液载系统液体晃动及液体—结构耦合动力学研究

摘要

液载系统具有广泛的工程背景,其动力学行为对整个系统的工作状态或工作性能至关重要.本文对这类系统中遇到的液体晃动和晃动液体-结构耦合问题进行了深入的研究,提出了具有工程应用价值的计算机辅助动力学分析方法,为系统的设计提供了可靠的理论依据.本文的主要内容和研究成果如下:(1)提出了液体小幅晃动问题的结构类比分析方法,构造了液体晃动的结构弹性体振动模型,最终将液体的小幅晃动问题归结为结构弹性体振动问题,从而结构有限元软件无需修改即可直接用于液体小幅晃动动力分析,所得结果与理论解完全吻合.(2)基于液体速度势和自由液面波高,提出了液体大幅晃动问题的ALE有限元分析方法.深入研究了液体大幅晃动的特点,将液体的运动分解为随同贮箱的大位移运动和相对贮箱的大幅晃动,引入贮箱固连参考系中的ALE运动学描述,建立了大幅晃动问题的ALE有限元方程,给出了方程的求解方法和网格更新算法,有效克服了常见的网格缠绕和网格畸变问题,以上处理方法全面提高了计算的效率.(3)针对液载系统的液体-贮箱耦合力学模型,基于上述ALE有限元方法,提出了解决大幅晃动液体与大位移运动贮箱耦合动力学的一种有效方法,可以同时考虑液体和结构的非线性效应.给出了考虑液体阻尼效应的一种切实可行的方法,便于工程应用.(4)紧密结合工程实例,提出了液载系统的液体-多体耦合力学模型,首次综合运用ALE有限元方法和多体系统动力学理论,发展了大幅晃动液体与多体非线性耦合动力响应分析的新的有效方法.液体子系统方程的缩聚进一步压缩了耦合系统的计算规模.文中结合工程实际,成功地模拟了液体的晃动过程及液体-结构耦合动力学问题,与国内外公开发表的文献中的方法对比表明,本文方法的计算规模大为减小,计算效率显著提高,即使对于自由液面波高达液深50％的问题,本文的方法也能获得足够准确的结果.文中深入研究了有关参数对系统动力响应的影响,获得了具有重要理论意义和工程参考价值的结论.本文的有关方法已应用于工程实际,取得了良好的效果.

目录

文摘

英文文摘

承诺书

第一章绪论

1.1工程背景与研究意义

1.2液体晃动问题研究进展

1.2.1液体小幅晃动问题的研究

1.2.2液体大幅晃动问题的研究

1.3液体—结构耦合问题研究进展

1.3.1液体—结构线性耦合问题的研究

1.3.2液体—结构非线性耦合问题的研究

1.4论文的主要内容与安排

第二章液体小幅晃动的结构类比分析

2.1引言

2.2液体小幅晃动的控制方程

2.3液体晃动的结构模型

2.4液体晃动的有限元模型

2.5数值算例与结果分析

2.6本章小结

第三章ALE运动描述方法

3.1引言

3.2定坐标系中的ALE描述

3.3动坐标系中的ALE描述

3.4动坐标系中ALE网格速度的确定与网格更新

3.5本章小结

第四章液体大幅晃动的ALE有限元分析

4.1引言

4.2贮箱固连参考系中Euler描述的液体控制方程

4.3贮箱固连参考系中ALE描述的液体控制方程

4.4液体大幅晃动的ALE有限元格式

4.5液体ALE有限元方程的求解

4.5.1时间积分方法

4.5.2时间步长控制算法

4.5.3网格设计与网格更新

4.6数值算例与结果分析

4.6.1横向激励下液体的大幅晃动

4.6.2俯仰激励下液体的大幅晃动

4.7本章小结

第五章大幅晃动液体—贮箱耦合动力学

5.1引言

5.2贮箱运动方程

5.3贮箱平动时的液体ALE有限元方程

5.4大幅晃动液体—贮箱耦合方程

5.5液体粘性阻尼的考虑

5.6数值算例与结果分析

5.6.1 TLD—结构系统

5.6.2液载车辆系统(液体—平动贮箱耦合模型)

5.7本章小结

第六章大幅晃动液体—多体耦合动力学

6.1引言

6.2液体子系统ALE有限元方程及缩聚

6.2.1液体子系统ALE有限元方程

6.2.2液体子系统ALE有限元方程的缩聚与相对速度势的计算

6.3多体子系统动力学方程

6.4大幅晃动液体—多体耦合方程

6.5数值算例：液载车辆系统(液体—多体耦合模型)

6.6本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2今后工作的展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

参考文献