海洋浮式结构流固耦合动力建模分析

讨论了海洋大体积结构的流固耦合分析数学模型,建立了不可压缩理想流体中流固耦合系统结构运动微分方程,给出了用干模态分析方法计算流体附加质量矩阵、流体阻尼阵和流体附加刚度矩阵以及广义力的计算公式.     

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.     

基于多层动网格技术的流固耦合方法研究

从弱耦合的角度出发,对某型跨声速风扇叶片做了第一阶扭转振动模态下的流固耦合验证计算,采用三维线性插值方法,通过商用软件ANSYS和CFX实现了计算结构动力学和计算流体力学之间的数据交换,从而使固体域与流体域顺序祸合.应用多层动网格技术解决了固体域模型在流场中运动受到流体网格尺寸制约的问题.计算结果表明,模拟结果可以预估叶轮系统的模态气动阻尼系数,具有工程参考价值.     

单流体方法处理管道流固耦合传热

核动力管道内流体非绝热流动,涉及流固耦合传热问题。利用解析法验证流固耦合数值模拟计算的可行性。为减少数值模拟计算量,提出单流体计算方法,其计算结果与流固耦合传热计算值相比较,发现单流体计算中流经管壁的热流量存在一定偏差。通过对流体域边界表面传热系数的修改,修正管壁热流量的计算值,得到了与参考值相一致的计算结果。研究表明,涉及管道流动传热问题时,单流体数值模拟计算不仅能够满足计算精度,而且可简化模拟设置,节约计算时间。     

海洋浮式结构流固耦合动力建模分析

讨论了海洋大体积结构的流固耦合分析数学模型，建立了不同压缩理想流体中流固耦合系统结构运动微分方程，给出了用干模态分析谅都督充体附加质量矩阵、流体阻尼阵和流体附加刚度矩阵以及广义力的计算公式。     

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。     

流体域特性对流固耦合振动计算的影响

船舶结构的水下振动预报一直受到广泛的重视,计算机技术的发展使得有限元法成为求解复杂船舶结构流振耦合振动的有效方法。本文基于船体结构与周围流体介质的耦合作用建立典型圆柱壳流固耦合振动计算的有限元模型,重点分析流体域边界处理方式、流体域形状、流体域范围对耦合振动计算结果的影响,提出合理的流体域建模方法。同时分析流体网格控制方式对于耦合振动计算的影响,为水下结构物耦合振动分析提供参考。     

流固耦合振动的组合模态综合法

本文提出了流固耦合振动一种新的计算方法——组合模态综合法。该方法建立在流体-固体有限元组成的杂交子结构模型基础上.对流体子结构采用约束模态(静力变换模态),同固体子结构的两种模态——模综超元法中的动力变换模态和Craig的固定界面模态进行组合,以组合模态作为广义坐标对流固杂交子结构的运动方程进行变换获得两种形式的计算方法。本方法中采用了先装配流体子结构后装配固体子结构的技巧,从而消除了流体元的全部自由度和固体子结构的全部内自由度,仅保留固体子结构对接边界自由度,使最后计算特征值的矩阵阶数保持与结构中的模态综合超单元法及Craig法的阶数完全相同,大大减少了计算机时。 通过曲弯曲板元和平面膜元的组合板元构成的立体方盒结构以及三维矩形有限元的流固耦合振动计算,获得了与P.C.Chowdhury用整体有限元计算及光测实验一致的数值结果。     

流固耦合振动的组合模态综合法

本文提出了流固耦合振动一种新的计算方法——组合模态综合法。该方法建立在流体一固体有限元组成的杂交子结构模型基础上,对流体子结构采用约束模态(静力变换模态),同固体子结构以下二种模态:(1)模综超元法中的动力变换模态和(2)Craig 的固定界面模态进行组合,以组合模态作为广义座标对流固杂交子结构的运动方程进行变换获得二种形式的计算方法。本方法中采用了先装配流体子结构后装配固体子结构的技巧,从而消除了流体元的全部自由度和固体子结构的全部内自由度,仅保留固体子结构对接边界自由度,使最后计算特征值的矩阵阶数保持与结构中的模态综合超单元法及 Craig 法的阶数完全相同,大大减少计算机时。通过由弯曲板元和平面膜元的组合板元构成的立体方盒结构以及三维矩形有限元的流固耦合振动计算,获得了与 P.C.Chowdhufy 用整体有限元计算及光测实验一致的数值结果。本方法尤适用于具有大量流固交界面自由度和少量结构对接自由度的船舶流固耦合振动计算,也适用于滨海工程结构和其它工程的这类问题计算。与以往的流固耦合振动计算方法相比,富有实用意义和经济效益。     

野草算法优化提取广义切比雪夫滤波器耦合矩阵

介绍了野草算法优化提取广义切比雪夫滤波器耦合矩阵的方法。首先用野草算法控制耦合矩阵相似变换时的旋转角度,通过对目标函数的优化归零,实现对耦合矩阵任意位置元素的消零。接着给出广义切比雪夫滤波器的几种拓扑结构,设置传输零点在任意有限远处,并通过对其耦合矩阵的提取,计算耦合矩阵对应于归一化原型的幅频响应,验证了这种方法的可行性。最后以优化提取的耦合矩阵为基础设计了微带滤波器,测试结果与设计指标相吻合。     

基于有限元法的流体与结构的耦合研究

对有限元法离散流固耦合方程进行了简要的介绍,给出了粘性流体与弹性结构的全耦合模型。流体采用k-ε湍流模型进行了有限元计算,采用ALE描述实现固体Lagrangian描述到流体Eulerian描述的过渡,使大变形带来的流体域网格畸变得以避免。对流固耦合方程,采用流固全耦合的迭代算法进行了迭代求解,最后模拟了高雷诺数下湍流流动中冲击致使涡轮结构旋转的过程。计算结果表明,流固耦合的算法是可靠的。     

船舶推进轴系纵、横、扭耦合振动传递矩阵法的研究

本文发展了传递矩阵法的理论,导出了计入回旋效应尾轴轴段的耦合振动数学模型;螺旋桨由附水质量、阻尼引起的耦合振动传递矩阵;建立了船舶轴系(从发动机到螺旋桨)的耦合振动数学模型。对大连造船厂27000t散装货船推进轴系进行了耦合振动数值计算,计算结果与实船测试相吻合。本文还进行了轴承刚度值对轴系耦合振动特性的影响的研究。     

迁移矩阵法在船体弯扭耦合振动分析中的应用

本文讨论了迁移矩阵法计算大开口船舶弯扭耦合振动问题，导出了多种点迁移和场迁移矩阵，并作了集装箱船的弯扭耦合振动分析。计算表明：用迁移矩阵法分析大开口船舶的弯扭耦合振动具有占用内存少、数据准备简单等优点。     

船舶在波浪中的水平弯曲——扭转耦合响应水弹性分析

本文以二维反对称水弹性理论分析了大开口船体结构的弯扭耦合响应。分析中船体结构简化为Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁,流体的作用以切片理论来考虑。计算结果和模型试验结果吻合良好,这为大开口船舶的弯扭耦合分析提供了有效简便的计算方法。     

结构动态响应计算的模态综合技术

本文把结构动态特性计算的模态综合超单元法拓广至结构动响应的计算领域。由于结构模态对阻尼矩阵的非正交性带来的耦合阻尼项造成了响应计算的困难,本文采用了保持主对角项阻尼的响应运算,然后根据虚功原理对结果进行了耦合项阻尼的修正。     

结构动态响应计算的模态综合技术

本文把结构动态特性计算的模态综合超单元法拓广至结构动态响应的计算领域。由于结构模态对阻尼矩阵的非正交性带来的耦合阻尼项连成了响应计算的困难,文中采用了保持主对角项阻尼的响应运算,然后根据虚功原理对结果进行了耦合项阻尼的修正。     

粘性流体晃荡与弹性结构的相互耦合作用

提出了处理粘性流体晃荡与弹性结构相互耦合作用的理论及相应数值计算方法.流体运动采用N-S方程描述,控制方程采用有限差分法离散,并由超松弛迭代法求解.液体自由表面通过流体体积法进行重构.为了考虑液舱结构变形对液体晃荡的影响,应用了FAVOR技术.由此建立了描述液体晃荡与结构相互耦合作用的水弹性理论,并由相应的计算方法进行了系列运算,以考察二维液舱不同结构刚度对液体晃荡的影响.计算结果有助于进一步理解此类问题的物理现象.     

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。     

船体薄壁梁弯扭耦合振动的流固耦合分析

采用耦合有限元,边界元法计算水中船体的弯扭耦合振动.文中用一维薄壁梁有限元模拟船体梁,在横剖面处用二维边界元方法计算结构表面卢压,推导出表征流体对振动特性影响的附加质量阵,编制了用流同耦合方法求解船体振动模态的程序.通过与采用ANSYS软件进行耦合场分析以及刘易斯方法得到的振动模念相比较,验证了文中方法的可行性和应用性.     

船舶推进轴系纵横耦合振动响应分析

文章针对船舶推进轴系多质量、多弹性支撑的工程实际结构,运用有限单元法,基于带弹性支撑、集中质量的纵横耦合振动梁单元的非线性刚度矩阵及质量矩阵,建立了结构有限元动力学分析模型,计算了其动态响应位移及幅频特性曲线,并对响应结果进行了分析;由于纵横耦合振动存在着较强的耦合作用,其动态响应位移比无耦合作用下的位移大,在频域上有更多的激励频率分量;因此,在设计时系统的固有频率不仅要避开激励频率,同时要避开纵、横激励频率的线性组合;文中还研究了在不同激励力幅值和不同激励频率下船舶轴系耦合振动的非线性响应的影响规律。计算分析结果对船舶推进轴系的设计具有一定的指导借鉴意义。