长单索结构的多参数流固耦合分析

介绍了长索结构在风场中的流固耦合振动,总结已有的流固耦合基本理论,着重介绍弱耦合问题的具体分析过程.以100m长索在不同拉索倾角和风向角的多参数流固耦合风振为例,应用ANSYS-CFX软件分别在层流模型和湍流模型风场中进行数值分析,得出与力学概念分析基本一致的结果.     

基于场分离的水下爆炸流固耦合计算方法

基于谱单元方法对水下爆炸流固耦合机理进行了研究,针对总场模型中入射波在流体网格中传播会产生失真现象的问题,采用场分离技术,通过理论推导建立了水下爆炸流固耦合问题的散射场数值模型.经过编程计算比较得出,散射场数值模型有效解决了入射波在流体网格中传播的失真问题,比总场模型计算精度更高,可较好地应用于水下爆炸流固耦合问题的求...     

微细三角柱流固耦合动态特性的三维数值研究

在三维双向流固耦合计算基础上使用动网格方法,通过求解不可压缩粘性流体的N-S方程,数值研究了低速流速下(2.5m/s~15m/s)气体绕流微细三角钝体的耦合动态特性及涡激振动特性,得到了运动微细三角柱的升力系数、涡脱频率和振动振幅。观测到了微细三角柱的"锁振"和"拍"现象。接着计算了相同流场条件下的相同尺寸二维三角柱双向流固耦合涡激振动,并将结果与文献及本文中三维模型进行对比发现,三维模型的升力系数的平均幅值、涡脱频率和斯特劳哈尔数较之本文及文献中的二维数值模型较小。     

复模态综合法建立复杂管系的数学模型

本文分析了流固耦合状态下复杂管系振动的特点,提出了用广义复模态理论建立结构模型和用频率相关摩擦模型建立流体模型的基本方法,引入类似于结构模态综合理论的技术在复域建立流固耦合模型,在研究结构振动引起的流体特征畸变、管系振动的监测、调节、预测以及系统故障诊断等方面,该模型具有较好的实用性.     

覆冰输电导线流固耦合风致振动多软件协同数值解耦计算方法研究

输电导线高度不断增加,跨度增大,覆冰导线其横截面不对称,这些因素都造成了导线在风场作用下形成升力和扭矩,进而使得导线振动幅度显著增大;与此同时,由于导线具有柔性性质使导线产生的大变形会对来流风场造成显著影响,而风场的变化又会导致风荷载的变化,从而风与其所引起的结构运动之间就形成了流固耦合作用。本文基于输电导线气动力拟合函数,提出了一种协同运用ANSYS与MATLAB软件,进行冰风载荷下输电线路塔线体系流固耦合振动的并行解耦数值计算方法,用于对冰风环境下的输电塔线结构进行动力学时程分析。数值分析显示考虑流固耦合因素的影响时导线最大位移更大,在输电塔线结构的安全性能分析中必须加以考虑。     

输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

S-FGM板的声振耦合特性研究

基于一阶剪切变形理论提出S-FGM板的位移场,根据Hamilton原理,利用Navier法推导出S-FGM板的运动方程;求解了S-FGM板的固有频率,并与有限元自由振动仿真结果对比;而后根据流固耦合条件,建立起声振耦合方程,求解出隔声量理论解,并与声学仿真结果进行了对比;在验证声振耦合理论模型的合理性后,讨论了材料的体积分数指数、板的厚度对隔声特性的影响。结果表明:当体积分数指数变大,基频呈递减趋势,但不明显;改变体积分数对振动及隔声性能影响较小;当板件厚度的增大时,基频呈递增趋势,其峰谷处隔声量数值更大,隔声效果变好。     

弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论

在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能来连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。同时,经典的达西定律扩展为考虑固体的塑性变形。通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。     

大跨悬索桥三维非平稳耦合抖振分析

基于Priestley(1967)演变功率谱模型，并采用Lin和Yang(1983)的建议，建立了脉动风速的非平稳功率谱模型。依据此模型，采用三维有限元法，建立了大跨桥梁非平稳耦合抖振运动方程。然后，将虚拟激励法和精细时程积分法相结合，建立了求解桥梁三维非平稳耦合抖振运动方程的快速算法。以某大跨悬索桥为例，分析了该桥的非平稳耦合抖振响应，并与平稳耦合抖振响应进行了比较。计算结果表明：随着脉动风速平稳部分持时的增大，非平稳抖振分析结果逐渐收敛于平稳抖振分析结果；但若脉动风速的平稳部分持时较短，非平稳抖振分析结果将低于平稳抖振分析结果。     

弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟

基于流固耦合力学理论,建立了弹性变形油藏中多相渗流的数学模型,该模型考虑了渗流与变形的耦合作用,以及注采交变载荷作下油藏多孔介质的弹性变形特征,给出了耦合数值模拟方法和算例。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

大型上翻式拱形钢闸门流固耦合静动力特性分析研究

论文通过三维空间有限元数值计算模型研究大型上翻式拱形钢闸门的流固耦合动力特性,取得闸门结构流固耦合条件下的振动模态参数,为闸门结构共振分析和采取合理的控振措施提供了科学依据.此外对控制结构强度和刚度的门顶溢流工况进行了闸门位移和应力分布分析,指出了存在问题和修改方向.论文成果可供类似工程设计时参考.     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

远距离爆炸荷载作用下钢框架几何相似律研究

根据Π定理推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型结构与缩比模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,采用AUTODYN建立了钢框架子结构数值模型,验证了流固耦合方法在结构爆炸响应分析中的可靠性。在此基础上,对比了流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明,解析爆炸边界方法可以合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律。     

考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

球阀不同开度下自流注水管路流固耦合动力学特性研究

以输流管道、电液球阀等附件组成的自流注水复杂管路系统为研究对象,基于流固耦合理论,利用有限元软件ANSYS建立系统仿真计算模型并研究其动力学特性。由于管路不同位置的动力学特性不同,本文根据所建立的有限元模型计算球阀不同开度对管路同一位置流体的压力和速度的影响,并比较不同位置在球阀固定开度时的流体特性。结果表明:阀前弯头的流体压力随阀门开度的增加而减小,阀后弯头随阀门开度的增加而增大;当阀门开度固定时,管路不同位置的流体压力分别以球阀(固定开度≤50%)、大小头(固定开度为50%)为分界点呈现不同的趋势。根据流固耦合理论计算球阀不同开度下自流注水管路结构的振动情况,结果发现阀门开度为50%时在0.5s比其他开度多出现一次激振,且加速度幅值较其它开度明显增大。     

树木在风中摇曳的流固耦合数值模拟方法探索

树木在风中摇曳是一个流固耦合问题,但树的结构复杂,无法直接用已有的流固耦合数值方法来模拟.本文提出一种基于虚拟耦合面的流固耦合方法,该方法用一个虚拟的连续曲面把树冠包裹起来,在这个曲面上建立流固耦合关系,并将虚拟曲面上计算得到的风荷载作为树木结构的外力进行加载.虚拟耦合面本身不妨碍树木枝条的运动,且能避免在每个枝条、树...     

风场中长单索结构流固耦合效应的动力学分析

本文介绍了长单索结构的风致振动现象及传统单索动力计算方法,分析了进行流固耦合计算的必要性.详细阐述了流固耦合的基本理论和方法,并介绍了有限元软件ANSYS的流固耦合计算流程.根据两种工况下的流固耦合算例分析,给出了长单索结构跨中节点的位移、应力以及索表面风压等物理量的时程曲线,通过对不同工况以及不同流场模型的模拟和分析比较,探讨了基于流固耦合分析的长单索结构风致振动响应的特点,对长单索结构的风致振动分析和设计具有参考意义.     

飞机主起落架收放摇臂的动力学分析

本地运七飞机主起薄架系统，在接近收上位置到碰锁的过程建立了简化的流固耦合的有限元总体模型。利用动态增量非线性有限元程序（ＡＤＩＮＡ８４年版），对主起落架系统收上碰锁过程进行了动力学流固耦合的有限元分析，在此基础上对摇臂建立了更为精细的有限元地其进行了静力分析，无论总体模型还是精细模型均能够起初地反映实际情况，且模型中的有关参数的选取也是合理的，计算结果与试验结果也是吻合的，这说明本文关于飞机主起落