圆柱形储罐考虑桩土相互作用地震响应的简化分析

以Penzien集中质量模型为基础建立了某圆柱形锚固储罐考虑桩-土-罐相互作用及罐壁柔性的简化分析模型,采用有限元软件ABAQUS建立了该桩-土-罐力学模型,分析了其自振特性及在水平基岩波激励下的动力响应.分析结果得知,相比于刚性地基,考虑桩土相互作用的储液罐对流频率几乎不变,第一阶柔性脉动频率略有减小;在动力响应方面,储液罐基底剪力和力矩最大值略有减小,但其对流分量和刚性脉动分量最大值均有增大,所以本文建议在储液罐进行设计时应充分考虑桩土相互作用后储罐动力响应的有利和不利变化,从整体上把握来确保储液罐的抗震安全性.     

正交异性复合材料储液容器入水过程数值分析

采用多物质ALE流固耦合算法,对柔性储液容器的入水问题进行了仿真研究。该方法可以方便地考虑多种流体同时与结构耦合。首先,通过模拟平板恒速入水试验,验证了该方法的有效性,并确定了空气的影响。进而,仿真分析了复合材料柔性容器入水时的动态响应行为,结果表明,底部"空气垫"及容器内空气对冲击载荷具有一定的缓冲作用,容器底部形状、储液量等因素也具有较大影响。仿真得到的响应规律为容器的优化设计提供了重要的理论参考。     

储液罐动力学与控制研究进展

阐述了储液罐动力学与控制的工程应用背景, 从3个方面回顾了储液罐动力学与控制的研究进展, 即: 储液罐类液体晃动动力学、液体晃动等效力学模型和储液罐多体系统动力学与控制. 其中对储液罐类液体晃动动力学的研究成果从解析方法和数值方法两方面进行了概述; 在储液罐多体系统动力学中概述了车载、船载储液罐系统动力学和充液航天器固--液--控耦合动力学近年来的研究成果.对今后需要进一步开展的研究方向进行了展望.      

基于有限差分法薄板激光冲击响应的数值模拟

在激光冲击载荷作用下, 薄板变形速度快, 诱导产生的应力波的传播过程较为复杂. 传统的测量工具难以对薄板变形过程中的动态响应进行有效的测量. 本文采用理论与实验相结合的方法, 构建了薄板在激光冲击下二维轴对称平面模型, 建立其拉格朗日运动方程, 利用有限差分法求其显式解, 分析薄板在激光冲击载荷作用下薄板的变形过程和应力波的传播过程, 并研究不同工艺参数对薄板动态响应特性的影响. 结果表明, 薄板变形初期的速度为振荡式增加, 在快速的拉胀式变形过程中会出现明显的回弹现象, 在光斑边界处产生向内和向外传播的应力波, 载荷的压力-空间分布以及边界约束条件也对薄板的动态响应结果有显著的影响. 激光冲击实验得到的结果与数值结果和预测结果基本吻合. 研究方法与所得结论可为薄板激光冲击成形过程中的参数优化提供参考.      

在激励下储液罐提离的非线性耦联振动的实验研究

通过储液罐模型在水平和竖向振动台上的提离振动实验,对罐底与基础接触边界移动的储液罐非线性耦联振动问题进行了研究。初步揭示了提离机理。实验研究表明竖向地震作用可能导致罐壁根部出现“象足”型破坏;水平激励时罐壁的可能失稳区域与地震时实际罐的失稳(或破坏)区域是一致的。     

爆炸载荷作用下铝蜂窝夹芯板动力响应研究

采用自行设计的冲击摆实验系统对铝蜂窝夹芯板在爆炸载荷作用下的动力响应进行了系统实验研究,给出了面板和铝蜂窝不同区域的不同变形模态,得到了不同炸药当量对铝蜂窝夹芯板动态响应的影响规律,证实了铝蜂窝夹芯板产生较大塑性变形时,比一般的结构具有更好的能量吸收特性.并利用LS-DYNA对其动力响应进行了数值仿真,考察了炸药起爆、接触界面及上表面接触力对夹芯板变形影响的全过程,得到了板中心的最终变形和芯层的变形模式,与实验结果吻合较好.     

柔性基层合柱瞬态响应的有限元分析

良好的尺寸设计可优化结构的力学性能,为了研究几何参数对柔性基底结构抗冲击性能的影响,本文运用ABAQUS软件,计算了柔性基底层合柱受冲击载荷时的瞬态响应,对比分析了不同基底厚度、截面尺寸的柔性基底层合柱的动态力学性能。给出了层合柱上端面中心点的位移、速度、加速度等响应,以及接触面中心点处的应力、应变响应,发现冲击过程中柔性基层合柱出现了大变形。结果表明:柔性基底对中间层的缓冲保护起到了较大的作用,减少了冲击力对中间层的破坏;柔性基层合柱瞬态响应随基底厚度的增加而减小。均布载荷冲击下,截面尺寸为10mm或7.5mm的层合柱瞬态响应平缓且出现一定幅度的波动;截面尺寸为4mm、5mm、5.2mm层合柱出现失稳现象,发生失稳的时刻分别为7.8ms、11.4ms、13.6ms。     

舰船底部液舱结构在水下爆炸作用下的动态响应实验研究

实验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题。对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸实验,测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数。在此基础上,分析了船体底部液舱外板和内板在水下爆炸作用下的响应特点,液舱满载时水下爆炸冲击波的透射作用和半载液舱飞溅载荷对内底的冲击作用等问题。     

基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析

变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性,从而提高飞行器的飞行性能,具有很大的应用前景.由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求,因此具有变形大、质量轻等特点,较容易发生结构振动响应.本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法,基于非均匀梁模型假设,建立了该柔性翼的动力学模型.通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率,并用有限元方法进行对比验证,发现前4阶固有频率的误差均在1%以内,每阶固有频率对应的振型一致.通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件,并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量,搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验.对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致,并与有限元方法误差在3%以内.本文通过理论分析和实验验证,建立了二维柔性机翼等效建模方法,研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.     

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

Explosive acceleration of liquid from a cylindrical container using the implosive technique

Tthe acceleration of a liquid from a cylindrical container by the products of instantaneous detonation of a superimposed explosive charge (implosion method) is studies numerically in a two-dimensional formulation. Analytical formulas for the asymptotic velocities of liquid expansion and acceleration of the container body were obtained using numerical calculations in a one-dimensional approximation. The effect of the fracture of the body on the velocity of liquid expansion was studied in a two-dimensional formulation.     

Three-dimensional discrete element models for the granular statics and dynamics of powders in cavity filling

Rapid granular flow from a moving container and angle of repose formation were investigated by numerical simulations using the discrete element method (DEM) and experiments. Grain models of various geometrical complexity were studied and their ability to reproduce the experiments in those regimes was explored. The predictive power of the most realistic model for gravity driven cavity filling was assessed. Good agreement between computed and measured density distributions within the filled cavities provides a basis for numerical process variations aiming at homogenized density distributions. The effect of numerical coarse graining was found to be negligible for all properties of interest provided that force laws are scaled properly and corrections for boundary effects are taken into account. The proposed scaling was tested for a certain set of force laws but could be applied to different DEM forces as well. An analytic mass flow law for powder discharge from a moving container was derived and verified by our DEM simulations.     

Nonlinear coupled dynamics of liquid-filled spherical container in microgravity

Nonlinear coupled dynamics of a liquid-filled spherical container in microgravity are investigated. The governing equations of the low-gravity liquid sloshing in a convex axisymmetrical container subjected to lateral excitation is obtained by the variational principle and solved with a modal analysis method. The variational formulas are transformed into a frequency equation in the form of a standard eigenvalue problem by the Galerkin method, in which admissible functions for the velocity potential and the liquid flee surface displacement are determined analytically in terms of the Gaussian hypergeometric series. The coupled dynamic equations of the liquid-filled container are derived using the Lagrange＇s method and are numerically solved. The time histories of the modal solutions are obtained in numerical simulations.     

Coupled vibration of a partially fluid-filled cylindrical container with a cylindrical internal body

In the present paper a method is proposed to investigate the effects of a rigid internal body on the coupled vibration of a partially fluid-filled cylindrical container. The internal body is a thin-walled and open-ended cylindrical shell. The internal body is concentrically and partially submerged inside a container. The radial and axial distances between the internal body and the container are filled with fluid. Along the contact surface between the container and the fluid, the compatibility requirement for the fluid–structure interactions is applied and the Rayleigh–Ritz method is used to calculate the natural frequencies and modes of a partially fluid-filled cylindrical container. The fluid domain is continuous, simply connected, and non-convex. The fluid is assumed to be incompressible and inviscid. The velocity potential for fluid motion is formulated in terms of eigenfunction expansions for two distinct fluid regions. The resulting equations are solved by using the Galerkin method. The results from the proposed method are in good agreement with experimental and numerical solutions available in the literature for the partially water-filled cylindrical container without internal body. A finite element analysis is also used to check the validity of the present method for the partially water-filled cylindrical container with internal body. The effects of the fluid level, internal body radius, and internal body length on the natural frequencies of the coupled system are also investigated.     

液体三维晃动特征问题的有限元数值计算方法

本文采用有限元方法数值求解任意刚性容器内液体三维晃动的固有频率和模态。通过建立液体晃动特征问题的泛函极值原理，编制了四面体等参单元有限元程序，计算了平放圆柱腔内三维液体晃动的特征频率，并将矩形容器、球腔、带“十”字隔板球形容器内的液体三维晃动计算结果与解析解、实验结果和二维有限元数值解进行了比较，程序的正确性得到了验证。     

微重力场中液体在带隔板球腔内的晃动

本文讨论微重力场中带球面隔板的球腔内液体晃动问题。选择Legendre函数作为Ritz方法的基函数,计算液体的自由晃动及腔体横向振动激励的受迫振动。计算结果表明,自由晃动频率随隔板位置的下降而趋于升高。液体晃动的动力学效应可用等效的质量—弹簧系统模拟。     

吸能包装模型结构的冲击响应

利用空气炮冲击实验对吸能包装结构的跌落过程进行模拟，进行了缩比模型的正撞和30°斜撞实验，针对模型实验进行了数值分析，获得了吸能包装结构模型在撞击过程中的应力分布和塑性变形，并将计算情况与实验结果进行了分析。结果表明:在撞击中吸能包装结构主要通过缓冲木材的塑性变形及外钢壳屈曲产生的塑性铰吸收能量，塑性变形主要集中于撞击端，而远离撞击端未见塑性变形；计算中木材本构参数采用顺纹方向压缩应力应变曲线具有一定的有效性。     

Dewar瓶内液体晃动的近似计算方法

本文研究Dewar瓶内液体的晃动特征问题，将液体晃动的微分方程边值问题转换为具有积分形式的泛函极值问题，在此基础上建立了旋转对称容器液体晃动特征问题的有限元数值计算方法和通用程序，并计算了Dewar球，球腔，圆柱腔液体的晃动固有频率，结果显示了Dewar瓶综合了球腔和圆柱腔液体晃动的特征，它将液体晃动频率控制在一窄带范围之内。利用该程序，本文又计算了Dewar瓶液体晃动的单摆模型，为了便于工程应用，本文提出了一种对Dewar瓶建立等效圆柱容器液体晃动模型的方法，给出了模型的参数变换公式，从而可以通过对圆柱窝器液体晃动的解析计算得到Dewar瓶的液体晃动结果。利用数值计算结果，本文验算了近似计算方法的有效性和近似程序。     

边界元法分析粘性液体小幅晃动

本文采用了边界元法对容器中粘性、不可压缩液体小幅晃动进行数值分析。在频域内考虑二维线性化Navier-Stokes方程,以问题的物理变量作为数值分析的未知函数,并推导了该问题分析的边界积分方程。自由面上的动力学条件为法向正应力和切向剪应力为零,这两个条件本身是线性的,避免了采用无粘势理论边界条件的非线性,固壁面上采用流体质点与固壁质点速度相等的条件,在数值计算过程中,结合有限差分法对边界条件进行了处理,由此建立了问题的一个边界元数值求解过程。     

Free and forced oscillations of a frictionless liquid in a long rectangular tank with structural obstructions at the free liquid surface

Summary If a free liquid surface is partly covered with a solid wall, the natural frequencies and the response of the liquid in the container may be drastically changed. The fundamental natural frequency of a frictionless and incompressible liquid in an infinitely long rectangular container is determined for increasing structural coverage of the free surface. With increasing coverage of the surface by a rigid structural member, the natural frequencies increase drastically and reduce the sloshing motion. The response to translational excitation is evaluated also numerically. The procedure may be applied to arbitrary coverages of a three-dimensional rectangular container, and may also be used as a test case for purely numerical procedures such as the finite element method. Received 13 July 1999; accepted for publication 26 October 1999