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。     

舰艇结构水下振动和声辐射特性研究

以舰艇结构振动与噪声预报为研究背景,采用有限元和边界元相结合的方法研究水下航行器的振动和声辐射特性,提出对流固耦合界面、流场边界的处理方法,并采用模态试验对理论计算模型进行修正;通过对实验及计算结果的分析,探索了流体、圆柱形壳体、动力装置和隔振器组成的流固耦合体的动力学特性,为舰艇结构声学设计提供了参考.     

舰艇结构水下振动和声辐射特性研究

以舰艇结构振动与噪声预报为研究背景，采用有限元和边界元相结合的方法研究水下航行器的振动和声辐射特性，提出对流固耦合界面、流场边界的处理方法，并采用模态试验对理论计算模型进行修正；通过对实验及计算结果的分析，探索了流体、圆柱形壳体、动力装置和隔振器组成的流固耦合体的动力学特性，为舰艇结构声学设计提供了参考。     

基于子结构技术的全船总体和局部振动研究

针对局部振动计算中难以确定局部构件的边界条件和全船振动计算成本过大的问题,引入子结构技术。阐述了子结构技术的基本理论,结合子结构和流固耦合技术,对一艘新型散货船进行了局部和全船振动分析预报。在预报过程中,运用流固耦合方法添加外部附连水和油水舱质量,用子结构界面减缩技术确定局部边界条件,进行局部模态分析,运用计算效率成倍提高的部件模态综合法进行总振动预报。最终,提出了横撑及其船体加强的优化方案。该方案能改良主机和船体结构的振动性能,并满足各自的标准要求。     

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。     

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.     

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。     

基于流固耦合分析的船舶离心泵转子模态设计

流固耦合分析是一种将流体动力学和结构动力学相结合的分析方法,在船舶离心泵转子的模态设计中,通过流固耦合分析可以确定泵转子的关键振动模态和频率,评估流体对泵转子振动的影响,识别潜在的振动问题,并针对性地进行结构优化。本文系统介绍船舶离心泵转子流固耦合分析的过程,从流体力学原理、动力学原理等角度,阐述了流固耦合分析算法,通过建立船舶离心泵转子的有限元模型,在分析软件Workbench中进行了转子的流固耦合模态分析,对于改善船舶离心泵转子的设计水平有重要的意义。     

计及流体效应的三体船流固耦合自振特性

采用有限元法和边界元法比较分析三体船结构的流固耦合振动问题,探讨深V型、浅吃水侧体的附连水质量对三体船总振动特性的影响。通过对全船三维结构有限元模型进行纯数值计算,获得三体船结构在无限域流场中的湿模态特性。研究发现,计及流体效应后的三体船自振频率比干模态频率明显降低,首部水平振动与尾部扭转振动的耦合振动在高阶模态中较为突出,侧体的附连水质量对三体船垂向和水平振动影响较小。     

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。     

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。     

复合材料杆件模态参数的识别研究

基于杆件纵向振动理论,推导了复合材料杆试件的机械阻抗解析公式,并用瑞利法计算了无阻尼离散系统的模态质量和基频.在机械阻抗平台上,采用单点激振法进行实验,得到频域内复合材料杆件的机械阻抗数据.用实验方法、解析方法和混合方法进行了模态参数的初步识别.然后,用非线性最小二乘方法中的Levenberg-Marquardt算法求得了模态参数的最优值.研究结果显示:采用优化参数的单自由度离散系统模型与实验结果吻合良好,在实验频段可以较好地描述复合材料试件的动力学特性.     

预应力和流固耦合效应对水下壳结构振动特性影响研究

对于水下结构,流体对结构模态频率的影响主要体现在预应力效应与流固耦合效应两方面.为研究水下壳结构固有频率对这2种效应的敏感度,本文首先计算某水下壳体在空气中的模态,然后研究壳结构在不同水深工作产生的静水压对其固有频率的影响,最后使用声固耦合的方法计算了流固耦合效应下的壳体湿模态.计算结果表明:流固耦合效应占主导因素,但随着壳体工作水深(预应力)的增大,预应力效应对水下壳体频率的影响也逐渐显著.因而,在开展水下结构动力学设计时,不仅要重点考虑流固耦合效应对结构固有频率的影响,还应关注结构实际工作环境下的应力状态,分析其对结构固有频率的影响.     

结构动态响应计算中模态迭加法的简化解

在子结构的固定界面最低频率比整体结构基频较高的条件下,把结构动态特性计算的模态综合超单元法以其简化解拓广至结构动态响应的计算领域,并用固定界面 Ritz 矢量替代子结构的固定界面模态。通过数值运算,充分说明本方法经济有效,精度令人满意.     

多跨充液管道的振动特性分析

考虑管道与液体之间的泊松耦合与结合部耦合,推导了低频情况下的充液直管轴向、横向振动传递矩阵与刚性支撑的点距阵.使用传递矩阵法计算两种边界条件下单跨和多跨充液管道的模态频率及模态振型.结果表明,在充液管道振动分析中,流固耦合作用不能忽略,多跨管道系统由于刚性支撑的加入使系统频率增加.     

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。     

船用复合材料管路振动特性试验研究

为研究船舶中复合材料充液管路的减振特性,首先采用几何尺寸相同的复合材料直管和钢直管进行振动响应对比分析。通过直管的四端阻抗测试,获得2种材料直管的传递矩阵,对比分析复合材料管路与钢管的振动传递损失。然后对2种材料直管进行自由边界下的模态测试,获取管路的阻尼系数。试验结果表明:在满足输水性能和结构强度的前提下,复合材料管路只是同几何尺寸钢管质量的一半,复合材料管的固有模态频率要低于钢管,模态阻尼系数却远大于钢管。在2500 Hz内复合材料管的横向振动传递损失优于钢管;而轴向传递损失在低频段要劣于钢管,高频段又优于钢管。因此在减振性能上,复合材料管更利于振动能量在传播过程中的衰减。研究成果可为复合材料在船舶充液管路减振降噪中的应用提供参考。     

大型复杂结构振动特性分析方法研究

针对大型复杂结构振动特性的预测问题,发展了子结构方法,并应用于圆柱壳模型的振动特性研究。讨论了子结构方法的理论基础,分析了子结构间边界处理协调条件、模态截取数和模型缩聚对子结构方法预测精度的影响,并初步比较了其与传统有限元法耗费的计算时间量和内存量的大小,最后,进一步探讨了子结构方法中试验模态与计算模态混合计算的可行性。研究结果表明,子结构方法应用于求解船舶等大型复杂结构的振动特性是可行的。     

Ritz矢量和逐点放松法在固定界面模态综合法中的应用

本文将Ritz矢量和逐点放松法应用于固定界面模态综合法,其一是用固定界面Ritz矢量替代子结构的固定界面模态,其二是在形成缩聚刚度阵和质量阵时以逐点放松消去法替代矩阵求逆的计算。实例计算证明,两个替代方案均能节省较多的计算机时。