充液弯管连续/离散模型振动的动刚度解法

由充液弯管三维振动模型切入，应用动刚度法构建了弯管及直管单元的振动求解方法，进而用于组装求解充液管系的振动，可同时适用于含弯管单元的连续模型或只含直管单元的离散模型；通过算例对比，证明动刚度法比传递矩阵法和有限元法在计算效率和精度上有所提升；与充液L型管道振动实验测得的加速度频响曲线对比，验证了本文对于管道组装的计算方法的有效性，此外还分析了连续模型和离散模型的区别及适用范围。     

充液管道系统的模态分析

考虑管道与液体之间的泊松耦合与连接耦合,推导了低频情况下的充液直管轴向、横向振动传递矩阵与弯管单元的传递矩阵,引入了弯管弯曲因子,对－“L”形充液管系进行了研究,使用ANSYS有限元分析软件与传递矩阵法计算了两种边界条件下充液、充所管系的模态频率与模态振型,结果表明,气体与管道之间的耦合作用对管系模态的影响可忽略;而对充液管系而言,因液耦合作用不能忽略。     

变厚度圆环板/圆板横向自由振动的动刚度法求解

分别基于经典薄板理论和一阶剪切理论研究了沿半径方向变厚度的圆板及圆环板的横向自由振动,将结构离散为若干个等厚度同心圆环单元,在得出圆环单元的精确解后,通过动刚度法组装单元。应用该方法将变厚度圆板退化至等厚度板,与解析解对比验证了计算方法的正确性;用于计算线性或非线性变厚度板,也能与有限元三维解吻合。计算结果表明:基于一阶剪切理论和薄板理论的动刚度法计算等厚度薄板的振动均能取得与解析解完全吻合的数值解;而计算变厚度薄板时则采用基于一阶剪切理论的动刚度法更准确;与有限元法相比,本文采用的动刚度法划分单元少,具有较高的计算效率,尤其在工程中的大型板结构振动方面有较好的应用前景。     

管道联接件参数识别的行波法

基于结构振动的行波理论,提出了一种管道联接件物理参数识别的新方法.以未充液直管在平面内的弯曲振动为例,建立了入射波和出射波在联接件处的散射关系,并结合波模式幅值系数的识别,得到一组包含待识别参数的非线性方程组.在每一个频率下求解该方程组得到联接件的动刚度,最后采用最小二乘法一次识别得到联接件的物理参数.数值仿真结果表明,行波法在管道联接件参数辨识中,识别精度高,而且采用矩阵条件数小的传感器阵列,可以提高参数辨识的精度.     

分块隐式有限差分法计算弯管紊流

本文利用贴体坐标系中分块隐式有限差分法计算矩形截面90°弯管中不可压恒定紊流.在计算中,雷诺方程的数值离散采用混合差分格式,局部联立求解雷诺方程和连续方程而得到速度压力解.在全流场的迭求解过程中采用对称联立Gauss—Seidel法.利用标准K-ε紊流模型模拟紊流.计算结果与有关试验进行了对比.     

惯组小系统动力学建模与非线性特性分析

基于"三心重合"的设计思想和飞行器的姿态需求,建立了含立方项非线性刚度的惯组小系统动力学模型。提出了惯组小系统存在系统动刚度和减振器动刚度的"双层级"概念。利用龙格-库塔法求解渐软非线性系统对正弦扫频激励的响应,得出减振器动刚度存在对激励幅值和激励频率的敏感区域,采用动刚度曲线表征了减振器的非线性软化特性。利用虚弧长延拓法计算惯组小系统的非线性频响函数和传递特性,预示了高量级振动下减振器的动力失稳现象。通过惯组小系统传递特性试验,验证了减振器具有渐软刚度的非线性特性。扫频法计算结果与正弦扫频试验结果的吻合度达到96.5%,检验了构建模型的正确性。所建立的模型工程应用简便,对惯组小系统非线性特性的预示具有较高的精度,可供飞行器姿控系统设计时参考。     

弱不连续问题高阶有限元离散系统的GAMG法

弱不连续问题(如含夹杂问题)是固体力学计算中的一类重要问题。高阶有限元方法由于其具有更好的逼近效果,是确保数值解在界面保持较高精度的计算方法之一。但与线性元相比,高阶单元需要更多的计算机存储单元,具有更高的计算复杂性。本文利用两水平算法的思想,将高阶有限元离散系统化归于线性元离散系统的求解,为弱不连续问题高阶有限元离散系统设计了一种新的基于几何与分析信息的代数多重网格(GAMG)法,并应用于圆形求解域含单夹杂问题的高阶有限元离散系统的求解。数值试验结果表明,相比于常用GAMG法,新方法的迭代次数基本不依赖于问题规模、单元阶次以及杨氏模量的间断性,CPU计算时间得到明显改善,具有更好的计算效率和鲁棒性,可大大提高弱不连续问题有限元分析的整体效率。     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

DEM与FEM动态耦合算法研究

离散单元法作为一种有效的数值分析方法,能够模拟脆性材料的裂纹扩展及碎片飞散等破坏特性,但是无法从根本上克服计算效率低下的诟病;传统有限单元法具有计算高效稳定的优点,却难以描述脆性材料冲击破坏过程中连续体向非连续体的转化。本文首先提出一种基于罚函数法的改进型离散单元和有限单元耦合方法,以提高耦合分析精度。在此基础上提出了动态耦合算法:即在初始阶段,模型全部为有限单元,当局部即将发生破坏时,仅使即将发生破坏的有限单元及相邻单元自动转化为离散单元,在离散单元区域研究破坏问题。这种算法充分利用有限单元法计算高效的优点,同时最大限度克服了离散单元法计算效率的不足。最后,通过两个简单算例验证了改进型耦合算法和动态耦合算法的有效性。     

气液两相环状流诱发管道振动模型研究

根据两相流动过程中弹性恢复力、离心力、科氏力、惯性力的平衡关系,并考虑因管道弯曲产生的非线性因素,建立了气液两相环状流诱发两端简支管道振动的模型;采用Galerkin方法对模型进行离散化处理,得到了系统的非线性矩阵方程。通过对方程系数矩阵线性部分的求解,具体分析了不同折算流速以及不同弹性模量下管道前四阶模态的量纲归一化特征值的实部及虚部之间的变化规律。结果表明:当折算液速一定时,随着折算气速的增大,管道系统的前4阶固有频率会不断减小;在不同的折算液速下,随着折算气速的增大,管道系统会呈现不同的状态;管道的弹性模量对管道的振动也有着较大的影响。通过对整个方程的求解,分析了管道横向振动位移的规律。研究结果表明:弹性模量较小时,管道的振动位移情况较为复杂;而弹性模量较大时,在同样的折算流速下,管道在平衡位置做振幅较小的周期性往复运动。     

油-气两相流管线系统振动分析及减振控制

针对油-气主管线系统的油-气两相流振动问题,建立了管线系统的动力学模型.分析计算油-气两相流在管道内的动力学特性,判断其流型;根据动量定理得到了管线各处受力的时间历程,从而确定管道系统受到的实际动载荷并求出其振动时间历程响应;分析管线系统的模态和影响振动模态的关键因素,采用合理加强原有支撑刚度和在恰当部位增加新支撑等措施,使管道系统的振动得到控制.分析结果与现场实测数据对比,验证了此振动分析方法的有效性.     

任意边界条件下环肋圆柱壳振动特性的建模与求解

边界条件对环肋圆柱壳的振动特性有重要影响。基于能量法,把环肋看作离散模型,构建了任意边界条件下加环肋圆柱壳的动力学模型。采用一种改进的傅里叶级数作为位移容许函数,通过瑞利里兹程序求解结构的拉格朗日方程,得到环肋圆柱壳的振动模态和频响特性。通过与实验和有限元(FEM)方法的计算结果进行对比,验证了论文方法的准确性,在此基础上分析了环肋偏心方式、截面尺寸、位置分布和边界弹簧刚度等参数对环肋圆柱壳振动特性的影响。     

基于多层模拟方法的双层梁断裂有限元分析

本文提出一种用于含分层的双层梁线弹性断裂分析的有限元方法．将上下子梁均模拟为多个子层,采用只有平动位移自由度的新型梁单元,假设单元内的位移沿纵向和横向均线性变化,推导了该单元的单元刚度矩阵．将开裂部分和未开裂部分的子梁进行单元刚度矩阵组装,施加相应的等效结点力,得到整体平衡方程,并结合边界条件进行求解．为验证该方法的有效性和精度,开展非对称双悬臂梁(Asymmetric Double Cantilever Beam, ADCB)和单臂弯曲梁(Single Leg Bending, SLB)试样的断裂分析,利用虚拟裂纹闭合技术(Virtual Crack Closure Technique, VCCT)得到了试样的能量释放率及其分量,并将求得的结果与解析解和二维有限元解进行对比．计算结果表明,相对于传统双层模拟方法,该多层模拟方法能够精确、高效地计算各类梁试样的能量释放率及其分量,并且无需引入界面连续条件．     

求解不连续中厚板自由振动的微分容积单元法

基于区域叠加原理和微分容积法，发展了一种新型的数值方法——微分容积单元法，用以分析具有不连续几何特征的中厚板的自由振动。根据板的不连续情况将其划分为若干单元，在每个单元内用微分容积法将控制微分方程离散成为一组线性代数方程．在相邻的单元连接处应用位移连续条件和平衡条件，引入边界约束条件后得到一套关于各配点位移的齐次线性代数方程，由此可导出求解系统固有频率的特征方程。本文用子空间迭代法求解特征方程，并以开孔板、混合边界条件板和突变厚度板为例研究了方法的收敛性和计算精度。     

U型充液管道的流固耦合分析

基于流固耦合原理,在ADINA软件中建立了U型充液管道的有限元模型,对其进行了流固耦合模态分析,研究了壁厚对管道固有频率的影响;并对简支U型管道的充液过程进行了数值仿真,研究了充液加速度和壁厚对管道位移及应力的影响。结果表明:随着模态阶数的增加,管道的固有频率逐渐增大;在无耦合时计算的管道固有频率大于流固耦合状态时的结果,管道固有频率随壁厚的增加呈非线性增加;在充液过程中U型管道的最大应力出现在弯头处;在充液过程中管道的位移与应力随充液加速度的增大而增大,随壁厚的增大而减小;但无论充液加速度多大,充液后管道的最终位移基本相同。     

宇航级三浮陀螺仪三质量块隔振模型

从三浮陀螺仪的结构出发,考虑浮液和动压气体轴承的特点及隔振作用,运用振动理论和隔振技术,建立并论述了三浮陀螺仪三质量块振动模型。对该模型在受迫振动下的运动方程进行了分析,得到了运动方程的解。对该模型的参数进行了识别,对浮液阻尼特性进行了分析,用摄动法求解了阻尼系数c12;对波纹管弹性系数进行了推导计算,得到了弹性系数k12的表达式;对气体轴承的动态阻尼和刚度进行了分析说明,得到了阻尼系数c23和弹性系数k23的表达式。基于此模型,给出了力传递系数的求解方法以及表达式。对三浮陀螺仪振动传递研究有一定指导作用。     

基于“有无复合体”的应力约束下桁架和平面膜结构拓扑优化的统一模型

根据独立连续拓扑变量概念,建立了桁架和平面膜结构拓扑优化的有无复合体模型,从而不引入过滤函数实现拓扑变量在连续型和离散型之间的转换,推导了有无复合体杆单元的面积与膜单元的厚度与重量、单元刚度阵都是“有单元”和“无单元”相应量的线性组合,进而把这一线性关系延拓到许用应力,借助于有无复合体建立了在应力约束下骨架和连续体结构拓扑优化的统一模型,同时提出了求解这一模型的有效算法,获得了令人满意的计算结果。     

基于旋转软化的柔性梁动力学研究

建立了旋转柔性梁的非线性动力学模型,利用能量法及哈密顿原理导出了耦合的动力学方程,分析了转动惯性、Coriolis力、应力刚化、旋转软化、加速度、横向位移、弯曲刚度等作用效应;通过设置应力刚化及旋转软化等刚度矩阵和编制有限元程序,建立了梁单元有限元模型,对柔性梁在旋转软化状态下的振动模态进行了数值模拟与分析。计算表明:梁的旋转软化导致其沿旋转平面的弯振模态(摆振)频率随转速增大而相对下降,且对第一阶摆振频率的影响最显著,呈现非线性;梁的旋转软化对垂直于旋转平面的弯振频率几乎没有影响,此结果表明了旋转柔性梁动态特性的复杂性,因此在计算旋转柔性梁的振动特性时,必须同时设置平动、转动惯性质量矩阵,才能获得准确结果。此外,梁单元模型与实体单元模型计算结果误差小于等于5%,验证了本文梁单元模型求解方法的准确性。     

多跨管道流固耦合振动的波传播解法

采用Timoshenko梁模型提出了求解多跨管道流固耦合振动的波动方法.借助边界处的几何连续条件和力平衡条件,得到了波在固支、简支和自由三种端部条件下的反射模型;建立了波在中间弹性支撑处的散射模型;结合以上散射模型,得到了多跨管道流固耦合振动的频率特征方程;通过计算两端简支管道的临界流速,验证了所建立模型的正确性.最后,计算了一段40m长、七跨管道在三种工况下的前五阶固有频率.计算结果表明:波传播方法具有易于编程、执行效率高和计算精度高的优点.     

圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法

海洋丛式井组隔水管和换热器管束等在流体作用下,会诱导管束振动及碰撞,导致管束断裂失效。将弹性管离散成梁单元,采用非线性结构动力学方程描述;将圆筒流体域离散成实体单元,采用计算流体动力学方程描述。在流固耦合界面处,推导了界面位移、速度和载荷计算公式及收敛判断准则,建立了圆筒内横向流体与弹性管耦合的分域求解算法。算例表明,其分域与全域求解计算结果吻合较好,本文算法为复杂流体域内多根管束的振动及碰撞问题求解提供行之有效的计算方法。