轴向流中固支弹性大挠度薄板流固耦合系统的振动特性

发布时间：2020-06-22 23:34

【摘要】：板壳薄壁结构的流固耦合特性研究在飞机设计、水利水电和核反应堆板状燃料组件工程中具有广泛的应用前景。本论文对轴向流中两端固支大挠度弹性薄板的流固耦合系统的动力响应和流场特性进行了数值模拟,固支薄板的结构动力学方程用有限元法离散;流场采用不可压缩的二维粘性流体(N-S方程),用有限体积法离散,并结合ADINA软件中成熟的网格划分和强大的非线性双向流固耦合计算功能,建立了轴向流中固支薄板的二维仿真模型。以期为该构件的流致振动、稳定性、失稳的控制和预测等提供参考。本论文的主要内容和成果如下:1.建立了轴向流中单块固支弹性薄板的数值仿真模型。介绍了固支薄板的结构动力学方程和流体控制方程,二者分别用有限元法和有限体积法离散;运用有限元软件ADINA建立了双向流固耦合作用下固支板的二维结构模型、轴向流场模型、定义边界条件和网格划分,通过该数值仿真模型研究了不同流速下两端固支弹性薄板的流固耦合振动特征和大挠度系统的振动稳定性。分别得到了不同流速下固支板中点的挠度-流速曲线、挠度时程曲线以及挠曲线图。结果表明:当流场的流速小于固支板的临界流速时,板将处于稳定的直线平衡状态;当流速大于固支板的临界流速时,板将在新的位置达到弯曲平衡状态,以及在弯曲平衡位置附近发生极限环振动。2.建立了轴向流中两平行固支弹性薄板的数值仿真模型,研究了不同流速与不同板间距-板长之比D/L下系统呈现出的流致振动特性与稳定性。结果表明:平行板在相同间距下,二者的挠度随流速的增大而增加;当轴向流速小于固支板的临界流速时,平行板以对称且相反的方向运动;当轴向流速等于固支板的临界流速时,两板间距增加到某一数值时,两块板在各自新的位置发生颤振;当轴向流速大于固支板的临界流速时,间距增加到某一临界值时,双块板将发生反相位的周期性极限环振动,相比于单板极限环现象出现更早,所需的速度越小;当间距增加到另一临界值,两平行板互不影响,系统呈现出单块固支板的流致振动形式。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O353.4
【图文】：

示意图,模型装置,示意图

关于计算流体力学的 N-S 方程的数值解9]对二维的 N-S 方程进行了两种降维的求CFD）和一系列强大的非线性有限元模向流场的设置、以及结构模型的建立等相固耦合系统的振动特性的研究具有重要的主要内容是建立了理想弹性固支薄板结合有限元软件 ADINA 中的移动网格析方面找到一些规律性的成果，以期为这安全分析提供一些参考。动力问题的研究是

示意图,实验结果,示意图,肥皂泡

中摆动的现象促使了专家学者开始探究工作。在实验研究方面如 Taneda[22]最先提出单面旗帜在垂直悬挂下的颤振现象，紧随其后 Datta 与 Gottenberg[23]较早对悬挂布条的颤振做了理论和相关实验的研究并测量了不同长度和宽度的布条发生颤振的临界流速。基于先前学者得到的实验研究成果和理论分析[24-26]，Zhang[27]等学者将细丝等效替代“旗帜”，流动的肥皂泡模拟流动的二维轴向流体，通过简单的实验装置模拟了二维风中一维旗帜摆动的自然现象（如图 1.1 所示）。结果表明：当肥皂泡的流速大于某一临界值时，整个细丝出现明显的颤振，在它的尾部肥皂泡脱落发生卡门涡街现象；当肥皂泡泡的流速低于某一数值时，置于装置内的细丝仍保持静止的平衡状态，在它的尾部未出现卡门涡街，如图1.2（A）中所示。在此基础上，Zhang 进一步研究了等长平行的两根细丝在不同肥皂泡流速与间距下的振动形式。结果表明：平行的细丝存在两种不同的振动形式（即同相位与异相位）。如图 1.2（B）中所示。

【参考文献】