三体船附加质量的数值求解及分析

以船舶操纵水动力预报为研究背景,以无升力势流理论为基础,采用源分布面元法对半椭球体和Wigley船在水平面内运动的附加质量进行计算,将由附加质量所得孟克力矩与无升力势流理论物面压力分布所得孟克力矩理论计算结果进行对比,验证本方法计算结果的正确性及其用于孟克力矩计算的适用性.根据本计算方法求解不同侧体布局下三体船的附加质量,并分析侧体布局对三体船附加质量的影响,所得结果和结论符合实际船舶操纵运动规律.     

有黏流场中旋成椭球体的轴向附加质量系数计算

为了估算有黏流情况下飞艇的轴向附加质量系数,采用计算流体动力学(CFD)技术计算了有黏流情况下椭球体在时变来流速度下的气动力随时间变化曲线,然后通过傅里叶分析法辨识得到了椭球体的非定常气动力系数,最后将与加速度相关的气动力系数折算成轴向附加质量系数.通过研究相同空速下,来流速度对气动力的影响,将运动体在静止来流中运动的气动力计算问题转化为相同空速下运动体静止而来流时变的气动力计算问题.这种转化避免了在CFD计算中使用动网格技术.数值计算的结果表明:在一定的条件下,有黏流场中也可以定义轴向附加质量的概念;但有黏流的轴向附加质量和无黏流中的结果有较大的差异.     

带有附加集中质量的正交各向异性周边支承单向连续板的弹性振动

本文从四边支承的带有附加集中质量的正交各向异性单向连续板的力学简化模型出发,利用Dirac σ函数处理了板上的附加集中质量、集中激振力、中间支座的弹性反力和弹性扭转反力矩.采用有限Fourier正弦变换,求得了系统自由振动和复阻尼稳态强迫振动的解析解.首先得到的是一个双重三角级数解,然后对解式做处理,求出其中一重和,得到一个单级数的解,从而改进了解的收敛性,文中定义了一些处理连续板动力问题的基本函数,并对解所适应的边界情况和中间支座情况进行了讨论.作者根据解的适应范围编制了719机通用电算程序,对带有附加集中质量的连续板的自振频率、振型和动力响应进行了实例计算,和试验结果相当接近.     

坝-水动力相互作用试验研究中的几个问题

本文主要对满库水坝动力模型试验中某些问题进行探讨,並用附加质量的方法来替代库水作用,进行满库水坝的动力特性试验,其成果与计算结果进行了比较.     

水陆两栖飞机船体水动力矩特性研究

船体水动力矩特性是水陆两栖飞机水动力性能的重要部分。为了研究某型飞机船体的水动力矩特性,开展了单船身模型水池力矩试验,详细研究了飞机纵倾角、断阶吃水及试验速度对船体水动力矩的影响,并对试验结果的可信度进行对比论证。结果表明该力矩试验得到的船体力矩特性数据具有较高的可信度,船体水动力矩随着断阶吃水和试验速度的增大而增大,而随着纵倾角则呈现先增大再减小的趋势。     

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ₂₂以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.     

受迫横摇运动浮式立轴叶轮的水动力性能分析

将浮式垂直轴叶轮在波浪中运动的水动力学问题简化为其在均匀流中受到强迫摇荡运动.通过二次开发ANSYS-CFX软件建立了这种强迫摇荡的水动力学模型,计算了垂直轴叶轮绕自身主轴旋转的同时发生单自由度受迫横摇运动时的水动力性能,分析了不同受迫横摇运动频率对叶轮推力和侧向力的影响,通过对计算的推力和侧向力进行傅里叶级数展开并进行最小二乘法拟合,得到了与水轮机受迫横摇运动速度和加速度相关的阻尼和附加质量傅里叶级数系数.计算结果表明:受迫横摇运动下的叶轮效率、推力和侧向力曲线的上下包络线明显按照横摇频率发生周期性波动;随着横摇频率的增加,推力和侧向力系数包络线波动幅值会随之增大,但平均值几乎不变;不同横摇频率下,在推力中阻尼项有较大的占比,而在侧向力中阻尼力和附加质量力几乎相当.浮式立轴叶轮在波流作用下的摇荡运动对潮流能装置的结构强度和疲劳特性有很大影响.研究结果对波流作用下的浮式潮流能装置水动力特性的研究有较大的工程和学术意义.     

考虑裁切效应飞艇囊体模型充气数值模拟与试验

为了研究飞艇囊体结构的力学性能,建立了考虑裁切效应的囊体缩比模型.首先进行了织物膜材的双轴拉伸试验,根据试验结果拟合出材料力学参数的应力响应面并编写了材料模型子程序.利用Abaqus模拟了囊体裁切过程,建立了飞艇囊体初始构型的有限元模型,并对囊体充气过程进行了数值模拟.最后设计并制作了飞艇缩比模型并进行充气试验,测量了不同内压下膜面的变形特征.结果发现:考虑裁切效应得到的囊体初始构型和理想回转体模型存在明显的差异;裁切模型膜面变形最大值误差在12%以内,并且随着内压的增大,模型分析误差逐渐减小;裁切效应在飞艇精细化建模分析中具有不可忽略的作用.     

自主稳定可控制水下拖曳体的设计及控制性能

针对现有可控制拖曳体控制机构复杂、姿态不容易稳定的缺陷,提出并设计了一种自主稳定可控制拖曳体的样机．该拖曳体主要由可调节攻角迫沉水翼、方向稳定浮体和矩形主体组成,拖曳体的轨迹与姿态控制由主动迫沉水翼以及双尾推进器产生的力和力矩的改变来实现．水动力操纵试验表明：采用前述方法设计的拖曳体具有良好的姿态稳定性和更高的深度操纵效率,对其控制系统的设计要求也大大简化．     

基于重复控制的多轴旋转机械动不平衡问题研究

在分析旋转机械体的运动学和动力学模型的基础上,建立了运动系统的动不平衡模型,表现出由于运动系统存在动不平衡问题造成的周期性扰动力矩,影响旋转机械体各轴的定位精度和速率精度。针对旋转机械体系统的动平衡扰动是多周期的,提出重复控制方法,该方法能将减小周期正弦非线性干扰引起的系统误差。选取测试台作为研究对象进行仿真,结果验证了所设计的控制系统对消除动平衡引起的周期性扰动的有效性。     

减阻流中聚合物的流体动力学行为研究

基于单参数的椭球－珠簧二元模型，分析了减阻流中聚合物分子的动力学行为，求解数值积分运动方程后，得到了聚合物分子的周期运动规律和剪切稀化现象．研究结果表明，由于聚合物分子的变形效应，其旋转频率随着剪切率的增大而减小，从而提高了流体的稳定性．该模型为减阻机理的研究提供了动力学分析基础．     

两层流体中大直径圆柱体的水动作用力

研究了两层流体中大直径垂直圆柱体上的水动力特性．基于分离变量法,建立了绕射势和辐射势的解析解,导出了作用在大直径圆柱体上水动作用力的计算公式．与单层流体不同,对两层流体,作用在大直径圆柱体上的水动作用力,除了表面波模态的波浪力、附加质量和阻尼系数外,还有内波模态的波浪力、附加质量和阻尼系数．对所建立的求解模型进行数值计算分析的结果表明,在某个频率范围内,流体的分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的．     

重力坝-库水-地基相互作用分析方法比较研究

对5种不同高度的重力坝分别采用流固耦合模型与附加质量模型进行了坝体-库水系统相互作用的时域地震动分析.将这两种模型计算所得动水压力结果与Westergaard公式解析解相比较可知,约70m高的中低重力坝采用Westergaard公式计算动水压力就能满足工程实际的要求;对于160m以上的中高重力坝,采用流固耦合模型计算库水作用及坝体动力响应较为接近现实情况.从坝体频率、位移、峰值加速度(PGA)三个方面的结果可以看出,附加质量模型模拟地震条件下库水对坝体作用较流固耦合模型有一定的夸大,对中高坝而言更为显著.地基对200m级高坝库水作用的影响非常明显,在计算坝体与库水相互作用时地基作用不可忽略;对于70m高的中低坝,地基作用可以不用考虑.     

桩基础承台水平附加质量分析

基于速度势理论 ,研究了水中桩基圆形承台作水平简谐运动时 ,承台侧面的动水压力 .提出了一个有效的计算承台侧面动水压力的半解析半数值方法 ,进而得到附加质量系数 .该方法不仅能考虑自由表面波对动水压力的影响 ,而且还适用于位于任意水深处的承台 .分析表明 ,水面附近的承台作低频简谐运动时 ,承台上的动水压力受表面波影响较大 ;而承台作高频简谐运动时 ,受表面波影响很小 .此外 ,采用修正Morison方程常规附加质量系数 ,会夸大水对承台的作用     

考虑附加质量的浮升混合飞艇运动分析

浮升混合飞行器体积巨大,质量与排开周围空气的质量比值较大,导致其附加质量效应明显,需要在分析时考虑其附加质量的影响。借助自编译UDF的六自由度刚体运动程序进行加速运动流场的瞬态计算,采用CFD方法得到复杂外形的浮升混合飞行器附加质量矩阵。飞行器受到扰动时,模型本身的所受扰动趋于收敛,但由于附加惯性力的存在,不同情况下的运动状态量都会存在一定程度的振荡延迟,前向速度u和俯仰角速度q变化表明无论是否考虑附加质量效应,垂向突风对这两个量影响都较小。另一方面,对于垂向速度和俯仰角而言,这两个状态量受到附加质量效应影响会导致振荡趋势变大。附加质量效应对浮升混合飞行器的操纵性有着明显的影响 。对于前向速度和俯仰角,附加质量效应使得其操纵响应变得缓慢,而俯仰角速度振荡趋势变大。     

柔性飞艇主气囊干湿模态分析与影响因素

为了掌握柔性飞艇无约束状态下的模态特性,以25m平流层验证飞艇为基本分析对象,对其自振特性进行研究.根据充气膜结构的力学特点,基于柔性飞艇主气囊初始形状,通过充气压力静力非线性分析得到充气平衡形态位形和应力,利用兰索斯法进行模态数值分析.分析表明,影响柔性飞艇模态特性的主要因素为:壳单元与膜单元模型、拼接缝、不均匀质量分布、内外压差、尺寸、飞艇周围空气附加质量,且最后三者为重要影响因素;壳单元和膜单元模型频率相近且振型一致.对柔性平流层飞艇结构设计具有参考价值.     

平摆动复合振动筛的动态仿真分析

为详细了解筛网在空间中的运动轨迹,根据曲柄摇杆与凸轮机构工作原理,推导出平摆动复合振动筛筛网在空间中的位移方程, 基于实体建模技术和虚拟样机技术对筛网上任意点进行了运动轨迹分析,对质心点进行了速度、加速度、角速度、角加速度仿真分析。结果发现,此振动筛筛网上从入料口至出料口各点的运动轨迹为类似椭圆形状,长轴位置呈现逆时针旋转;在水平方向的最大振幅逐渐减小,竖直方向上的最大振幅先减小后增大;质心点位置受水平往复力较大,可有效防止卡塞现象,垂直方向往复力较小,增加物料与筛面接触时间,提高了筛分效率。     

飞艇森林巡防轨迹跟踪的滑模控制

为实现无人飞艇在森林巡防时的轨迹跟踪控制, 针对飞艇飞行运动的非线性、 耦合等特点, 提出一种滑模控制方法。基于牛顿第二定律等定理推导飞艇巡防飞行的精确数学模型, 并通过选取状态向量和控制向量, 将其数学模型描述为非线性控制系统。通过泰勒级数展开将非线性系统简化为线性系统, 并设计滑模控制律, 同时采用饱和函数的方法抑制了滑模控制中的抖振问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了所设计控制系统的稳定性。仿真结果表明, 该方法的轨迹跟踪效果较为理想, 可实现无人飞艇对期望轨迹的精确跟踪。     

垂荡阻尼板的强迫振荡试验

垂荡阻尼板是一种增加Truss spar阻尼的结构形式，它可以通过增加平台的阻尼和附加质量，从而达到减小其垂向运动的目的．为了研究垂荡板的水动力，进行了三角形垂荡板在单板和双板两种情况下的强迫振荡试验．将试验结果用Morison公式进行了分析，给出了垂荡板在较大Re和Kc时的惯性力系数和拖曳力系数，并探讨了板间距对水动力系数的影响，得出了理想的板间距．对阻尼板的设计具有一定的实用意义．     

倒置单摆的双碰撞周期轨的存在性

考虑了具有双侧刚性约束的正弦型周期性受迫的倒置单摆的双碰撞周期轨道.通过双碰撞周期轨道的特性,利用正弦函数性质和函数单调性技巧,给出了两类双碰撞周期轨道存在性的充分必要条件.