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《武汉大学》 2011年
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轴向流中板结构流固耦合动力学研究

赵文胜  
【摘要】:板结构的流固耦合广泛存在于自然界、日常生活和实际工程中。通过对板结构与流体的流固耦合振动问题的研究,不仅可以揭示板结构在流体诱导下产生振动的机理,还有助于我们在流固耦合作用机理的基础上创新工程设计和应用,防止因流固耦合引起结构振动,提高系统的稳定性与可靠性,设计、制造一些能量获取装置,更好地利用自然界中的能量,因此对该问题的研究具有重要理论价值和现实意义。 流固耦合是一个涉及流体力学、固体力学、动力学和计算力学的交叉科学。本文采用线性模型、非线性模型和有限元模型,并结合风洞实验系统地研究了轴向流中板状结构的流固耦合动力特性。本文具体研究了以下内容: 1.基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了轴向流中二维板在不同约束条件下的线性运动微分方程及其边界条件,板采用悬臂、两端固支和两端简支三种支撑方式。采用Galerkin法离散板运动微分方程,采用复模态分析方法,通过对物理参数作无量纲处理,研究了三种约束条件下板的失稳特性,计算了板的失稳临界流速,分析了系统振动频率、阻尼与流速的关系。研究结果表明:在较低流速作用下,三种约束条件下板均保持稳定状态;在足够大流速作用下,悬臂板发生二阶、三阶振型颤振,但由于受到阻尼作用,不会发生一阶屈曲失稳;两端固支板发生一阶屈曲失稳和二阶、三阶振型颤振;两端简支板发生一阶、二阶屈曲失稳和二阶、三阶振型颤振。 2.基于有限元法推导了流体有限元方程和结构有限元方程,建立了轴向流中悬臂板流固耦合有限元模型。采用COMSOL对轴向流中二维悬臂板进行了流固耦合动力学计算,研究了给定流速下悬臂板在不同时刻的振动响应及其动力特性。 3.基于板轴向不可拉伸假设,采用Hamilton变分原理推导了轴向流中二维悬臂板非线性运动微分方程及其边界条件,对悬臂板非线性运动偏微分方程及其边界条件作无量纲处理,采用面元法计算悬臂板上下面压力差,建立了系统的流固耦合方程。采用Galerkin法离散非线性运动偏微分方程,采用Houbolt法求解离散后的常微分方程组。讨论了Galerkin模态数、面元数、计算时问步长和尾涡长度对方程收敛性的影响,并给出了它们的最优取值。通过与已有研究成果的对比验证了本文提出的非线性模型在悬臂板流固耦合研究中的可行性与准确性。 4.采用非线性模型研究了两种不同质量比悬臂板的颤振临界流速及其颤振特性,分析了模型中横向位移、固支长度、阻尼系数和粘性阻力系数对系统动力特性的影响,通过改变板初始变形从而改变尾涡讨论了系统颤振滞后现象,最后研究了系统颤振边界。研究结果表明:系统由于气动弹性失稳而发生Hopf分叉,流速大于颤振临界速度时,系统发生稳定的极限环颤振,随着流速的增大,悬臂板振幅、频率增大,系统达到稳定极限环颤振所需时间减小,板的振动响应由二阶主振型变为二、三阶主振型的叠加。考虑横向位移时,板振幅增大,颤振临界流速不变;板振幅随固支长度的增加而增大;随着阻尼系数和粘性阻力系数的增大,板颤振临界流速增大,纵向位移单调减小。短悬臂板,颤振临界流速受板长的影响较大,临界流速随板长的增大而快速减小;长悬臂板,临界流速受板长的影响较小,临界流速随板长的增大而缓慢减小,且当板长足够大时,临界流速趋于常数;较长悬臂板,临界流速随板长的增大而急剧增大然后快速减小。 5.在风洞试验台上对悬臂板的动力特性进行了实验研究。在实验的基础上,采用时程分析法、功率谱密度法、相平面法、庞加莱法、概率密度函数法和自相关函数法研究了悬臂薄板的动力特性。研究结果表明:系统颤振临界流速、颤振频率随材料阻尼的增大而增大。随着流速的增大,悬臂板发生周期振动、拟周期振动和混沌运动。由于大翼展比板沿翼展方向发生三维变形,系统发生亚临界Hopf分叉,颤振滞后现象明显,且当流速位于颤振滞后环内时,静止悬臂板受到较小外部扰动会发生与自激振动相同的极限环颤振失稳;小翼展比板未发生三维变形,系统发生超临界Hopf分叉,颤振滞后现象消失。实验颤振边界与本文非线性理论颤振边界吻合较好,表明应用本文提出的包含刚度非线性和惯性非线性的复杂非线性运动方程,可以很好地分析轴向流中悬臂板动力特性。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH113

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 郭旺;胡超;;悬臂板条结构动力学与振动控制分析[J];动力学与控制学报;2010年01期
2 王辉,岑章志,杜庆华;粘性流体中弹性板振动的有限元耦合问题[J];固体力学学报;1998年02期
3 ;专业数值分析系统COMSOL Multiphysics[J];CAD/CAM与制造业信息化;2008年09期
4 李舜酩,许庆余,程德林;平行结构流固耦合振动特性的研究[J];计算结构力学及其应用;1996年02期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 王少波;混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计[D];机械科学研究院;2003年
2 鲁丽;非线性板状结构流固耦合复杂响应研究[D];西南交通大学;2006年
3 贾来兵;二维流场中板状柔性体与流体相互作用的研究[D];中国科学技术大学;2009年
【共引文献】
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1 傅光耀;王浩;;薄钢铺板对平台主梁变形影响的试验研究和分析[J];四川建筑科学研究;2006年02期
2 常玉珍;吴敏哲;;组合肋壳几何非线性分析[J];四川建筑科学研究;2006年05期
3 王青;徐港;;剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例[J];四川建筑科学研究;2006年06期
4 王开强;孙飞飞;胡大柱;;多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年06期
5 王江;周晖;宋雪峰;;变截面工形柱平面内弹塑性极限承载力研究[J];四川建筑科学研究;2008年01期
6 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期
7 肖烨;陈剑毅;易萍华;;自由度匹配技术在框架结构损伤识别中的应用研究[J];四川建筑科学研究;2011年02期
8 方开敏;张宜辉;;基于VB.NET连续梁设计计算程序开发研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2009年05期
9 阎晓铭;胡守营;王传甲;;深圳某超高层公寓楼结构动力性能研究[J];安徽建筑;2011年04期
10 蒋超;;有限元加筋实体单元求解预应力混凝土梁自振频率方法[J];安徽建筑;2012年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 宫建国;陶钧;曾胜;金涛;;地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
2 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
3 王青平;白武明;王洪亮;;多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(上)[C];2012年
4 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
5 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年
7 王彬;;基于APDL的大口径反射镜优化设计[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年
8 周清华;杜留法;杨雄辉;;减摇鳍加强结构CAD/CAE一体化的若干关键技术探讨[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年
9 樊征兵;何欢;陈国平;;不确定结构的模态和动响应分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
10 何欢;孙东阳;周兰伟;马常亮;;多腔体气囊式回收系统的着陆冲击动力学建模与分析研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张红哲;车身概念设计智能CAE关键技术的研究[D];长春理工大学;2010年
2 查云飞;类菱形车转向系统研究与分析[D];湖南大学;2010年
3 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年
4 潘健怡;铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究[D];华南理工大学;2010年
5 许兰贵;变壁厚大锥度薄壁铝罐成形关键技术的研究[D];华南理工大学;2010年
6 谭林;基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D];华南理工大学;2010年
7 卢兆刚;基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D];浙江大学;2011年
8 王晓鹏;先进三维集成电路(3D-IC)中硅通孔(TSV)和氮化镓(GaN)场效应管中的电—热—力特性研究[D];浙江大学;2011年
9 张大海;浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究[D];浙江大学;2011年
10 徐慧峰;基于弹性波的地下管线水平导向钻随钻探测理论与技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
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1 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
3 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年
4 夏云清;装载机差速器齿轮的非线性接触与疲劳寿命分析[D];浙江理工大学;2010年
5 王志宽;大直径人工挖孔扩底桩承载力试验研究与工程应用[D];郑州大学;2010年
6 辛栋;纤维增强聚合物复合材料力学性能的数值预测[D];郑州大学;2010年
7 张彩香;发射筒口分瓣式隔水膜刚度强度分析[D];郑州大学;2010年
8 苗军伟;注塑成型和模具结构一体化分析[D];郑州大学;2010年
9 胡志超;箱型钢筋混凝土倒虹吸非线性有限元分析[D];郑州大学;2010年
10 董泽民;基于VCFEM的颗粒增强高聚物宏细观双尺度模拟[D];郑州大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 焦宗夏;飞机液压能源管路系统的振动特性分析[J];北京航空航天大学学报;1997年03期
2 肖若富,韦彩新,韩风琴,张双全;混流式水轮机转轮的动力学研究[J];大电机技术;2001年S1期
3 薛伟,陈昭运;水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究[J];大电机技术;2002年05期
4 鲍四元,邓子辰;哈密顿体系下矩形薄板自由振动的一般解[J];动力学与控制学报;2005年02期
5 陈国栋;水轮机组振动的分析与处理[J];福建电力与电工;1998年02期
6 任静,吴玉林,杨建明,张伟,曹树良;水力机械转轮内的CFD分析及优化设计[J];工程热物理学报;2000年03期
7 王辉,岑章志,杜庆华;粘性流体中弹性板振动的有限元耦合问题[J];固体力学学报;1998年02期
8 张大本,李吉川;混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动[J];广西电力技术;1996年04期
9 胡超;陈涛;黄文虎;;基于行波与模态的混合方法对Timoshenko梁进行振动主动控制[J];航空学报;2007年02期
10 焦宗夏,华清,于凯;传输管道流固耦合振动的模态分析[J];航空学报;1999年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 杜颖;贾启芬;刘习军;;液固耦合中的若干力学问题[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2003年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨智春,赵令诚,姜节胜;结构非线性颤振半主动抑制[J];应用力学学报;1994年01期
2 梁强,叶正寅,杨永年;采用非定常N-S方程的翼型颤振特性分析研究[J];西北工业大学学报;2001年03期
3 艾辉林;大跨斜拉桥的三维颤振频域分析[J];四川建筑;2003年02期
4 高尚晗,高中庸;摩擦颤振中的摩擦特性分析[J];润滑与密封;2003年06期
5 梅志坚,杨叔子,师汉民,陈日曜;切削参数对系统动态稳定性的影响规律[J];华中科技大学学报(自然科学版);1991年S2期
6 黄品;;摩托车用高速汽油机气门弹簧的设计[J];摩托车技术;1991年01期
7 陈敬 ,李伶,赵令诚;机翼/外挂的次谐颤振响应[J];航空学报;1994年09期
8 项海帆,林志兴;大跨度桥梁颤振稳定性的简化判别[J];同济大学学报(自然科学版);1994年04期
9 杨军,沙家正,邱小军;机翼颤振的有源声控制[J];声学学报(中文版);1996年03期
10 刘高,王秀伟,强士中;用主梁下风侧附设翼板抑制悬索桥颤振[J];西南交通大学学报;2001年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王文倬;吴江鹏;曹奇凯;;飞机颤振问题的综合预测[A];第七届全国空气弹性学术交流会论文集[C];2001年
2 袁先旭;张涵信;叶友达;谢昱飞;;跨声速翼型颤振非线性Hopf分叉过程数值模拟[A];计算流体力学研究进展——第十一届全国计算流体力学会议论文集[C];2002年
3 黄汉杰;李明水;贺德馨;;大跨度悬索桥颤振时域分析[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册[C];2003年
4 曹丰产;朱乐东;;对桥梁断面颤振导数弯扭耦合振动系统辨识法的思考[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年
5 陈政清;;颤振导数强迫振动识别的时程法与误差分析[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年
6 李静;;防空导弹颤振研究[A];第八届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2003年
7 祝志文;陈政清;;平板颤振机理研究[A];第十一届全国结构风工程学术会议论文集[C];2004年
8 黄汉杰;李明水;贺德馨;;大跨度悬索桥施工态颤振时域分析[A];2004全国结构风工程实验技术研讨会论文集[C];2004年
9 孙晓红;张红波;谢怀强;;机翼/外挂系统颤振特性研究[A];第七届全国空气弹性学术交流会论文集[C];2001年
10 罗时伟;杨钜生;;跨音速颤振复合材料机翼模型设计研究[A];第七届全国空气弹性学术交流会论文集[C];2001年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 严冰;大中型飞机颤振试飞成功[N];人民日报海外版;2010年
2 杜春江;我国大中型飞机颤振试飞技术取得重大突破[N];中国航空报;2010年
3 姜丽丽;颤振试飞急先锋[N];中国航空报;2005年
4 记者 甘勃;首架国产大型民用直升机将首飞[N];大众科技报;2010年
5 张峰秋;科技潮头踏浪行[N];中国航空报;2005年
6 焦静波 整理;羽翼已丰 龙行苍穹[N];中国航空报;2010年
7 韩建昌 刘宇辉 董平 郝建刚;黄菊视察阎良飞机城[N];中国航空报;2004年
8 薛志毅;邓友明:试飞“新舟”60[N];中国国防报;2008年
9 ;一曲航空报国的凯歌[N];中国航空报;2002年
10 袁东 孙勇军 蒙进学;不断提高飞行试验整体水平[N];中国航空报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 赵文胜;轴向流中板结构流固耦合动力学研究[D];武汉大学;2011年
2 Ayad Thabit Saeed(阿亚德);厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应实验研究[D];重庆大学;2011年
3 于向东;大跨桥梁颤振导数识别的强迫振动法研究[D];中南大学;2002年
4 王骞;混凝土箱梁正交异性钢悬臂板拓宽方法的理论分析与试验研究[D];大连理工大学;2010年
5 黄强;零传动滚齿机精度控制及颤振抑制技术研究[D];重庆大学;2008年
6 梁强;复杂流场的非定常气动力计算以及气动弹性研究[D];西北工业大学;2003年
7 宋清华;高速铣削稳定性及加工精度研究[D];山东大学;2009年
8 祝志文;桥梁风效应的数值方法及应用[D];中南大学;2002年
9 胡运聪;振动叶栅非定常流动数值模拟与叶片颤振分析[D];西北工业大学;2003年
10 周先桃;旋转管式微滤膜流动特性及其分离强化机理研究[D];四川大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨永帅;新型高频电液颤振器的设计与实验研究[D];浙江工业大学;2012年
2 赵新刚;颤振的混沌控制研究[D];吉林大学;2004年
3 秦朝红;轴向流中圆柱体的动力分析[D];沈阳航空工业学院;2007年
4 舒畅;自适应时频分析及其在颤振信号处理中的应用研究[D];西北工业大学;2004年
5 王幼松;多小波分析及其在颤振信号处理中的应用[D];西北工业大学;2005年
6 甘新基;镗削加工过程的颤振控制研究[D];吉林大学;2004年
7 程芳;机翼跨音速颤振的频域计算[D];南京航空航天大学;2004年
8 郭宏利;Y7-200A飞机颤振适航性研究[D];西北工业大学;2001年
9 赵善红;颤振边界预测的时频共振方法研究[D];西北工业大学;2002年
10 方成刚;数控强力切削的颤振机理研究[D];南京工业大学;2004年
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