水下运行结构自振特性研究

【摘要】：结构在水下运行时会产生振动，这种振动会改变结构周围流场的运动，同时流场也会对结构产生作用，这样结构及其周围流场域就组成一个流固耦合系统。本文研究了水下运行结构的流固耦合自振特性，重点研究了结构运行速度对其自振特性的影响。 本文首先采用位移—压力格式有限元法推导了水下运行结构的振动方程，得出与动水压力有关的附加质量阵、附加阻尼阵及附加刚度阵有限元形式，其中附加阻尼阵和附加刚度阵都与结构运行速度有关。与普通的结构振动方程相比，本文导出的振动方程只是多了相应的附加项。同时结构在水下运行时，不同水深下静水压力对结构振动的影响相当于结构有一定的初始应力，具体表现为结构振动方程中又增加了与静水压力有关的附加刚度阵。求得与静水压力有关的附加刚度阵以及与动水压力有关的附加质量阵、附加阻尼阵和附加刚度阵，然后把这些附加项叠加到结构振动方程的相应项中，这样就把流固耦合结构振动问题化成了普通的弹性动力学问题，从而可以用求解一般动力学问题的方法对其进行研究。 太原理工大学硕士研究生学位论文 其次，本文针对前面有限元的推导和所编Matlab程序作了 三个考证:用小块程序计算规则结构的附加质量阵，并将计算 结果与Morison公式得到的解析解作了对比，验证了有限元公 式推导的正确性:用程序计算了四边简支方板的自振频率，把 程序计算得到前四阶固有频率与相应的解析解作了比较，验证 了所编计算结构自振特性程序的精确性;将导弹模拟件头部及 尾部划分为三角形板壳单元，弹身划分为四边形板壳单元，用 程序计算了不考虑流体影响时导弹模拟件的自振特性，把程序 计算得到前四阶弯曲振动固有频率及相应振型和大型计算软件 ANSYS的分析结果作了比较，验证了本文针对壳体结构计算 程序的可靠性。 最后在结构周围取适当范围的流体并划分单元:部分采用 三棱柱单元，部分采用四棱柱单元，接着利用经过验证的有限 元公式与程序计算了水下运行结构的自振特性。分别讨论了水 深、结构运行速度对结构自振特性的影响。