基于VBA的螺旋桨流固耦合数值模拟

针对近年来广受关注的船用螺旋桨水弹性问题,采用面元法（BEM）进行螺旋桨水动力分析,基于有限元（FEM）进行桨叶结构分析,在Excel VBA环境中借助于Shell函数分别调用BEM代码和FEM模块,实现了螺旋桨稳态性能的双向流固耦合数值模拟.算例对DTMB4119桨分别采用＂刚性＂铝青铜和＂弹性＂S玻璃纤维两种各向同性材料进行了求解,计算结果表明,弹性桨变形量远大于刚性桨,变形形态以轴向和周向的弯曲为主,体现为侧斜和纵倾的改变;桨叶螺距基本不发生变化,其水动力性能与＂刚性＂桨保持一致,两者的应力分布也基本相当.相关研究结论可为后续复合材料螺旋桨水弹性分析与设计工作提供前期基础.     

非均匀流场中桨叶剖面设计方法

给出了非均匀流场中螺旋桨桨叶剖面的设计方法，提出了保持剖面空泡特征不变的等效运转曲线的思想，并创建了等效运转曲线的确定方法．基于等效运转曲线设计的桨叶剖面能有效地控制空泡范围和空泡类型，得到期望的空泡性能．剖面采用母型剖面方法来设计，进而可确定桨叶弦向环量分布，然后由升力面理论设计三维桨叶的几何形状．通过实例螺旋桨的设计，说明本方法是合理和有效的．     

高速受电弓风载及流固耦合强度分析

阐述了高速受电弓结构模型及CFD计算模型的关键技术,介绍了对其进行空气动力学和流固耦合静力学分析的过程和方法.计算发现在加速风情况下受电弓风压与风速加速度之间的线性关系.基于流固耦合分析,获得了受电弓工作状态下的应力分布,其中受电弓下臂杆横、纵梁交界处应力最大,从而为受电弓强度设计提供了依据.     

不同理论在分析箱形梁畸变效应时的差异

为了更准确地分析箱形梁在偏心荷载作用下的畸变效应,对比了板元分析法、能量分析法两种不同理论在分析箱形梁框架畸变变形、畸变翘曲变形时的内在联系与差异,推导出了计算箱形梁畸变内力的控制微分方程.采用数值算例对两种不同理论及ANSYS有限元法的计算结果进行分析.结果表明:两种不同畸变理论计算得到的畸变几何特性参数λ_P、λ_E相等,且对于直腹板箱梁,两种理论具有统一性.畸变翘曲正应力随顶、底板长度之比b_t/b_d的增大而逐渐减小,采用有限元法计算时降低幅度最大,采用板元分析法计算时降低幅度最小.当b_t/b_d1.4时,采用板元分析法计算所得的畸变翘曲正应力与ANSYS有限元法计算所得结果更为接近;而当b_t/b_d1.8时,采用能量分析法计算所得的畸变翘曲正应力更为准确.     

面元法预报螺旋桨水动力性能

采用面元法预报螺旋桨水动力性能，桨叶和桨毂表面离散为四边形双曲面元，每个面元上布置等强度和偶极子分布，螺旋桨尾涡面也离散为布置等强度偶极子的四边形双曲面元。桨叶随边处理过迭代实现非线性等压加塔条件，通过螺旋桨敞水性能和桨叶压力分布的计算结果与试验结果的比较。     

大侧斜螺旋桨水动力性能预报

采用面元法预报大侧斜螺旋桨水动力性能,螺旋桨表面及尾涡面离攻衣四边形双曲面元、每个面元上布置等强度源汇和偶级子分布,对于大侧斜螺旋则言,桨叶采用常规的半多格划分方法在近叶梢处将导致大有弦比、大侧斜和扭曲面元上这容易使桨叶表面速度的计算结果不正确,甚至会导致迭代过程发散及计算失败,文中建立了一种“非常规网格”划分方法,能有效地解决大侧斜螺旋桨的计算和收敛问题,桨叶随这处理通过迭代实现非线性等压库塔条     

潜艇螺旋桨直接辐射噪声的数值计算

采用计算流体力学与声学边界元方法相结合求解了潜艇尾部大侧斜螺旋桨的直接辐射噪声.与一般螺旋桨噪声计算不同的是,螺旋桨非定常计算时引入了潜艇尾部桨盘面的速度分布作为非均匀来流,能够提供更加真实的螺旋桨脉动压力源场.提取桨叶表面的声偶极源项后,采用边界元方法,求解FW-H方程,得到了螺旋桨空间测点的声压谱和总声级.桨盘面速度分布由全附体潜艇粘性流场数值计算得到,其可信性由艇体表面的压力系数与试验值的比较给予了验证.螺旋桨数值模型的可信性由敞水特性预报值与试验值的比较进行了验证.     

流固耦合作用下隧道开挖模拟研究

根据渗流力学、弹塑性力学以及多场耦合理论,构建隧道开挖流固耦合模型。以湖南省湘西州古丈县张吉怀铁路毛坪村隧道施工为例,选取典型断面,采用COMSOL 模拟耦合作用下隧道开挖引起的围岩渗流场及塑性区变化规律,并将拱顶沉降值与现场实际观测结果进行对比。结果表明:隧道开挖扰动原岩发生应力重分布,使拱腰和拱底附近塑性区范围发生显著变化;对比不考虑流固耦合作用和考虑流固耦合作用下的模拟结果可知,流固耦合作用下隧道拱腰和拱底处围岩的应力值相对较高,高出的应力值最大可达0． 2 MPa,且流固耦合作用下隧道围岩变形稳定后,拱顶沉降值可达55 mm。采取喷砼支护措施后,隧道拱腰和拱底处的应力集中区范围显著减小,隧道拱顶沉降值可降低至26 mm。由此可见,流固耦合作用增加了围岩的应力和位移,支护措施减小了拱腰和拱脚处应力集中区范围和拱顶沉降值。     

高阶面元法预报螺旋桨水动力性能

采用高阶面元法预报螺旋桨水动力性能，桨叶和桨毂表面、以及表面上的速度势分布均采用B样条曲面来表示，螺旋桨尾涡面离散为四边形双曲面元．桨叶随边处的库塔条件由等压条件来实现，通过计算比较，文中的结果是令人满意的。     

桨叶剖面旋涡发放数值模拟研究

基于任意拉格朗日—欧拉方法(ALE),根据某发生唱音问题的螺旋桨的实际数据,截取螺旋桨在0.7R处的桨叶剖面为研究对象,建立该剖面与流体相互作用的三维单层网格有限元模型,并对桨叶剖面的旋涡发放现象进行研究,然后将旋涡发放频率的数值计算结果与经验公式结果和实测结果进行对比,重点分析了桨叶剖面的结构响应。数值模拟结果表明,桨叶剖面叶背和叶面都产生旋涡脱落现象,数值计算得到旋涡发放频率与实测值接近,桨叶结构存在应力集中区域,应力集中的位置和峰值变化规律与旋涡发放现象有关。     

基于ANSYS的深水栈桥钢管桩压弯稳定性计算

提出一种基于ANSYS的深水栈桥钢管桩压弯稳定性计算方法。在深水栈桥设计计算中,采用APDL编制数值程序,建立栈桥全部下部结构的有限元模型并进行静力计算;在后处理中,将各根钢管桩入土段中双向弯矩矢量和最大的节点作为等效嵌固点,根据等效边界条件确定各根钢管桩的计算长度,从而依据现行《钢结构设计标准》进行钢管桩的双向压弯整体稳定性计算。算例分析表明：采用此方法,钢管桩入土段中双向弯矩矢量和与标准解的偏差仅0.4%～4%,且桩周土的m值越大,偏差越小,优于传统方法;等效嵌固点深度是影响钢管桩稳定应力水平的关键因素,此方法根据“嵌固”的定义确定钢管桩等效嵌固点深度,计算结果准确可信,可实现对钢管桩压弯稳定性的批量计算与优化。     

非均匀流场中螺旋桨水动力及噪声特性预报研究

根据螺旋桨的型值参数,在Fluent前处理器ICEM中建立流场的网格模型,采用计算流体力学（CFD）理论,结合雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程计算了螺旋桨的水动力特性.利用滑移网格技术对非均匀来流下的螺旋桨的水动力进行大涡模拟计算,并结合FW-H噪声模块对螺旋桨的无空泡噪声进行了数值预报.流场预报结果显示,流场的非均匀性导致螺旋桨水动力系数的脉动存在一定的周期性,且整个螺旋桨的水动力系数与单个桨叶之间存在一定的倍数关系;声场结果表明,低频离散噪声远大于高频噪声,噪声衰减速度随频率增大而减小,螺旋桨轴向和径向衰减速度随着距桨盘面中心的距离增大而减小,且轴向声压级低于径向两侧.     

基于拓扑优化的某活塞轻量化分析

针对某发动机活塞轻量化问题,进行了该结构模型的热机耦合分析,在此基础上完成了对活塞的变密度法拓扑优化设计,并从应力、变形、体积(重量)等方面对优化前后计算结果进行了比较和总结.研究结果表明:选择相同的材料,活塞质量较优化前降低了约6.471％.优化后模型的最大形变量有所降低,应力峰值减少了16.73％,均力分布有所改善.     

高地应力层状软岩隧道大变形预测分级研究

为探明高地应力层状软岩隧道的非对称变形破坏规律及其支护结构的非对称受力特性,结合碳质千枚岩力学特性与变形破坏机制的各向异性特性,对层状软岩隧道围岩的非对称变形破坏特征进行了分析. 在93座典型高地应力层状软岩隧道变形数据的基础上,系统性地分析了隧道拱顶沉降、水平收敛、最大变形量与地应力、岩体抗压强度、隧道埋深之间的关系. 研究结果表明:高地应力层状软岩隧道的变形量与最大地应力、岩体抗压强度、埋深的分布较为离散,在一定地应力、岩体强度或埋深条件下,隧道变形量既存在于高值区间,也存在于低值区间;隧道变形量随地应力的增大、岩体强度的降低、埋深的升高逐渐向高值区间靠拢,高地应力层状软岩隧道大变形是高地应力、软弱围岩、层理弱面耦合作用的结果;基于隧道最大变形量与隧道强度应力比的幂指数变化规律,提出了高地应力层状软岩隧道的大变形预测分级指标.      

基于面元法及模型试验的船舶螺旋桨噪声预报方法

对某船螺旋桨噪声进行了预报.高频噪声预报采用模型试验方法进行.在国家重点试验室大型循环水槽中完成了桨模高频噪声的测量,测试结果经量纲一的量方法换算至实船.采用面元法计算非定常力,通过力与声级的关系换算出低频离散谱噪声.求解出螺旋桨随机连续性力.然后换算出低频连续谱噪声.从预报结果总结出螺旋桨噪声随频率的变化规律以及速度对噪声的影响.     

高速铁路路基下复合地基沉降计算方法

分别采用Boussinesq组合法、Boussinesq直接法、Boussinesq三角形法和德国DB836法计算地基附加应力,采用复合模量、承载力比值法所得模量和弦线模量作为地基模量,按12种组合形式来计算地基总沉降量,并与某高速铁路试验段的实测沉降进行比较。计算结果表明:当附加应力分别按Boussinesq组合法、Boussinesq直接法和德国DB836法计算,选用复合地基载荷板试验所得弦线模量时,计算所得的地基总沉降量同实测值非常接近,相对差值在1.57%~9.81%之间,满足高速铁路对地基沉降控制的精度要求。建议采用附加应力-地基模量方法进行高速铁路路基工程的地基沉降计算时,其中附加应力可按Boussinesq组合法、Boussinesq直接法和德国DB836法计算,地基模量选用弦线模量。     

水中含气量对螺旋桨空泡噪声影响的试验研究

为了研究水中含气量对螺旋桨空泡噪声的影响,在大型循环水槽中对某一高速双桨船模型的螺旋桨模型辐射噪声进行了测试.试验中进行了同一含气量下,不同船速时螺旋桨模型的辐射噪声的测量以及给定速度下,不同含气量情况下螺旋桨模型辐射噪声测量.测试结果表明:同一含气量,模拟实船不同航速工况时,噪声的总声级随着航速增加逐步增加;模拟实船某一航速工况,水中不同含气量时,测量得到的噪声总声级随含气量的增加而下降.     

基于刚度等效模型的减重孔板结构快速分析方法

为了能够更有效率地对减重孔板结构进行计算分析, 提出一种快速分析方法; 研究了减重孔板结构模型与平面板结构模型间的一般刚度等效关系, 建立了减重孔板孔径、孔距与相应平面板等效杨氏模量、等效板厚间的关系表达式, 以等效平面板结构模型代替原孔板结构模型进行变形分析; 将局部节点位移施加到相应目标孔位模型上, 计算了目标孔位区域的应力分布; 结合试验与仿真验证了方法的准确性; 通过对某实际减重孔板结构施加不同载荷, 对刚度等效关系的稳定性进行了验证; 通过某车体底架带孔板结构实例, 对方法应用于实际工程中的有效性进行了验证。分析结果表明: 与试验结果相比, 快速分析方法仿真变形最大误差约为3%, 应变的最大误差约为5%;不同载荷下的等效杨氏模量偏差约为2.5%, 等效板厚的偏差约为1.3%;快速分析方法对变形与局部应力的平均计算误差小于6.7%, 计算时间缩短了约50%。可见, 快速分析方法可以替代传统方法对减重孔板结构进行性能分析。      

设置抗裂结构层的旧水泥混凝土路面加铺结构温度应力分析

在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是一种常见的结构形式。采用有限元方法对不同加铺结构的温度应力进行计算,结果表明:采用抗裂结构层以后,接缝处沥青加铺层最大主应力、等效应力和最大剪应力基本上随加铺层厚度的增加呈减小的趋势,加铺层厚度越大温度应力越小。对比分析后发现,设置应力吸收层和大粒径沥青碎石抗裂结构层以后,接缝处最大主应力、等效应力和最大剪应力都有较大程度的减小。土工织物夹层的抗裂效果与夹层材料的模量有较大关系,当模量越大时对温度应力的减小程度越大。     

舰船电力推进系统的矢量控制及其仿真

针对舰船电力推进系统的螺旋桨特性,采用矢量控制方法对舰船推进电机进行调节,给出异步电机矢量控制框图,在空间矢量脉宽调制环节引入等效调制函数以简化控制环节并提高控制效率,分析并给定舰船推进电机的螺旋桨特性曲线.利用PSCAD/EMTDC对实际系统进行仿真,计算了不同工况下电机起动和调速时系统的暂态稳定状况,并结合试验进行验证,结果表明两者变化规律相吻合,证明仿真模型的正确性和所选方法的可行性.