贮液容器水动弹性分析的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法

本文提出一种计算弹性容器——有自由面贮液流固耦合系统的固有振动模态和液体动压力、自由液面位移及容器弹性变形对地震等激励的响应的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法,着重处理旋成贮液容器的水动弹性问题。该方法计及全部流固动力耦合效应,但显著压缩了计算规模,计算结果与试验符合得很好。当需要在多种贮液深度进行贮液容器的水动弹性分析时,本方法尤其经济有效。     

圆柱形弹性贮液容器的自振特性分析

贮液容器,无论是由钢材制成的或是由钢筋混凝土建造的。在工业或工程上都有着广泛的应用,如石油化工工业中的储油罐,给水工程中的水即为典型例子。在核动力工程中的压水堆或快增残堆,所用的主容器都可看成为一种特殊的贮液容器。它与一般容器很大的区别在于除贮液外,在堆内还设置一些构件。这对结构分析计算速写为不小的困难。本文根据剪切悬壁梁理论且考虑液动压力效应,建立了弹性圆柱形贮液容器的自振方程及相关特征值矩阵,     

充液结构的非线性耦联振动问题——多频共振研究

近年来,结构物与液体耦联力学问题已被极大地重视.由于结构物与液体互相作用的复杂性,有关非线性问题研究的文献还不很多.本文研究在基础激振力作用下,充液圆柱形容器与自由液面的非线性耦联振动问题.     

具有约束层阻尼贮液圆柱容器的耦振与减振特性分析

该文在对空圆柱层合壳(不充液)振动分析研究的基础上,借助线性势流理论,进一步考虑液固耦合效应,导出了敷有CLD贮液圆柱层合壳谐耦振的一阶常微分矩阵方程,该方程右边多了液动压力项.由于它不能预先给定,导致方程中出现未知项.为了克服这一困难,文中研究了液动压力的解式,并采用新型齐次扩容精细积分技术,提出了一种高效率和高精度的半解析半数值解法.进而还求解了CLD贮液圆柱容器在地面谐运动激励下的响应;通过大量数值计算分析了CLD的厚度、长度、敷设位置以及粘弹芯的复剪切模量对减振效果的影响.计算还表明了有液体的存在,这些影响和空容器时是不一样的.文中方法为CLD贮液容器的控制优化提供了有力手段.     

钢筋混凝土矩形贮液结构的海固耦合晃动——弹性底板

针对小幅晃动的理想液体,根据钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合振动模型和数理方程理论,推导了结构内液体的速度势函数。针对winkler弹性地基的情况,应用能量原理推导了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动频率的计算公式。为便于工程应用,给出了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的计算公式。结合数值算例,讨论了混凝土弹性模量、基床系数、液体密度和底板的相对厚度等对钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的影响,从而为以后工程结构中钢筋混凝土矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据。     

钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合晃动——弹性底板

针对小幅晃动的理想液体,根据钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合振动模型和数理方程理论,推导了结构内液体的速度势函数.针对Winkler弹性地基的情况,应用能量原理推导了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动频率的计算公式.为便于工程应用,给出了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的计算公式.结合数值算例,讨论了混凝土弹性模量、基床系数、液体密度和底板的相对厚度等对钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的影响,从而为以后工程结构中钢筋混凝土矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据.     

轴对称容器内液体晃动问题的数值解

在航天、航空和建筑工程中经常需要准确计算容器内有自由面液体的晃动固有模态和受激晃动响应.工程贮液容器一般是对称轴在铅直方向的轴对称体,其中大部分还是旋成体.通常可以将容器视为静止或运动的刚体.在必须计及容器壁的弹性变形运动和液固动力耦合效 ...     

充液矩形贮箱弹性箱底板应力与变形分析

基于相容拉格朗日-欧拉法,通过对流场与弹性固体间流固耦合作用的分析,得到了矩形贮箱弹性底板流固耦合系统的自由振动微分方程。将伯努利方程与外加激励条件、速度势函数耦合到自由振动方程中,采用迦辽金积分法,给出了矩形贮箱在流体作用下的应力与变形的解析解。讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构尺寸、底板材料参数及流体深度等因素对底板应力与变形的影响。研究结果表明:在液体晃动非线性激励作用下,贮箱底板的应力和变形随着液体深度、板长的增大而增大,随着板厚的减小而增大,且成非线性变化关系;底板的变形及应力与底板的材料常数相关,其中板厚的变化对其变形和应力影响要比板长及液体深度的影响显著得多。本文结果可为工程实际中矩形贮箱的设计提供参考。     

剪切增稠液体液舱侵彻实验

为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能,制备特定规格剪切增稠液体,并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况,并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示,剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长,从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型,并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响,验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外,剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显,且相同初始弹速下,剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构,可显著提高液舱结构的防护性能。     

饱和土体中圆柱形孔洞的动力分析

本文采用工程通用的土力学模型，利用积分变换法推导了置于饱和土体中的圆柱形孔洞瞬态动力响应解答的一般解析表达式，并将其与经典弹性动力学中圆柱形空腔问题的解答作了有价值的比较，文末利用一种十分有效的数值反变换方法给出了有意义的算例。本文为进一步分析岩土工程、地震工程中隧道、管道等地下结构的动力响应提供了有效途径，具有理论与应用价值。     

Dynamic analysis of baffled fuel‐storage tanks using the ALE finite element method

This paper is concerned with the parametric investigation on the structural dynamic response of moving fuel‐storage tanks with baffles. Since the structural dynamic behaviour is strongly coupled with interior liquid motion, the design of a fuel‐storage tank securing the structural stability becomes the appropriate suppression of the flow motion, which is in turn related to the baffle design. In order to numerically investigate the parametric dynamic characteristics of moving tanks, we employ the arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) finite element method that is widely being used to deal with the problems with free surface, moving boundary, large deformation and interface contact. Following the theoretical and numerical formulations of fluid‐structure interaction problems, we present parametric numerical results of a cylindrical fuel‐storage tank moving with uniform vertical acceleration, with respect to the baffle number and location, and the inner‐hole diameter. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

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     

A coupled BE–FE study for evaluation of seismically isolated cylindrical liquid storage tanks considering fluid–structure interaction

The effects of base-isolation on the seismic response of cylindrical vertical flexible liquid storage tanks subjected to horizontal seismic ground motion are presented in this paper. The whole system consists of two main parts: the base-isolation component, and the fluid–structure interaction subsystem. Dynamic analysis of liquid storage tank is achieved through the use of finite shell elements for the structure and internal boundary elements for the liquid region. The boundary element equations are employed to obtain an equivalent liquid mass matrix which is then coupled with the shell structure mass matrix, resulting in the coupled equations of motion. Finally, the coupled equations of motion are connected with the base-isolation system to observe the whole system behavior. A bilinear hysteretic element is used to illustrate the base-isolation system. The analysis is performed in the time domain in which, hydrodynamic interaction is taken into account. It is shown that the seismic response of the isolated tank could be significantly reduced compared with the fixed-foundation tanks. Parametric studies are carried out to study the effects of different system parameters on the effectiveness of the base-isolation system. These parameters are the tank geometry aspect ratio (height to radius), the flexibility of the isolation system, the liquid surface displacement variations, and the tank wall flexibility. It is observed that the seismic isolation is more effective in slender tanks in comparison with broad tanks. Furthermore, it is shown that the isolation efficiency is partially more significant in rigid tanks. It is also noticeable that flexible isolators considerably reduce the seismic response in comparison with stiff isolators. Despite the foregoing advantages, liquid surface displacement increases due to seismic isolation, especially in slender tanks.     

浮顶式储油罐的爆炸冲击失效

通过模型实验与数值模拟结果对比,探讨了浮顶油罐在可燃蒸气云爆炸冲击作用下的变形过程和破坏机理。研究发现,罐体失稳破坏的主要原因与爆炸冲击波和油罐内液体的复合冲量作用有关,在爆炸冲击作用下浮顶油罐模型产生剧烈振动,迎爆面上部罐壁形成动应力集中现象,最终导致罐体失稳并产生内凹动力屈曲破坏。     

爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应

针对既有大型储油罐近区基础爆破开挖中的安全问题,采用ANSYS/LS-DYNA的隐式-显式顺序求解方法,结合流固耦合算法,研究了爆破振动下大型储油罐的动力响应规律。分析了罐壁不同位置的质点振速,由于质点振速分布情况较为复杂,不宜用局部质点振速判断罐壁危险点;总结了罐壁上应力的分布规律,结果显示爆破振动对储油罐的影响主要集中在迎爆侧下部,且在罐壁迎爆侧高度为3 m左右的位置最易发生象足屈曲;分析了不同频率爆破振动作用下满载储罐罐壁的质点振速,结果表明在爆破振动主频范围内,载荷频率远大于储罐固有频率条件下,罐壁上质点振速随着爆破振动频率的降低呈减小趋势;建立了储油罐罐壁质点振速与罐内液面高度的关系,结果表明降低液面高度可以有效提高储油罐的爆破振动安全阈值,爆破施工中邻近储罐储液高度不宜高于10 m。     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

低重环境下俯仰运动圆柱贮箱内液体晃动

考虑低重环境下由于表面张力的影响使得圆柱贮箱内液体呈现弯曲自由液面的情况,以俯仰激励下液体晃动的占优模态振型函数为晃动速度势的基函数,利用傅里叶-贝塞尔级数对贮箱受俯仰激励时的自由液面处的运动边界条件进行展开,得到能描述晃动系统本质的广义状态方程,并分别给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特征的计算方法. 通过具体算例得到了俯仰激励下贮箱内液体晃动特征的动态响应,同时验证了文中方法的收敛性、可行性和正确性.      

Fluid-pressure eigenstates and bifurcation in tension specimens under lateral pressure

An analysis is presented of an eigenstate that may be significant in deformation processes where part of the surface of a body is subjected to loading by uniform fluid pressure. The ‘fluid-pressure eigenstate’ is a configuration in which quasi-static incremental deformation is possible under surface traction-rates that are related to the instantaneous velocity field in a certain way, the fluid pressure being momentarily stationary. Deformation processes exist such that, given certain rate boundary-conditions, uniqueness of the incremental deformation is guaranteed at every instant up to a fluid-pressure eigenstate. For a cylindrical specimen, of arbitrary cross-section, of elastic/plastic or incompressible, finite elastic material it is shown that the first fluid-pressure eigenstate to be reached on a path of uniform stretching corresponds to the instant at which the ‘effective load’ reaches a maximum. No fluid-pressure eigenstates are reached in isotropic Cauchy-elastic solids under all-round fluid pressure loading provided the physically reasonable conditions that the instantaneous bulk and shear moduli remain positive are satisfied.     

Dynamics of a cylindrical shell with elastic bottom filled with a gas–liquid mixture and subject to two-frequency excitation

The paper reports experimental data on the nonlinear dynamic deformation of the elastic bottom of a cylindrical shell and the formation of bubbles and their clusters under two-frequency excitation