结构-尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构-尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构-尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数γ、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速~振幅曲线的模型参数识别方法。开展某主梁节段模型风洞试验,依据其实测涡振曲线,采用该方法识别模型参数,并预测不同阻尼比的桥梁涡激振动特征。结果表明:近似解精度与ε相关,ε越小,精度越高;ε越小,提出的模型参数识别方法越能准确识别模型参数;基于风洞试验实测涡激振动风速~振幅曲线识别的结构-尾流振子耦合模型可有效地预测桥梁涡激振动特征。

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型.流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用vander Pol方程描述.以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合.采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值A_（max）~＊随着质量阻尼参数（m~＊＋C_A）ζ的变化规律,给出了预测A_（max）~＊值的拟合公式.采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应.结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程,并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。

基于细观结构表征的岩石破裂热-力耦合模型及应用

岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热-力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。

悬浮隧道考虑竖向弹性约束的子结构模型与涡振响应特性

通过将跨内支撑锚索与连接边界条件简化为竖向弹性约束,采用尾流振子考虑均匀流作用下结构的流固耦合效应,研究多跨锚索支撑式悬浮隧道的涡振特性。基于Euler-Bernoulli梁理论建立可考虑跨内/边界竖向支撑刚度对涡振特性产生影响的悬浮隧道管体子结构模型,分析多组跨内锚索支撑刚度与边界约束刚度组合下管体的涡振响应规律。研究结果表明:当两类约束刚度增大、结构固有频率增大时,高阶模态越难以被激发,能有抑制涡振响应的作用;当锚索支撑刚度较小和较大时,靠近端部位置的涡振响应幅值随边界约束刚度的增大而减小,且跨度范围内的涡振响应峰值关于中点对称,当锚索支撑刚度中等且相邻阶次频率相差较大时,管体位移由单一模态主导,当相邻阶次频率接近时,在涡振锁定区间内可观察到由模态耦合所导致的“凹陷”和“凸起”的非线性现象;不同位置之间跨内位移响应的极大值在边界约束刚度较小、较大时分别出现在两端、中点位置。

结构与尾流非线性耦合涡激振动预测模型

预测圆柱涡激振动的尾流振子模型中,通常采用线性的耦合模型,例如位移或者速度、加速度耦合来表征结构对尾流的作用。三种线性模型在预测圆柱锁频阶段的动力特性时存在差异,而且适用范围也受质量比的限制。提出了考虑结构与尾流动力非线性耦合的模型,该模型基于加速度耦合并结合速度耦合进行修正,适用范围不受质量比的影响;与实验结果的对比表明该模型可以更合理地给出锁频区域以及结构位移响应和尾流升力。最后,利用新模型讨论了质量比对锁频阶段结构振动幅值、尾流升力及频率比的影响;结果表明,随着质量比的增大,结构锁频区域变窄,结构振幅和尾流升力幅值减小。

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构—与尾流振子流固耦合模型。采用具有非线性阻尼的振子来模化、vanderpol方程来描述流场近尾迹动力学。以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型。使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性。计算结果表明,结构共振的最大振幅Am*ax随着结构的SG数和质量阻尼参数(m*+CA)ζ的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合。根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅Am*ax值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律。

相似电路耦合模型及其在压电-梁结构分析中的应用

根据线性系统微分方程的相似性确定机械系统的相似电路,由压电材料的本构和动力方程确定压电材料作为机电耦合的变压器,从而用一个耦合的电路系统模拟智能结构的电学和力学行为.通过一个压电梁智能结构的分析。

基于电磁-结构力场耦合的铁芯电抗器振动特性分析及优化方法

建立准确的材料磁致伸缩模型是分析铁芯电抗器振动特性的关键。为准确建立硅钢片磁致伸缩模型,基于经典Jiles-Atherton(J-A)磁滞模型和二次畴转模型建立了铁芯材料磁致伸缩模型,提出了基于改进粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)与归一化的阻尼最小二乘算法(Levenberg-Marquardt,LM)的混合优化算法,结合实验测量结果,该算法能够准确和快速辨识模型中的5个特征参数。根据软磁材料模型特征参数,构建了考虑磁致伸缩特性的三相干式铁芯电抗器几何模型,分析了铁芯电抗器铁芯振动位移分布。利用中心组合试验设计与有限元仿真相结合的方法,获得了不同气隙结构参数下电抗器的振动位移仿真结果,并建立了能够准确预测铁芯振动位移的正交多项式模型。以电抗器铁芯振动位移最小作为目标函数,在保证电感值基本不变的情况下获得了铁芯最佳气隙长度。优化结果表明,在最佳气隙结构参数下电抗器振动位移减少了10%,电感值变化仅为0.051%,优化方法对于降低铁芯电抗器的振动具有重要的参考意义。

基于热-结构耦合模型的高速电主轴温升特性分析与实验研究（英文）

为解决热变形对主轴寿命及加工精度的影响,对高速电主轴的温升特性进行研究。首先建立了电主轴的热结构耦合模型,然后利用ANSYS软件进行热态模拟,分析稳态温度场的分布以及电主轴的热变形情况,最后探讨了主轴转速与切削力的变化对电主轴温度的影响。研究结果表明:所用方法可有效模拟电主轴工作过程中温度场分布以及热变形,仿真与实验结果基本一致,为电主轴温度控制提供参考。

深水隔水管-水下井口耦合系统双向涡激振动特性

深水隔水管-水下井口系统极易受外部海流影响产生涡激振动(VIV),其VIV分析通常将底端水下井口简化为固支约束.考虑水下井口下部非线性管-土耦合建立深水隔水管-水下井口耦合系统顺流(IL)及横流(CF)向VIV三维分析模型.基于胡克定律将管-土相互作用产生的时变非线性土壤抗力转化为时变土壤等效刚度并与系统结构刚度叠加.采用有限单元法进行分析模型离散,采用Newmark-β法与4阶龙格库塔法进行VIV数值求解.随后分别研究了管-土耦合作用及环境因素如海流流速、土壤硬度等对深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向VIV特性的影响.结果表明,考虑管-土耦合的深水隔水管-水下井口系统约束弱化,系统整体刚度减小,固有频率降低,深水隔水管-水下井口系统CF及IL方向的均方根(RMS)位移及振幅增大,振动频率减小.深水隔水管-水下井口系统VIV对土壤硬度的敏感度较低,原因是系统结构刚度与土壤初始附加的等效刚度较大,而土壤硬度变化额外附加的土壤等效刚度在系统总刚度中的占比较低.

采用新的结构—尾流反作用力耦合模型分析圆柱结构涡激共振

该文建立了一个新的结构—与尾流振子流固耦合模型。采用具有非线性阻尼的振子来模化、vanderpol方程来描述流场近尾迹动力学。以结构与流体的受力互为反作用力的关系,建立了新的流固耦合模型。使用该文的模型对二维结构涡激振动问题进行研究,能很好地预计结构涡激共振的特性。计算结果表明,结构共振的最大振幅Am＊ax随着结构的SG数和质量阻尼参数（m＊＋CA）ζ的增大而减小,与实验结果规律一致、数值吻合。根据该文的模型计算结果给出了预测共振振幅Am＊ax值的拟合公式,并给出了共振情况下升力、相位等的变化规律。

基于修正Archard模型非连续接触的浮动球密封结构磨损行为研究

针对不连续接触磨损问题,以硬密封浮动球阀中浮动球密封结构为研究对象,将欧拉-拉格朗日耦合法(CEL)、全局网络重构法(ALE)、修正Archard模型与硬密封条件下的数值计算模型相结合,利用Abaqus子程序UMESHMOTION,实现对非连续接触密封结构的磨损仿真分析,探究流体介质压力、启闭速度及密封面宽度等对密封面磨损特性的影响规律,揭示不连续接触条件下的磨损机制;提出密封结构接触面全局磨损量均值(GWA)的评价方法。结果表明:非连续接触形式下,磨损较大位置出现应力集中;启闭速度和密封面宽度对密封面磨损影响较小;当V_(oc)为2 mm/s时GWA最小;当b_(m)为3.0 mm时GWA最小;流体介质压力对密封面磨损影响较大;非连续接触的磨损机理主要是磨粒磨损和疲劳磨损。研究结果可为不连续接触结构的优化设计提供理论基础和技术支撑。

基于气动-水动-结构耦合模型的半潜风机动力响应分析

针对我国海洋环境条件,提出一种新型半潜式浮式基础,用于支撑5 MW海上风机。针对该新型浮式风机系统,采用叶素动量理论计算风轮所受气动载荷,采用三维势流理论计算基础水动力性能,分别采用杆单元和梁单元模型,基于有限元方法计算柔性体的动力响应。建立气动-水动-结构耦合的动力学分析模型,针对切入、额定和切出海况,在时域内计算风机的动力响应特性。计算结果表明:在不同作业海况下,新型半潜浮式风机基础运动性能良好,且系泊缆张力满足安全要求;风机叶片在风轮旋转平面外的变形显著大于风轮平面内的变形,且在额定海况下变形更大。

橡胶层与空腔的结构-声耦合解析模型和隔声优化

针对橡胶薄层与空腔的声学耦合,提出一种结构-声耦合解析模型,并基于该模型对密封条的材料与几何参数进行优化。通过加入余弦辅助函数,得到空腔的声学模态振型函数。利用瑞利-里兹法,建立简支双薄层结构振动与空腔声学耦合的解析模型。利用该模型分别计算单点激励的均方响应和扩散声场激励的隔声。通过与阻抗-迁移率方法和混合有限元-统计能量分析(FE-SEA)方法的计算结果对比,验证了该解析模型的准确性。结果表明:与FE-SEA方法相比,该解析模型具有较高的计算效率;利用该解析模型和粒子群算法优化材料与几何参数,使得隔声提高10 dB以上;优化的密封条趋向于扁而宽的截面。

车辆-轨道空间非线性耦合系统交叉迭代算法及应用

基于有限元法建立了车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学模型,提出了将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力学的方法。车辆-轨道空间非线性耦合模型包含车辆子系统和轨道子系统,其中车辆子系统为31自由度的整车模型,轨道子系统采用空间梁单元、黏弹性弹簧阻尼元件和三维块体单元模拟,两子系统通过轮轨相互作用实现耦合。轮轨接触几何关系采用“迹线法”与“最小距离法”计算,运用Newmark数值积分交叉求解车辆子系统动力学方程和轨道子系统动力学方程。为验证算法的可行性,进行了算例对比计算。作为应用实例,分析了CRH2高速动车通过CRTSⅡ无砟轨道时引起车辆和轨道结构的动力响应,并选择列车速度和轨道不平顺对车辆-轨道耦合系统动力响应的影响进行了参数分析。计算结果表明,将迹线法融入交叉迭代法求解车辆-轨道空间非线性耦合系统动力问题的算法具有计算精度高、收敛速度快和程序编制容易的特点。

电动汽车用软包动力锂电池热-结构耦合分析

建立了方形锂电池瞬态产热模型,将软包锂电池简化为各向异性的叠层式复合材料,确定了模型中的热物性参数和力学参数;使用ANSYS软件,利用顺序热-结构耦合方式,模拟了电池瞬态温度场和热应力场分布。研究结果表明,电池中心区域温度较高,且受压应力,侧边温度较低,且受拉应力;电池各边出现应力集中,且最大Mises应力随放电电流增大而增大,随环境温度升高而减小;最大形变发生在电池高度方向两端,且随放电电流增大和环境温度升高而增大。

基于人群-结构耦合作用甘肃省体育馆悬挂结构振动舒适度评估及控制

为研究大跨楼板结构在人行激励作用下的振动舒适度,以甘肃省体育馆悬挂结构为例,借助有限元软件ANSYS,在傅里叶荷载模型的基础上,将人体等效为具有刚度-质量-阻尼的单自由度体系生物力学模型,考虑定点加载、单人行走以及人群同步等工况下行人-结构的耦合振动前后结构的加速度响应。以峰值加速度为指标评估该悬挂结构的振动舒适度,并分别利用单自由度TMD和3-DOF TMD对结构的过量振动进行控制,对比了单自由度TMD与3-DOF TMD减振效果。结果表明:对大跨楼板结构进行人致振动控制时,3自由度TMD对大跨楼板结构具有很好的控制效果。