动态轴向载荷对超空泡航行体振动特性的影响

根据超空泡航行体水下运动特点,理论分析了作用在航行体上的动态轴向载荷,并采用有限单元法对超空泡航行体自由振动特性和动态轴向载荷作用下的动响应特性进行了数值仿真研究.数值计算结果表明:超空泡航行体轴向分布的径向振动模态具有颈缩特点,其振型呈现喇叭状,首阶径向振动模态固有频率为238.13 Hz;动态轴向载荷作用下超空泡航行体壳中各部分的振动特性不完全相同,特别是锥壳首部,其应变幅值逐步累积直至达到一个稳定的水平;在超空泡航行体上工作的设备需要避开一定的工作频率才能稳定工作.     

超空泡航行体双层壳结构动力响应分析

针对超空泡航行体尾拍冲击时的受力特点,建立超空泡航行体双层壳结构的刚柔耦合模型,对结构动力响应进行计算分析.数值结果表明:与单层壳体相比,双层结构内外壳体之间的耦合作用和阻尼层的耗能作用使振动传递得到抑制,尾拍冲击频率在计算时间内减少约19％,结构振动幅值降低约20％;肋板阻尼系数的增加使阻尼层的耗能作用进一步增强,提高了结构的减振能力;壳间连接刚度在一定范围时,连接刚度系数的减小削弱了振动的耦合强度,减小了双层结构的冲击频率和弹性变形,增强了结构的减振作用.     

水下航行体模型空化流动的数值模拟

采用Fluent软件中的k-ε湍流模型对水下航行体模型水下运动的超空泡形成过程进行了数值模拟,分析了饱和蒸气压和航行深度与水下航行体空泡形态的关系,研究了航行深度和温度对航行体阻力系数和头部压力的影响.研究表明,航行体带空泡航行时,空泡形态随航行深度的增加而减小,阻力系数随航行深度的增加而增大,饱和蒸气压对空泡形态和阻力系数的影响不大.研究结果对水下航行体超空泡技术研究具有参考价值.     

水下高速航行体自然超空泡形态特性仿真研究

为使水下高速航行体获得减阻量,基于均匀多相流假设,建立了水下高速航行体自然超空化流动的多相流计算流体力学模型.应用商业软件Fluent 6.2进行了水下高速航行体自然超空泡计算,对比分析了带圆锥和圆盘空化器的两种高速航行体形成超空泡的空泡长度、空泡直径、空泡含汽率和航行体表面的空泡厚度等超空泡形态特性.数值模拟了带圆盘空化器头部航行体的超空泡流发展过程,获得了航行体的超空泡形态变化特性.仿真结果表明:圆盘头形空化器有利于航行体超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;在水下高速航行过程中,航行体形成稳定超空泡的长细比非常高,随着航行体速度的衰减,其超空泡迅速出现不稳定状态.     

水下航行体超空泡减阻数值模拟

利用Fluent6.3对水下航行体超空泡减阻进行了数值模拟,研究了水下航行体空泡形态和阻力系数的变化规律,分析了航行体的受力和减阻特性.结果表明,水下航行体在超空泡绕流时,压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于零,总阻力系数比无空泡绕流时大幅度降低,比流线型模型的也小;航行体的头部在超空泡绕流时承受了绝大部分阻力,尾段所受阻力减小至几乎为零;头部空化器直径增大,超空泡较易形成,但减阻能力降低,空化器直径过小,不能形成超空泡,不能有效减阻.     

露天潜孔钻机钻架-平台耦合振动特性分析

潜孔钻机在大风环境下工作受周期性冲击载荷和风载荷共同作用,动力学行为与钻架和平台结构耦合振动特性密切相关,直接影响钻机工作可靠性.对国产某型潜孔钻机进行改进设计,建立钻架-平台结构耦合动力学模型,采用ANSYS软件对周期性冲击载荷与平行风载(与车身方向平行)或正交风载(与车身方向正交)联合作用下结构耦合振动特性进行仿真分析.结果表明:耦合振动的前十阶模态频率分布在3~28Hz范围内,在14.46~25.32Hz之间存在一个较宽的模态间隔频带,位移幅频特性和动应力幅频特性均存在一个低幅响应区.风载荷相对于机身的作用方向对幅频特性影响很大.该钻机在平行风载下钻架顶端观察点振动位移幅明显低于正交风载下振动位移幅.平行风向载荷下钻机结构最大动应力幅值低于正交风向载荷下钻机结构最大动应力幅值.钻架-平台结构耦合振动特性为钻机结构动态优化设计提供理论依据.     

基于LES/FW-H耦合模型的水下高速运动体流噪特性分析

空化未出现时,水下运动体的流动噪声以结构噪声、机械噪声、仪器噪声等为主,这些噪声主要以多极子形式辐射,线谱与宽谱共存,且随流速与环境压力而变化。而空化一旦发生,水下运动体流动噪声的噪声谱产生明显变化。为研究水下高速运动体噪声特性,以平头回转体为研究对象,基于流体体积(VOF)多相流、SchnerrSauer空化模型,建立了大涡模拟/Ffowcs Williams-Hawkings(LES/FW-H)耦合数值模型,并进行了流场仿真和水洞实验研究,获得了不同工况下水下运动体流噪特性。结果表明,水洞实验中,当空化数降低到0.8左右,才能明显看到空泡形成;水洞壁面湍流扰动所引起的噪声为水下运动体流噪的主要来源;运动体流噪与速度和压力有关,速度越大,噪声幅值越大;环境压力越大,噪声幅值也越大;运动体航行产生空泡后,其噪声特性发生改变,流噪变得更为复杂,起伏变化更快。     

风载与冲击载荷作用下钻架动力特性仿真分析

针对露天矿用潜孔钻机钻架在高寒大风地区工作时受冲击载荷影响易出现大幅摆动的问题,采用数值仿真方法,对某一现场使用钻机进行不同风向载荷与冲击载荷同时作用下钻架结构动力学分析,得到结构幅频响应曲线及动应力响应规律.结果表明:有风载荷作用下钻架结构的最大摆幅与最大动应力值显著提高,结构安全系数降低;幅频响应及动应力响应规律与结构动态性能关系密切;风载荷作用方向不同时钻架最大动应力作用位置不变,但最大动应力值和振幅值有明显不同;风载荷作用方向与钻机车身平行时,钻架的动应力及摆动位移最大,结构安全系数最低.     

基于结构水下冲击响应识别结构模态参数

在冲击载荷作用下,基于水下结构的动力学方程,结合Hilbert-Huang变换(HHT)推导出冲击作用下结构响应与模态参数的关系,并识别了水下结构的频率和模态阻尼比.HHT方法适合处理冲击等非平稳响应,设计的带通滤波器能自动选取截止频率,可以准确地得到各阶模态响应.且只需要结构适当一点的冲击响应,就可得到结构的固有频率和模态阻尼比.最后,以一水下矩形钢板为例,经数值计算在典型的爆炸冲击载荷作用下结构的振动响应,通过本方法得到了结构的固有频率和模态阻尼比,再以水下圆柱壳结构为例,同样得到了结构的固有频率和模态阻尼比,验证了本方法在冲击作用下识别水下结构模态参数的可行性.     

水下航行器耐压壳体参数化设计优化

为提高水下航行器耐压壳体结构设计效率,研究了基于参数化分析和响应面近似模型的耐压壳体结构优化设计方法.确定某型水下航行器的耐压壳体结构5个尺寸为优化设计变量,应用薄壳理论和CCS规范进行了初步设计并确定了优化变量可行域,采用最优拉丁超立方法(Opt LHD)在可行域空间内确定设计试验样本点,研究了ABAQUS参数化驱动样本点的方法,建立了极限载荷的二阶多项式响应面模型.以极限载荷和壳体质量为优化目标,利用二代非劣排序遗传算法进行耐压壳体的多目标优化求解,得到Pareto最优解集.最终优化结果较初步设计结构极限载荷提高41.68%,壳体质量降低27.26%.参数化方法能够简化优化过程,提高优化效率,为水下航行器结构优化设计提供了借鉴.