三维流体诱发振动的理论模型与数值模拟

建立了三维流体诱发振动的理论及数值模型，采用任意拉格朗日-欧拉框架下的三维非定常Navier-Stokes方程组及波动方程组，分别描述了流体的流动及结构振动．流动及振动控制方程组分别采用基于非结构化运动网格上的有限体积法和有限差分法求解．对刚性、受限振动及自由振动的三维圆柱体进行了数值计算．结果表明：圆柱的自由振动基本上为Strouhal型涡诱发振动，即每个截面按“8”字型轨迹运动，且横向振幅远大于流向振幅，计算结果与现有的实验及数值解吻合较好．首次采用流体诱发振动模型对极限环振动模式进行了定量分析，发现在圆柱中间截面附近高频气动力对振动起阻尼作用，而在端面附近气动力与位移间的稳定相位差对振动起激励作用．     

内嵌晃荡液体减振的流固耦合分析

在考虑流体黏性及表面张力作用的情况下,采用分离求解器交错迭代隐式耦合的方法建立了内嵌晃荡减振器的弹性悬臂梁做自由衰减振动或受迫振动的流固耦合物理模型,并对悬臂梁晃荡减振过程进行了瞬态数值计算;结合计算结果与减振理论,分析了内嵌流体导致梁振动衰减的主要原因,认为悬臂梁振动过程中液体受迫晃荡受自由晃荡的影响,其相对位移滞后于梁的振动位移,液体对梁的阻碍冲量大于激励冲量。由此,提出了以振动频率与驻波频率的比值γ来表征自由晃荡,并采用数值模拟方法比较了不同γ下方形容器受迫摇晃的液体作用力,以及晃荡减振器在悬臂梁自由衰减振动中的减振性能。结果表明,γ值越大,单位质量液体的减振效果越明显。该结果可为优化晃荡减振器研究提供参考。     

弹性底板矩形贮箱流固耦合系统的自由振动分析

基于Bernoulli方程,通过对弹性体与流场耦合作用机理的分析,建立了弹性底板矩形贮箱流固耦合系统的自由振动方程.将系统的自由振动问题降为一维问题来处理,提出了一种分析此系统自由振动问题的半解析方法,并采用迦辽金方法,求解了系统的自由振动频率.最后讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构几何参数以及液体的深度与密度对系统自由振动频率的影响,以便更确切地反映弹性底板矩形贮箱与流体耦合作用的实际机理.     

流动流体的管道弥散特征分析

推导了含流动流体管道耦合系统自由振动方程,对管内流体声压的特征,不同周向模式（ｎ＝０,１,２,５）和不同轴向波数所对应的波类型进行了分析,从而确定决定流体管道中能量流的基本波类型．     

输水管的振动

本文提出了对包含有流动流体的管道自由振动频率的一个计算方法。管道是作为简支薄壁圆柱壳来考虑的。文中给出了数值算例。     

静水中悬臂同轴圆柱壳的流固耦合振动分析

采用能量方法计算固定—自由边界条件下的同轴圆柱薄壳结构在水中的振动频率,通过假设振型来计算壳体和流体的能量,由Hamilton原理给出流体附加质量系数的表达形式并计算出振动频率,讨论了间隙因素对频率的影响.结果显示,本方法所得的解与由ANSYS方法得到的解符合较好.     

单列圆柱流体诱导振动数值模拟研究

基于表面涡方法和流固耦合模型,研究了雷诺数为2.67×104时的单列圆柱流体诱导振动问题,并计算了涡云图、流体力、振动响应、涡脱落频率等.计算模拟结果很好地重现了刚性单列圆柱在小间隙比(1.5)下以宽、窄尾涡交替和多频为特征的非均匀流态,以及间隙比为2.0时的涡脱落现象.此外,还研究了单列自由振动的弹性圆柱在间隙比为2.0时的流体诱导振动问题,结果表明:在大振幅条件下,流体诱导力在x方向和y方向有较强烈的耦合;随着振幅的减小,x方向振动对y方向振动的影响可以忽略,可采用单自由度的动力学模型假设进行计算.     

流动流体的管道弥散特征分析

推导了含流动汉体管道耦合系统自由振动方程，对管内流体声压的特征，不同周向模式（ｎ＝０，１，２，５）和不同轴向波数所对应的波类型进行了分析，从而确定决定流体管道中能量流的基本波类型。     

内嵌黏性流体欧拉梁的自适应减振模式研究

基于内嵌式黏性流体单元自适应减振方法（IVFUM），研究了一种新的内嵌式黏性流体单元（IVFU）减振模式．在简谐定频激励下，通过构建流体活动边界条件，将流固耦合模型近似简化为充液腔的纯流体动力学问题，并应用CFD软件FLUENT对内嵌流体欧拉梁在主振动下腔内流体的流动进行了数值模拟，结果表明：两种IVFU在一、二阶主振动下的自由表面形状、速度、相对压强及压力分布等流动性态对欧拉梁减振具有自适应和有效性；梁内流道水平比流道倾斜更具有减振的工程应用价值．     

弹性地基上不可压含液饱和多孔弹性梁的自由振动

基于不可压多孔介质理论,采用Kirchhoff假定,建立孔隙流体沿轴向扩散的情形下弹性地基上含液饱和多孔弹性梁横向弯曲的数学模型.利用Fourier级数展开法研究两端简支且自由透水边界条件下多孔弹性梁的自由振动特性.通过数值算例,考察弹性基床系数和流-固耦合系数对多孔弹性梁自由振动的影响规律.     

水流激励对水轮机主轴系统扭振固有频率的影响

以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,针对主轴系统存在扭振的情形,应用有限元法建立主轴系统动力学方程,利用理论力学和流体力学知识推导转轮内的水流对主轴系统所产生的作用力矩,得到水轮机转轮内水流激励向量,应用振动知识建立主轴系统的扭振频率方程,并根据扭振频率方程研究转轮内水流激励对主轴系统扭振固有频率的影响.研究表明:水轮机转轮内的水流激励不仅与水力参数有关,而且还和主轴系统的扭振有关,在水流激励的作用下,主轴系统扭振固有频率将比其未受到水流激励作用时的扭振固有频率有所降低,其中第一阶扭振固有频率降低幅度最大.最后通过实例对理论分析结果进行验证.     

混砂车搅拌叶轮流固耦合模态分析研究

为了研究流体作用力、离心力及重力等载荷对混砂车搅拌叶轮模态的影响,建立了混砂车搅拌系统的三维模型,分别对叶轮的静态模态和预应力模态进行了分析。结果表明:各载荷对混砂车叶轮模态固有频率影响不大,叶轮在两种工况下固有频率变化较小,最大变化率仅为0.61%;在流固耦合作用下叶轮振型的第2阶及第3阶振型最大值有所减小,其他各阶振型最大值无显著增大。     

埋地管线轴向振动特性的行波方法分析

考虑管-土及管-液间的相互作用,建立了埋地管线轴向振动的行波分析模型.由实验验证了行波方法的有效性,由数值算例研究了泊松耦合、连接耦合及土质条件对埋地管线振动特性的影响.算例结果表明,泊松耦合作用使系统在低频处出现了较多共振峰,忽略流体作用或仅将其视为固体填充物不能反映系统的该振动特性,系统频率的降低增大了系统在低频荷载作用下的危险性;由于流体边界的改变,连接耦合使系统各阶固有频率降低;随土体剪切刚度的增加,系统固有频率增大;土体阻尼可使系统振幅降低,但对系统频率影响不大.     

中间支承输流管道自由振动的有限元分析

基于Euler梁模型研究中间支承输流管道的动力学特性。首先,利用虚功原理,建立系统动力学有限元方程。然后,分析了支承刚度、流体离心力、预应力等因素对管道振动的影响。结果表明:支承刚度对管道系统动力学特性有重要影响,管路设计时须着重考虑;揭示了流体离心力是造成固有频率随流速增大而降低的根本原因;流体科氏力对各阶固有频率影响较小;预应力对振动的影响不可忽略,尤其是第一阶固有振动。     

基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析

使用ANSYS Workbench软件,对流固耦合作用下的三通管振动特性进行分析。首先应用Solidworks和ANSYS Workbench对结构进行几何建模,再利用CFX模块对流场进行计算,将得出的结果以荷载的形式导入Workbench进行流固耦合状态下的模态分析。计算研究三通管在双进单出和单进双出情况下的入水口流速、入水口压强和管壁厚度对固有频率的影响。结果表明,双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大,两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形;管道的固有频率会随着入水口压强和流速的增加而增加;随着壁厚的增加,前三阶固有频率有所降低,第4～6阶固有频率则先升后降;在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下,双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。     

考虑流体影响的水轮机叶轮固有频率

将工作时水轮机叶轮简化为浸在流体中的旋转圆盘,建立了流体中圆盘振动微分方程,并考虑边界条件对其固有频率的影响.分别研究了不同圆盘转速、不同流体深度以及不同流体密度对固有频率的影响.研究结果表明,与真空中圆盘的固有频率相比,沉浸在流体中的圆盘的固有频率降低.当浸在流体中的圆盘发生旋转时,圆盘的模态由驻波变为行波,不同的旋转方向将对应两个不同的固有频率值.当流体深度减小时,固有频率值降低;流体密度越大,固有频率越小.     

基于传递矩阵法的电流变体-砂浆悬臂梁动态特性仿真

利用电流变体作为驱动元件与基体砂浆材料直接复合制成智能悬臂梁结构．调节施加在电流变体上的电压,用瞬态激振的方法测定其在不同电场激励下的自振频率,发现当电场强度超过2kV／mm时,电场变化对复合梁的振动频率有一定的影响,其中对一阶频率的影响最大．在实验研究的基础上,基于传递矩阵法和线弹性断裂力学理论,通过定义等效裂纹深度,建立了含电流变体的砂浆复合悬臂梁的振动模型,并得到理论计算复合悬臂梁频率的特征方程．根据实验数据确定模型的参数,并编制MATLAB程序来模拟含电流变体的砂浆悬臂梁随电场强度变化时自振频率的变化规律．研究结果表明,该模型的模拟值与实验值吻合得较好,说明利用这种方法建立含电流变体砂浆复合结构的振动模型是基本可行的．     

输送液体的层压圆柱壳的自由振动

本文应用诺沃日洛夫的壳体理论,对输送液体的层压复合材料圆柱壳的自由振动进行了分析,在分析中忽略了壳体结构的切向及轴向惯性力的影响,考虑了壳体和液体的相互作用,导出了一般情况下的频率方程。实例中对两端简支双层正交异性材料薄片组成的圆柱壳的固有频率进行了数值计算,得到了一些有价值的结果。     

混凝土泵车输料管流构耦合振动研究

混凝土泵车在浇注过程中,输料管振动和混凝土流动是典型的流构耦合现象.建立了输料管和混凝土的耦合运动微分方程;通过无量纲化、离散化得到了在不同流速和不同压力下进行混凝土输送时管道的固有频率曲线.随着输送压力的提高,一阶和二阶固有频率降低;而随着输送速度的提高,固有频率则逐渐升高.在确定压力和流速之后,可以避免浇注过程工作在共振频率范围之内,从而减少对臂架的疲劳破坏.为混凝土浇注过程压力、输送速度及混凝土泵的工作频率选择提供了依据.     

车用悬置系统的仿真分析

对整车的动力总成悬置系统进行了研究,并在ADAMS软件中建立其动力学仿真模型,计算出系统的固有频率,计算结果对悬置系统的隔振分析有一定的参考价值.总成系统的各向固有频率应配置在5~25Hz,以避开汽车行驶时可能引起的共振.