Simplified model for evaluation of VIV-induced fatigue damage of deepwater marine risers

A simplified empirical model for fatigue analysis of deepwater marine risers due to vortex-induced vibration (VIV) in non-uniform current is presented. A simplified modal vibration equation is employed according to the characteristics of deepwater top tensioned risers. The response amplitude of each mode is determined by a balance between the energy feeding into the riser over the lock-in regions and the energy dissipated by the fluid damping over the remainder based on the data from self-excited oscillation and forced oscillation experiments of rigid cylinders. Multi-modal VIV fatigue loading is obtained by the square root of the sum of squares approach.Compared with previous works, this model can take fully account of the main intrinsic natures of VIV for low mass ratio structures on lock-in regions, added mass and nonlinear fluid damping. In addition, a closed form solution of fatigue damage is presented for the case of a riser with uniform mass and cross-section oscillating in a uniform flow. Fatigue analysis of a typical deepwater riser operating in Gulf of Mexico and West Africa shows that the current velocity profiles affect the riser's fatigue life significantly and the most dangerous locations of the riser are also pointed out.     

腹板开孔对轨道交通箱梁振动噪声的影响

实测了城市轨道交通简支箱梁各板件的振动与近场噪声, 结合板件声辐射理论研究了箱梁结构振动辐射噪声和箱梁振动的关系; 基于箱梁结构噪声易产生绕射的低频特性, 计算了矩形混凝土板件在不同开孔工况下辐射的结构噪声变化情况; 在考虑箱梁腹板开孔的基础上建立了车辆-轨道-箱梁耦合有限元模型和箱梁振动-结构噪声有限元-无限元模型, 分析了箱梁腹板开孔前后各板件的振动和结构辐射噪声变化情况。研究结果表明: 箱梁板件声辐射效率随频率的增加并不呈现线性关系, 箱梁各板件近场低频(低于250 Hz) 辐射噪声与结构振动加速度级也并非简单的线性关系, 箱梁辐射噪声由箱梁振动和箱梁各板件声辐射效率共同决定; 对于两端简支的开孔板件, 在开孔率基本一致(0.4%左右) 的情况下, 开孔直径越小, 板件振动辐射噪声声压级越小; 采用有限元-无限元方法模拟箱梁近场低频结构噪声, 既能解决单独采用有限元法时声场边界反射的影响, 也避免了采用有限元-边界元方法时多软件交叉使用的不便; 腹板开孔虽然增加了箱梁板件在某些频率(100~125 Hz) 处的振动响应, 但由于箱梁内、外部声场连通, 使得声短路效应增加, 降低了板件的声辐射效率和相应频段的噪声; 腹板开孔后在1~250 Hz频段内顶板、底板和腹板附近的总声压级分别降低了9.43、2.74和1.63 dB, 从而使箱梁结构噪声得到了控制。      

带附体圆柱的涡激振动特性研究

以带鳍状物附体二维圆柱为研究对象,采用动网格技术,通过FLUENT自定义函数接口进行流场与结构间的数据交换,对其涡激振动特性进行了数值研究.数值分析前,以裸圆柱为模型进行了计算并将结果与已有的实验数据进行了对比,验证了本文算法的有效性和准确性.数值计算中,分别对初始分支、超上端分支及下端分支条件下的带附体圆柱在不同来流攻角的涡激振动特性进行了研究.计算结果表明,对于初始分支与超上端分支,附体的存在能够减小圆柱的横向振动;下端分支在小来流攻角情况与初始分支类似,但在大来流攻角时附体的存在会增大圆柱的振动幅值.     

绕流涡街及涡街流量计流场数值仿真

基于涡街理论,分别对圆形阻流体、正方形阻流体和三角形阻流体所形成的涡街场进行仿真研究,同时对三种阻流体对应的涡街流量计进行数值仿真,分析流量计中应变片对三种阻流体流场压力和速度的影响.结果表明,应变片改变了流场振荡的频率,三角形涡街流量计的压力损失最小.     

反应堆吊篮流致随机响应理论分析

讨论了吊篮结构流致振动的均方根响应。通过将流体力划分为简谐振动流体力和脉动流体两部分,结合结构有限元离散技术,建立了吊篮结构的流致随机响应不依赖于流体压力实验数据的纯理论分析方法。着重考查了平均流速、湍流强度及湍流尺度等几个主要参数对结构均方根值的影响。     

SCLD板模态控制模型及振动控制

为有效抑制薄板在外界激励下的低频振动,对机敏约束层阻尼(SCLD)结构进行了主动振动控制研究.首先,考虑了黏弹性材料随温度与频率变化的阻尼特性,结合GHM阻尼模型建立了耦合系统有限元动力学分析模型;其次,考虑到结构动力学模型自由度庞大,采用物理坐标下自由度动力缩聚和状态方程下复模态截断进行了两次降阶,并通过复模态空间向实模态空间转换,得到了低维实模态控制模型;最后,通过模态实验验证了理论模型,并基于低阶控制模型设计了振动控制器,证明了研究方法的正确性.研究结果表明,采用本文的组合降阶方法可以有效地对SCLD结构进行降阶,对模态控制模型主动控制取得了良好控制效果:在单位阶跃激励下,振动响应衰减时间从0.20 s缩短为0.08 s;在随机白噪声激励作用下,振动响应均方根值降低了39.65%.      

类矩形双肢钝体涡致振动和气动抑振机理

针对具有类矩形双肢钝体断面拱肋的大跨度拱桥在风洞试验过程易出现大幅涡激振动问题,沿拱肋模型表面进行动态风压同步测量及基于POD算法的本征气动力荷载分布模式分解,获得了涡振发生时对于周期性涡激力具有最大贡献的气动力荷载作用位置,初步揭示出此类断面涡激动发生时的局部气动力荷载作用机制。以上海卢浦大桥和肇庆西江特大桥此类具有双肢钝体断面拱桥为工程实例,结合涡激气动力沿拱肋周向时空气分布特征,提出并以二维悬吊节段模型风洞试验验证了拱肋断面多种有针对性的气动控制措施;结合实际桥梁拱肋的三维空间效应,利用全桥气弹模型风洞试验再现了涡振发生效果的气动力特征、阻尼比效应、三维尺寸渐变效应和质量分布效应的综合影响,结果表明：对于类矩形钝体拱肋断面的上下悬板方案和全盖板方案能大幅度降低涡振振幅并使锁定风速区间向高风速段迁移,但实际涡振抑制效果仍需结合三维模型气弹试验最终判断。     

轴向流对斜拉索气动稳定性影响的试验研究

在特定的风雨条件下,斜拉桥的斜拉索会发生激烈的风雨振现象,这种振动会造成索-梁和索-塔锚固区结构的疲劳损伤等一系列问题。因此,研究并明确斜拉索风雨振的机理,从而找到这种振动的控制方法,已经成为紧迫的研究课题。通过风洞试验测量了倾斜索模型的轴向流强度和脉动升力的大小,分析了轴向流对卡门涡脱落的影响及对低频率成分涡的形成的影响,指出轴向流能抑制卡门涡的脱落,并促进低频率成分的涡的产生,索在这两方面因素的作用下容易发生发散振动。     

尾部隔板影响圆柱绕流场的二维层流数值模拟

为了探讨尾部隔板对圆柱绕流场的影响,采用有限体积法、非结构化网格和层流模型求解二维不可压缩N-S方程.在雷诺数为200的条件下,对背流面沿流动方向的对称线上,带薄板的圆柱绕流场进行了数值模拟,得到了流场速度云图、斯特劳哈尔数及平均阻力系数随隔板长度的变化情况.研究结果表明:在圆柱尾部加入的隔板能有效改善旋涡的脱落情况,削弱尾迹区的能量耗散,同时降低绕流的斯特劳哈尔数.在板长与圆柱直径比为L/D≥7的情况下,加入的隔板使圆柱尾部的旋涡被拉伸为扁平结构并限定在隔板两侧,在扁平对涡的外侧形成类似流线型的流场结构;尾部的隔板也使绕流的阻力系数呈现下降的趋势,当L/D=7时,平均阻力系数下降了约40%.      

Finite Element Modeling of a Fluid Filled Cylindrical Shell with Active Constrained Layer Damping

On the basis of the piezoelectric theory, Mindlin plate theory, viscoelastic theory and ideal fluid equation, the finite element modeling of a fluid-filled cylindrical shell with active constrained layer damping （ACLD） was discussed. Energy methods and Lagrange＇s equation were used to obtain dynamic equations of the cylindrical shell with ACLD treatments, which was modeled as well with the finite element method. The GHM （Golla-Hughes-McTavish） method was applied to model the frequency dependent damping of viscoelastic material. Ideal and incompressible fluid was considered to establish the dynamic equations of the fluid-filled cylindrical shell with ACLD treatments, Numerical results obtained from the finite element analysis were compared with those from an experiment. The comparison shows that the proposed modeling method is accurate and reliable.     

Application of method of fundamental solutions in solving potential flow problems for ship motion prediction

A novel panel-free approach based on the method of fundamental solutions (MFS) is proposed to solve the potential flow for predicting ship motion responses in the frequency domain according to strip theory. Compared with the conventional boundary element method (BEM), MFS is a desingularized, panel-free and integration-free approach. As a result, it is mathematically simple and easy for programming. The velocity potential is described by radial basis function (RBF) approximations and any degree of continuity of the velocity potential gradient can be obtained. Desingularization is achieved through collating singularities on a pseudo boundary outside the real fluid domain. Practical implementation and numerical characteristics of the MFS for solving the potential flow problem concerning ship hydrodynamics are elaborated through the computation of a 2D rectangular section. Then, the current method is further integrated with frequency domain strip theory to predict the heave and pitch responses of a containership and a very large crude carrier (VLCC) in regular head waves. The results of both ships agree well with the 3D frequency domain panel method and experimental data. Thus, the correctness and usefulness of the proposed approach are proved. We hope that this paper will serve as a motivation for other researchers to apply the MFS to various challenging problems in the field of ship hydrodynamics.     

Finite Element Methods for Coupled Stokes and Darcy Problems

We derived and analyzed a new numerical scheme for the coupled Stokes and Darcy problems by using H(div) conforming elements in the entire domain. The approach employs the mixed finite element method for the Darcy equations and a stabilized H(div) finite element method for the Stokes equations. Optimal error estimates for the fluid velocity and pressure are derived. The finite element solutions from the new scheme not only feature a full satisfaction of the continuity equation, which is highly demanded in scientific computing, but also satisfy the mass conservation.     

弯曲输流管道流固耦合流动特性研究

以流固耦合理论为基础,对一段两端约束弯曲输流管道建立流体动力学模型及固体运动模型,利用FEA法对该管道系统流固耦合振动特性及弯管内流体流动特性进行了模拟计算和分析,结果表明:流体在管道弯曲处被迫改变方向时,将对管壁施以附加作用力,最大应力和应变发生在入口和出口处附近的上下部.由于管道的弹性作用,管道壁面又会反过来影响管内流体流动情况,两者之间存在复杂的耦合作用;弯管内侧壁附近能量损失较大,静压分布从0~°90°截面始终是外侧高于内侧,进口段湍动能较小、拐弯处较大,管道内流体流速在弯曲管道转角处相对较高.     

水中复杂结构局部振动特性研究

讨论静水中板状组件的局部振动特性。比较了结构在空气中的局部振动频率与在水中的局部振动频率的变化趋势。当结构在静水中振动时，如采用流体有限元来计算流体的附加质量和附加阻尼，势必导致解题规模过大。本文用基于小参数展开法导出的两平行板间隙内流体的附加质量及附加阻尼系数的解析表达式来构造流体的附加质量阵和附加阻尼阵。这种处理法极大降低了解题规模。另外，还讨论了结构在静水中振动时，附加质量和附加阻尼对结构自     

结构随机振动有限元/边界元法声学数值仿真

建立了结构振动的有限元模型和声学分析的边界元模型,基于边界元法推导了声学响应函数的计算公式,利用声学响应函数和激励谱密度推导了设计域点响应声压的自谱密度函数.以平板稳态振动声辐射为研究算例,计算了1~200 Hz的声学频率响应函数,并计算了系统受常谱密度和变谱密度随机载荷激励的声学响应.理论推导和实例结果表明,基于边界元法的声学响应函数可有效的求解随机声场.     

多约束燃料棒自由振动特性

为开发用于核燃料设计的流致振动计算程序,基于梁理论和势流理论,建立了多约束燃料棒振动问题理论分析方法.首先通过多跨连续梁理论,得到了多约束燃料棒在空气中振动控制方程和干模态下总体刚度矩阵和质量矩阵;然后通过势流理论,考虑了流体轴流和边界条件的影响,给出了湿模态下附加质量矩阵;最后以压水堆燃料棒为例,得到了燃料棒在干模态和湿模态下自由振动固有频率和振型的理论分析结果,并研究了弹簧刚度和附加质量系数对振动固有频率的影响.研究结果表明:通过理论分析方法所得计算结果与有限元软件ANSYS计算结果相一致;燃料棒在堆芯中结构为棒束形式,且周围为高速流动流体,振动频率及振型受到流体轴流和周边相邻燃料棒的边界效应影响,但由于多约束作用,流体轴流和边界效应仅影响了振动固有频率,而对振型基本没有影响;拉压和扭转弹簧刚度越大,燃料棒振动频率越高,增加扭转弹簧刚度可使第1阶固有频率增加79.1%,附加质量系数越高,燃料棒振动频率越低,可使第1阶固有频率降低18.2%,通过优化刚度方法可得到理想的振动特性,为格架设计提供参考.     

功能梯度输流管在弹性基体中的热弹性振动分析

为了研究嵌入弹性基体功能梯度输流管的流固耦合振动问题，首先根据欧拉梁模型理论推导得到功能梯度输流管道的振动控制方程，然后采用微分求积法对振动控制方程进行求解，最后根据计算结果详细讨论了材料组分的体积分数、温度、长细比及弹性基体的弹性系数对系统的固有频率及临界流速的影响. 研究结果表明:（1） 内部材料组分的体积分数增大会使系统的无量纲固有频率增大，临界流速减小（指数n由0增大到10，流速为0时的固有频率增大约13%，临界流速减小约6%）；（2） 随着温度的升高，系统的固有频率和其临界流速都会降低（长径比为100时，温度升高30 K，流速为0时的固有频率减小约4%，临界流速减小约14%），减小长径比会使得系统的固有频率明显下降（长径比为100、50和20时，系统的固有频率分别为160、41.1和11.87.）；（3） 系统的固有频率随着管道外径的增大而降低，管壁越薄变化越快，管壁越厚变化越慢（外径由0.1 m增大到0.11 m时，其固有频率的下降幅度约为外径由0.19 m增大到0.2 m时的100倍）；（4） 弹性基体弹性系数k增大会提高系统的固有频率（k增大3倍，系统的固有频率提高了约74%）.      

高架轨道结构振动特性分析

目前高架轨道是城市轨道交通的主要结构型式之一,为分析其结构振动特性,通过建立高架轨道垂向振动解析梁模型和有限元模型,采用动柔度法计算高架桥速度导纳和轨道速度导纳,并分别考虑桥梁支座刚度、桥梁截面形状对高架桥振动的影响以及高架桥基础和扣件刚度对轨道结构振动的影响。结果表明,桥梁支座刚度和截面形状在低频段对高架桥的振动有较大的影响,在高频段影响较小;高架桥结构对轨道的振动在20 Hz以下有明显的影响,在20 Hz以上基本没有影响;提高扣件刚度有利于减小轨道的竖向振动,但同时增大了轨道的固有频率。     

浅埋隧道掘进爆破地表震动效应数值模拟

以渝怀铁路人和场隧道爆破施工为背景，采用动力有限元法对浅埋隧道掘进爆破引起的地表震动效应进行了数值模拟．所建立的数值计算模型以地表和隧道已开挖区周边作为自由边界，其余为固定边界，实测隧道壁质点振动波形作为输入荷载．模拟获得的振动波形与实测波形相近，振动速度随时间和距离的衰减规律也与现场实测基本一致．对比分析模拟波形和实测波形的振动特征参数表明，模拟波形能反映质点的实际振动特征，其振幅、主频和持时的相对误差均值分别为9．14％，12．85％和17．57％．     

固定直圆柱随机脉动升力特性的数值模拟

为验证大涡模拟在风工程研究上的适用性,数值模拟了固定三维直圆柱在雷诺数（Re数）为4.11104下的绕流场,获得了圆柱非定常气动力,得到了与文献结果接近的升力脉动RMS值和漩涡脱落斯特劳哈尔数（Sr数）;提出了基于90和270点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,估算圆柱截面脉动升力RMS值的经验公式;开展了圆柱表面脉动压力时程的相干性分析和气动力产生的流动机理研究.研究揭示了圆柱涡脱的空间不同步和频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;表明圆柱表面的脉动压力能量均集中在漩涡脱落频率上,且圆柱表面90和270点脉动压力时程具有完全相同的统计特性.