流固耦合振动流体边界元拟湿模态综合法

本文用流体边界元结合結构模态综合技术对大型结构的流固耦合问题的计算方法进行了研究。基于对用常数边界元计算附连水质量的物理意义的研究,并结合结构部分的计算,提出了一种假设的模态——拟湿模态。数值计算表明,本文的理论结果有足够的精度。     

模态综合超单元法及其在船舶结构动态计算中的应用

近几年来,在一些先进的造船工业国家,部件模态综合法在船体结构动态计算中已开始应用。通过将整船分成上层建筑、桅杆、船体梁等若干部分,分别计算各部件的动态特性然后加以综合,可得到整船的结构动态特性。这就有效地解决了计算机容量不足的问题,使绝大部分拥有中小型计算机的企业对这类大型复杂结构的动态计算成为可能。本文根据动力变换原理和超单元的模态分析,导出了一种新的动态子结构法——模态综合超单元法,克服了一般模态综合法与通用有限元法技术相结合的困难,改进了Guyan、Kuhar等人提出的静力、动力缩聚计算的精度。本文提出的模态综合超单元法是将模态综合法与阻抗匹配法结合起来的一种新的动态子结构法,在超单元的缩聚动刚度矩阵中保留了若干阶的固定对接主模态,从而保证了计算精度。在取得超单元的动态缩聚信息后,采用与有限元相同的对接步骤,得到缩聚了的、依赖于系统频率的动刚度矩阵。解此非线性特征方程,即得到所求系统的特征值。本文对非线性特征值的计算原理和步骤也作了专门阐述,这在动态子结构法中是十分关键的一步。根据本方法的计算原理,在我所国产的108计算机上建立了通用程序,并对已有精确解和试验结果的立体双层框架进行了计算考核,结果吻合良好。然后用本方法对5000吨舱口驳模型进行了计算,利用对称和反对称原理计算了具有456个自由度的驳船模型的四分之一部分,将该部分分成四个超单元,每个超单元分别由132个自由度或108个自由度的膜梁组合结构立体舱段组成,用子空间联立迭代法计算得到每个舱段的模态,加以综合后求得整船的动态特性。最后将计算结果与对该模型采用先进的模态识别试验(击锤法)及Molré干涉横向测振试验结果进行了比较,一致性也是满意的。     

动态子结构法中的非线性特征值计算

计算大型复杂结构振动特性的动态子结构法如约束模态法、模态综合超单元法、部件模态综合法及阻抗匹配法等都不可避免地要解非线性特征方程D~*(ω)δ_m~*=0,即动刚度矩阵随结构振动频率而变化。作者采用修正的sturm序列的两分法,求得初始迭代频率值,再代入上述方程,从而保证了该方程的收敛。本方法经过双层框架计算考核,证实其正确性。     

船舶耦合振动部件模态综合法

本文采用适用于研究船舶耦合振动的部件模态综合法,通过用这一方法对16000吨煤矿船总振动的实例计算,剖析了子结构之间的耦合振动及其在总振动中所起的不同作用,从而为船舶尾部、机仓双层底、上层建筑等局部结构振动与船体梁耦合振动的计算提供了理论依据。本文计算结果与实测值比较误差为1.2%。     

膜梁组合模型的船舶总体与上层建筑耦合振动

本文提出了用膜元与集中质量的组合形式作为上层建筑的力学模型。同时,为了考虑上层建筑与船体总体的耦合振动,总振动的力学模型仍采用梁模型,从而简化了上层建筑的力学模型的形成工作。电算程序采用自动计入附连水质量与模态综合法(动态子结构法)相结合的形式,十分方便地判断了上层建筑与船体梁振动之间的耦合关系。本方法可作为船厂设计人员在详细设计阶段时使用。     

结构系统动态响应计算的模态综合加速度法

本文基于模态综合超单元法和模态加速度叠加法的原理,提出了一种求解大型复杂结构动态响应的新方法。利用固定对接主模态,可使结构的副自由度全部精确地缩聚掉,大大降低求解方程的阶数。然后利用模态综合超单元法求结构系统的动态特性,最后用模态加速度叠加法求出有阻尼多自由度结构系统的动态响应值。关于结构系统阻尼如何确定,我们提出了一个新的思想。该思想以子结构为出发点。子结构的阻尼阵与子结构的刚度阵和质量阵成正比,其比例系数由试验或者以往积累的经验所确定。然后利用固定对接技术,将各子结构装配起来,就得到了整个结构系统的阻尼阵。这种处理方法的优点是明显的,因为子结构与整个结构系统相比,其阻尼是比较容易精确地确定的。应用以上提出的方法,与应用有限元技术求结构系统的整体解相比,CUP时间可大大节省,计算效率大为提高,並且具有很高的精度。又因为本文提出的方法是基于动态子结构法,所以大型复杂结构系统的动态响应计算可望在微机上进行。     

流固耦合振动有限元分析中的流体弱耦合项摄动法

在流固耦合的振动分析中,不可压流体的有限单元法导致充满的附连水质量矩阵,从而破坏了结构矩阵的稀带性。本文采用流体有限元模型的Guyan 减缩,先放弃其流体专有耦合项矩阵(弱耦合项矩阵)进行计算,然后将弱耦合项矩阵对计算结果加以摄动修正,取得了与流体满阵解相当一致的结果。     

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。     

船舶耦合振动部件模态综合法解析

本文提出了适用于研究船舶耦合振动的部件模态综合法。通过用这一方法对16000吨煤矿船总振动的实例计算,剖析了子结构之间的耦合振动及其在总振动中所起的不同作用,从而为船舶尾部、机仓双层底、上层建筑等局部结构振动与船体梁耦合振动的计算提供了理论依据。本文计算结果与实测值比较误差1.2％。