基于有限元的功率流计算及隔振系统优化设计技术研究

振动功率流法是研究柔性结构动态特性的有效手段,导纳功率流分析法是目前的主要研究方法,由于只能得到极少数简单结构的解析导纳,对于复杂的结构导纳功率流分析法束手无策.有限元动态分析可以解决绝大多数结构的振动问题,目前大多数有限元动态分析主要集中于模态分析、位移响应分析等.本文从有限元动力方程推导出发,给出了节点频域复数力的表达式,进而给出基于有限元动力分析的功率流计算方法.对一个单梁隔振系统进行理论计算和有限元计算对比,验证了该方法的准确性.最后,基于该方法对隔振器参数和振源布置位置寻优,得到最优参数使传递到基础的振动能量最小.这种方法对大型结构动态设计具有借鉴意义,可应用到工程实际中.     

基于有限元功率流的L型板振动传递特性

基于有限元功率流理论,对L型板振动传递特性进行研究。对比导纳功率流法计算得到的输入功率和传递功率,两者计算结果吻合得比较好,证明方法是可行、准确的。提出了评价L型板振动传递的指标功率流传递率,从而定量描述L型板通过耦合边传递振动的能力。同时,给出功率流云图,直观得到能量在L型板中流动情况,并将功率流可视化技术应用到复杂的舱段结构中。本文处理方法对工程实际中复杂结构具有一定的通用性,可以为结构振动控制设计阶段提供一定的帮助。     

基于有限元动力计算的浮筏隔振系统功率流研究

结构在中、低频段的振动功率流计算大多采用导纳法,而复杂结构的导纳采用解析方法不易求得.给出了基于结构有限元动响应分析的振动功率流计算方法,采用该方法推导了一典型浮筏隔振系统的传递功率流表达式,编程计算对比了2种隔振方案(橡胶方案、气囊方案)的传递功率流和隔振效果.该方法对此类复杂浮筏隔振系统的设计有一定的指导作用.     

气垫船围裙成型数值计算与试验研究

气垫船围裙为三维复杂柔性结构，承受的外载荷复杂，其成型计算具有强非线性特点，一直是气垫船研究的重点和难点。论文以某极地运输气垫船围裙为研究对象，采用有限元方法，基于动态显式求解法计算了围裙典型分段和全船围裙的成型，并通过围裙典型分段模型成型试验和气垫船缩尺船模陆上静垫升试验分别对围裙成型计算方法及其对陆上静垫升特性的影响进行了分析。结果表明，基于有限元法的围裙成型计算方法较传统解析方法精度更高，与成型试验结果相比误差更小；全船围裙成型有限元计算结果与典型分段计算结果基本一致，基于全船围裙有限元法计算得到的静垫升特性参数预报精度较高，对提高气垫船总体性能预报精度具有指导意义。     

地质调查船月池结构局部强度评估及优化

采用直接计算法对地质调查船的月池结构强度进行评估。对调查船全船建立有限元模型,并对月池结构进行细化;考虑月池区域局部载荷最大的工况,利用频域内的三维势流理论和设计波法计算地质调查船在各工况下的波浪载荷,同时考虑各工况下月池结构处井架支脚的支反力,进而计算月池结构在不同工况下的应力响应。参考散货船结构强度直接计算分析指南对月池结构强度进行评估,对不满足许用应力标准的结构给出了优化方案并进行了进一步的校核。结果表明,三维势流理论和设计波法为带有月池结构的船舶波浪载荷的计算提供了有效的技术手段,采用直接计算法所得到的评估结果可为该类船舶的设计开发提供参考。     

结构可靠度分析的智能计算法

模糊数学、神经网络、遗传算法并称为智能计算方法.对功能函数没有明确表达式的问题进行可靠度分析,本文提出了基于响应面重构的智能计算法,即构造一个模糊神经网络响应面并采用遗传算法进行可靠度计算.算例分析表明,该方法与传统的二次多项式响应面方法相比,计算精度较好,可大大减少有限元分析次数.该方法用于大型复杂海洋工程结构的可靠度分析,可相应提高工作效率和解题质量,具有实际应用价值.     

基于IWO算法的轴系—基座—壳体系统声辐射优化研究

针对轴系-基座-壳体结构复杂,对于激振力引起的结构表面声辐射尚未形成一套有效的计算和优化方法,文章尝试通过功率流有限元和声学边界元方法,对系统声优化问题进行了研究。在直线校中状态下,用相应单元模拟系统中减振器、隔振器和吸振器,建立轴系-基座-壳体系统有限元模型,利用有限元转子动力学,计算系统某特定工况下频率响应。在此基础上采用IWO算法,以各减振单元参数为设计变量,以传递路径的总功率流为目标函数进行优化,最后利用声学边界元方法对优化结果进行对比分析。结果表明,将流经路径总功率流替代场点声压为目标函数,不仅能将问题简化大大减少计算量,还能为系统减振降噪提供有效的优化计算方法,具有重要工程应用价值。     

功率流有限元法结果分析辐射噪声

使用"功率流有限元法"(PFFEM)分析结果发展声辐射预测程序."功率流有限元法"是一种预测任意形状结构中高频振动能量密度和强度的新方法,而边界元法可用于声辐射预测.两者结合可以进一步计算远场辐射声压.用此程序,对水下复杂结构-点力激励下潜艇的振动和声辐射特性进行了预测,获得了良好效果.     

基于直接计算法的超大型油船整体舱段结构优化

基于有限元法的船体舱段整体结构优化优于分块优化,但由于其实现存在很多困难,目前国内研究较少。提出一种综合有限元法、均匀设计、神经网络等方法和理论的优化方案,对大型油船立体舱段结构优化进行了研究。建立了舱段结构强度评估的参数化有限元平台;构建了用于试验的均匀设计表,设计了171次试验,将之代入有限元平台进行计算,得到了用于神经网络训练的样本对,从而建立了设计变量和目标函数及应力响应的神经网络响应面。按照一般的优化流程,采用离散粒子群算法,对某30万t超大型油船舱段整体结构进行了优化设计。优化结果表明该方案是可行的,合理的,可以大大缩短直接计算消耗的机时。     

基于支持向量机的船舶结构优化方法

针对船舶等大型结构在优化过程中耗时长的问题,提出了支持向量机与遗传算法组合优化方法。基于支持向量机建立结构的近似模型,代替耗时长的有限元分析并应用遗传算法进行结构优化,形成一套省时、精度高、适应性强的优化方法。以某舱段结构优化为例,建立支持向量机近似模型,模拟结构设计尺寸与结构响应的映射关系,并选用二阶响应面模型做精度对比。分别使用支持向量机与遗传算法组合优化方法(SVM-GA)、传统的有限元法与遗传算法组合优化方法(FEM-GA)进行优化分析,计算结果表明,SVM-GA法相对于传统的FEM-GA法,不仅显著降低计算时间成本,而且具有良好的精度。     

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。     

周转斜盘发动机轴系横向振动计算与分析

文章利用模态综合技术分析周转斜盘发动机轴系横向振动,并根据周围斜盘发动机轴系的结构特点建立横振计算模型,将其复杂结构划分为具有简单形式的子轴,对各子轴用有限法进行分析,选取各子轴的低价模态加以综合。计算证明模态综合技术对具有复杂结构周转斜盘发动机轴系模振分析具有物理概念明确,节省计算时间,减少计算机内存等优点。     

大型复杂齿轮箱底架模态分析方法

本文探讨针对某复杂齿轮箱底架结构的一种模态分析方法。该齿轮箱底架尺寸较大,质量与刚度分布情况复杂。试验模态分析所需的试验条件要求高,对于力锤的选择和传感器的数量都有较高的要求。此外在有限元模态分析中会存在模态密集、模态向量繁杂、模态振型云图无法提取等问题。该齿轮箱底架结构特殊,近似案例很少,因而鲜有相关的计算参考。本文主要提出以扫频分析为理论基础,辅以虚拟梁的一种近似方法来求出该复杂大型结构的固有频率与振型。其计算结果较直接模态分析更能体现结构在工作状态下的模态情况,亦能对设备工作频率的选取以及结构刚度优化提供有益的帮助。     

船舶结构运行模态参数辨识研究

运行模态分析是仅基于结构运行状态下的响应来提取结构模态参数的一种方法,通常假设环境激励为白噪声进行分析。实际上,船舶航行过程所受激励十分复杂,不能简单地假设为白噪声激励,由主机和螺旋桨等产生的确定频率激励同样存在。因此,航行中船舶所受激励可以假设为白噪声和简谐激励同时存在。进一步讨论了运行模态技术在船舶结构振动分析中应用的可行性和前景。研究使用带阻数字滤波技术滤除激励中的简谐成分来提高结构真实模态的辨识精度。讨论了自互功率谱密度法,并研究使用此方法提取同时受白噪声和简谐激励作用的简支梁的模态参数。实验结果表明该方法能够较准确地识别出同时受白噪声和简谐激励的结构模态参数。这对于分析航行中船舶有害振动结构的模态特征,并实施有效的减振优化措施具有很广泛的实际意义。     

一种基于系统保形解耦的力源识别方法

基于模态分析法的力源时域识别方法中涉及利用模态矩阵将系统方程转化为非耦合形式,这仅对比例阻尼或经典阻尼系统才能实现。文章基于二阶系统保结构解耦方法建立了新的力源识别数学模型。首先利用Lancaster结构建立系统的解耦模型,并求得解耦变换;其次,利用解耦变换推导建立系统非耦合响应模型,并在微小时段内力源为线性变化的假设下,推导出具体的力源识别公式。最后,采用精细逐步积分方法,对模型进行解算,由结构动态响应反求力源的时间历程。数值实验不仅验证了所提方法可以提高识别精度,而且也验证了所提方法对非比例阻尼系统也是有效的,这也是文中方法的重点。     

船艉结构三维有限元动力分析

以艉部结构为例,阐述对船体结构进行三维有限元动力分析的基本过程和关键技术。建立艉部结构三维有限元模型,使用Fluent软件计算螺旋桨脉动压力,采用Helmholtz方法计算附连水质量;为了消除局部模态的干扰,使用模态参与因子提取结构的整体模态;计算结构的固有频率、模态、速度和加速度等动力学参数。实例分析表明所采用的分析方法能够准确预报结构的振动特性。     

凸轮发动机轴系扭振模态综合分析

本文采用模态综合技术对凸轮发动机轴系进行扭振分析，即根据凸轮发动机的结构针基划分为若干具有简单形式匠子结构，各子结构用有限元法进行计算，选取各子结构的低阶模态参加综合，从而提高分析效率。在要机上进行了扭振测量，并在和试验的基础上对凸轮发动机轴导振特性进行了初步探讨。     

舰船顶层设计中的耐波性预报模型研究

通过改变母船的船长和剖面参数来改变船型,得到系列样本船型,应用基于切片法理论的舰船耐波性计算程序对母船及样本船型进行计算,将所得计算结果进行多元回归分析,得到船舶耐波性预报数学模型.分别用耐波性计算程序和回归模型对例船进行计算,结果证明该预报模型具有较高的精度.     

基于伴随方法的螺旋桨参数影响分析

为探究螺旋桨各参数对螺旋桨性能影响关系,从面元法基本方程和面元法边界条件出发,建立螺旋桨参数影响分析的伴随方法.通过分析等压库塔条件,建立了伴随方程,基于伴随方程探究了螺旋桨性能与参数之间的敏感导数求解公式.选择DTMB4381桨作为研究对象,开展螺旋桨推力系数与螺距分布和拱弧分布之间的敏感导数求解,得到不同参数对螺旋桨性能的影响规律.数值结果表明,伴随方法计算得到的敏感导数与传统方法计算结果具有很好的一致性,但伴随方法的计算时间更短,且随着变量个数的增多,伴随方法计算效率的优势越大.