基于虚拟质量法的部分充液且部分浸没圆柱壳自振特性分析

结构-流体双向耦合振动问题的研究对于水下结构振动有着重要的意义。本文在Patran中建立了圆柱壳有限元模型,通过MD Nastran虚拟质量法计算了半充液圆柱壳的固有频率,验证了该方法的可行性,并且显示了虚拟质量法在计算流固耦合问题的准确性和高效性。基于此方法计算了部分充液且浸没圆柱壳的固有频率,表明当内部充液自由液面高度一定时,圆柱壳的固有频率随外部浸没自由液面高度升高而下降,并讨论了产生此现象的原因。     

考虑流固耦合影响的桩基波浪力简化计算方法

离岸深水全直桩码头,由于其桩基的自由高度大、柔度增加、自振周期长,且位于无掩护开敞海域,波浪与结构相互作用问题突出。如何考虑流固耦合作用对桩上波浪力的影响,并建立便于工程应用的计算方法,是工程实践提出的亟待解决的课题。文中利用有限元软件ADINA建立了水体和桩基结构相互作用的三维有限元数值模型,并采用有限元数值模型对考虑流固耦合影响的改进Morison波浪力计算公式进行了验证。采用改进Morison波浪力计算公式研究了流固耦合对桩身波浪力的影响,并给出了考虑流固耦合影响的波浪力放大系数图表。在此基础上,提出了考虑流固耦合影响的波浪力简化计算方法。     

浸没圆柱壳低频自振频率计算中流固与声固耦合模型统一性分析

流固耦合与声固耦合模型是分析流场中圆柱壳自振特性的常用理论模型。现有的研究表明,基于这2种理论模型的流场中圆柱壳低频自振特性计算结果吻合较好,但尚未有关于二者本质联系方面的研究。分别基于这2种理论模型求解浸没圆柱壳的自由振动,基于圆柱壳自由振动的Flügge方程进行相关公式的推导,并提出利用Galerkin法求解特征方程的方法。结果显示,采用该方法既可求得各阶模态固有频率的精确解,又能显著提高运算效率。对2种理论模型进行统一性分析,从贝塞尔函数的性质出发,证实流固与声固耦合模型虽然是基于不同的理论基础,但在求解浸没圆柱壳低频自振特性上其本质上是一致的,且通过算例的对比,证明2种模型在低频段计算结果吻合较好。     

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法（CFD-FEM）相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。     

基于板壳模型的减摇鳍鳍翼水力负荷结构分析

为了提高减摇鳍仿真模拟工作的效率和仿真模拟的精确度,基于ANSYS软件中的Workbench-component systems建立鳍翼的板壳模型,采用FLUENT软件与ANSYS软件相结合的方式对减摇鳍进行流固分析。利用FLUENT软件对某型减摇鳍鳍翼进行水动力分析,获得鳍翼在流场中的升力和阻力;将鳍翼受到的升力和阻力分别施加到基于实体单元和板壳单元的鳍翼结构有限元模型上,进行鳍翼结构响应分析。结果表明:与实体模型相比,基于板壳模型的鳍翼结构有限元分析建模工作量小、计算耗时少、数值模拟计算精度高。对于鳍翼而言,在结构上和力学性能上更适合用板壳模型进行有限元分析。     

基于完全耦合算法的绕水翼流固耦合特性研究

基于完全耦合算法对绕二维NACA0009水翼流固耦合特性进行了数值模拟研究。采用Theodorsen模型和Munch模型对刚性和弹性水翼的水弹性响应进行了数值计算,分析了流体与结构的相互作用关系,研究了影响结构水弹性响应和流固耦合特性的因素。研究结果表明:考虑了流体黏性的Munch模型与基于势流理论的Theodorsen模型对气动弹性响应的数值计算结果基本一致,而Theodorsen模型由于没有考虑流体黏性在一定程度上低估了结构的水弹性响应。结构的惯性、阻尼和刚度力矩与流体的相应附加载荷均处于同一数量级,故流体与结构的相互作用不可忽略,尤其对于弹性水翼,流体的惯性、附加阻尼作用增大,流固耦合算法的数值稳定性对流固耦合特性的计算结果影响将更大。外部激励频率为非共振频率时,结构的刚度作用是影响水弹性响应的主要因素,外部激励频率为共振频率时,流体的附加阻尼和附加刚度作用减弱,除结构的刚度作用外,流体与结构的惯性作用对水弹性响应和流固耦合特性的影响也较大。     

复合材料螺旋桨双向流固耦合计算

为研究复合材料对螺旋桨水动力性能和结构特性的影响,在Workbench平台上,采用基于粘性流理论的计算流体力学方法与有限元软件实现流体载荷与结构变形的双向耦合传递。以DTMB4381为研究对象,首先考虑镍铝青铜(NAB)螺旋桨的微小变形,采用双向流固耦合方法计算不同进速系数下的水动力性能,并与敞水试验值进行对比,误差较小,验证了双向流固耦合方法的准确性。然后将复合材料考虑为各向同性,对玻璃纤维材料螺旋桨进行双向流固耦合求解,得到复合材料螺旋桨在不同进速系数下的水动力性能及结构特性,并将流体和结构计算结果与传统的金属螺旋桨比较分析,总结材料对螺旋桨性能的影响。双向流固耦合方法为今后各向异性复合材料螺旋桨的深入研究打下基础。     

不同浸没深度下水平圆柱体的水动力特性试验研究

顺应式的漂浮柔性圆柱型结构物,如深海养殖结构物的浮圈结构、波浪能发电装置的浮体部分等,大多是部分浸没的。目前,学术界和工程界对部分浸没圆柱的水动力特性了解甚少,也使这些新型结构物在设计和分析时面临着一系列的困难。文章利用在拖曳水池中对水平圆柱进行强迫振荡的试验方法,研究了不同浸没深度的水平圆柱体在流、波浪以及波-流耦合作用下的水动力特性,获得了拖曳力系数和附加水质量系数在不同浸没深度下与Reynolds数、KC数和Vr的关系。通过研究发现:(1)在纯流作用下,由于自由液面的存在,超过半浸没的圆柱体的拖曳力系数在超临界范围内将大于全浸没圆柱;(2)在波浪作用下的半浸没圆柱的水动力系数完全不能等同于全浸没圆柱的一半来进行考虑;(3)流的存在对水动力系数的影响比较显著,会导致惯性力系数的增大。     

水下结构声辐射时域数值分析法研究

采用有限元和无限元相结合的方法，对水下加筋圆柱壳结构的声辐射进行了数值计算。首先利用ANSYS软件建立声振模型，并在时域内计算流固耦合振动，给出可用于声学分析的数据文件；再利用SYSNOISE软件采用无限元法在时域内计算辐射声场，并将计算结果与实验值进行了对比。结果表明，提出的在时域内进行水下结构声辐射的计算是切实可行的，为水下结构声辐射仿真研究提供了新的方法。     

基于黏性流体-柔性结构耦合的波浪中船舶非线性波激振动研究

波激弹振和砰击颤振是集装箱船运营中极易出现的两种现象,分析其对船舶运动和剖面载荷的影响,对船舶设计和强度评估具有重要意义。采用黏性流体-柔性结构双向耦合方法对集装箱船模型在不同波长工况下的运动和响应进行求解,其中计算流体力学用于模拟流场的冲击和上浪等非线性现象并得到船体外载荷,然后通过有限元法求解船体运动和变形,两者在流固交界面进行隐式信息交换。计算捕捉到船体的非线性波激振动和颤振,分析结果发现,波激振动和颤振对整体运动影响较小,但会显著增大船体中垂的弯矩幅值,艏、艉区域垂向加速度受颤振的影响较大,当遭遇波浪的倍频成分接近船体湿频率时也会激发船体一定程度的弹振。与文献结果的比较表明,该耦合方法有望成为处理船舶水弹性问题的一种有效手段。     

船体背液板架碰撞损伤机理研究

为研究舱内液货对船体结构损伤机理的影响,利用数值仿真软件MSC.Dytran,计算出背液板架流固耦合力、碰撞力、损伤变形以及能量吸收等,并与背空板架进行了对比分析.结果表明,背液板架的损伤机理明显区别于背空板架,流固耦合力使得结构的变形模式发生了改变、碰撞力增加、极限撞深减小.     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面。为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态。计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著。因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响。     

小水线面双体船波浪载荷水弹性分析

三维水弹性力学将结构分析的有限元方法与围绕柔性体的势流理论结合起来,为在波浪中航行或驻立的复杂结构的运动和内力分析提供了一个流固耦合的统一分析方法,也为小水线面双体船的分析提供了有效的分析工具.文中将水弹性力学方法和谱分析方法相结合,对1 100吨SWATH船进行波浪载荷预报,并将计算结果与水池模型试验数据及国外相关资料进行了对比,说明了水弹性分析方法对于SWATH设计的合理性.     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面.为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态.计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著.因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响.     

水下结构声辐射时域数值分析法研究

采用有限元和无限元相结合的方法,对水下加筋圆柱壳结构的声辐射进行了数值计算.首先利用ANSYS软件建立声振模型,并在时域内计算流固耦合振动,给出可用于声学分析的数据文件;再利用SYSNOISE软件采用无限元法在时域内计算辐射声场,并将计算结果与实验值进行了对比.结果表明,提出的在时域内进行水下结构声辐射的计算是切实可行的,为水下结构声辐射仿真研究提供了新的方法.     

深水环境下双层圆柱壳结构受撞数值仿真

水下运载器一旦受到物体撞击造成破舱进水,后果不堪设想.为了提高水下运载器的结构安全性,选取其典型耐压结构形式--双层圆柱壳结构为研究对象,采用MSC.Dytran非线性瞬态动力学分析程序,分3种撞击环境:流固耦合与深水静压联合作用、单深水静压作用以及单流固耦合作用,对双层圆柱壳结构受物体撞击的损伤过程进行数值仿真.通过对计算结果的对比分析,研究了深水压力及流固耦合作用对受撞结构的损伤变形、撞击过程中的能量转换和撞击力的影响.本文的研究成果,可为水下运载器的碰撞研究及抗撞结构设计提供借鉴.     

波浪与防波堤护面块体相互作用模拟研究新进展

通过流固耦合三维数值模型与先进的GPU计算技术相结合,为模拟分析波浪与防波堤护面块体等水工构筑物的相互作用提供突破性的研究计算手段,能够克服现有连续介质波浪数学模型的不足,解决许多目前需要波浪物理模型才能解决的问题。该模型具有边界改变方便、成本低、分析速度快的特点,能满足多方案设计对科研的要求,因此在工程领域有广泛的应用前景。     

水下结构声固耦合振动的特征值计算

针对水下结构声固耦合振动计算中出现的非对称矩阵(与频率相关)的特征值问题,本文基于共轭子空间迭代法,提出了计算水下结构振动固有频率和振型的双重迭代算法.数值算例表明:该算法收敛性好,用于水下结构声固耦合振动的特征值计算是有效的.文中分别将流体视为不可压缩和可压缩两种情况建立了流固耦合方程,计算了板、加筋板和方箱振动的固有频率和振型,将干模态和湿模态、不可压缩流体和可压缩流体的计算结果进行了比较,并分析了结构刚度和流体边界条件对附加水质量影响系数的影响.     

管路-圆柱壳耦合振动功率流与声辐射特性研究

管路-内含铺板圆柱壳耦合结构是潜艇、鱼雷等水下航行器装备中的典型结构,为研究管路与圆柱壳结构耦合振动噪声传递的特性,论文采用阻抗综合法,利用耦合点处力与位移连续条件,建立管路-支撑-圆柱壳耦合结构振动计算模型。管路采用考虑流固耦合以及剪切变形的"十四方程"理论,从振动功率流传播视角研究管路系统向内含铺板圆柱壳振动传递的特性,并用边界元软件计算耦合结构远场辐射声功率。计算结果表明:充液管路各簇振动功率流分布与幅值随频率、管路支撑位置而变化,且管路系统输入功率流与耦合系统远场辐射声功率相关。研究结果可为管路系统从能量流角度进行振动控制提供参考。     

船舶桨-轴系统双向流固耦合动力学建模方法研究

螺旋桨激励力引起的轴系及船体振动是船舶低频噪声的重要原因,目前已成为改善我国船舶振动噪声最关键的问题之一.为了掌握这类低频噪声成因,有必要从流体、桨、轴系间的复杂耦合关系着手,揭示螺旋桨激励力产生、传递机理及桨-轴系统流固耦合振动演化规律.因此急需一个桨-轴系统双向流固耦合动力学分析模型.为此,本文利用有限元法(FEM)耦合边界元法(BEM)建立了流体-弹性桨-轴系双向流固耦合动力学模型,并通过数值仿真分析以及实验研究,验证了所建模型的正确性.研究表明:本文建立的模型求解精度满足工程要求,且相比于目前广泛采用的商业软件方法具有计算速度快、对计算机性能要求低等优点,非常适合工程应用.