超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。     

一维连续体释放和回收过程的构形计算

一维连续体的释放和回收过程由时变的动力学方程描述。将一维连续体离散为有限单元,建立其时变自由度的高维离散动力学模型。通过重新划分单元,重置系统质量、阻尼和刚度矩阵,以及位移和荷载向量,并基于改进的有限差分法,提出了一维连续体释放和回收过程的一种构形计算方法。以柔性索的面内运动为例,计算了其释放和回收过程的动力学构形,实...     

小卫星二次分离的动力学仿真

采用Adams软件对子星释放过程进行仿真. 在建立 分离方案的简化模型、选定合理设计参数的基础上,以1颗子星分离为例,基于Adams 平台对分离过程进行仿真,然后基于多体动力学理论对分离过程进行动力学计算,得到了 子星的分离速度和角速度. 仿真结果和动力学计算结果是一致的,验证了Adams 模型计算的正确性.     

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

海洋立管轴向动力响应的H_∞控制

基于FDPSO-TLD的概念设计,建立了TLD系统升沉方向的动力学模型,为减小船体升沉引起的立管轴向的动力响应,采用H∞控制方法设计电动绞车实现对升沉运动的补偿,通过构造出H∞控制器和H∞观测器对立管的轴向动应力进行主动控制。通过在频域和时域内的数值仿真表明选取适当的控制参数可有效减小立管的动应力,表明了该方法的有效性和可行性。     

时变自由度绳系卫星系统动力学

建立了针对无限维的黏弹性两体绳系卫星系统的时变动力学模型.当系绳释放时,卫星中系绳所对应的离散集中质量由星内移至星外,导致绳系卫星系统的自由度发生改变,成为时变的多自由度绳系卫星系统.基于改进的有限差分法,研究了判定系统自由度发生变化的方法及时变自由度绳系卫星系统动力学响应的计算方法.结果表明,所提出的计算时变自由度系统动力学响应的方法,实现了绳系卫星系统释放动力学行为的数值模拟.     

多刚体系统分离策略及释放动力学研究

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率, 简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题, 研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先, 考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型. 考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离. 其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生, 规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案. 最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.      

考虑粘性作用情况下船在船厢中运动的水动力学分析

从根据浅水特性在垂直方向所平均化的N-S方程出发,利用有限元计算船舶进出船厢时的水动力学过程和船舶运动过程中的升沉、纵倾及船舶与厢底的最小间隙.由于在平均过程中保留了粘性项,同时产生了底摩擦项,使得到的数学方程更接近真实物理问题,另一方面也增加数值计算的稳定性.本文提出了随非惯性系一起运动的开边界的辐射条件.关于压力的求解,在船底与自由表面分别利用压力泊松方程求压力及自由表面利用连续方程求波高的求解方法.由针对三峡升船机的数值模拟的计算结果看,计算结果合理,计算方法稳定.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物,浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定,发生复杂的耦合作用.为准确模拟多液舱浮式结构物的运动,本文引入一种有效的时域解耦算法.该方法以模态分解法为基础,通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解,最终形成时域解耦运动方程,无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度.该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足,减少解耦过程的计算耗时.本文进一步结合边界元数值方法,分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究.通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比,验证了本文时域解耦算法的有效性.本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响,发现存在一个共振影响区间:当外场波浪频率在该区间之外时,可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动;在比该区间更低频的波况下,液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消,此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动;在比该区间更高频的波况下,液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位,此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动.本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况,发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响,但对垂荡运动影响很小.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

FATIGUE LIFE ANALYSIS OF BONDED OFFSHORE LOADING HOSE UNDER ENVIRONMENTAL LOADS1)

海上漂浮软管是浮式生产储卸油装置上外输系统的关键设备.漂浮软管结构复杂且常年漂浮于海面上,极易受到风、浪、流等环境载荷的作用产生疲劳破坏而造成原油泄漏.首先,采用ABAQUS软件,建立了软管的有限元模型,得到了漂浮软管在弯矩和内压作用下的有限元结果;其次,采用水平方向的Morison方程和风载荷来描述漂浮软管在海面上复杂的载荷情况;再次,将静力学分析结果导入到FE-Safe疲劳分析软件中,将节点应力结果作为时间载荷历程,乘以相应的载荷倍数,得到疲劳分析的载荷谱,载入此载荷谱计算,得到了漂浮软管的寿命分布云图,其最小寿命满足工程要求;最后,分析了内压对疲劳寿命的影响,结果表明,一定大小的内压能提高软管的疲劳性能.     

环境载荷下漂浮软管的疲劳寿命分析

海上漂浮软管是浮式生产储卸油装置上外输系统的关键设备.漂浮软管结构复杂且常年漂浮于海面上,极易受到风、浪、流等环境载荷的作用产生疲劳破坏而造成原油泄漏.首先,采用ABAQUS软件,建立了软管的有限元模型,得到了漂浮软管在弯矩和内压作用下的有限元结果;其次,采用水平方向的Morison方程和风载荷来描述漂浮软管在海面上复杂的载荷情况;再次,将静力学分析结果导入到FE-Safe疲劳分析软件中,将节点应力结果作为时间载荷历程,乘以相应的载荷倍数,得到疲劳分析的载荷谱,载入此载荷谱计算,得到了漂浮软管的寿命分布云图,其最小寿命满足工程要求;最后,分析了内压对疲劳寿命的影响,结果表明,一定大小的内压能提高软管的疲劳性能.     

再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟

环境水动力学中, 湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一. 在水动力学条件作用下, 污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来, 造成水体的二次污染. 本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据, 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型. 在上覆水体不同流速条件下, 数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程. 分析流场特性和污染物浓度之间的关系, 得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系. 研究表明, 底泥再悬浮污染物释放过程, 是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程. 迅速进入上覆水体的底泥颗粒, 影响了上覆水体流动特性, 进而影响到污染物的释放. 对于非吸附性污染物, 底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素. 当流场特性(如雷诺数)改变时, 对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同. 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型, 研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系, 可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.      

再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟

环境水动力学中,湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一.在水动力学条件作用下,污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来,造成水体的二次污染.本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据,建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型.在上覆水体不同流速条件下,数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程.分析流场特性和污染物浓度之间的关系,得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系.研究表明,底泥再悬浮污染物释放过程,是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程.迅速进入上覆水体的底泥颗粒,影响了上覆水体流动特性,进而影响到污染物的释放.对于非吸附性污染物,底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素.当流场特性(如雷诺数)改变时,对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同.建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型,研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系,可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.     

系泊多体浮式码头的非线性动力特性

多体浮式码头由很多小的浮体模块组成,浮体间通过连接件相连,连接件可提供吸引和排斥力,首尾两端用缆索锚泊于海底.不同于传统分析方法,将每一个浮体模块当做一个独立振子,引入两个相对独立的耦合参数来分别表示浮体间的吸引作用和排斥作用,再考虑波浪和系泊缆作用,得到多体浮式码头动力响应的非线性分析模型.以长度600米的链式四浮体码头为例,利用四阶Runge-Kutta法求解码头运动微分方程,得到码头的运动响应情况和最佳的耦合参数范围区间.数值结果发现,吸引和排斥耦合的相互作用使得多体浮式码头模型表现出丰富的动力学现象,比如幅值跳跃、滞后同步、反向同步等.最后,为进一步揭示耦合多浮体系统的集体动力学行为,引入一个相似函数,该函数可表征两时间序列的相关性强弱,从而判断多体浮码头响应同步化协同效应程度.该方法尝试从网络动力学的角度去研究多体浮式码头的非线性动力特性,为多体浮式码头的初步设计提供理论参考.     

硬盘驱动器冲击激励的头盘碰撞分析

根据Winchester型硬盘驱动器在冲击载荷作用下头盘碰撞的动力学方程,利用数值模拟方法分析了在正弦半波激励条件下头盘系统的动力学响应过程。当头盘系统发生碰撞时,冲击激励峰值加速度与作用时间的倒数之间具有近似线性关系。随激励强度和作用时间的变化,硬盘驱动器具有性能退化、盘面局部损坏和头盘系统结构破坏三种失效形式。磁头浮动块与磁盘盘面发生多次碰撞,碰撞位置可能在浮动块尾端,也可能在浮动块的前端。硬盘驱动器冲击失效的理论分析结果得到了爆炸冲击环境条件下试验现象的验证。     

基于相位补偿的舰船升沉位移测量方法

为了解决舰船升沉信息测量过程中传统升沉数字滤波器存在输出信号相对于实际信号相位超前的问题,提出了一种基于相位估计与补偿的自适应滤波算法。分析了传统升沉数字滤波器输出相位超前的原因,采用加权傅里叶线性组合频率估计算法实时估计输入信号的频率,并设计自适应FIR滤波器对传统升沉数字滤波器的输出进行相位补偿。将自适应FIR滤波器与传统升沉数字滤波器的估算结果进行模拟实验对比。实验结果表明自适应FIR滤波器输出的升沉位移精度达到厘米级,有效提高了舰船升沉信息测量的准确性和实时性。     

平面柔性多体碰撞阶段附加接触约束方法

含碰撞现象的柔性多体动力学涵盖碰撞前、碰撞中和碰撞后3个不同拓扑的过程, 针对这个特点, 采用附加接触约束方法可将上述3个过程的动力学方程形式统一. 引入碰撞检测机制, 实现拓扑模型的自动变化. 与传统的罚函数方法不同, 以物体间互不嵌入的思想建立附加接触约束, 计算碰撞期间的动力学过程. 通过对发生多次碰撞问题的仿真,从兼顾计算精度和计算效率的角度, 对提出的附加接触约束方法和LS-DYNA罚函数方法进行了对比, 改进了LS-DYNA罚函数方法存在的不足.      

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

一种直降式滑橇减震器性能研究

为验证无人机伞降回收系统的直降式滑橇着陆装置的动力学性能,对其着陆缓冲过程进行数学模拟构造了该装置的动力学模型,通过数值求解得出了该装置缓冲过程的动态特性。对其着陆压缩过程的动力学模型进行了简化,计算结果可用于减震器参数的确定。落震试验结果表明:动力学模型能准确模拟着陆装置的缓冲过程;以5m/s着陆时过载仅为6.8g;本文所采用动力学模型的数值求解结果与实验结果一致,误差小于5%。