浸没式浮筒对系泊缆松弛-张紧特性的影响研究

为了研究浸没式浮筒对悬链线系泊缆松弛-张紧特性的影响,本文基于集中质量法建立了下端锚固、上端做简谐运动的带浮筒悬链线系缆运动微分方程。运用Newton-Raphson法和Howbolt差分法,求解了系缆的运动特性和动张力值。通过与无浮筒悬链线系泊系统的对比,分析了几种不同参数的浮筒对系泊缆松弛-张紧现象及冲击放大系数两个方面的影响。结果表明:附加一定大小的浸没式浮筒能有效抑制系泊缆松弛-张紧现象的出现,并且减小系缆运动过程中动张力的冲击放大系数;但当附加浮筒的净浮力过大时,在极端海况下,会助长系泊缆上端出现松弛-张紧现象,进而影响系泊物的稳定性。     

不可压饱和多孔Timoshenko梁动力响应的数学模型

基于饱和多孔介质理论,假定孔隙流体仅沿梁的轴向运动,本文建立了横观各向同性饱和多孔弹性Timoshenko梁动力响应的一维数学模型,通过不同的简化,该模型可分别退化为饱和多孔梁的Euler-Bernoulli模型、Rayleigh模型和Shear模型等。研究了两端可渗透Timoshenko简支梁自由振动的固有频率、衰减率和阶梯载荷作用下的动力响应特征,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线,并与饱和多孔Euler-Bernoulli简支梁响应进行了比较,考察了固相与流相相互作用系数、梁长细比等的影响。可见,固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,随着作用系数的增加,梁挠度振动幅值衰减加快,并最终趋于静态响应,Euler-Bernoulli梁的挠度幅值和振动周期小于Timoshenko梁的挠度幅值和周期,而Euler-Bernoulli梁的弯矩极限值等于Timoshenko梁的弯矩极限值。     

含分布浮体的复杂构型深海缆线的动响应及其时空演化

深水柔性缆线是深海资源开采系统的重要组成部分, 随着水深的增加, 深水缆线长径比达103, 结构柔性变得很大, 且沿展向非均匀分布的浮力模块, 使得缆线构型变得更加复杂、张力等结构参数沿展向变化, 这使得环境载荷作用、海面船体运动等激励作用下的缆线流固耦合响应变得更加复杂, 给结构安全带来严峻挑战. 本文针对Double-stepped这种新构型深水缆线, 基于其流固耦合特性和载荷模型表征, 建立了含分布浮体的深水缆线动力学控制方程, 并结合有限元数值模拟和水箱模型实验, 进行了复杂构型缆线的动响应研究. 考察规则波和极端波浪环境载荷作用、海面船体运动等激励因素对结构响应的影响, 给出位移和张力等响应的时空演化规律, 并基于WKB理论分析了变参数结构响应幅值和波长的演化规律和机理. 结果表明: 结构响应沿着缆线长度向下传播过程中非单调变化, 在低张力区域会出现局部峰值; 由于分布浮体的存在使得结构参数轴向变化且不连续, 响应时空演化变得更加复杂, 呈现驻波、行波混合效应, 而且张力不但会影响位移幅值, 还会引起响应传播过程中的波长改变.      

温度效应对覆冰导线舞动特征的影响研究

以某耐张段单跨导线作为研究对象,基于哈密顿原理和增量热场理论,建立了考虑温度效应的覆冰导线非线性舞动模型并推导出其舞动方程。分别使用近似模态和复杂模态得到离散后的面内-面外耦合的有限维度舞动方程,接着采用多尺度法得到该方程的近似解。数值算例研究表明,温度对频率的影响与Irvine参数有关,对张力的影响与初始张力的范围有关,而且降温会增大导线舞动幅值;采用精确模态计算得到的舞动幅值显著小于使用近似模态计算得到的幅值。     

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求,开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展.在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数;结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法,解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出,并判断结果稳定性.结合数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡分析的准确性.与线性模型结果进行深入对比,并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响.考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题,显著提升输出性能估计的准确性;增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角,均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现;在实际设计时,需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值,以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态;构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系,可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.     

拉索预应力巨型网格结构参激振动及动力稳定性研究

针对拉索预应力巨型网格结构的参激振动及动力稳定性问题进行了研究。首先建立索-拱简化模型，分析了桁架拱拉索参激振动的诱发机制与特征，并利用ANSYS软件进一步探究了参激振动的影响因素，然后对简谐荷载作用下拉索预应力桁架拱及整体结构的动力稳定性进行了分析。研究表明：当结构振动频率为索基频的2倍左右时，拉索会发生参激振动，振动响应特征与激励幅值、阻尼、拉索初张力、支承方式等相关；拉索预应力桁架拱在水平简谐荷载作用下一般会发生动力失稳破坏，在竖向简谐荷载作用下发生动力强度破坏，拉索预应力巨型网格整体结构在简谐荷载作用下通常发生动力失稳破坏。     

扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟及流动控制研究

对于处在低雷诺数下的微型旋翼,扰动风对其流场影响很大。本文基于动态嵌套网格技术的双时间法,采用网格速度法模拟扰动风,研究了不同频率和幅值的正弦式扰动风下三维微型旋翼上的拉力系数响应情况,并采用变形网格方法模拟了旋翼桨叶的周期性边距运动对扰动风的流动控制,为今后旋翼机的主动控制研究提供了线索。研究结果表明,低雷诺数下,旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线拟合函数与扰动风函数形式相同,响应曲线函数同样具有周期性变化趋势,波动幅值与扰动风幅值成正比例关系;对不同飞行状态下的旋翼,采用周期等角变距方式,能够找到一个适合的控制参数使得旋翼在正弦式扰动风环境下旋翼的拉力波动在一定范围内得到有效抑制。     

热效应对静不定梁热弯曲的影响1）

建立了静不定梁在温度场中热弯曲的微分方程,推导出了在小挠度变形条件下静不定梁热弯曲的挠曲线表达式.研究结果表明：当温度沿梁高呈线性分布时,梁的温度使静不定梁受到轴向热力作用,梁底与梁顶的温度差使静不定梁发生热弯曲.在小挠度变形条件下：考虑轴向热力的作用时,静不定梁的热弯曲是非线性问题;忽略轴向热力的作用时,静不定梁的热弯曲是线性问题.Timoshenko的名著《材料力学》,在研究两端固支梁热弯曲问题时,得到了“两端固支梁热弯曲挠曲线表达式有时是意想不到的”结论,即两端固支梁热弯曲挠曲线表达式为零的结论.因此在考虑轴向热力对静不定梁热弯曲影响的基础上,研究了静不定梁热弯曲问题,把两端固支梁热弯曲问题与其他静不定梁热弯曲问题进行对比,对两端固支梁热弯曲挠曲线表达式为零的结论进行了理论解释,可知两端固支梁在热状态下的变形是一个弹性稳定问题.     

输电线路爆破除冰动态特性

为研究输电线路爆破除冰效果及动态特性,进行了50 m孤立档输电线路爆破除冰模型实验,采用人工覆冰方式,通过引爆预设在输电线下侧的导爆索去除部分线路覆冰,测量了爆破除冰过程中三种输电线档中位移和端部动张力,并将爆破载荷简化为三角波载荷,利用有限元软件ABAQUS对实验工况进行了模拟验证;进一步利用模拟方法研究了爆破除冰量为20%时除冰位置对跳跃幅值和动张力的影响。结果表明:对于雨凇,爆破作用只会引起输电线爆破区域的覆冰脱落;爆破除冰时跳跃幅值和动张力幅值均大于相同位置自然脱冰,而随除冰位置的变化趋势与自然脱冰相似;与导线相比,地线光缆的跳跃幅值受爆破作用影响更显著。     

无网格局部Petrov-Galerkin方法在弹塑性断裂力学问题中的应用

采用无网格局部Petroy-Galerkin方法来分析弹塑性断裂力学问题.这种无网格方法采用移动最小二乘法(MLS)来构造近似试函数和采用Heaviside函数作为加权残值法中的权函数,由于近似函数不满足KroneckerDelta条件,因此采用直接插值法来施加本质边界条件.如果不考虑体力,所形成的整体刚度矩阵只包含局部边界积分,而不包含局部域积分和奇异积分.采用增量Newton-Raphson迭代法来求解弹塑性增量形式的局部Petrov-Galerkin方程.数值算例结果表明,该文方法对于弹塑性断裂力学问题的求解是可行的和有效的,并且所得到的结果具有较好的精度.     

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

基于MEPE和EHL理论的渐开线斜齿轮啮合特性分析

以斜齿轮为研究对象,应用最小弹性势能原理(MEPE)和弹性流体动力润滑理论(EHL),采用多重网格数值求解法获得了斜齿轮在不同啮合位置及沿接触线方向的载荷分布,压力与膜厚分布,并对比分析了不同螺旋角下基于MEPE理论和基于接触线长比例理论的载荷分布模型及数值仿真结果.结果表明:沿啮合线方向,载荷在啮合中间段达到最大值,螺旋角越大,载荷分布趋于平均;受综合曲率半径和载荷分布的影响,压力分布在啮合中间段较高,膜厚沿啮合线缓慢变化,节点处稍有下降;沿接触线方向,载荷变化平缓,近似呈抛物线,最小膜厚单向线性变化,而压力则在两端具有较大值.     

全附体潜艇粘性流场的RANS模拟及场量和涡量的校验分析

采用相同拓扑结构和相近网格质量的4套网格和5种湍流模型,对全附体Suboff潜艇粘性流场进行RANS模拟,分析了网格密度、节点空间分布规律和湍流模型对计算精度的影响,详细校验了其力积分量、速度场量和涡量特征。结果表明:网格密度最大的G4网格(140万)计算精度最高,总阻力较实验值误差为0.723%,其采用SST湍流模型时最优。计算得到的压力系数和剪切应力系数分布均与实验值吻合很好;桨盘面速度等值线分布计算精度与文献相当,轴向相对速度0.9以上的计算半径稍大于实验值,其余半径与实验吻合较好;桨盘面上0.25倍半径处速度分量沿周向分布计算精度较文献高,轴向分量与实验值吻合较好,径向分量峰值稍小于实验值,但峰值所处周向位置与实验值一致。成功捕捉到了附体端面绕流诱导对旋涡、附体叶根截面下游处项链形涡对、尾翼端面尾缘上方附着涡蹄、附体马蹄涡系、尾翼截面通道流体挤压作用诱导涡以及桨盘面涡量汇集的潜艇涡量场特征,且围壳端面绕流诱导对旋涡沿流动方向持续稳定,不影响桨盘面涡量场,均与文献中由大涡模拟模拟得到的定性结论一致。研究表明,在网格密度较大、节点分布合理、网格质量较高、湍流模型选取适当和壁面函数使用有效的条件下,RANS模拟潜艇粘性流场的场量和涡量特征同样具有很高的计算精度,能够在工程应用中有力支撑新型艇型设计与性能分析。     

张力索杆结构最小势能分析方法与结构特性研究

张力索杆结构为柔性多态体系,计算方法复杂。本文基于势能最小化迭代建立平衡态的最小势能方法,推导了体系势能、下降向量及步长列式,建立势能最小化共轭梯度法迭代格式,并用VC++编程实现了算法。通过正交四边形网格索网数值分析算例验证了程序正确性,并分析了新型六边形网格马鞍形双曲索网和索杆张拉整体结构的非线性荷载特性。研究表明最小势能迭代分析是一种有效的柔性张力结构非线性分析方法。     

单向悬挂屋盖结构的风致气弹耦合效应数值模拟

综合运用计算流体力学和计算结构力学技术,建立了适用于索膜结构流固耦合风振分析的CFD数值模拟方法,并编制了相应的有限元计算程序。应用该程序对具有不同参数的大跨度单向屋盖结构进行了风振响应分析,探讨了来流风速、屋面质量和初始预张力等参数对结构流固耦合特性的影响。研究表明,由于屋盖前缘周期脱落的大尺度旋涡是诱导结构振动的主要原因,随着大尺度旋涡沿屋面向下游移动,其动能逐渐转化为结构变形能,使结构振动形态呈现明显的涡激振动特征。屋面质量、来流风速和初始预张力是影响结构流固耦合性能的主要参数。对于索膜结构,仅通过刚性模型来确定结构风压并进行风振响应分析,其结果是不可靠的。     

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.      

导流缆水动力性能试验测量研究

为全面确定导流缆在不同情况下的水动力性能,本文对其进行了试验测量研究。设计了一种试验方案,以便同时测出缆在不同攻角时的三组水动力性能数据;同时为消除试验时模型缆有限细长度(展弦比)、近水面效应及水下有效长度的不利影响,进行两组不同长度的模型试验,采用长度差值方法,以得到较为准确的结果。最后,采用数据拟合方法,对试验数据进行处理,给出了无限细长度导流缆在不同攻角、雷诺数时的法向、切向阻力及侧向作用力系数的回归公式,以方便工程应用。     

主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移机理研究

在悬索桥的服役过程中，由于桥梁恒载、风载以及车流量变化导致的动态载荷，使得鞍座两侧的主缆受到的力不平衡，从而引起主缆与鞍座间的动态接触和微滑移.当不平衡力超过主缆与鞍座间的静摩擦力，主缆与鞍座间将发生滑动，将导致悬索桥结构失稳，甚至可能造成桥梁坍塌.因此，揭示主缆和鞍座之间的动态接触和微滑移特性对增强主缆的抗滑性和确保大跨度悬索桥的稳定性至关重要.本文作者运用自制试验平台,模拟悬索桥实际服役环境中动载工况下的主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为，通过开展接触摩擦试验并对接触界面进行实时监测来研究接触摩擦机理揭示了典型工况下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移机理(接触状态、微滑移幅值、摩擦系数以及接触压力等).结果表明：主缆索股承受动态载荷时各个索股个体与鞍座间的接触状态存在差异，外层索股与鞍座间的接触面均为完全滑动状态，内层索股与鞍座间的接触状态为接近完全滑动状态的部分滑动状态，主缆索股整体承受较大动载时外层索股与鞍座间更容易发生完全滑动，索股间产生分层滑移现象，不同索股的微滑移幅值由内层到外层依次增大；随着加载力的增大，从内层索股至外层索股，滑移距离增长速率依次增大，从固定端到加载端...     

膨胀管分离装置分离时间测试研究

本文采用裂纹扩展计和超动态应变测试相结合的方法,对炸药索的传爆速度及分离结构响应断裂时间进行了实验研究。同时,还分析了内外分离板分离的同步性、两端起爆的同步性。结果表明:对于本文测试的分离结构,其内外分离板分离的同步性较好,滞后时间仅1μs;扁平管接收到爆轰信号到分离板断裂的时间差约为6μs;尽管采用两端起爆,但是实际中由于火工品的差异,并不能够实现两端完全同步起爆,滞后时间长达50μs。