板結(jié)構(gòu)的流固耦合廣泛存在于自然界、日常生活和實(shí)際工程中。通過對板結(jié)構(gòu)與流體的流固耦合振動問題的研究,不僅可以揭示板結(jié)構(gòu)在流體誘導(dǎo)下產(chǎn)生振動的機(jī)理,還有助于我們在流固耦合作用機(jī)理的基礎(chǔ)上創(chuàng)新工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用,防止因流固耦合引起結(jié)構(gòu)振動,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,設(shè)計(jì)、制造一些能量獲取裝置,更好地利用自然界中的能量,因此對該問題的研究具有重要理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。 流固耦合是一個涉及流體力學(xué)、固體力學(xué)、動力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的交叉科學(xué)。本文采用線性模型、非線性模型和有限元模型,并結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了軸向流中板狀結(jié)構(gòu)的流固耦合動力特性。本文具體研究了以下內(nèi)容： 1.基于Euler-Bernoulli梁理論,推導(dǎo)了軸向流中二維板在不同約束條件下的線性運(yùn)動微分方程及其邊界條件,板采用懸臂、兩端固支和兩端簡支三種支撐方式。采用Galerkin法離散板運(yùn)動微分方程,采用復(fù)模態(tài)分析方法,通過對物理參數(shù)作無量綱處理,研究了三種約束條件下板的失穩(wěn)特性,計(jì)算了板的失穩(wěn)臨界流速,分析了系統(tǒng)振動頻率、阻尼與流速的關(guān)系。研究結(jié)果表明：在較低流速作用下,三種約束條件下板均保持穩(wěn)定狀態(tài)；在足夠大流速作用下,懸臂板發(fā)生二階、三階振型顫振,但由于受到阻尼作用,不會發(fā)生一階屈曲失穩(wěn)；兩端固支板發(fā)生一階屈曲失穩(wěn)和二階、三階振型顫振；兩端簡支板發(fā)生一階、二階屈曲失穩(wěn)和二階、三階振型顫振。 2.基于有限元法推導(dǎo)了流體有限元方程和結(jié)構(gòu)有限元方程,建立了軸向流中懸臂板流固耦合有限元模型。采用COMSOL對軸向流中二維懸臂板進(jìn)行了流固耦合動力學(xué)計(jì)算,研究了給定流速下懸臂板在不同時刻的振動響應(yīng)及其動力特性。 3.基于板軸向不可拉伸假設(shè),采用Hamilton變分原理推導(dǎo)了軸向流中二維懸臂板非線性運(yùn)動微分方程及其邊界條件,對懸臂板非線性運(yùn)動偏微分方程及其邊界條件作無量綱處理,采用面元法計(jì)算懸臂板上下面壓力差,建立了系統(tǒng)的流固耦合方程。采用Galerkin法離散非線性運(yùn)動偏微分方程,采用Houbolt法求解離散后的常微分方程組。討論了Galerkin模態(tài)數(shù)、面元數(shù)、計(jì)算時問步長和尾渦長度對方程收斂性的影響,并給出了它們的最優(yōu)取值。通過與已有研究成果的對比驗(yàn)證了本文提出的非線性模型在懸臂板流固耦合研究中的可行性與準(zhǔn)確性。 4.采用非線性模型研究了兩種不同質(zhì)量比懸臂板的顫振臨界流速及其顫振特性,分析了模型中橫向位移、固支長度、阻尼系數(shù)和粘性阻力系數(shù)對系統(tǒng)動力特性的影響,通過改變板初始變形從而改變尾渦討論了系統(tǒng)顫振滯后現(xiàn)象,最后研究了系統(tǒng)顫振邊界。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)由于氣動彈性失穩(wěn)而發(fā)生Hopf分叉,流速大于顫振臨界速度時,系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的極限環(huán)顫振,隨著流速的增大,懸臂板振幅、頻率增大,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定極限環(huán)顫振所需時間減小,板的振動響應(yīng)由二階主振型變?yōu)槎⑷A主振型的疊加。考慮橫向位移時,板振幅增大,顫振臨界流速不變；板振幅隨固支長度的增加而增大；隨著阻尼系數(shù)和粘性阻力系數(shù)的增大,板顫振臨界流速增大,縱向位移單調(diào)減小。短懸臂板,顫振臨界流速受板長的影響較大,臨界流速隨板長的增大而快速減小；長懸臂板,臨界流速受板長的影響較小,臨界流速隨板長的增大而緩慢減小,且當(dāng)板長足夠大時,臨界流速趨于常數(shù)；較長懸臂板,臨界流速隨板長的增大而急劇增大然后快速減小。 5.在風(fēng)洞試驗(yàn)臺上對懸臂板的動力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用時程分析法、功率譜密度法、相平面法、龐加萊法、概率密度函數(shù)法和自相關(guān)函數(shù)法研究了懸臂薄板的動力特性。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)顫振臨界流速、顫振頻率隨材料阻尼的增大而增大。隨著流速的增大,懸臂板發(fā)生周期振動、擬周期振動和混沌運(yùn)動。由于大翼展比板沿翼展方向發(fā)生三維變形,系統(tǒng)發(fā)生亞臨界Hopf分叉,顫振滯后現(xiàn)象明顯,且當(dāng)流速位于顫振滯后環(huán)內(nèi)時,靜止懸臂板受到較小外部擾動會發(fā)生與自激振動相同的極限環(huán)顫振失穩(wěn)；小翼展比板未發(fā)生三維變形,系統(tǒng)發(fā)生超臨界Hopf分叉,顫振滯后現(xiàn)象消失。實(shí)驗(yàn)顫振邊界與本文非線性理論顫振邊界吻合較好,表明應(yīng)用本文提出的包含剛度非線性和慣性非線性的復(fù)雜非線性運(yùn)動方程,可以很好地分析軸向流中懸臂板動力特性。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TH113
【部分圖文】：

zhangl31等在Nature卜發(fā)表了他的實(shí)驗(yàn)研究成果，將懸臂細(xì)絲放置于裝有肥皂膜的水洞裝置中，模擬了維旗}哄在三維風(fēng)，!，的擺動現(xiàn)象(見圖1一1)。如圖1一1(a)所示，自11絲處一J屯靜止?fàn)顟B(tài)時細(xì)絲尾跡形成兩列精細(xì)的平行卜門渦街;如圖1一1(b)所示，細(xì)絲處J幾擺動狀態(tài)時卡門渦街消失，細(xì)絲尾渦呈擺動渦結(jié)構(gòu);如圖1一1(c)所示，細(xì)絲尾端擺動軌跡旱”8’’字形。研究發(fā)現(xiàn)‘”流體流速低于失穩(wěn)臨界流速時，旗幟處于靜IL狀態(tài)，‘”流體流速增人到失穩(wěn)臨界值時，旗幟)J=始擺動

_‘口__日、「_，廠日砰__日砰、〕戶，=}一+U—日九夕}—+U—}}戈次鮮少「又次湃月(2一2)土式中，M為單位長度流體附加質(zhì)量。以板單元占X為分析對象，其受力和彎矩如圖2一2所示。凡和凡分別為單位長度板所受法向粘性力和切向粘性力，凡和氣分別為板‘向和y向所受氣動力，Q為板單元截面承受的剪力，灘為板單元截面承受的彎矩，T為板單元截面承受的軸力，m為單位長度板質(zhì)量。\/\b/’x·J/爪\、/了伙//廠護(hù)伴丫.Q嘆了{(lán)洲價\\、廠戈//\\一_/‘氣獻(xiàn)//\、-廠氣稍氣萬尤廠幾廠氣欲_廠、·，·+里二()+衛(wèi)“·獻(xiàn)一a丫(/_:十杭)占x議瀏)日六mg萬萬萬+經(jīng)翌“a丫圖2一2柔性板單元占x受力和彎矩示意圖

片////價、///z/圖2一1(c)兩端簡支結(jié)構(gòu)軸向流中不同約束條件柔性板結(jié)構(gòu)示意板側(cè)向位移為砰(x，O，Lighthill[’001給出了板與流體的相對速度為:日砰__日砰v(x，t)一萬十U麗(2一l)根據(jù)細(xì)長機(jī)翼理論l’31，單位長度板受到的流體粘性力為:_‘口__日、「_，廠日砰__日砰、〕戶，=}一+U—日九夕}—+U—}}戈次鮮少「又次湃月(2一2)土式中，M為單位長度流體附加質(zhì)量。以板單元占X為分析對象

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 郭旺;胡超;;懸臂板條結(jié)構(gòu)動力學(xué)與振動控制分析[J];動力學(xué)與控制學(xué)報;2010年01期

2 王輝,岑章志,杜慶華;粘性流體中彈性板振動的有限元耦合問題[J];固體力學(xué)學(xué)報;1998年02期

3 ;專業(yè)數(shù)值分析系統(tǒng)COMSOL Multiphysics[J];CAD/CAM與制造業(yè)信息化;2008年09期

4 李舜酩,許慶余,程德林;平行結(jié)構(gòu)流固耦合振動特性的研究[J];計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用;1996年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 王少波;混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動力特性分析及綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];機(jī)械科學(xué)研究院;2003年

2 魯麗;非線性板狀結(jié)構(gòu)流固耦合復(fù)雜響應(yīng)研究[D];西南交通大學(xué);2006年

3 賈來兵;二維流場中板狀柔性體與流體相互作用的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

本文編號：2825014