本書詳細介紹了流固耦合動力學中的若干工程問題,如水下航行器舵系統(tǒng)、海洋立管、風力機柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭等工程結(jié)構(gòu)的典型流固耦合動力學問題,涉及氣動彈性、水彈性、計算流體力學、結(jié)構(gòu)動力學、多體系統(tǒng)動力學等學科知識。本書不僅介紹了基于商業(yè)軟件ANSYS的常規(guī)流固耦合方法,而且涵蓋了若干基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的流固耦合動力學最新成果。本書理論與實際工程緊密結(jié)合,并配有較多的實際工程算例,部分算例還直接提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB仿真程序。
本書適合力學、海洋工程、兵器科學與技術(shù)、航空航天工程、土木工程等專業(yè)的高年級本科生、研究生和相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員使用。
本書詳細介紹了流固耦合動力學中的若干工程問題,內(nèi)容涵蓋了水下航行器舵系統(tǒng)、海洋軟管、風力機柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭等工程結(jié)構(gòu)的典型流固耦合動力學問題。涉及氣動彈性、水彈性、計算流體力學、結(jié)構(gòu)動力學、多體系統(tǒng)動力學等學科知識。內(nèi)容涵蓋了基于商業(yè)軟件 ANSYS 的常規(guī)流固耦合方法,也包括了若干基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的流固耦合動力學成果。本書理論與實際工程緊密結(jié)合,并配有較多的實際工程算例,部分算例在書中直接提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB 仿真程序。本書有以下兩大特色:
(1) 本書建立了適用于工程使用的流固耦合快速建模和仿真方法,對工程實際應用有重要的指導意義;
(2)本書理論與實際工程緊密結(jié)合,并配有較多的實際工程蒜粒,部分算例提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB仿真程序。
現(xiàn)代航空、航天、船舶與海洋工程領(lǐng)域,航行器日益追求高速度、高機動性,工程裝備追求輕質(zhì)量、高性能,這些需求使得航行器以及工程裝備呈現(xiàn)出輕結(jié)構(gòu)、大柔性的特點。在流體的作用下,柔性結(jié)構(gòu)會發(fā)生彈性變形,而結(jié)構(gòu)變形又會改變流場分布,這種相互耦合作用使得柔性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)流固耦合振動,并逐漸達到平衡或者發(fā)散狀態(tài)。一般情況下,振動平衡不會破壞結(jié)構(gòu),但振動發(fā)散會導致結(jié)構(gòu)破壞。概括地講,流固耦合動力學就是研究流體和結(jié)構(gòu)相互耦合作用而產(chǎn)生的各種動力學問題。
以氣體為流體介質(zhì)的流固耦合問題被稱為氣動彈性問題;以水為流體介質(zhì)的流固耦合問題被稱為水彈性問題。許多氣動彈性、水彈性問題涉及流體力、彈性力和慣性力,這類問題稱為動氣動彈性或者動水彈性問題;另外一些氣動彈性、水彈性問題只涉及流體力和彈性力,稱為靜氣動彈性或靜水彈性問題。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法的不斷發(fā)展,流固耦合高保真仿真技術(shù)也得到了大力發(fā)展,但計算代價依然很高,計算非常耗時。因此,建立適用于工程實際的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意義。
本書基于筆者近些年發(fā)表的論文,并結(jié)合自己在流固耦合動力學領(lǐng)域的科研體會,以水下航行器舵系統(tǒng)、海洋立管、柱體結(jié)構(gòu)、風力機柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭為研究對象,介紹解決這些工程實際問題對應的流固耦合仿真方法。
全書框架的搭建、內(nèi)容的編排和工程案例的選擇由陳東陽完成,并由陳東陽統(tǒng)稿。展志煥(航天三院三部 北京機電工程研究所)參與本書第2、3章的編寫,為多體系統(tǒng)動力學建模的校核及振動控制建模提供幫助;劉飛飛(北重集團南京研究院)、宋彥明(北重集團南京研究院)、劉俊民(北重集團南京研究院)參與本書第2、5、7章的編寫;肖清(中國艦船研究設計中心)、方康(中國艦船研究設計中心)、郭為燦(中國艦船研究設計中心)參與本書的第2、3、4、5章的編寫,同時為本書中舵系統(tǒng)建模提供模型和數(shù)據(jù);顧超杰(揚州大學電氣與能源動力工程學院)參與本書第5、6章的編寫。
本書獻給已經(jīng)去世的南京理工大學發(fā)射動力學研究所的Laith K.Abbas教授。感謝國家自然科學基金(12002301)、江蘇省自然科學基金(BK20190871)、北重集團南京研究院、揚州大學學科建設經(jīng)費(流體動力與能源高效轉(zhuǎn)化利用)的資助。
鑒于筆者水平有限,書中難免存在不當之處,懇請讀者批評指正。
著者
陳東陽,碩士研究生導師,墨爾本皇家理工大學航空工程學院訪問學者,仿真秀平臺優(yōu)秀專欄作者。長期從事流固耦合動力學、振動控制、流動控制與減振降噪研究。主持包括國家自然科學基金在內(nèi)的縱/橫向項目十余項、發(fā)表SCI、EI等期刊檢索論文39篇、授權(quán)/受理專利27項、獲得軟件著作權(quán)8項。在仿真秀平臺開設流固耦合動力學仿真與工程應用等課程。
第1章 流固耦合工程問題概論1
1.1 流固耦合工程問題發(fā)展現(xiàn)狀/ 4
1.2 水下航行器舵系統(tǒng)水彈性振動發(fā)展現(xiàn)狀/ 6
1.3 海洋立管渦激振動發(fā)展現(xiàn)狀/ 8
1.4 風力機柔塔橫風向渦激振動發(fā)展現(xiàn)狀/ 11
1.5 旋轉(zhuǎn)彈箭流固耦合發(fā)展現(xiàn)狀/ 13
1.6 柔性結(jié)構(gòu)流固耦合研究存在的問題及解決方法/ 16
第2章 流固耦合問題的基本理論與方法19
2.1 引言/ 19
2.2 多體系統(tǒng)動力學求解方法/ 20
2.2.1 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法基本理論/ 20
2.2.2 有限元法(FEM)基本理論/ 26
2.3 流體載荷求解方法/ 30
2.3.1 Theodorsen非定常流體理論/ 30
2.3.2 Van der Pol(范德波爾)尾流振子模型/ 33
2.3.3 計算流體力學(CFD)理論/ 36
2.4 流固耦合問題研究的基本方法/ 43
2.5 本章小結(jié)/ 45
第3章 水下航行器舵系統(tǒng)振動特性仿真與分析46
3.1 引言/ 46
3.2 基于MSTMM 的舵系統(tǒng)建模/ 46
3.2.1 彎扭耦合梁建模/ 47
3.2.2 舵系統(tǒng)動力學模型/ 51
3.3 舵系統(tǒng)動力學參數(shù)確定方法/ 62
3.3.1 舵系統(tǒng)FEM建模/ 62
3.3.2 基于FEM的模型驗證分析/ 63
3.3.3 基于FEM舵系統(tǒng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證/ 65
3.3.4 舵系統(tǒng)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)獲取/ 69
3.4 基于MSTMM的舵系統(tǒng)振動特性仿真/ 70
3.5 本章小結(jié)/ 75
第4章 水下航行器舵系統(tǒng)水彈性仿真與分析76
4.1 引言/ 76
4.2 基于MSTMM的舵系統(tǒng)水彈性計算/ 77
4.2.1 基于MSTMM的舵系統(tǒng)線性顫振模型頻域分析/ 77
4.2.2 基于MSTMM的舵系統(tǒng)線性顫振模型時域分析/ 80
4.2.3 模型驗證/ 81
4.2.4 基于MSTMM的舵系統(tǒng)水彈性計算/ 87
4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)和間隙非線性對舵系統(tǒng)水彈性的影響規(guī)律/ 90
4.3.1 基于MSTMM的舵系統(tǒng)二元顫振模型建模方法和參數(shù)獲取/ 90
4.3.2 舵系統(tǒng)的二元顫振模型建模/ 94
4.3.3 舵系統(tǒng)二元顫振模型建模合理性驗證/ 98
4.3.4 計算結(jié)果分析/ 106
4.4 本章小結(jié)/ 113
第5章 柱體結(jié)構(gòu)渦激振動仿真與分析114
5.1 引言/ 114
5.2 二維彈性支撐柱體渦激振動動力學模型/ 115
5.2.1 基于Van der Pol尾流振子模型的彈性支撐柱體VIV 模型/ 116
5.2.2 基于CFD模型的彈性支撐柱體VIV 建模與二次開發(fā)/ 119
5.3 二維彈性支撐柱體VIV機理/ 125
5.3.1 基于Van der Pol模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結(jié)果/ 125
5.3.2 基于CFD模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結(jié)果/ 126
5.4 三維柔性柱體渦激振動/ 132
5.4.1 三維RTP立管渦激振動/ 133
5.4.2 三維風力機塔筒渦激振動/ 142
5.5 本章小結(jié)/ 155
第6章 柱體結(jié)構(gòu)渦激振動抑制方法及仿真157
6.1 引言/ 157
6.2 安裝NES的二維彈性支撐柱體渦激振動減振/ 158
6.2.1 NES簡介/ 158
6.2.2 基于Van der Pol尾流振子模型的R-NES減振/ 159
6.2.3 基于CFD模型的T-NES減振/ 170
6.2.4 基于Van der Pol尾流振子模型的T-NES渦振控制/ 180
6.3 安裝螺旋列板的三維海洋立管渦激振動減振/ 187
6.3.1 基于CFD/FEM雙向耦合的立管渦激振動模型驗證/ 187
6.3.2 安裝有螺旋列板的立管渦激振動響應/ 191
6.4 本章小結(jié)/ 195
第7章 彈箭單雙向流固耦合仿真與分析196
7.1 引言/ 196
7.2 旋轉(zhuǎn)彈箭空氣動力學計算/ 197
7.2.1 M910和F4旋轉(zhuǎn)彈箭計算參數(shù)/ 197
7.2.2 計算流場設置/ 199
7.2.3 氣動特性計算公式/ 202
7.2.4 M910和F4旋轉(zhuǎn)彈箭氣動特性分析/ 203
7.3 火箭彈靜氣動彈性仿真計算/ 210
7.3.1 彈箭法向力分布數(shù)值計算/ 210
7.3.2 靜氣動彈性計算/ 212
7.4 火箭彈靜氣動熱彈性仿真計算/ 225
7.4.1 靜氣動熱彈性單向耦合計算方法/ 225
7.4.2 火箭彈靜氣動加熱數(shù)值計算/ 227
7.4.3 火箭彈靜氣動熱彈性分析/ 231
7.5 本章小結(jié)/ 233
參考文獻234