基于结构动力学方法的气动弹性分析

摘 要：对于气动与弹性的耦合模型,给出气动力的频域公式,并表示成有理多项式,通过等价的变换,能够推导出与结构动力学方程完全相似的、关于求解变量的二阶常微分方程组。于是,可以在计算结构动力学框架下实现气动弹性问题的分析和计算。此方法将通用计算结构动力学程序的功能与试验或数值分析得到的气动力模型相结合,简化了气动弹性的耦合分析、提高计算效率。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

热冲击下的复合材料壳刚柔耦合动力学研究

研究了在热冲击下任意形状(仅一个方向有曲率)复合材料壳的非线性刚柔耦合动力学响应。根据Mindlin理论,建立了任意形状的复合材料壳的非线性应变-位移关系。借助于数学理论以及几何关系,描述了壳上任意点的变曲率。用虚功原理建立了动力学变分方程,并采用等参单元对壳的连续动力学方程进行离散,建立了中心刚体-复合材料壳的刚-柔耦合动力学方程。用高斯积分计算常值阵,为了提高计算效率,采用广义-α法结合Newton-Raph-son迭代法对动力学方程进行积分。将采用该方法计算得到的频率与ANSYS软件计算得到的作对比,验证了模型的正确性。通过算例分析了在热冲击作用下复合材料壳的线性、非线性的动力学特性,以及曲率、材料特性对动力学响应的影响。     

矩形薄板在面内随机参数激励下的随机分岔研究

建立了四边简支的矩形薄板在受面内随机激励时的振动模型,并用Galerkin法将该系统化简为二自由度常微分非线性动力学方程组。得出系统的广义能量（Hamilton函数）表达式后,又利用拟不可积Hamilton系统平均理论将方程等价为一个一维的Ito随机扩散过程,并通过计算该系统的最大Lyapunov指数来研究系统的局部随机稳定性,同时利用基于随机扩散过程的奇异边界理论研究了模型的全局稳定性,最后通过稳态概率密度函数的形状变化探讨了系统参数变化对系统随机Hopf分岔的影响。数值模拟结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

导弹耦合作用研究

本文提出了轴对称导弹弹体在复杂条件作用下的动力学模型的建立方法,并对导弹弹体的振动特性及柔性变形对弹道的影响进行了研究。首先,依据传统的导弹飞行力学理论,分别建立了控制力、气动力耦合作用下的刚性导弹和柔性导弹弹体动力学模型;然后,在铁木辛柯梁弯曲理论的基础上,推导出控制力、气动力和弹性振动耦合作用下的柔性弹体变形方程;最后根据上述模型,分析了柔性变形对弹道参数的影响.     

基于分解法的最大熵随机有限元法

摘要：提出了一种新的基于分解法的最大熵随机有限元方法,利用单变量分解将多维随机响应函数表述为单维随机响应函数的组合形式,从而将求解随机结构响应统计矩的多维积分表达式转化为单维积分式,对单维积分采用高斯-埃尔米特积分格式求解。在获得结构响应的统计矩之后,利用最大熵原理求得结构响应的概率密度函数解析表达式。该法不涉及求导运算,对于非线性随机问题非常适用。算例结果表明,本文方法具有较好的精度与计算效率。
     

高速列车交会时的风致振动研究

摘 要：为了阐明高速列车交会过程中气动力对列车的系统动力学行为的影响,分别建立了CRH-2动车组的简化几何模型和50个自由度的车辆系统动力学模型。采用有限体积法对三维瞬态可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程和k-e 两方程湍流模型进行求解,并通过滑移网格技术实现列车的运动,对考虑和不考虑气动力时的列车系统力学响应进行了数值模拟,并对两种情况下列车的安全性和舒适性进行了分析讨论。研究发现：气动力在列车交会过程中变化剧烈,对列车系统动力学行为的影响非常明显,交会时列车振动剧烈,头车和尾车的安全性和舒适性明显降低。     

基于结点6自由度的输电线舞动有限元分析

传统的输电线3自由度舞动分析模型无法考虑扭转与平动的耦合作用及扭转运动的非线性。基于空间曲梁理论的应变—位移关系,建立了具有3个平动自由度和3个转角自由度结点的覆冰输电线舞动分析有限元模型。考虑覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,利用虚功原理建立基于更新Lagrange格式的覆冰导线非线性运动方程。采用 Newmark时间积分和 Newton-Raphson非线性迭代法求解有限元方程。算例分析表明, 利用结点6自由度覆冰导线单元计算输电线的静动力及舞动分析是准确的。对输电线的舞动分析表明,输电线的抗弯截面模量对输电线的平动和扭转有较大的影响。     

基于神经网络的风力机动力学分析

由于单独使用一种分析方法不能考虑到风轮结构和气动载荷的耦合关系,分析出的结果准确性将受到影响。针对这一问题,本文将联合仿真技术引入风电机组结构动力学分析中。该分析方法考虑到了风电机组结构的气弹性问题,即将用Matlab计算的气动力和用ADAMS计算的结构变形相互耦合。仿真情况更接近于实际风电机组的工作情况,计算精度较好。将该联合仿真技术对某600千瓦风力发电机进行了结构动力学分析。分析表明,该方法能较好的模拟风力发电机组的结构动力学特性。但是由于仿真模型计算精度较高,考虑的自由度较多,计算耗时较长。针对仿真分析方法的这一局限性,本文在应用联合仿真技术计算出一系列样本工况后,采用人工神经网络方法对风电机组结构动力学性能进行分析预测。分析表明,采用仿真分析与人工神经网络相结合的方法对风力发电机组结构动力学进行分析和预测,可以减少动力学分析的时间,保证预测精度,弥补单独使用仿真分析方法的局限性。     

A three-step finite element method for unsteady incompressible flows

This paper describes a three-step finite element method and its applications to unsteady incompressible fluid flows. The stability analysis of the one-dimensional purely convection equation shows that this method has third-order accuracy and an extended numerical stability domain in comparison with the Lax-Wendroff finite element method. The method is cost effective for incompressible flows, because it permits less frequent updates of the pressure field with good accuracy. In contrast with the Taylor-Galerkin method, the present three-step finite element method does not contain any new higher-order derivatives, and is suitable for solving non-linear multi-dimensional problems and flows with complicated outlet boundary conditions. The three-step finite element method has been used to simulate unsteady incompressible flows, such as the vortex pairing in mixing layer. The properties of the flow fields are displayed by the marker and cell technique. The obtained numerical results are in good agreement with the literature.     

一种高超音速热气动弹性数值研究方法

基于热气动弹性的特点,采用松耦合方法建立气动弹性仿真模型。将该问题的求解分解成四步,即气动热的计算、结构的温度分布计算、热结构计算和气动弹性计算。研究了给定温度分布热效应下的气动弹性问题。运用非耦合热-结构分析方法,考虑热应力引起的附加刚度,得到热环境下的结构分析有限元分析模型,并计算了两种典型高超音速翼面的热结构。运用基于CFD技术的当地流活塞理论计算高超音速非定常气动力。在时间域内实现了高超音速热气动弹性的仿真。分析了温度和结构支持方式对热气动弹性系统的不同影响。     

Parallel computation of unsteady compressible flows with the EDICT

Recently, the Enhanced-Discretization Interface-Capturing Technique (EDICT) was introduced for simulation of unsteady flow problems with interfaces such as two-fluid and free-surface flows. The EDICT yields increased accuracy in representing the interface. Here we extend the EDICT to simulation of unsteady viscous compressible flows with boundary/shear layers and shock/expansion waves. The purpose is to increase the accuracy in selected regions of the computational domain. An error indicator is used to identify these regions that need enhanced discretization. Stabilized finite-element formulations are employed to solve the Navier-Stokes equations in their conservation law form. The finite element functions corresponding to enhanced discretization are designed to have two components, with each component coming from a different level of mesh refinement over the same computational domain. The primary component comes from a base mesh. A subset of the elements in this base mesh are identified for enhanced discretization by utilizing the error indicator. A secondary, more refined, mesh is constructed by patching together the second-level meshes generated over this subset of elements, and the second component of the functions comes from this mesh. The subset of elements in the base mesh that form the secondary mesh may change from one time level to other depending on the distribution of the error in the computations. Using a parallel implementation of this EDICT-based method, we apply it to test problems with shocks and boundary layers, and demonstrate that this method can be used very effectively to increase the accuracy of the base finite element formulation.     

An Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method

This paper describes an Arbitrary Lagrangian- Eulerian (ALE) finite element method for the simulation of fluid domains with moving structures. The fluid is viscous, incompressible and unsteady and the fluid motion is solved by a fractional step discretization of the Navier-Stokes equations. The emphasis is on convection dominated flows, and a three-step method is used for the convection term. The moving structure causes the mesh of the fluid domain to move, and a new algorithm is proposed to solve the important and crucial problem of the calculation of the mesh velocities. Numerical calculations of the added mass and added damping of a vibrating two-dimensional circular cylinder in the frequency Reynolds number range Re _w =20−2000 are performed to evaluate the proposed ALE finite element method. The numerically calculated added mass and added damping are compared to both analytical and numerical results. To further demonstrate the generality of the method, a numerical simulation of flow past an oscillating schematic sports car is presented.     

BOUNDARY ELEMENT–FINITE ELEMENT COUPLED EIGENANALYSIS OF FLUID–STRUCTURE SYSTEMS

The eigenanalysis of acoustical cavities with flexible structure boundaries, such as a fluid-filled container or an automobile cabin enclosure, is considered. An algebraic eigenvalue problem formulation for the fluid–structure problem is presented by combining the acoustic fluid boundary element eigenvalue analysis method and the structural finite elements. For many practical eigenproblems, use of finite elements to discretize the fluid domain leads to large stiffness and mass matrices. Since the acoustic boundary element discretization requires putting nodes only on the wetted surface of the structure, the size of the eigenproblem is reduced considerably, thus reducing the eigenvalue extraction effort. Futhermore, unlike in ordinary cases, the finite element discretization of pressure–displacement based fluid–structure problem gives rise to unsymmetric matrices. Therefore, the fact that the boundary element formulation produces unsymmetric matrices does not introduce additional difficulties here compared to the finite element case in the choice of an eigenvalue extraction procedure. Examples are included to demonstrate the fluid–structure eigenanalysis using boundary elements for the fluid domain and finite elements for the structure.     

采用MATLAB Simulink的液压管路瞬态压力脉动分析

给出了包括瞬态摩擦阻力项的液压管路中瞬态压力脉动分析的数学模型,提出了采用MATLABSimulink中SELECTOR模块对偏微分方程进行空间上的积分,从而求解时间和空间域上的二维偏微分方程的新方法,以一段两端分别连接油箱和阀的直管道为例,利用该方法对液压阀突然关闭后管道中压力脉动动态响应特性进行了求解,给出了相应的压力脉动波仿真结果,与已发表的采用特性线法和有限元法求解结果进行了比较,并对数值计算中的非物理振荡问题进行了讨论。     

An AMG Preconditioner for Solving the Navier-Stokes Equations with a Moving Mesh Finite Element Method

AMG preconditioners are typically designed for partial differential equation solvers and divergence-interpolation in a moving mesh strategy. Here we introduce an AMG preconditioner to solve the unsteady Navier-Stokes equations by a moving mesh finite element method. A $4P1$ − $P1$ element pair is selected based on the data structure of the hierarchy geometry tree and two-layer nested meshes in the velocity and pressure. Numerical experiments show the efficiency of our approach.     

基于有限元分析的复杂结构弹性振动传递函数建模

为了解决复杂结构的弹性振动建模问题,提出了一种基于有限元分析的弹性振动传递函数建模方法。首先建立能够准确反映结构动力学特性的有限元模型;然后根据输入参数和辨识算法类型的不同,分别从时域和频域两方面进行传递函数建模,其中时域辨识建模以PRBS信号的瞬态响应结果为辨识数据进行时域参数辨识,频域辨识建模以结构的频率响应函数为辨识数据进行频域参数辨识;最后以“时域建模频域验证,频域建模时域验证”的方法检验传递函数的精度。通过建立悬臂梁、某运载火箭和某弹体局部结构的传递函数模型,证明了该方法的可行性和有效性,为该方法在工程实践中的应用提供参考。     

基于CFD/CSD耦合的二维壁板颤振特性研究

该文基于CFD/CSD(计算流体动力学/计算结构动力学)耦合方法,在时域内对二维壁板的颤振进行了分析.采用D'Alembert原理和有限元方法,建立了壁板在超声速流作用下的非线性动力学模型.采用Von Karman非线性应变位移关系来描述结构大变形,用Euler方程计算了非定常气动力.应用载荷参数空间插值传递方法,实现...