随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法,采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造,并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致,实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步,基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型,并以顶点位移为指标,进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明,风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位,同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外,随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备,可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。     

垂直轴自由变偏角水轮机的多体耦合数值求解方法

基于达朗伯原理建立了自由变偏角水轮机结构动力学模型,并结合粘性CFD方法,形成了一种用于分析自由变偏角潮流能水轮机水动力特性的多体耦合数值计算方法.将该方法与试验及非耦合算法进行了对比分析,并研究了自启动、流速变化和负载变化对水轮机性能的影响规律.研究表明:本文建立的数值计算方法能够有效模拟自由变偏角水轮机在各种非定常过程中的运动特性和动力特性.     

带有新型涡激振动抑制罩的圆柱体的水动力特性

通过模型实验和数值模拟计算,研究了带有涡激振动抑制罩的圆截面柱体的水动力特性.模型实验主要测试了柱体上附加谐波型和类圆锥型涡激振动抑制罩的单摆结构在不同流速下发生涡激振动的性质;数值模拟则针对谐波型和圆锥型扰动,在雷诺数Re为102到105范围内,研究其水动力参数,如阻力、升力和涡脱落频率等,随扰动波长和波动强度的变化.模型实验结果表明,在直圆柱开始发生共振的流速下,带抑制罩的柱体的振幅显著降低,而在更高流速下则显著增大.数值模拟结果表明,谐波型和圆锥型扰动具有相似的水动力特性;且在不同Re时,阻力、升力和涡脱落频率具有相似的变化规律;随波动强度的增大,阻力一般逐渐增大,升力则在多数情况下先减小而后增大,而涡脱落频率一般逐渐减小.      

柔性纤维简单剪切流场中的运动特性研究

基于杆链模型,对简单剪切流场中柔性纤维进行模化;通过对有效刚度较大的纤维进行数值模拟,所得结果满足Jeffery轨迹,从而验证了模型的正确性;本文还对半稀相条件下不同浓度对柔性纤维的运动特性的影响机制进行了数值模拟研究。结果表明:纤维在运动过程中发生不同程度的弯曲扭转等变形,形态上呈现出弹簧形、蛇形、缠绕形等;纤维的碰撞摩擦对纤维弯曲角有着显著的影响,但对纤维的扭转影响不大;碰撞摩擦次数增大时,纤维弯曲程度和波动幅度依次增大;半稀相条件下,纤维间的碰撞摩擦和纤维的弯曲扭转变形开始取代水动力作用,并对纤维的运动特性有着决定性的作用,使得纤维取向分布趋于随机状态。     

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

新型穿浪式浮标的水动力性能分析

基于柱型浮标提出新型穿浪式浮标的设计方案,该浮标采用六根中间浮筒代替单一浮筒,并在尾筒末端安装垂荡板,浮标整体采用超高分子量聚乙烯加工。本文使用频域分析法对穿浪式浮标和柱型浮标垂荡方向的运动响应进行对比分析,研究了不同直径的垂荡板对穿浪式浮标垂荡方向的运动响应和附加质量的影响。结果证明:相比于同尺寸的柱型浮标,穿浪式浮标的质量更小,固有频率更大,垂荡方向的运动响应和稳定性优于钢制浮标;通过在浮标尾筒末端加装垂荡板能够显著增加浮标垂荡方向的附加质量,减小浮标垂荡方向的运动幅值,进一步改善浮标的性能和生存能力。     

抽油机塔架的有限元建模及分析

研究了抽油机塔架模型建立时塔架、底座、水泥基础等的处理方法;着重探讨了地基土力学特性和基础形状对抽油机晃动的影响,提出了建立模型时地基土与水泥基础的关系以及注意事项,为建立塔架等同类零件的有限元分析模型提供了理论指导;利用ANSYS 12.1软件平台,提出了将地基土抗压特性简化为弹性杆抗压特性的等效分析模型,分析了塔架在不同地基情况下的应力和位移。测试结果表明:各主腿测试结果与有限元分析结果规律基本一致,主腿有限元分析结果稍大于测试结果,原因是有限元分析建模时忽略了加强筋等细节结构,弹性地基土模型可靠。在弹性地基模型基础上,研究了不同风载和偏载等情况下的应力和位移,根据应力应变云图得出塔架最大应力应变点在顶部,由底座危险节点位移情况表明地基土一直处于受压状态,抽油机稳定。本文研究对抽油机塔架设计、水泥基础以及安装中地基土预处理提出了合理建议,为获取性价比较高的塔架设计方案提供了理论依据。     

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

螺旋侧板和水深对浮式风机动态响应的影响

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,提出平台附加螺旋侧板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到不同水深条件下,风力机平台在风、浪、流载荷联合作用下的频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板是否对结构的频响特性起到提升作用。结果表明,附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到了显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力所受影响更显著;水深变化对结构响应的幅值有着显著影响。     

木龙河斜拉跨越结构的静态力学分析

利用有限元法对木龙河斜拉跨越结构进行了力学分析. 结果表明: 安装时索 具有一定的预应变可以提高结构的强度和刚度, 但预应变太大反而降低结构的刚度和强度, 预应变存在一个最优值, 且最优值与结构的形式和载荷有关; 在工作载荷或充水载荷作用下, 结构的强度刚刚满足要求; 在极限载荷作用下, 结构的强度不满足要求; 结构中最大应力出 现在左塔架顶端连接索处、右塔架顶端连接索处和管桥架中间上缘杆.     

连体构架避雷针风振计算的简化方法

为简化构架避雷针风振时域计算从而有效降低计算耗时,以单跨和三跨构架避雷针结构为例,根据构架体系的结构特性和风振特点,提出一种简化计算方法,即对每个塔架单独建模并考虑结构刚度和质量系统的一致性和横梁荷载的等效加载,从而对每个塔架单独进行动力计算,并对这种简化方法的合理性进行了验证。研究发现,构架避雷针的频率较小,风振效应较为显著,但在各方向均以一阶振型为绝对主力;构架避雷针的塔架在平面外的荷载耦联效应极小,平面内也仅表现有位移均值的耦联效应:这两个结构特性也为风振简化计算提供了便利。对每个塔架的简化模型,通过在塔架与原横梁连接处设置弹簧和附加质量来实现对原结构一阶振型的等效,并通过影响线法将横梁分布风荷载等效为塔架的集中荷载。由此简化方法所得的结构风振静动力响应结果均与原始结构有良好一致性,并且计算效率得以显著提升。     

某型水陆两栖飞机水面高速滑行振动研究

某型水陆两栖飞机在某次试飞过程中的水面高速滑行阶段出现海豚运动和机翼振动的异常现象,针对该现象展开原因分析研究。首先,建立飞机结构动力学有限元模型,研究弹性体飞机的固有动力特性;然后,建立双质量弹簧系统模型,结合水动力学研究飞机在水面滑行的运动特性;最后,结合飞机固有动力特性和水面高速滑行运动特性,分析飞机在水面高速滑行过程中机翼产生异常振动的原因。研究结果表明：飞机着水时因着水姿态以及自身静稳性等因素发生海豚运动;在某个运动时刻,当运动固有频率与机翼的一阶弹性模态频率耦合导致机翼振动。研究结果既为后续研究异常避免措施以及保证滑行试飞安全,提供了理论依据;也为水陆两栖飞机振动设计以及水面高速滑行振动分析提供了一种研究思路。     

水动力作用下流冰撞击闸墩的动力响应研究

高寒地区河冰撞击河道的闸墩结构会产生极端冰载荷和冰激振动,水的动力效应使得碰撞过程更加复杂。采用任意拉格朗日-欧拉流固耦合方法,考虑作用在流冰和闸墩表面的流体力,建立了水-冰-闸墩耦合模型,探究了偶然极端条件下冰-闸墩碰撞的力学特性,设计了冰-砼碰撞实验。结果表明：冰-砼碰撞实验中,撞击力的模拟结果与实验结果吻合良好;对流固耦合的水动力效应分析发现,水-冰-闸墩耦合模型能够体现水的流体特性,在流冰撞击闸墩近场逼近过程中,初始时刻水的动力效应能够增加流冰的动能,撞击楔入闸墩过程中,水介质形成一个瞬态高压力场,产生水垫效应吸收冰体部分动能,从而抑制流冰运动;在不同流冰体积和压缩强度工况下,闸墩结构所承受的冰力随着流冰体积的增大而增大,流冰压缩强度对冰力的影响较小,流冰损伤与闸墩结构响应主要集中在碰撞接触区,流冰撞击闸墩结构引起冰激振动,流冰体积对闸墩振动加速度的影响较大,相同体积的流冰随着压缩强度的增大,振动幅值差异不明显,表明流冰体积是影响冰-闸墩碰撞的关键参数。     

三体船操纵性水动力导数计算及回转性能研究

三体船作为一种新船型自诞生起就受到广泛关注,但操纵性方面的研究较少.论文为研究三体船片体布局对三体船操纵性能的影响,使用CFD方法对操纵性运动粘性流场进行数值模拟.论文通过对斜拖运动,悬臂运动的数值模拟,得到了三体船操纵性水动力导数.使用旋臂运动对操纵性进行预报所得到的水动力导数阶数高,各水动力导数与各工况之间对应关系清楚,且将惯性类导数和粘性类导数完全分离,进一步提高了预报精度.论文对旋臂运动进行数值模拟,以此预报三体船的操纵性中的回转性能,并研究三体船片体布局对回转性的影响.结果表明:(1)片体前移,三体船的回转性能较好;(2)片体间距越小,三体船回转性能越好.     

混凝土HJC本构模型参数的研究

运用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA模拟了混凝土SHPB试验.将试验采集的入射波数据作为压杆的端面载荷,模拟条件尽量符合试验条件,确保模拟精度.将数值模拟与试验结果相结合,研究了混凝土HJC模型参数的确定方法,得到了C60混凝土的相关计算参数,模拟结果得到的应力-应变曲线与不同应变率下混凝土SHPB试验应力-应变曲线吻合较好.分析了HJC模型的本构特性,比较了与金属JC模型的差异与共性,讨论了HJC模型存在的问题.研究结果表明,未考虑混凝土弹性响应的应变率效应,横向效应的影响与采用的失效方式密切相关.     

基于正交设计的冲击荷载下型钢混凝土梁动力性能有限元分析

为研究冲击荷载下型钢混凝土梁的动力性能,取试验结果验证模型有效性后,使用有限元软件ABAQUS建立了型钢混凝土梁落锤冲击模型．在对比了型钢混凝土梁与钢筋混凝土梁的动力性能后,分析了落锤速度对型钢混凝土梁的冲击位移、冲击力、冲击力位移曲线、惯性效应、塑性耗能等性能的影响,然后基于正交设计,研究了落锤质量、落锤速度、混凝土强度等参数对型钢混凝土梁动力性能的影响．研究结果表明：型钢混凝土梁的抗冲击性能较好;落锤速度是影响构件动力性能的主要参数,落锤质量对动力性能的影响较大,提高混凝土强度有助于增强构件的抗冲击性能．     

土水特征曲线的通用数学模型研究

土水特征曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水特征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系数 ,甚至可以确定地下水面以上水份分布。由于土体物理力学特性的差异 ,导致描述其土水特征曲线的数学模型也各不相同。因此 ,建立土水特征曲线的通用数学表达式 ,显得尤为必要。本文对土水特征曲线数学模型进行了研究 ,依据这些模型的数学表达式形式 ,将其划分为 4种类型。分别由这 4种类型的数学模型推导出具有统一表达式形式的土水特征曲线通用数学模型 ,并运用陕北高原黄土土水特征曲线试验数据对通用数学模型进行了研究     

有压水环境中的混凝土动态抗压性能试验研究

对有压水环境中的混凝土进行了不同应变速率下的动态压缩试验研究,获得了水压为0~10MPa时的混凝土含水量特征以及不同应变速率下的应力应变曲线。试验结果表明:应变速率不高于10~(-3)/s时,混凝土的应力应变曲线与干燥混凝土的相似,受力状态如同单轴加载;在应变速率为10~(-2)/s时,其应力应变曲线的后半支随水压力增加而提高,与三轴受力状态类似,水压力对混凝土形成了围压效应。混凝土的强度及其动态增强因子随应变速率呈非线性增加趋势,水压力越高则增长速度越快。强度压力增强因子随水压力的变化趋势在不同应变速率下存在差异。在慢速加载时,强度压力增强因子变化幅度为10%,而快速加载时,其随水压力提高而增加,且显著高于慢速加载时的情况。在深入研究混凝土强度动态增强因子和压力增强因子的基础上,构建了有压水环境中混凝土的经验本构模型。该模型考虑了水压力和应变速率共同作用对混凝土强度的影响,与试验数据吻合较好。结合混凝土的含水量特征,进一步分析了不同应变速率下孔隙水对其力学性能影响的作用机理,分析表明含水量不同导致了粘滞应力和超孔隙水压力的差异,从而引起混凝土强度的非线性增长。     

集中质量撞击作用下刚塑性梁剪切和弯曲的联合响应

集中质量撞击作用下梁的刚塑性动力分析是结构碰撞的研究课题之一。很多学者曾做了详细的研究。实验表明,对于剪切强度较弱的梁,在集中质量撞击作用下梁内将出现明显的剪切滑移变形。因此,研究剪切变形对梁的动力塑性响应的影响是十分必要的,symonds、Nonaka和Oliveira曾采用方形的横向剪力和弯矩的屈服曲线研究了集中质量撞击作用下有限长梁的刚塑性动力分析。本文采用圆形屈服曲线进一步讨论了上述问题,目的是考察不同的屈服曲线对梁的动力塑性响应的影响。     

运用轻便触探和静载荷试验研究黄土的湿陷性(英文)

黄土在应力作用下迂水时力学强度迅速下降 ,产生大范围的快速沉陷。这就是黄土的湿陷性 ,是黄土的诸多特性之一。鉴于对黄土湿陷性以往用各种实验室试验指标进行评价 ,这里提出运用动力触探和静载荷试验进行黄土湿陷性原位评价的一种简便的新方法。该方法的试验程序是 ,先用轻便可变动能触探仪在天然状态和饱水状态下进行触探试验 ,而后在触探孔完成静载荷压缩性试验。运用中国黄土高原黄土原位动力触探和静载荷试验测得的资料 ,详细分析了天然状态的黄土对探头阻力 qdnat,饱水状态的黄土对探头阻力 qdsat,实验室测得的湿陷性指数δs压缩曲线参数 (即触探极限压力 ppf,触探蠕变压力ppl 和触探载荷模量Epn)的关系。结果证明所提出的方法适用于原位判定黄土的湿陷性。