不同边界条件下液箱流固耦合模态计算与实验验证

对于船舶与海洋平台上设置的液舱,舱内液体介质和舷外水对舱体振动性能的影响不容忽视,以钢质液箱为研究对象,建立了流固耦合的有限元数学模型,运用有限元软件ADINA对液箱不同约束条件下的流固耦合现象进行数值计算。采用LMS结构模态分析系统进行实验研究,完成内、外均有流体载荷作用时液箱的振动模态分析。对比分析了不同边界条件和充液高度下的振动低阶固有频率和振型,所得结果和方法可供流固耦合方面研究参考。     

矩形储液箱在流固耦合下的静强度及模态分析

以某矩形储液箱为研究对象,在ANSYS软件中建立了三维有限元模型,对其在静水压作用下的强度进行了计算。同时,模拟了流体对于箱体的作用,对矩形储液箱进行了在空载和流固耦合下的模态分析,提取了前5阶固有频率和振型,为矩形储液箱的设计提供了可靠的数值依据。     

盾构隧道竖井内油气管道流固耦合振动特性分析

对某盾构隧道竖井内的油气管道,基于ANSYS Workbench平台建立流固耦合振动有限元模型,采用直接耦合方法对油气管道进行结构模态特性计算。仿真模拟考虑了内部流体和外部静水与管道耦合作用、管道固定导向支座约束、管道壁厚以及流体介质密度对油气管道固有频率和振型的影响。结果表明:流固耦合作用和固定导向支座约束都会降低管道的固有频率,其中外部静水对管道固有频率的影响较大,不可忽略;管道的固有频率随壁厚增大而增大,随流体介质密度增大而减小;管道的低阶模态属于梁式振动形态,高阶模态属于壳式振动形态,流固耦合作用对管道的振型没有影响。     

斗轮堆取料机有限元建模方法及模态分析

斗轮堆取料机是一种结构复杂的大型散料运输设备,其有限元模型在建立过程中很容易出现与实际结构对不上的问题.基于三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件Hypermesh,提出从局部到整体的逐层建模方法,建立有限元模型.为了验证模型的准确性,针对建立的斗轮堆取料机有限元模型进行模态分析,得到结构前6阶固有频率及振型.基于实验测得该型斗轮堆取料机的固有频率,将其与仿真结果对比,两者得到的固有频率基本一致,测试相对误差在5%以内,精度较好.实验验证及数值仿真表明:通过逐层建模方法建立的有限元模型能有效地揭示斗轮堆取料机的结构特性,为此类型斗轮堆取料机的结构设计和动力学分析提供参考.同时,逐层建模的方法更加快捷高效,为大型复杂结构建模仿真提供了参考和借鉴.     

大跨屋盖结构风效应的风洞试验与原型实测研究

以广州国际会展中心为工程案例,进行了刚性模型风洞试验和有限元模态分析,在此基础上计算了屋盖的风致位移响应,结果表明,对于屋盖风振响应影响最大的因素是结构的基阶振型,其次才是风荷载;随着阻尼比的增加,位移响应谱的共振峰得到了有效平抑,峰值位移响应也随之减小.基于现场实测,提出功率谱点积识别大跨屋盖结构竖向整体振动固有频率的方法,并与有限元计算结果进行了对比分析,实测得到的前4阶固有频率与振型均能与有限元模型较好吻合,其中基阶固有频率的相对误差仅为0.3%,证明了该方法的有效性.     

外加横向激励对固-铰支承管道流固耦合振动的影响

首先, 由Hamilton 原理推导外侧施加横向激励的输液管道流固耦合弯曲振动微分方程, 针对固-铰支承管道提出一种新的振型函数, 利用Galerkin 法求得前五阶固有频率表达式, 并且通过对比验证了新振型函数的正确性. 其次, 在一阶截断情况下求得这类管道的挠度、弯矩和剪力表达式, 讨论了流速、液压和外激频率变化对固-铰支承管道中点挠度和最大弯矩的影响. 结果表明, 由新振型函数确定的前五阶固有频率不仅计算简便而且具有很高的精度, 同时验证了输液管道固有频率对液压和流速的依赖性, 也证实了对于流固耦合问题, 结构发生共振与外激频率接近结构固有频率有关同样适用.     

沉没辊装置液固耦合数值模拟及振动实验

针对热镀锌线沉没辊装置出现剧烈振动的问题,基于湿模态的结构非完全液固耦合方法,数值模拟了装置在锌液中的振动模态,分析各阶振型及固有频率,并进行现场振动实验.锌液中沉没辊的局部振型改变轴承的装配关系,而在实测信号的时域波形中出现削波现象,表明锌液中滑动轴承存在碰摩;幅值谱中波峰对应的频率为45.05 Hz,与湿模态的第4阶固有频率接近且振型相似,表明实验中的装置主要以第4阶固有振动为主;液固耦合的非线性振动引起倍频振动;锌液流场的持续作用是导致幅值谱中波峰两侧出现边频带的主要原因.理论及数值分析与实验研究有显著的关联性,结构非完全液固耦合方法能有效应用于工程实践.     

基于虚拟弹性体的快速动网格方法

为减少流固耦合的计算时间,在现有弹性体方法的基础上,发展了一种快速动网格方法。首先根据弹性体方法的基本假设,将流场网格所包围的空间区域视为虚拟弹性体,然后将结构与该虚拟弹性体视为一个整体系统,并计算其固有振动的振型及频率,最后以结构受到的流体作用力为激励,通过振型叠加法计算结构网格及流场网格节点的位移。考虑到实际结构的流固耦合振动多为低阶模态的振动,在流固耦合计算中可以通过低阶模态的叠加计算流场网格节点的位移,从而达到快速更新流场网格的目的。采用该快速动网格算法,对某弹性梁颤振问题进行了流固耦合分析,计算结果与已有文献的结果吻合很好,说明了该算法的正确性。与现有的弹性体方法相比,该算法使流固耦合计算时间减少了65.5%。对Wing 445.6模型的颤振问题进行了分析,得到颤振边界与实验值吻合良好,且与现有弹性体法相比,可以减少计算时间54.8%。     

大型立式电动机机座有限元模态仿真

应用三维建模系统建立某立式电动机机座的三维模型,根据电动机电磁耦合理论和电动机的实际工作情况,确定模型的载荷和约束。应用Msc.Nastran有限元仿真系统,对该立式电动机机座进行有限元模态仿真,获得前3阶固有频率及其振型等仿真参数,同时,对比分析不同地脚螺栓约束对机座固有频率的影响,揭示电动机振动与机座固定约束之间存在的关系,分析机座变形与应力的分布规律,确定机座在前3阶固有模态振动下的主要危险部位。研究结果表明:机座及其固定螺栓承受最大应力,是最危险的零部件;增强机座固定约束,可改善电动机的振动状况。研究结果可为立式电动机的结构设计与减振降噪提供理论依据。     

称重传感器蠕变误差检测装置机架动态特性研究

针对机架在传感器误差标定过程中存在的稳定性问题,采用有限元分析技术对机架预应力模态及谐响应动态特性进行了研究。采用CTAIA软件对机架进行三维建模,选用四边形网格结构,对三维模型进行了网格划分及局部加密处理。基于模态、谐响应分析理论,求解得到机架的固有频率和振型,结果表明:第3阶、第5阶和第6阶模态振动对机架与气缸连接部分影响最大。     

支持系统级仿真与优化的流场模型降阶技术

为降低仿真对计算机软硬件系统的要求并提高计算速度,设计了基于降阶模型的系统级仿真与优化流程,并将本征正交分解(POD)方法应用到流固耦合仿真的流场降阶建模过程中,提高了仿真数据的重用度。在理论研究的基础上,对一个在空气中振动的微梁进行分析,并构建其降阶模型。结果表明:基于POD的降阶建模方法在保证计算精度的前提下,能有效减少流场自由度,加快流固耦合仿真的速度。该方法可用于加速产品系统级仿真和优化过程。     

基于Hypermesh和ANSYS的拖拉机驾驶室模态分析

针对某拖拉机驾驶室的结构特点,以模态有限元的基本理论为依据,基于Hypermesh建立了某拖拉机驾驶室的有限元模型,应用有限元分析软件ANSYS计算得出了该拖拉机驾驶室的前10阶固有频率及振型。分析了固有频率与激振频率的关系,从模态振型分析找出结构的薄弱环节,结果表明该驾驶室的顶部横梁和纵梁结构刚度需要进一步提高。该结论为今后拖拉机驾驶室的结构设计和改进提供了理论依据。     

圆柱滚子轴承动静态有限元分析

通过SOLIDWORKS三维软件对圆柱滚子轴承进行建模,并利用ANSYS有限元分析软件对圆柱滚子轴承进行合理的加载和求解,经过Block Lanczos方法的模态分析得到前6阶的固有频率、振型以及共振下的薄弱部位;经过加载极限动载荷值94kN下的静态分析得到工况下的最大应力值、变形值以及变形、应力的分布规律,对圆柱滚子轴承的刚度进行了校核,为轴承的结构优化提供建议和方法.     

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。     

客车车身结构的动应力频谱分析

以6800型客车为研究对象，建立了车身的有限元模型，并进行了模态分析，得到车身的固有频率．计算结果显示，该车的第一阶弯曲振型和第一阶扭转振型形成了耦合．对该车进行了动应力试验，得到了各测试点在不同路面输入下的动应力响应情况．频谱分析结果表明，在鹅卵石路面、搓板路面上各测点的一阶主频与车身的一阶、二阶固有频率非常接近．说明该车在这些路面上的动态特性较差，需作进一步的改进设计．     

全电直驱集成动力系统扭振固有特性灵敏度分析及动力学设计

为全面掌握纯电动汽车动力传动系统扭振固有特性,提高系统的平顺性,对系统扭振特性进行深入研究,以一种新型全电直驱集成动力传动系统为研究对象,提出了综合考虑电机电磁刚度、齿轮时变啮合刚度等因素耦合作用的建模方法,建立并验证了8自由度力学分支模型,计算和分析了系统的固有频率和振型;基于直接求导法对固有频率进行灵敏度分析,改进了集成系统特征参数,并联合仿真分析了参数优化前后系统的动态变化。结果表明:考虑电磁刚度可得到"零阶"固有频率,能呈现丰富的动力学现象;低阶振动表现在车轮、车身位置,高阶振动表现在变速器部分。基于灵敏度分析结果,系统对应的临界转速5 097 r/min,超出了常用转速范围;电机轴角加速度频域响应最大波动幅值减小了25.9%,整体波动幅值明显减小;变速器输出轴最大波动转速减小了0.26%。此研究成果可为机电耦合系统的固有特性与灵敏度分析提供理论参考。     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

基于流固耦合的航空导叶作动筒振动特性分析

针对航空发动机高压压气机导叶作动筒在剧烈振动工作环境中的易损问题，确定导叶作动筒在振动过程中的固有频率与相关振型，获取关键结构件在标准功率谱下的动态响应，通过有限元法建立了考虑流固耦合的非线性模态分析仿真模型。通过单一变量法利用仿真模型研究接触刚度、活塞位于不同行程位置对相关固有频率与振型的影响机制，发现关键接触位置的接触刚度因子取0.8能保证仿真准确度并满足接触刚度，工作过程中活塞在行程上的位置发生变化，对第二、三阶的固有频率影响较大。完成共振检查试验，实测固有频率与仿真结果对应良好，验证了有限元分析模型的准确性。基于模态结果，根据航空标准建立随机振动仿真模型，得到关键结构件在3σ下的应力及变形响应，为导叶作动筒结构优化设计提供依据。     

轴承结合部动态参数识别与等效分析模型的研究

针对轴承结合部有限元分析模型参数难以确定的问题,提出了基于模态实验数据的建模方法,分析了球轴承接触变形的特点.利用拉格朗日力学分析原理建立了球轴承装配结构3自由度的动力学方程,依据模态实验测得的固有频率和阻尼比,采用最小二乘法解得单个钢球在接触法线方向上的刚度和阻尼,进而计算得到了轴承结合部在径向、轴向以及转角等3个方向的刚度和阻尼.采用弹簧阻尼单元模拟轴承结合部的结构动力学方程,通过与由拉格朗日力学分析原理建立的动力学模型的对比,来确定弹簧阻尼单元的数值,并建立了轴承结合部有限元分析模型.研究结果表明:在对装配结构有限元进行分析计算时,结构前3阶固有频率及振型与实验测得的振型一致,对应固有频率的相对误差在5%以内.     

水下系泊支撑平台非线性动力响应

针对水下系泊支撑平台在水流涡激作用下的非线性动力响应,基于水力学理论和海洋工程结构力学理论,建立流固耦合非线性动力学方程。采用伽辽金法和综合数值解法,计算了支撑平台浮体固有频率与漩涡泄放频率相近发生谐振时,系泊浮体的非线性动力响应。结果表明,第一阶振型对振动位移的贡献最大;高阶振型对振动位移的贡献依次减小,且各阶模态随时间变化呈现明显的非线性特征。高阶模态对动弯矩、动切力的贡献要远远大于对振动位移的贡献,尤其是对动切力的影响非常大。在计算动力响应时,应该多取几阶振型来保证计算精度。