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.     

静水压力作用的水下结构振动及声辐射

采用有限元／边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点，对结构域和流体内域采用有限元方法，对流体外域采用边界元方法。分析了流体一结构相似特性，使通过对常规结构有限元分析程序中的参数作合理设置，使之能直接用于内域流体声学有限元分析。流体外域采用边界元方法，选取合适的格林函数，能够考虑无穷远和自由液面边界条件。流体对结构的作用表现附加质量和附加阻尼。采用FORTRAN代码计算外域流体附加质量和附加阻尼矩阵，采用结构有限元分析程序对结构和内域流体作有限元分析，采用DMAP代码将附加质量和附加阻尼同结构质量矩阵和阻尼矩阵相叠加，实现了流固耦合计算。通过几何刚度矩阵对结构刚度矩阵修正来考虑静水压力对结构声辐射的影响。     

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。     

不同碰撞角度下水-船-墩流固耦合数值模拟研究

为研究不同碰撞角度下流体对船桥碰撞过程的影响，本文建立了水-船-墩精细化流固耦合模型，流体域采用ALE描述，船-桥结构采用Lagrange描述，通过罚函数算法实现结构-流体间的耦合。通过数值造波结果与解析解对比，验证了数值水池和耦合接触算法的可靠性。随后在0°～45°范围内开展了碰撞数值模拟，并与附加质量模型在能量转化、碰撞力、桥墩内力及位移、船舶损伤及航迹方面进行了对比。结果表明：流体对碰撞力影响较小；附加质量模型会略微夸大桥墩位移，但差别较小；两种模型的船舶撞损差别较大，不考虑流体时将夸大船舶撞损程度，最高可达21%；流体对船舶航迹与姿态会产生显著影响，流固耦合模型中船舶会明显滞后于附加质量模型。     

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。     

带有凹陷的环肋圆柱壳水下声振特性分析

为研究凹陷对环肋圆柱壳水下振动与声辐射的影响,采用结构有限元耦合流体边界元方法,通过FOR TRAN代码计算流体附加质量和附加阻尼,用DMAP代码将附加质量和附加阻尼矩阵同结构质量和结构阻尼矩阵叠加,实现了流固耦合计算,得到了在不同凹陷范围、凹陷深度、凹陷位置,以及力作用点与凹陷的相对位置时,圆柱壳的水下均方法向速度级和辐射声功率级频响曲线。分析结果表明:当力的作用点不在凹陷位置时,凹陷对圆柱壳的水下振动与辐射噪声影响很小,可以忽略;当力的作用点在凹陷位置时,带有凹陷的圆柱壳水下均方法向速度级和辐射声功率级的分贝值明显高于无凹陷时的情形,曲线峰值相差达4 dB。因此,在对带有凹陷的环肋圆柱壳进行试验研究时,应尽量避免激励力作用在凹陷位置,这样得到的结果会更准确。     

浸水板式结构的动力特性与声辐射特性数值分析

以镶嵌在无限大刚性障板上的板和板加筋结构为研究对象,应用Rayleigh积分计算得到流体对结构的加载效应以附加质量的形式,叠加到有限元离散的结构动力方程中进行耦合.针对附加质量矩阵不对称的特点应用Lanczos-QR算法求取非对称阵的广义特征值和特征向量问题,基于结构表面振速计算声功率,并基于能量的概念计算声辐射阻尼.研究分析了流体可压缩性、附加质量计算频率、板厚以及加筋方式对板式结构的振动特性影响,和流体特性、激励位置、板厚、加筋方式、边界条件对板式结构的声辐射特性影响,为板和板加筋结构振动噪声预报提供了一定依据.     

基于BEM/FEM计算浸水结构振动特性

应用直接边界元和有限元方法分析水下结构体的固有频率和振动特性,根据边界元理论编译出相应的程序来计算水下结构的附加质量矩阵,将附加质量矩阵与现有的有限元程序相结合,分析水下结构体的固有频率和振动特性,以浸没于流体介质中的圆柱壳为例,通过与近似理论值的对比验证了数值计算结果的可靠性,表明流体介质改变了结构的振动特性.     

水中三维结构的湿模态分析方法

水中任意几何形状结构的流固耦合振动特性的研究对船舶及海洋工程应用具有很大的价值。本文利用三维水弹性分析方法计算流体附加质量和恢复力系数，然后求解由结构的干模态广义质量、广义刚度及流体附加质量、流体恢复力系数所构成的耦合特征方程，从而获得结构的湿模态及特征频率。计算结果与整体弹性船模式试验结果吻合。     

肋板与流体的耦合对水下双壳体声辐射的影响

以水下双层圆柱壳为研究对象,采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量、附加阻尼算法,计算各工况下分别忽略和考虑层间实肋板与内域流体耦合作用这2种情况下结构的振动与声辐射,并从均方法向速度级和辐射声功率级这2个方面分析讨论壳间肋板与内域流体耦合作用对水中双层圆柱壳振动与声辐射的影响。结果表明：壳间肋板与流体耦合作用对水下双层圆柱壳振动与声辐射影响很小。壳间肋板数量越多,厚度越薄,内壳半径越小,肋板与内域流体的耦合作用对结构的振动与声辐射的影响则越小。     

有限域液体附加质量对板结构振动特性的影响

基于附加质量法、公式估算法以及流固耦合有限元方法对有限域流体与结构耦合振动特性进行计算分析,以方箱底板单面接触有限域的液体,以及双面分别接触有限域液体和无限域液体工况为例,通过一系列计算得出工程中处理附连水质量影响的一般方法和经验。给出处理有限流体域问题时附加质量法的一般适用准则,即当浸水参数h/b0.1时,利用附加质量法具有足够的工程计算精度,而当h/b>0.1时,建议采用流固耦合方法进行计算。     

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.     

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.     

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。     

空间复合材料加筋板流固耦合振动分析

本文用结构有限元与流体边界元方法研究了空间复合材料加筋板结构的流固耦合自由振动，推导了用于结构分析的分项插值型复合材料八节点板单元和三节点梁单元，以及用于流场分析的线性边界单元。用修正的RIRZ向量法与波前法相结合的方法求解特征值问题，避免了因附连水质量引起的结构质量矩阵为满阵的内存困难和非对称矩阵方程约化困难。算例表明，附连水质量对复合材料结构的动力特性影响要比各向同性材料严重得多。     

复杂外形潜水器的动力学建模

为建立复杂外形潜水器精确的动力学模型,并基于模型设计控制算法,本文以DOE HD2+2无人遥控潜水器(ROV)为对象,应用计算流体力学(CFD)粘流方法与面元法预测水动力系数.为提高计算速度,在保证计算精度的前提下,采用多面体网格,进行网格优化,减少了流体域的网格总数.由于ROV几何外形不对称,基于最小二乘法分段拟合了阻尼力/力矩与速度的曲线,建立了耦合的阻尼矩阵和附加质量矩阵.最后,基于CFD计算的水动力系数建立了Matlab Simulink动力学仿真模型,并通过水池操控实验对所建动力学模型进行了有效性验证.     

复杂外形潜水器的动力学建模

为建立复杂外形潜水器精确的动力学模型,并基于模型设计控制算法,本文以DOE HD2+2无人遥控潜水器(ROV)为对象,应用计算流体力学(CFD)粘流方法与面元法预测水动力系数。为提高计算速度,在保证计算精度的前提下,采用多面体网格,进行网格优化,减少了流体域的网格总数。由于ROV几何外形不对称,基于最小二乘法分段拟合了阻尼力/力矩与速度的曲线,建立了耦合的阻尼矩阵和附加质量矩阵。最后,基于CFD计算的水动力系数建立了Matlab Simulink动力学仿真模型,并通过水池操控实验对所建动力学模型进行了有效性验证。     

附加重块和弹簧刚度对垂直悬臂输流管动力学稳定性的影响研究

基于哈密尔顿原理建立考虑附加重块和弹簧的悬臂输流管道动力学理论模型，采用微分求积法求解模型控制方程。分别研究了附加重块的质量、弹簧的刚度、重力参数和附加重块/弹簧与重力参数对管道内流体临界流速的影响。结果表明：附加重块和弹簧对悬臂输流管道系统内流体的临界速度有显著影响；在流体质量比一定范围内，垂直悬臂管道自由端附加重块和弹簧时可以显著提高管道内流体的临界速度。     

附加质量对水中平面板振动噪声特性的影响

在结构的生产加工和使用过程中,由于结构设计、施工工艺、使用安装及维修保养等过程中存在种种问题,导致结构的附加质量成为一种普遍存在且无法避免的现象,同时又对主体结构的声振特性存在着较大影响,因此研究附加质量对主体结构振动及噪声特性的影响具有重要的基础意义。以水中平板结构为例,对由不同分布情况的附加质量所引起的水中平面板声-振特性的变化进行数值分析。建立带有附加质量主结构的有限元模型,将其与声流体介质的瑞利积分相互耦合用于求解流固耦合问题,以获得耦合系统的响应。通过模型降阶法求解由附加质量所引起的结构模态参数变异。数值计算结果表明,不同分布情况的附加质量的影响有所不同,对于主结构声振特性的影响随频率的变化而变化。在主结构低频振动时,附加质量的影响主要反映在主结构固有频率和阻尼系数的改变上。     

复合结构与流体耦合运动方程的时域分析方法

本文就复合结构与流体耦合的时域运动方程，利用核函数矩阵的特点，将二阶微分积分方程变形为Ｖｏｌｔｅｒｒａ型积分方程，然后引入积分变换，得到一组一阶常微分方程组。该微分方程组的形式与现代控制论中的状态议程类似。