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.      

带有可渗透隔板的液舱内流体晃荡的时域模拟

针对液舱内隔板的可渗透特性,采用多域边界元方法,对流体晃荡问题进行了非线性时域模拟计算与分析。计算研究表明,多域边界元方法能够准确地模拟带有可渗透隔板的液舱内流体晃荡现象。对应于没有隔板和有完全不可渗透隔板情形的计算结果与相应的实验和理论结果吻合良好,带有不同渗透率的隔板在一定程度上改变了结构的固有振荡频率,隔板的可渗...     

基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D 刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型, 它绕一个固定、无摩擦的支点旋转, 具有3 个转动自由度. 文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues) 参数描述的3D 刚体摆的姿态动力学方程, 针对3D 刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题, 基于无源性控制理论利用能量法设计了3D 刚体摆的系统控制器, 并证明了系统满足无源性. 构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov) 函数, 利用能量法设计出3D 刚体摆的姿态控制律, 并由拉萨尔(LaSalle) 不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性. 仿真实验给出了3D 刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性, 仿真实验结果表明基于能量方法的3D 刚体摆姿态控制是有效的.     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit,MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefiednatural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.      

MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefied natural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度.     

晃荡

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

矩形贮箱内液体非线性晃动动力学建模与分析

基于理想流体的假设,根据H-O原理建立了充液贮箱刚体平动与液体非线 性晃动的耦合动力学方程,通过引入改进的势函数描述刚体和液体之间的动边界. 利用伽辽 金方法对动力学方程进行了离散. 针对液体非线性晃动情况,与ALE有限元方法、边界元方 法的结果进行了比较,验证了方法的可行性. 对刚体平动和液体非线性晃动耦合的情 况,数值模拟了多种外力激励下系统的响应. 利用等效力学模型解释了耦合系统固有频率升 高的现象.     

Neural network-based reduced-order modeling for nonlinear vertical sloshing with experimental validation

In this paper, a nonlinear reduced-order model based on neural networks is introduced in order to model vertical sloshing in presence of Rayleigh–Taylor instability of the free surface for use in fluid–structure interaction simulations. A box partially filled with water, representative of a wing tank, is first set on vertical harmonic motion via a controlled electrodynamic shaker. Accelerometers and load cells at the interface between the tank and an electrodynamic shaker are employed to train a neural network-based reduced-order model for vertical sloshing. The model is then investigated for its capacity to consistently simulate the amount of dissipation associated with vertical sloshing under different fluid dynamics regimes. The identified tank is then experimentally attached at the free end of a cantilever beam to test the effectiveness of the neural network in predicting the sloshing forces when coupled with the overall structure. The experimental free response and random seismic excitation responses are then compared with that obtained by simulating an equivalent virtual model in which the identified nonlinear reduced-order model is integrated to account for the effects of violent vertical sloshing.

     

储液容器内液体晃荡的非线性动力学分析

基于非线性波动理论模型,求解储液容器内液体晃动的固有频率、模态及动力学响应问题。流体使用u_s-u_p状态方程,利用ABAQUS软件的自适应网格技术,建立储液容器液体晃动数学模型,通过施加水平简谐激励得到液体晃动的固有频率和模态,并与解析解对比,验证了该方法的准确性与可行性。然后,分析了矩形储液容器在多种激励作用下液体非线性晃动响应特性。     

Forces and Moments of the Liquid Finite Amplitude Sloshing in a Liquid-Solid Coupled System

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｓｐａｃｅ,ｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｄｙｎａｍｉｃｓｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｌｉｑｕｉｄｓｌｏｓｈｉｎｇｉｓｏｆｔｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ[1].Ｉｎａｓｐａｃｅｃｒａｆｔｄｙｎａｍｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅｌｉｑｕｉｄｓｌｏｓｈｉｎｇｕｓｕａｌｌｙｃｏｕｐｌｅｓｗｉｔｈｒｉｇｉｄｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅ ,ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｐｐｅｎｄｉｘｅｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｕｎｃｔｉｏｎ .Ｏｎｏｎｅｈａｎｄ ,ｔｈｅｍｏｔ…     

Nonlinear simulation of a tuned liquid damper with damping screens using a modal expansion technique

Tuned liquid dampers utilize sloshing fluid to control wind-induced structural motions. However, as a result of the nonlinear free surface boundary conditions of fluid sloshing in a two-dimensional rectangular container, a closed-form solution describing the response behaviour is unavailable. Modal expansions, which couple the sloshing modes, are carried out to the first, third and fifth order to construct a system of coupled nonlinear ordinary differential equations that are solved using the Runge–Kutta–Gill Method. Modal damping is incorporated to account for energy losses arising from the fluid viscosity and the inclusion of damping screens. The model is in general agreement with a previous third-order model that incorporated screen damping in the fundamental sloshing mode only. Sinusoidal shake table experiments are conducted to validate the proposed models. Response time histories and frequency response plots assess the model’s prediction of wave heights, sloshing forces, and screen forces. The first-order model accurately predicts the resonant sloshing forces, and forces on a mid-tank screen. The higher-order models better represent the wave heights and forces on an off-centre screen. Experimental results from structure–TLD system tests under random excitation are used to evaluate the performance of the proposed models. The first-order model is able to predict the variance of the structural response and the effective damping the TLD adds to the structure, but as a minimum, a third-order model should be employed to predict the fluid response. It is concluded that a first-order model can be utilized for preliminary TLD design, while a higher-order model should be used to determine the required tank freeboard and the loading on damping screens positioned at off-centre locations.     

Mathematical modelling and control of a nonholonomic spherical robot on a variable-slope inclined plane using terminal sliding mode control

In this paper, the three degrees-of-freedom motion of a two-dimensional rectangular liquid tank under wave action is simulated by the boundary element method in time domain. The coupling effects between tank motion and internal sloshing flow are investigated in partially filled conditions. The fourth-order Runge–Kutta method is adopted to update the wave shape and velocity potential on the free surface. The fully nonlinear mutual dependence of the incident wave, tank motion and internal sloshing flow is decoupled through an auxiliary function method, by which the liquid tank acceleration can be obtained directly without knowing the pressure distribution. The corresponding validation of numerical model is carried out and indicates that the accuracy of the present method is satisfactory to evaluate the dynamic responses of tank and sloshing motion. The corresponding response amplitude operators of tank motions for various wave frequencies, amplitudes and filling conditions are obtained, and the nonlinear coupling effects of sloshing flow on the tank responses are analyzed. It is found that the coupling effects have significant influence on sway and roll motion while have little impact on heave motion. The most important coupling effects on roll motion are the split of peak. In addition, due to the nonlinearity of sloshing flow, the roll motion amplitude is not linearly proportional to wave amplitude.     

俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动

首次对储仰运动圆柱贮箱中液体的有限幅值晃动问题进行了解析研究。首先建立了描述俯仰和／或偏航运动贮箱中液体晃动的非线性偏微分方程组,而后提出了相应的变分原理,建立了压力体积分形式的Ｌａｇｒａｎｇｅ函数,通过变分方程,最终得到措述俯仰和／或偏航运动圆柱贮箱中液体晃动的非线性动力学微分方程组,该动力学方程组自然满足液体自由表面的运动学和动力学办界条件。而后动用多尺度法求解了所得的动力学方程组,对非线性液