水下柔性结构流固耦合动力效应研究--《武汉理工大学》2011年博士论文
水下柔性结构流固耦合动力效应研究
【摘要】：海洋结构物多在海洋环境中进行施工,具有极大的难度和特殊性。与陆地或浅水结构不同,海洋结构经常受到波浪、海流、地震等荷载的作用而产生有害振动。随着社会的发展,工程中新材料、新设备、新结构和新工艺的运用,结构不断向高、轻、大三个方向发展。特别是在海洋工程领域,随着海洋资源开发不断地向深海进军,越来越多海洋结构物转变为柔性结构。
海底隧道、海洋平台等结构物由于自身刚度比较大,所以整体振动幅值不会很大,但海洋悬跨管道、深海采矿系统中的输送软管、水中悬浮隧道等结构则属于细长的柔性结构,容易在波浪、海流、地震等动力因素影响下产生较大的变形,并在部件内部产生额外的张力,极易引起结构的损伤甚至破坏。因此,深入开展水中柔性结构流固耦合振动特性以及在水流、地震等荷载作用下的力学行为的研究,对提高水中柔性结构的安全运营具有十分重要的理论和现实意义。
本文针对水中柔性结构流固耦合振动特性以及在水流、地震等荷载作用下的力学行为进行研究。论文的主要内容如下：
1、阐述了课题的研究背景和研究意义,对国内外流固耦合问题的相关理论以及在海流和地震作用下水中结构动力响应的相关研究进行了归纳和总结,阐述了水中柔性结构的振动特性以及在复杂水中环境荷载作用下的力学行为研究中尚待解决的问题。
2、介绍了流体力学的基本概念和基本方程组,并对无粘性小扰动流动的基本方程和表达形式进行了论述,在此基础上,详细阐述了线性流固耦合系统有限元分析的位移-压力格式以及线性流固耦合系统的动力特性分析方法,最后给出了非线性流固耦合问题的ALE描述方法。
3、为准确把握水中结构的动力特性,设计制作了水中悬跨结构、深水桥墩以及悬浮隧道的试验模型。分若干工况对各个模型在无水和有水环境下的动力特性进行了测试,并分析了不同尺寸、不同水位、不同形式对结构动力特性的影响。采用附加质量法以及三维数值有限元法对试验模型动力特性进行了计算,并对试验和计算结果进行了比较和分析。
4、对柔性结构的静力行为进行了研究,总结了柔性结构在静载作用下的应力响应以及变形规律。分别采用附加质量法和三维数值有限元方法对两端固定约束的圆柱管道进行分析,通过比较有水、无水以及是否考预应力效应的计算结果,总结出水中柔性结构振动特点。并对水中柔性结构在简谐荷载作用下的响应规律进行了归纳。
5、对水流作用下的圆柱绕流及涡激振动现象进行了介绍；基于标准k-s湍流模型,分别采用二维数值模拟和三维数值模拟的方法,对不同水流速度下的圆柱管道绕流流场的压力分布和速度分布进行分析,对海流作用下圆柱管道尾流区涡旋发展的过程进行了描述,探讨了水流作用下水中柔性结构动力响应规律。
6、对结构地震响应的分析方法进行了介绍,并阐述了基于水动力模型的水中结构地震响应分析方法以及考虑流固耦合效应的水中结构地震响应数值有限元计算方法,建立了地震作用下水中柔性结构流固耦合效应分析模型,通过比较有水、无水以及是否考虑结构大变形的计算结果,探讨地震作用下水中柔性结构动力响应规律,并分析了结构长度、地震强度等因素对结构动力响应的影响。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉理工大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：O35;P75【目录】：
Abstract6-12
第1章 绪论12-28
1.1 本课题的提出12-13
1.2 国内外研究现状13-25
1.2.1 流固耦合问题的相关理论及研究现状13-17
1.2.2 海流作用下水中结构的动力响应研究17-22
1.2.3 地震作用下水中结构的动力响应研究22-25
1.3 本文的研究目的及主要内容25-28
1.3.1 本文研究的目的25-26
1.3.2 本文研究的主要内容26-28
第2章 流固耦合问题的基本理论与研究方法28-48
2.1 概述28-29
2.2 流体力学基本概念和基本方程组29-33
2.2.1 基本概念29-30
2.2.2 基本方程组30-33
2.3 无粘性小扰动流动的基本方程和表达形式33-36
2.3.1 基本假定33
2.3.2 无粘性小扰动流动的基本方程33-35
2.3.3 以压力为场变量的表达式35-36
2.4 流固耦合系统有限元分析的位移-压力格式36-39
2.4.1 流固耦合系统的动力学模型和基本方程36-37
2.4.2 用伽辽金法建立流固耦合的有限元方程37-39
2.5 流固耦合系统的动力特性分析39-42
2.5.1 流固耦合方程的对称化处理39-40
2.5.2 消除流体刚度矩阵的奇异性40-42
2.6 非线性流固耦合问题的ALE描述42-47
2.6.1 三种坐标系之间的关系43-44
2.6.2 基于ALE的流固耦合分析44-47
2.7 本章小结47-48
第3章 水中结构的模型试验48-75
3.1 概述48
3.2 水中悬跨结构模型试验48-63
3.2.1 试验方法49
3.2.2 试验模型与装置49-51
3.2.3 试验方案51-52
3.2.4 试验结果52-56
3.2.5 三维数值模拟56-57
3.2.6 公式法57-60
3.2.7 结果分析60-63
3.3 深水桥墩模型试验63-66
3.3.1 试验模型与装置63-64
3.3.2 试验步骤64
3.3.3 试验结果64-65
3.3.4 三维数值模拟65-66
3.3.5 结果分析66
3.4 水中悬浮隧道模型试验66-74
3.4.1 试验模型与装置67-69
3.4.2 试验方案69-70
3.4.3 试验结果70-72
3.4.4 三维数值模拟72-73
3.4.5 结果分析73-74
3.5 本章小结74-75
第4章 水中柔性结构的静力及动力特性分析75-91
4.1 概述75
4.2 柔性结构的静力分析75-78
4.2.1 非线性基本理论75-76
4.2.2 结构非线性静力分析76-78
4.3 水中结构的模态分析78-86
4.3.1 模态分析79-85
4.3.2 有预应力的模态分析85-86
4.4 水中结构的谐响应分析86-89
4.5 本章小结89-91
第5章 水流作用下水中柔性结构的动力响应分析91-115
5.1 概述91-92
5.2 圆柱绕流及涡激振动现象92-94
5.3 流固耦合数值分析方法94-95
5.4 不同流速下结构的动力响应及流场分析95-113
5.4.1 湍流计算模型95-98
5.4.2 边界条件98-102
5.4.3 基于湍流模型的圆柱绕流二维数值仿真102-107
5.4.4 基于湍流模型的圆柱绕流三维数值仿真107-111
5.4.5 不同流速下结构动力响应分析111-113
5.5 本章小结113-115
第6章 地震作用下水中柔性结构动力响应分析115-132
6.1 概述115
6.2 结构地震反应分析方法115-118
6.3 附加质量法118-121
6.3.1 Morison方程118-119
6.3.2 地震作用下圆管所受动水作用力119-120
6.3.3 水中圆管在地震作用下的动力方程120-121
6.4 考虑流固耦合效应的水中结构动力分析基本理论121
6.5 水中柔性结构地震响应分析121-130
6.5.1 计算模型121-122
6.5.2 无水情况下柔性结构地震响应规律122-127
6.5.3 有水情况下柔性结构地震响应规律127-130
6.6 本章小结130-132
第7章 总结与展望132-136
7.1 本文工作总结132-134
7.2 进一步研究的方向134-136
参考文献136-145
致谢145-146
攻读博士学位期间发表学术论文与研究成果146
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1)研究了工程机械臂的多刚体动力学方程及柔性多体动力学方程的建模方法,主要讨论了等效有限元方法和拉格朗日定理,重点研究了柔性梁的多体动力学理论基础。
2)采用基于集中质量和惯量的等效有限元法建立液压挖掘机机械臂的动力学微分方程,运用龙格-库塔(Runge-Kutta)数值求解法对运动微分方程进行推导和数值求解,对各臂杆的动力学特性进行了分析,并运用ADAMS软件进行仿真分析。
根据柔性多体动力学理论,采用模态函数描述臂架的弹性变形,采用LAGRANGE定理和虚功原理建立液压挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程,并通过数值求解、动力学仿真的方法对建立的动力学方程进行分析。
对已建立的动力学方程利用MATLAB进行数值求解,运用仿真软件ADAMS及NASTRAN建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并进行仿真分析,并对比二者结果。运用数值求解的方法进行模态计算和动力学响应分析,求解相关几何参数的一
阶固有频率灵敏度,分析影响机械臂动力学特性的主要模态参数。
3)考虑大型船用挖掘机机械臂的轴向变形,采用拉格朗日定理建立其柔性机械臂动力学方程,采用数值求解的方法,利用复模态分析中的状态矢量法对机构动力学控制方程进行了解耦,得到机械臂在标称运动附近振动固有频率和大范围刚性转动角速度的关系。
应用UG、NASTRAN、ADAMS等软件建立了柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机虚拟样机模型。根据船用挖掘机机械臂系统结构及工况特点,施加载荷并进行动力学分析,通过后处理模块,得到系统位移、速度、加速度等动态性能,以及连接点的铰接力和动臂的动态应力等特性。
4)研究液压挖掘机机械臂的轨迹规划及运动控制。分析了工程机械臂控制策略理论基础,根据控制原理及机械臂铲斗运动轨迹跟踪控制表达式,建立工作装置机械臂PID控制模型及基于RBF神经网络的PID控制模型,运用Matlab及相关软件对控制模型进行仿真计算,分析了系统的动态响应和稳态误差,并得出基于RBF神经网络的PID控制优于常规控制的结论,能够实现挖掘机工装轨迹的智能控制。
5)利用模态分析、谐响应分析确定对系统动态性能影响最大的模态频率,以此为基础构建动态优化的目标函数,再利用灵敏度分析缩减设计变量以提高动态优化的效率。
利用有限元分析软件中的优化模块对液压挖掘机工作装置机械臂结构系统进行了动态优化设计。
采用拉格朗日乘子法将液压挖掘机工作装置机械臂结构约束动态优化问题转化为无约束的动态优化问题,得到此拉格朗日函数的极小值点并且此拉格朗日函数极值点将逐步逼近原目标函数的约束最优点,由收敛准则可得近似最优解。
以有限元分析为基础,将正交试验法与BP神经网络结合,建立了工作装置机械臂结构设计变量与动态特性之间的非线性映射关系的神经网络模型,用遗传算法优化神经网络模型得到最优解。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：TU603【目录】：
致谢5-6摘要6-8ABSTRACT8-131 绪论13-26 1.1 课题来源及研究目的13-15 1.2 液工程机械臂系统结构动力学及特性研究现状15-21
1.2.1 多体系统动力学的国内外研究现状15-17
1.2.2 国内外工程机械臂主要研究方向及现状17-21 1.3 本文研究的意义及经济建设的影响21 1.4 本文研究的内容及创新点21-25 本章小结25-262 工程机械臂多体系统动力学理论基础26-47 2.1 基于等效有限元方法的工程机械臂系统刚体多体系统动力学理论26-35
2.1.1 等效单元26
2.1.2 伪质量矩阵26-28
2.1.3 等效单元集中质量28-31
2.1.4 带约束条件的等效单元31-32
2.1.5 可能位移和独立可能位移束32-34
2.1.6 等效力系与实际力系34-35
2.1.7 等效系统与系统运动方程35 2.2 工程机械臂系统刚柔耦合的多体系统动力学理论35-46
2.2.1 柔性梁的刚体运动理论35-37
2.2.2 柔性梁的弹性大变形运动理论37-40
2.2.3 柔性梁动力学质量矩阵40-41
2.2.4 柔性梁动力学刚度矩阵41-43
2.2.5 柔性梁广义作用力列阵43-44
2.2.6 柔性梁多体系统动力方程44-46 本章小结46-473 液压挖掘机工作装置机械臂动力学及特性分析47-74 3.1 液压挖掘机工作装置机械臂运动分析47-48 3.2 基于等效有限元法的工作装置机械臂的刚体多体动力学研究48-55
3.2.1 液压挖掘机工作装置机械臂的动力学建模49-50
3.2.2 液压挖掘机机械臂的动力学数值求解及动力学特性分析50-52
3.2.3 液压挖掘机机械臂的动力学仿真及动力学特性分析52-55 3.3 工作装置机械臂的刚柔耦合多体动力学及特性55-62
3.3.1 工作装置柔性机械臂运动坐标系的建立55-56
3.3.2 柔性臂架系统的动能56-59
3.3.3 柔性臂架系统的势能59-60
3.3.4 液压驱动的动力学模型60-61
3.3.5 液压挖掘机工作装置机械臂的动力学建模61-62 3.4 柔性机械臂的动力学数值求解及动力学特性分析62-73
3.4.1 工作装置机械臂结构参数的灵敏度分析63-64
3.4.2 工作装置机械臂刚柔耦合动力学数值求解64-68
3.4.3 液压挖掘机机械臂刚柔耦合动力学仿真68-73 本章小结73-744 大型船用挖掘机机械臂多体动力学及特性研究74-101 4.1 船用挖掘机工装装置机械臂的刚柔耦合多体动力学建模74-86
4.1.1 船用液压挖掘机机械臂机构系统广义坐标系的建立74-76
4.1.2 船用液压挖掘机机械臂机构系统动力学控制方程76-86 4.2 船用挖掘机工作装置机械臂的刚柔耦合动力学仿真86-95
4.2.1 仿真刚柔耦合模型虚拟样机模型的建立86-87
4.2.2 仿真工况描述及载荷施加87-90
4.2.3 系统动态性能仿真分析90-95 4.3 船用挖掘机工作装置机械臂动力学数值求解95-100 本章小结100-1015 工程机械臂动力学性能智能控制101-120 5.1 工程机械臂控制策略理论基础101-102 5.2 液压挖掘机机械臂控制系统分析与设计102-119
5.2.1 液压挖掘机机械臂动力学方程及轨迹表达102-104
5.2.2 液压挖掘机机械臂控制系统建模及仿真104-117
5.2.3 液压挖掘机机械臂运动轨迹仿真分析117-119 本章小结119-1206 工程机械臂结构动态优化设计120-144 6.1 液压挖掘机工作装置机械臂结构动力学模型及动力学分析120-131
6.1.1 液压挖掘机机械臂动力学结构动态优化的实现过程120-122
6.1.2 工作装置机械臂有限元建模及模态分析程122-126
6.1.3 作装置结构系统灵敏度分析126-127
6.1.4 工作装置机械臂动态结构化设计变量约束的建立127-131 6.2 基于有限元软件分析的液压挖掘机机械臂结构动态优化131-132 6.3 基于拉格朗日乘子法的液压挖掘机机械臂结构动态优化132-136 6.4 基于BP-GA的液压挖掘机机械臂结构动态优化136-142
6.4.1 BP神经网络及结构设计137-139
6.4.2 工遗传算法优化(GA)139-142 6.5 三种动态优化方法的比较142 本章小结142-1447 总结与展望144-148 7.1 总结144-146 7.2 创新点146 7.3 展望146-148参考文献148-158攻读博士学位期间发表的论文158
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