水下相似加肋圆柱壳模型的流固耦合振动和声辐射。数值计算表明在相似条件下几何相似模型的壳体振动声学传递函数及其谱峰频率满足相似性,水下的模态、流固耦合振动响应以及声辐射均满足相似关系,并且与理论结果能够符合。     

Nonlinear vibration of the piezoelectric nanobeams based on the nonlocal theory

This paper investigates the nonlinear vibration of the piezoelectric nanobeams based on the nonlocal theory and Timoshenko beam theory. The piezoelectric nanobeam is subjected to an applied voltage and a uniform temperature change. The nonlinear governing equations and boundary conditions are derived by using the Hamilton principle and discretized by using the differential quadrature (DQ) method. A direct iterative method is employed to determine the nonlinear frequencies and mode shapes of the piezoelectric nanobeams. A detailed parametric study is conducted to study the influences of the nonlocal parameter, temperature change and external electric voltage on the size-dependent nonlinear vibration characteristics of the piezoelectric nanobeams.     

Nonlinear vibration of piezoelectric nanoplates using nonlocal Mindlin plate theory

ABSTRACT

This article investigates the nonlinear vibration of piezoelectric nanoplate with combined thermo-electric loads under various boundary conditions. The piezoelectric nanoplate model is developed by using the Mindlin plate theory and nonlocal theory. The von Karman type nonlinearity and nonlocal constitutive relationships are employed to derive governing equations through Hamilton's principle. The differential quadrature method is used to discretize the governing equations, which are then solved through a direct iterative method. A detailed parametric study is conducted to examine the effects of the nonlocal parameter, external electric voltage, and temperature rise on the nonlinear vibration characteristics of piezoelectric nanoplates.     

An analytical method for temperature-dependent free vibration analysis of functionally graded beams with general boundary conditions

Exact solutions are presented to study the free vibration of a beam made of symmetric functionally graded materials. The formulation used is based on a unified higher order shear deformation theory. Material properties are taken to be temperature-dependent, and vary continuously through the thickness according to a power law distribution (P-FGM), or an exponential law distribution (E-FGM) or a sigmoid law distribution (S-FGM). The beam is assumed to be initially stressed by a temperature rise through the thickness. Temperature field is considered constant in xy plane of the beam. Hamilton’s principle is used to derive the governing equations of motion. Free vibration frequencies are obtained by solving analytically a system of ordinary differential equations, for different boundary conditions.     

正交各向异性厚板振动分析的边界积分方程法

本文采用正交各向异性厚板静力问题的基本解作为边界积分方程的核函数,利用加权残数法建立了正交各向异性厚板振动分析的边界积分方程。文中详细地讨论了边界积分方程的数值处理过程并给出了若干数值算例以论证本文方法的正确性。      

考虑热对材料参数影响的FGM梁热后屈曲特性研究

功能梯度梁热后屈曲特性研究对于推进功能梯度材料在航天器热防护设计中的应用有着重要意义。基于经典梁的几何非线性理论和物理中面的概念,建立了热载荷作用下功能梯度梁的运动微分方程,通过化简得到一个仅关于挠度的四阶微分-积分方程,并与固支边界条件构成特征值问题,分析研究了功能梯度梁的热后屈曲及在此基础上的振动问题。首先证明了通过哈密顿原理推导的运动方程是轴线可伸长理论的近似形式。接着考虑热对材料物性参数的影响,并对梁的长细比、功能梯度指数和温度比作了详细分析,研究了这些参数对热后屈曲路径和后屈曲振动的影响规律。结果表明:只有在长细比较大时才可以不考虑温度对材料物性参数的影响,否则误差较大;长细比、功能梯度指数和温度比的增大会增大无量纲热屈曲载荷,同时使屈曲路径和频率-载荷曲线向热载荷增大的方向移动。     

磁场环境下导电圆形薄板的磁弹性强迫振动

研究了电磁场环境下机械载荷作用圆形导电薄板的磁弹性强迫振动问题。首先给出了圆形薄板的磁弹性轴对称振动方程,并依据麦克斯韦方程,得到了相应的电磁场方程和电磁力表达式,在此基础上,对横向恒定磁场中周边固支和周边简支边界约束圆板的振动问题进行了分析。基于位移函数的设定,应用伽辽金法,推得了导电圆板的磁弹性强迫振动微分方程。通过数值计算,得到了两种边界约束条件下圆板磁弹性振动的幅频和相频曲线图,并对结果进行了分析,讨论了磁感应强度和板厚等参数对系统振动特性的影响。     

用GDQ空-时半解析法分析圆弧拱强迫振动

从圆弧拱的强迫振动控制方程出发,在空间域采用广义微分求积法,将广义微分求积法中的节点参数在时域内取为响应的时间级数,通过时域配点求解该六阶偏微分方程得到全域内的响应位移场,分析了圆弧拱的平面内强迫振动问题。运用Matlab语言编制圆弧拱强迫振动时程分析的计算程序,并进行了相应的算例分析,数值计算结果表明该方法对于求圆弧拱的强迫振动问题具有较高的精度和效率。     

Stability and vibration analyses of carbon nanotube-reinforced composite beams with elastic boundary conditions: Chebyshev collocation method

This article aims to investigate stability and vibration behavior of carbon nanotube-reinforced composite beams supported by classical and nonclassical boundary conditions. To include significant effects of shear deformation and rotary inertia, Timoshenko beam theory is used to formulate the coupled equations of motion governing buckling and vibration analyses of the beams. An effective mathematical technique, namely Chebyshev collocation method, is employed to solve the coupled equations of motion for determining critical buckling loads and natural frequencies of the beams with different boundary conditions. The accuracy and reliability of the proposed mathematical models are verified numerically by comparing with the existing results in the literature for the cases of classical boundary conditions. New results of critical buckling loads and natural frequencies of the beams with nonclassical boundary conditions including translational and rotational springs are presented and discussed in detail associated with many important parametric studies.     

等截面梁纯弯曲振动的几何非线性分析

在讨论梁纯弯曲微幅振动时，考虑在材料力学的讨论中梁的挠度微分方程忽略项后，线性问题变为非线性问题。利用非线性理论对该非线性问题进行了讨论，得到了周期解稳定和不稳定区域的分界线方程和频率响应方程，得到忽略挠度几何非线性因素的条件。     

Thermo-mechanical vibration of orthotropic cantilever and propped cantilever nanoplate using generalized differential quadrature method

In this article, the vibration frequency of an orthotropic nanoplate under the effect of temperature change is investigated. Using nonlocal elasticity theory, governing equations are derived. Based on the generalized differential quadrature method for cantilever and propped cantilever boundary conditions, the frequencies of orthotropic nanoplates are considered and the obtained results are compared with valid reported results in the literature. The effects of temperature variation, small scale, different boundary conditions, aspect ratio, and length on natural nondimensional frequencies are studied. The present analysis is applicable for the design of rotating and nonrotating nano-devices that make use of thermo-mechanical vibration characteristics of nanoplates.