海洋立管双模态动力学分岔分析

为研究剪切流作用下顶张力立管的涡激振动响应规律,将立管简化为Euler-Bernoulli梁模型,用van der Pol尾流振子描述流体的作用,建立了立管涡激振动的非线性动力学模型.基于二阶Galerkin模态离散所得常微分方程组,采用谐波平衡法、Poincaré映射方法和Lyapunov指数法分析系统响应特点.研究结果表明:随着流速的增加,系统响应在周期运动和概周期运动间多次转换,其中周期解区域对应系统的涡激共振区;谐波平衡法结果能够较准确地预测涡激共振区周期解的振幅和频率,以及非涡激共振区概周期解的主要频率成分.     

Experimental Study on the Vortex-Induced Vibration of Fixed-Hinged Flexible Risers北大核心CSCD

海洋立管顶部常铰接于浮式平台下方,在海流激励下存在涡激振动响应,潜在疲劳失效的风险.该文采用非介入光学测试方法（高速摄像）,对布置于循环水槽中顶部铰接-底部固定的悬链线柔性立管进行了振动响应研究.实验结果表明,立管三个方向被激发的振动模态阶数与主导振动频率均随约化速度的增加而逐渐升高,平面外的最大均方根振幅在模态过渡时有先降后升的变化,与振动模态分支相呼应.流体与立管之间能量传递在不同方向的分布存在一定差异,导致不同步的模态过渡现象.平面内振动存在与平面外振动主导频率吻合的频率,根据其是否主导对应管段的平面内振动,将其分为强耦合和弱耦合两种模式.     

隔水套管波流联合作用下非线性动力响应

考虑流及波流联合作用,研究了深水套管的涡激非线性振动．将套管简化为梁模型,计及Morison非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程．采用Korolov函数求解套管的固有频率和模态,提出了计算涡激非线性动力响应的Galerkin方法,计算了160 m水深中170 m长套管的固有频率和模态,研究了流引起的主共振和波流联合引起的组合共振．计算结果表明波流联合作用下套管的动力响应明显增大,结果也揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性．     

气-液横向流动下悬臂柱体结构涡激振动机理研究北大核心CSCD

针对潜艇侦查望远镜举升水面时产生的涡激振动现象,该文建立了悬臂柱体结构受气-液两种不同横向流作用下的涡激振动理论模型.研究了两种流体不同的分布比和密度比对柱体结构涡激振动行为的影响规律.基于Galerkin法和Runge-Kutta法,得到了柱体结构涡激振动响应的数值结果.研究表明,柱体结构的涡激振动锁频区随着流体分布比的增大而增大,自由端最大幅值随着流体分布比的增大先增大后减小.当分布比为0.5附近时,振幅出现极大值,该极大值随着流体密度比的减小呈现明显的增大趋势.此外,柱体的动力学行为随着流体分布比的变化呈现出周期和多周期等振动模式.该研究可为潜艇侦查望远镜结构的设计与分析提供理论指导意义.     

基于线性化Navier-Stokes方程二维水槽内单涡到双涡的数值模拟

建立了Navier-Stokes方程的预估-校正有限差分方法,在此基础上求得了二维水槽内部单涡到双涡的数值解,所得结果与前人的数值结果和解析解吻合很好.数值模拟结果表明,自由振动运动中自由面波高因粘性作用会发生衰减,且Reynolds数越大衰减越缓慢.在短时间内倾斜加速度激励下对于不同Reynolds数会出现一定周期的单涡.经过长时间的倾斜激励,水槽内涡场由单涡变化成双涡,而且只在较低的Reynolds数条件下出现双涡.     

双激励超音速气体雾化喷嘴共振特性的数值研究

超音速气体雾化(ultra-sonic gas atomization,USGA) 喷嘴是实现喷射雾化的重要装置,它能够产生脉动的超音速气流,获得较小的平均粒径和集中的粒径分布.在USGA喷嘴的共振管端部引入了主动的激励信号,组成双激励式超音速气体雾化器,并对超音速气体雾化器内部Hartmann腔体气体流场在无激励/有激励情况下所产生的气体振动特性进行了数值研究.结果表明在主动激励器的作用下,超音速气体雾化器内气流的振动效果如振幅和起振特性等都得到了有效的加强.研究发现超音速气体雾化器存在多个气体受激振动的共振频率,其对应于两类不同的共振模式,“Hartmann模式”和“全局模式”.双激励器信号的频率、激励幅度及相位差改变都能够有效地改变超音速气流的振动特性.研究同时阐明了Hartmann共振管和二次共振管在USGA喷嘴腔体内产生气体脉动时的联动特点.     

有限流体域内不同位置处的柔性管涡致振动机理研究

针对有限流体域内柔性管的涡致振动问题,将柔性管离散为若干空间梁单元,流体域采用实体单元离散,建立了有限流体域内柔性管系统的流固耦合模型及数值计算方法,设计并加工圆柱流体域内柔性管振动专用实验装置,采用GWT-2B双轴加速度传感器对柔性管的振动进行监测,并与数值模拟结果进行对比,吻合程度较好.基于该文的模型和方法,对圆柱流体域内不同位置处柔性管的涡致振动机理进行研究.结果表明,柔性管偏离入口流速位置的角度越大,越容易发生流体弹性不稳定性,柔性管的振动愈剧烈;而正对入口流速的位置,不易发生流体弹性不稳定性,柔性管振动减弱.     

具有间隙动力系统的自激振动

工程机械中不少部件除受弹性力及摩擦力外,在连接或支承处还出现间隙.当间隙很小时略去不计是可以的.但当间隙较大时,它将使部件在运转时产生相当强烈的自激振动,有时甚至造成部件损坏.例如轧钢厂中轧钢机的轧辊就常出现这种情况.在此情况下间隙就不能再略去不计而必需加以考虑.这种将间隙考虑在内的动力系统我们称为具有间隙的动力系统.如上所述对这种系统自激振动的研究有着重要的实际意义.     

车辆随机振动功率谱分析的虚拟激励法概述

车辆受到路面或轨道不平度激励会产生随机振动,对这类随机振动进行快速有效的分析对于提高车辆性能具有非常重要的意义．而这类随机振动的分析,历来都只能将车辆模拟为自由度很低的弹簧质量体系,其计算精度难于保证．特别在需要计算疲劳应力集中的情况,需要使用网格很密的有限元模型,计算困难就更为突出．此外,在考虑多个车轮受到路面随机激励时,就更难应用效率相对较高的频域分析来计算车辆的随机振动;而只能借助于一条或几条路面不平度样本,让车轮在上面移动,借助数值积分工具而粗略地得到随机响应的统计特性．效率很低而且精度不高．虚拟激励法对于克服上述困难具有很好的效果;目前已在我国的汽车、火车、磁浮列车等领域获得日益广泛的应用．该文对此作一概略的叙述．     

陀螺系统随机振动分析的辛本征展开方法

探讨了受随机载荷作用下陀螺阻尼系统随机动力响应问题.虚拟激励法作为随机振动分析的一种高效、精确方法已经广泛应用于结构抗震、抗风等工程领域.在以单类物理变量描述的Lagrange(拉格朗日)体系框架下,振型分解方法已被有效应用于上述随机振动问题的模型自由度缩减.然而,对于陀螺系统的随机振动问题,由于陀螺效应的存在,基于Rayleigh商本征值的振型分解方法受到很大限制.对此,首先给出了陀螺系统辛本征值问题的一般形式.然后对于受平稳随机载荷激励的陀螺系统(无阻尼或有阻尼)引入虚拟激励法,基于辛本征空间展开推导了系统随机振动响应功率谱的求解列式;对于仅考虑陀螺效应的保守系统(无阻尼),该求解列式可以表述为一个显式表达式.在数值算例中,应用该文提出的方法分析了平稳随机载荷作用下一类阻尼陀螺系统的随机振动响应问题,通过与其它方法进行对比,验证了该方法的精确性和有效性.     

大跨度叠合梁斜拉桥多维多点非平稳随机地震响应分析

为研究地震动非平稳特性对大跨度叠合梁斜拉桥随机地震响应的影响,采用绝对位移求解的虚拟激励法在通用有限元软件中对某座叠合梁斜拉桥进行多维多点非平稳随机地震响应分析.研究结果表明:采用绝对位移求解的虚拟激励法,能在通用有限元软件中高效地实现对大跨度叠合梁斜拉桥多维多点非平稳随机地震响应分析;设计中假定地震动平稳性,得到的结果偏于保守;行波效应对大跨度叠合梁斜拉桥结构响应有显著影响,考虑行波效应对主塔塔顶位移和塔底内力是有利的,但应注意其对主梁跨中位移和内力的不利影响.     

考虑空间效应的多支撑管线随机地震响应分析

提出了一种能考虑地震动空间变化效应的多支撑管线随机地震响应分析的解析方法.证明了多点地震作用下结构的平稳随机响应分析可转化为求解支座简谐运动时的确定性响应,直接给出了含有待定系数的简谐响应的形式,并通过边界条件和连续性条件建立待定系数的求解方程.与拟静位移分解法相比,该方法不用计算结构的振型以及拟静位移分量,完全是基于解析推导,因此在计算效率方面优势明显.数值算例中,采用该方法和拟静位移分解法计算了一个6跨管线在空间多点地震作用下的随机响应,对比验证了方法的正确性和高效性.     

Nonlinear characteristics of vortex-induced vibration at low Reynolds number

Numerical simulations of vortex-induced vibration of a two-dimensional elastic circular cylinder under the uniform flow are calculated when Reynolds number is 200. In order to achieve the vortex-induced vibration, two-dimensional incompressible Navier–Stokes equations are solved with the space–time finite element method, the equations of the cylinder motion are solved with the new explicit integral method and the emeshing is achieved by the spring analogy technology. Considering vortex-induced vibration with the low reduced damping parameters, the variety trends of the lift coefficient, the drag coefficient, the displacement of cylinder are analyzed under different oscillating frequencies of cylinder. The nonlinear phenomena of locked-in, beat and phaseswith are captured successfully. The limit cycle and bifurcation of lift coefficient and displacement are analyzed. Besides, the Poincare sections of the lift coefficient are used for discussing the bifurcation of periodic solution. There are some differences in nonlinear characteristics between the results of the one degree of freedom cylinder model and those of the two degrees of freedom cylinder model. The streamwise vibration has a certain effect on the lateral vibration.     

Composite risers for deep-water offshore technology: Problems and prospects. 1. Metal-composite riser

Prospects for the application of advanced composites in the offshore technology of oil production are considered. The use of composites in vertical pipelines-risers seems to be the most efficient. The operating loads are studied and the attendant problems are formulated. A comparative analysis of the characteristics of metal, composite, and metal-composite deep-water risers is presented. A technique is developed for designing multilayered risers, taking into account the action of internal and external pressures, gravity, and the axial tensile force created by tensioners, as well as the residual technological stresses due to the difference in coefficients of thermal expansion, physical-chemical shrinkage, and force winding. Numerical estimations are given for a two-layered riser with an inner metal layer of steel, titanium, or aluminum alloys and a composite layer of glass- or carbon-fiber plastics formed by circumferential winding. It is shown that the technological stresses substantially affect the characteristics of the riser.Institute of Polymer Mechanics, Latvian Academy of Sciences, Riga, LV-1006, Latvia. Trondheim Technical University, Norway. Translated from Mekhanika Kompozitnykh Materialov, Vol. 33, No. 5, pp. 577–591, September–October, 1997.     

跨海特大型桥梁风-浪耦合作用的随机振动分析

考虑风-浪耦合场中风和波浪特征参数的相关性,建立了基于有限元法与边界元法联合分析的特大型桥梁风-浪耦合作用运动方程.其中,作用在大型深水基础上的波浪力采用势流理论和边界元法进行计算,并建立有限单元与边界元单元组的映射关系,将边界单元组上的波浪力映射到结构有限单元上;作用在桥梁上的气动力通过有限元法进行计算,包括由脉动风激发的非定常抖振力和由气弹相互作用产生的自激力.在此基础上,基于随机振动分析的高效算法——虚拟激励法,建立了计算桥梁风-浪耦合作用响应的分析方法.最后,针对某跨海超大跨桥梁方案进行研究,结果表明:与风致响应相比,风-浪耦合作用下桥梁深水基础内力显著增大,其中波浪激发的侧向剪力占主导地位,波浪激发的侧向弯矩在海床附近与风致响应基本相当,但在海床以下更大;斜风-波浪耦合作用下的主梁内力响应和深水基础内力响应比正交风-波浪耦合作用下的结果更大.因此,在跨海桥梁设计中,必须考虑风-浪耦合作用效应.     

非线性阻尼非线性刚度隔振系统随机动力学特性研究

针对随机激励环境,同时引入刚度和阻尼非线性来提高隔振系统的隔振性能.刚度和阻尼非线性分别是由水平弹簧和水平阻尼的几何布置获得.通过求解Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程等效非线性随机振动方程来研究非线性隔振系统在随机激励下的隔振性能,并使用路径积分和Monte-Carlo数值方法进行验证.在此基础上研究刚度非线性和阻尼非线性对隔振系统在随机激励下力传递率及其概率分布的影响.研究表明随着噪声强度的增加,非线性阻尼抑制振动的能力增强,但是在较小的随机激励下线性阻尼优于非线性阻尼.     

Numerical evaluation of the suppression effect of a free-to-rotate triangular fairing on the vortex-induced vibration of a circular cylinder

The suppression of vortex-induced vibration (VIV) of a circular cylinder with a free-to-rotate triangular fairing in the Reynolds number range of Re = 1100–6100 is numerically investigated using computational fluid dynamics. The unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations and the shear stress transport k–ω turbulence model coupled with an improved fourth-order Runge–Kutta method are used to solve the wake flow, the structure's vibration, and the fairing's rotation. The computational model is validated with the available experimental results for a cylinder with an attached short-tail fairing. The numerical results indicate that the triangular fairing has a positive role in suppressing vibration when it achieves a stable position deflected from the flow direction. The suppression effect is sensitive to the incoming flow velocity. The fairing shifts from a stable state to an unstable one when the flow velocity varies. Therefore, maintaining the hydrodynamic stability of the fairing is the key to achieving success in vibration suppression, and the stability is dependent on the characteristic length and the rotational friction. Although the strong flapping of the 70° triangular fairing excites a more vigorous vibration, it may be used as an amplifier of VIV for energy harvesting.