有限域气泡振动对精密结构的微扰动分析及结构设计

摘要

通常,流体机械结构的液体内部不可避免地存在微气泡,气泡在管道流场中振动时会激发固壁应力波,对结构产生扰动,从而诱导结构内部出现应力和变形,进而严重影响定位精度和制造精度。随着定位精度向亚纳米发展,液体中的微气泡振动对精密运动机构定位精度的影响将不能被忽视。由于微管约束下气泡的振动行为涉及复杂的气-液-固三相耦合作用,且固壁结构的不同连接形式也直接影响着应力波在结构间的传递方式,因此,关于微管约束下的气泡振动目前还没有建立起恰当的分析模型,也没有对微管固壁应力波的传播规律开展深入研究,更没有提出衰减或抑制这类微扰动传递的有效方法。所以,开展精密运动机构中微气泡振动分析、研究气泡振动所诱导的管壁应力波传播规律、并寻找有效措施来抑制这类微扰动传递,其重要性和紧迫性是不言而喻的。
　　本文研究了双层管内超声气泡在超声波激励后的耦联振动问题,发展了有效的计算方法,并进行了大量的数值计算。结果表明:通过改善双层壳外层结构的材料性能,可以有效降低气泡的振动幅值,减小管壁的变形程度。另外,结果也显示,随着外层材料性能增强,内层受到的冲击力及壁内的环向应力都相应增大。另外,为了尽量减少运动机构(如水下滑翔机推进泵)中气泡的产生,本文也对机构导流槽、排水区喷管流场做了分析和计算,并根据设计要求,对导流槽及喷管部分结构进行了设计。
　　该研究项目是一个比较典型的气-液-固非线性耦联振动问题。本文针对这一问题,深入开展了有限域气泡的振动形式和管壁应力波的传播规律研究,并进行了结构形式设计,所得到的结果对从源头上降低气泡的振动冲击、抑制微扰动的产生与传递,都具有非常重要的理论意义,也具有强烈的应用背景。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 主要研究内容

2 双层圆管约束气泡振动模型

2.1 双层圆管气泡振动模型

2.2 流固耦合研究现状

2.3 耦合振动控制方程

2.4 耦合边界条件处理

2.5 本章小结

3 耦合计算与程序设计

3.1 计算流域网格划分

3.2 计算方法及方程发散控制

3.3 界面耦合计算处理

3.4 本章小结

4 外管壁材料属性影响

4.1 外管壁材料对气泡非对称振动影响

4.2 外管壁材料对内管影响

4.3 本章小结

5 推进泵导流槽结构设计

5.1 导流槽设计要求

5.2 导流槽曲线一方案

5.3 导流槽流场仿真计算环境

5.4 导流槽曲线二原方案试算

5.5 导流槽曲线二试探性方案比较

5.6 导流槽曲线二设计方案

5.7 导流槽总体设计图示

5.8 本章小结

6 推进泵导流槽设计方案仿真计算

6.1 导流槽区域流场分析

6.2 导流槽区域流速分析

6.3 导流槽区域水流压差分析

6.4 导流槽简化方案设计

6.5 本章小结

7、推进泵排水区结构设计

7.1 排水区设计要求

7.2 排水区设计方案

7.3 排水区方案分析

7.4 排水区计算结果讨论

7.5 排水区三维仿真分析

7.6 本章小结

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 课题展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录Ⅱ 攻读硕士学位期间参加项目