Fluid-Structure Interaction Analysis of Flexible Plate with Partitioned Coupling Method

The development and rapid usage of numerical codes for fluid-structure interaction(FSI) problems are of great relevance to researchers in many engineering fields such as civil engineering and ocean engineering. This multidisciplinary field known as FSI has been expanded to engineering fields such as offshore structures, tall slender structures and other flexible structures applications. The motivation of this paper is to investigate the numerical model of two-way coupling FSI partitioned flexible plate structure under fluid flow. The adopted partitioned method and approach utilized the advantage of the existing numerical algorithms in solving the two-way coupling fluid and structural interactions. The flexible plate was subjected to a fluid flow which causes large deformation on the fluid domain from the oscillation of the flexible plate. Both fluid and flexible plate are subjected to the interaction of load transfer within two physics by using the strong and weak coupling methods of MFS and Load Transfer Physics Environment, respectively. The oscillation and deformation results have been validated which demonstrate the reliability of both strong and weak method in resolving the two-way coupling problem in contribution of knowledge to the feasibility field study of ocean engineering and civil engineering.

Nonlinear dynamic analysis on rigid-flexible coupling system of an elastic beam

Previous work examined the effect of the attached stiffness matrix terms on stability of an elastic beam undergoing prescribed large overall motion. The aim of the present work is to extend the nonlinear formulations to an elastic beam with free large overall motion. Based on initial stress method, the nonlinear coupling equations of elastic beams are obtained with free large overall motion and the attached stiffness matrix is derived by solving sub-static formulation. The angular velocity and the tip deformation of the elastic pendulum are calculated. The analytical results show that the simulation results of the present model are tabled and coincide with the one-order approximate model. It is shown that the simulation results accord with energy conservation principle.

Dynamic Study on Rigid and Flexible Coupling System for Terminally Sensitive Submunition

A kinetic model of the rigid and flexible coupling system for terminally sensitive submunition is set up with Kane's method. The parachute is considered as a flexible body, the flexible displacement is expressed with modal spread method, the position of the parachute is expressed with a hybrid coordinate method, and the kinematics of the terminally sensitive submunition is analyzed. Ten generalized coordinates relative to the attitude of the terminally sensitive submunition are chosen, and the correlative generalized active forces, the generalized inertial forces, the generalized internal forces are calculated in turn. On the base of the Kane's method, the ten degrees of freedom dynamic equations for the coupled terminally sensitive submunition are finally set up. This model can be used to expediently simulate and analyze accurately the exterior ballistic trajectory of terminally sensitive submunition, and provide the overall design of the terminally sensitive submunition with some helpful references.

A node-based smoothed point interpolation method for dynamic analysis of rotating flexible beams

We proposed a mesh-free method, the called node-based smoothed point interpolation method(NS-PIM),for dynamic analysis of rotating beams. A gradient smoothing technique is used, and the requirements on the consistence of the displacement functions are further weakened. In static problems, the beams with three types of boundary conditions are analyzed, and the results are compared with the exact solution, which shows the effectiveness of this method and can provide an upper bound solution for the deflection.This means that the NS-PIM makes the system soften. The NS-PIM is then further extended for solving a rigid-flexible coupled system dynamics problem, considering a rotating flexible cantilever beam. In this case, the rotating flexible cantilever beam considers not only the transverse deformations,but also the longitudinal deformations. The rigid-flexible coupled dynamic equations of the system are derived via employing Lagrange’s equations of the second type. Simulation results of the NS-PIM are compared with those obtained using finite element method(FEM) and assumed mode method. It is found that compared with FEM, the NS-PIM has anti-ill solving ability under the same calculation conditions.

基于响应面法的半柔性路面材料低温性能研究

为提高半柔性路面材料(SFPM)低温抗裂性能,采用橡胶粉与硅烷偶联剂对水泥砂浆进行改性,制备复合半柔性路面材料(R&S-SFPM)。基于响应面分析法以劈裂抗拉强度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲蠕变速率以及平均线收缩系数作为评价指标分析胶粉目数、掺量及硅烷偶联剂用量对SFPM低温性能的影响,并确定了可获得最优低温性能表现的R&S-SFPM掺配比例。结果表明:橡胶粉可提高SFPM的应力松弛能力,使其具有更好的柔韧性;硅烷偶联剂可提高SFPM力学强度。此外,橡胶粉及硅烷偶联剂掺量、胶粉目数均对SFPM低温性能改善效果有较大影响。当胶粉目数为60目、掺量为14%,硅烷偶联剂用量为0.72%时,R&S-SFPM综合低温效果最佳;与普通半柔性路面材料(O-SFPM)相比,R&S-SFPM的劈裂抗拉强度、抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲蠕变速率分别提高23.7%、7.6%、29.9%和15.2%。

基于双向耦合法的采煤机螺旋滚筒振动特性分析

为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性,以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象,优化煤岩接触模型,建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台,通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程,并分别对其振动特性的变化规律展开分析。研究结果表明:螺旋滚筒在截割过程中,三向均出现不同程度的振动,其中截割阻力方向振动加速度最大,牵引阻力方向振动加速度次之,侧向力方向振动加速度最小。随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加,截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧,最大振动加速度有效值的差值达到4403.149 mm/s^(2)。利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像,得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留,其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线,主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别,即使遇到夹矸层数不同,夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况,其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别。通过振动模态分析发现,随着煤壁中含有夹矸硬度的增加,各部位的变形量均发生变化,其中截齿部位变化最为强烈。基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台,对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究,通过追踪螺旋滚筒的振动状态,发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致。试验测试得到DEM–MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差,验证了DEM–MFBD数值模拟方法的准确性。研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义,同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法。

弹性飞行器飞行动力学建模与刚柔耦合阶次分析

基于虚功率原理与混合坐标法,建立了弹性飞行器的飞行动力学模型。发现了附加在弹性结构上的部件会对飞行器姿轨运动与结构振动产生影响,从而给出了耦合系数与模态质量的修正项。定义了描述弹性变形项保留程度的刚柔耦合阶次,并以由弹性本体和刚体舵面组成的刚柔耦合多体系统为例,通过对比不同刚柔耦合阶次下动力学模型的时域响应与保守系统的动量计算结果,分析了动力学模型及动量公式中弹性变形项的保留阶次对动力学响应及动量计算精度的影响。揭示了传统模型忽略弹性变形高阶项可能导致的误差水平,为弹性飞行器动力学模型的简化与验证提供了参考。

基于多类型换流设备的受端电网耦合鲁棒阻尼控制策略

针对混合级联直流馈入与柔性输电设备密集接入的受端电网,为增强其特定振荡模式的阻尼,利用不同换流设备控制回路间的相互作用,提出了一种基于多输入多输出系统模型的耦合鲁棒阻尼控制器设计方法。根据主模比指标选取振荡抑制效果最佳的反馈信号作为控制器输入信号;利用总体最小二乘-旋转不变技术识别系统的振荡模式并辨识系统降阶模型;采用混合H_(2)/H_(∞)方法设计耦合鲁棒控制阻尼器。控制器采用平衡截断法进行降阶,兼具鲁棒性能与实际工程应用。混合级联直流与受端江苏电网互联系统的时域仿真结果表明,相比于传统超前-滞后控制器,耦合鲁棒阻尼控制器在多种扰动和故障下均能有效抑制低频振荡,使系统快速恢复稳定运行。

基于刚柔耦合模型的某车载高炮火控诸元修正方法研究

针对车载高炮射击时车体姿态对射击精度的影响问题,提出了一种基于刚柔耦合模型修正火炮射击诸元的方法。以某车载高炮为研究对象,通过建立其刚柔耦合模型对车体姿态进行预测,火控系统将获取的射击方向上的车体姿态响应实时分解到沿车头方向和垂直于车头方向,经过纵、横倾及车向反变换后由载车不稳定坐标系转换为载车地理系下,再经滤波与解相遇问题求解得到地理系下的目标诸元,随后将地理系下的目标诸元通过纵、横倾及车向变换后得到载车不稳定系下的火炮射击诸元,从而将修正后的瞄准诸元提供给火炮。为验证修正方法的可行性与适用性,以另一型车载炮为对象进行了试验验证,试验结果表明:经诸元修正后的火炮射击精度得到明显改善,火炮射击初期高低和方位弹丸脱靶量均值分别减小了53.1%和41.3%,修正效果显著,研究可为车载高炮火控射击诸元修正提供一种新思路。

内燃动车组动力包刚柔耦合双层隔振系统动力学建模及参数影响分析

动力包系统为内燃动车组的重要组成部分,其隔振性能直接关系到动车组的运行安全性及乘坐舒适性。针对动力包刚柔耦合双层隔振系统,提出了一种基于子结构频响函数综合的动力包刚柔耦合双层隔振系统建模方法。该方法将动力包系统分为发电机组、散热器机组、公共构架和车体地板子结构,通过2次频响函数综合建立了公共构架B-基础D综合体和机组刚体的频响函数表达式,大大提升了建模效率与计算速度,对工程计算和设计具有重要的价值。通过与ABAQUS软件中有限元频响结果进行对比,验证了该方法的正确性与计算精度。以某型内燃动车组动力包系统为研究对象,利用该建模方法,结合动力包系统实际隔振设计需求,研究了子结构质量比、子结构刚度、子结构阻尼、各级隔振器刚度及阻尼等参数对动力包系统隔振性能的影响规律,为内燃动车组动力包隔振系统设计及优化提供了理论支撑。

基于LAGRANGE方程的深水钻井隔水管–水下井口系统动力分析

为了探究大质量、大刚度防喷器组(blowout preventers,BOPs)对深水钻井隔水管系统动态相应预测精度的影响,根据细长钻井隔水管与刚性防喷器组的结构特点,提出两者刚柔耦合的概念,采用能量法推导隔水管–防喷器组–水下井口系统的动能和势能,采用LAGRANGE方法建立耦合系统动力学理论模型,采用科学计算软件和Newmark-β直接积分法对动力学模型进行数值计算。以南海某深水钻井隔水管为例,开展基于耦合动力学模型的隔水管系统动态响应分析。结果表明,采用本文理论模型得到的隔水管不同位置的节点位移、单元弯矩、上部和下部挠性接头转角时程曲线、整体侧向位移包络线和弯矩包络线等与ABAQUS仿真结果均吻合良好,最大误差为8.8%。此方法可为深水钻井隔水管和水下井口系统动态分析提供参考。

区间过程激励下刚柔耦合系统动态不确定性分析的序列模拟方法

针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学问题,提出了一种基于区间过程模型的动力学不确定性序列模拟方法,旨在通过区间过程序列抽样及刚柔耦合动力学序列模拟计算结构振动与机构运动等系统动态响应的上下边界。介绍了中心刚体柔性梁刚柔耦合系统动力学方程的构建与数值求解方法。针对动态不确定性激励作用下的刚柔耦合系统动力学分析,引入区间过程模型及其区间K-L展开对动态不确定性进行了度量和高效表征,提出了一种求解系统机构运动与结构振动等动力学响应上下边界的序列模拟方法。该方法利用序列模拟策略识别当前模拟序列中对动态响应上边界或下边界具有贡献的区间过程参数样本集,作为下一模拟序列中的局部加密抽样中心,可有效避免直接蒙特卡罗模拟在计算动力学响应上下边界时因过多无效抽样模拟而导致的低效收敛问题。最后,通过三个算例对所提方法的有效性进行了验证。研究结果表明,对于刚柔耦合系统大范围运动及振动响应上下边界的求解,序列模拟方法相比于直接蒙特卡罗模拟方法具有更好的计算效率和计算精度。

计及化工生产过程的综合能源系统优化运行研究

综合能源系统在提高可再生能源利用率和为系统提供灵活性方面具有一定优势,如何厘清其物料流与能量流复杂耦合关系,建立优化运行策略是亟待解决的问题。以甲醇化工园区为例,构建甲醇化工园区综合能源系统(Methanol Chemical Park Integrated Energy System, MCPIES),运用序贯模块法对甲醇生产过程进行模块化处理,通过依次求解生产过程中关键的物料流,确定甲醇生产过程的物料流平衡关系,在此基础上建立量化甲醇生产单元物料流与能量流耦合关系的数学模型,从而实现其优化运行调度;同时考虑MCPIES的生产柔性可调节特性,设置多个算例对比验证其柔性可调节特性对其日常生产运行经济性的影响。仿真计算结果显示,该策略可有效地降低园区的用能成本。

A numerical method to simulate the coupled oscillations of flexible structures in flowing fluids

A numerical method is developed to simulate the coupled phenomena in a fluid-flexible-structure system.Specifically,a two-dimensional panel method is used to calculate the hydrodynamic forces and a modal superposition method is adopted to solve the governing equation of an Eulerian beam.The stability boundary of a single flexible beam in a uniform flow is calculated and compared with previous results to verify the validity of the code.The flow-induced flapping of a single and two flexible bodies for S=1.0,U=7.0 are investigated.For the flow-induced vibration of a single beam,the oscillation frequency is close to the secondary natural frequency of a cantilever.For two parallel flexible beams,they oscillate in phase when the non-dimensional separating distance H<0.25.When H>0.25,the out-of-phase mode occurs with a jump in frequency.When H>1,the interaction between the two beams decouples and the frequency and forces of each beam revert to behavior associated with a single beam in the same flow.Simulations of coupled-flapping of two tandem flexible structures proved that the drag acting on the upstream body is reduced while for that downstream drag is obviously increased when the structures are closely arranged.The numerical results obtained in the present work are qualitatively consistent with early experimental results.

基于DEM-MFBD双向耦合技术的采煤机摇臂壳体疲劳寿命预测

采煤机摇臂壳体是采煤机的重要部件及薄弱环节,其寿命直接影响采煤机的工作性能。为研究采煤机截割复杂煤层时滚筒所受载荷对其摇臂壳体寿命的影响,以MG325型采煤机截割兖州矿区杨村煤矿17层含夹矸煤壁为工程背景,通过虚拟样机技术和离散单元法-多柔体动力学(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics,DEM-MFBD)双向耦合技术,利用离散元仿真软件EDEM和多体系统动力学仿真软件RecurDyn,基于实际工况获得采煤机螺旋滚筒的外负载。在RecurDyn仿真平台中,建立采煤机摇臂三维实体模型并进行边界条件的设置及摇臂壳体的柔性化,通过软件本身的Durability疲劳耐久分析模块,计算摇臂壳体的疲劳寿命。利用专业绘图软件Origin绘制2个软件后处理的载荷曲线图,发现其走势较为一致,其后处理数据均值,标准差等相接近,证明两者耦合效果较好。结果表明:MG325型采煤机以滚筒转速83.5 r/min,截深600 mm,牵引速度5 m/min截割复杂煤层时,滚筒所受载荷具有较为强烈的载荷波动现象,由等效应力云图可得摇臂壳体的最大等效应力为230.51 MPa,且应力较大处集中位于壳体的各个齿轮轴孔处、凹槽处以及上下耳过渡处,经应力疲劳分析后得其最小寿命位于壳体的齿轮轴孔处,循环次数为8.3215×10~6次。本研究方法可为复杂条件下工矿装备大型结构件的优化设计提供参考。

含间隙多连杆机构刚柔耦合动力学建模与分析

针对间隙和柔性构件对多连杆机构动力学响应的影响,研究了一种适用于多连杆机械式压力机的平面六杆机构。建立了转动副间隙矢量模型,通过Lankarani-Nikravesh法向接触力模型和改进的库伦摩擦力模型建立了转动副间隙处的碰撞力模型。基于绝对节点坐标法建立了柔性梁单元模型,通过拉格朗日乘子法建立了含间隙机构的刚柔耦合动力学方程,并通过Adams虚拟仿真软件验证了动力学模型和理论分析的正确性。研究间隙值和摩擦系数对机构动力学响应的影响,利用相图、Poincare映射图和分岔图对机构的非线性特性进行分析,结果表明,随着间隙值的增大和摩擦系数的减小,机构受到的影响越大,产生的响应峰值越高,同时转动副间隙处的混沌现象有所增强。

基于刚柔耦合模型的仿生鸭机器人运动分析

通过Hypermesh有限元软件及Adams动力学软件建立了所设计的一种仿生鸭机器人的刚柔耦合模型以更好地模拟真实的运行工况.计算了小腿的动态受力及形变情况,并分析了影响蹼足运动参数的两种因素,即小腿结构是否形变及腿部关节摩擦系数.结果表明:在机器人运行过程中,小腿满足强度和刚度要求;小腿形变导致的蹼足运动学参数误差会使机器人运行时的精确性变差;对关节进行润滑可以减小机器人移动时受到的冲击.仿真计算结果可为后续机器人结构优化提供数据参考.

基于粒子法的可变边界柔性气缸弹射研究

为解决现有弹射器红外目标明显、能量不稳定、结构复杂等问题,进一步提升弹射效率、弹射稳定性,该研究在现有压缩空气弹射器的基础上提出一种可自主增长气缸边界的柔性气缸弹射器,实现高压气体在柔性气缸约束下的长距离做功。在显式动力学基础上,建立多工况下的大尺度柔性气缸弹射负载有限元模型,实现基于粒子法模型的大尺度柔性结构弹射负载的流固耦合数值仿真。研究结果表明在充气量一定时,柔性气缸弹射器比压缩空气弹射器弹射速度增加11.7%,火箭最大过载减小71.6%。进一步研究表明,同种织物漏气的主要影响因素为柔性气缸内外压差,针对不同材料漏气,选取三种材料,其中棉纶66C为柔性气缸织物的弹射系统的弹射指标最佳。对比不同环境压力,外界大气压越低,弹射动能越高,70 kPa环境压力下,比标准大气环境压力下,动能增加15.8%。

翼型下表面柔性襟翼流动控制机理研究

为解决低雷诺数下仿生飞行器设计中边界层流动分离这一热点问题,仿照鸟类次级羽毛的流动控制机制,提出了利用翼型下表面柔性襟翼进行非定常流动控制的方法。建立了一种以浸入边界法为核心的通用IB-LB-FEM流固耦合数值模拟框架,并系统研究了下表面柔性襟翼位置和刚度系数对NACA0012翼型非定常流动的影响,揭示了柔性襟翼流固耦合效应下的变形规律及其非定常流动控制机理。研究结果表明:当柔性襟翼靠近尾缘时,其对翼型气动性能的影响较为明显,其中最大平均升阻比相比无襟翼翼型提升了33.32%;下表面柔性襟翼并没有直接参与翼型表面流动分离的控制,但其通过扰动翼型下表面的非定常流动在襟翼后方形成新的流动分离从而影响了翼型的气动特性。此外,改变下表面柔性襟翼的刚度系数,将充分利用流固耦合特性有效改善翼型的气动性能。研究对于深入柔性襟翼流动控制机理,解决仿生飞行器的流动分离提供了新的研究思路。

基于DEM-MFBD-CFD方法的冰雪飞溅击打应答器力学研究

严寒地区冰雪飞溅问题对高速铁路运营安全性有直接影响,现场调研发现多处冰块脱落击打应答器的现象,而国内外对此研究尚未见文献报道。采用基于离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(discrete element method-multi flexible body dynamics-computational fluid dynamics, DEM-MFBD-CFD)耦合分析法,建立车厢底板结冰脱落击打应答器模型,并借助风洞和现场试验结果,验证了模型的可靠性;基于建立的分析模型研究不同列车速度、风压变化、冰块质量等因素对应答器击打的受力影响。结果表明:应答器受到的最大应力随列车运行速度呈现幂函数增长关系,当行车速度增大到350 km/h时,最大应力达15.591 MPa,约为150 km/h时的3.5倍;且随冰块质量增加应答器最大应力呈现先迅速增加后缓慢增长趋势;当横风风速为5~20 m/s作用时,应答器表面所受到的最大应力相差不大,表明横风对冰雪击打应答器作用可忽略不计;为减小冰雪飞溅击打应答器危害,可采取除融雪手段、列车降速等措施。