具有自由液面效應(yīng)的高頻流固耦合問題.pdf

1、高頻流固耦合現(xiàn)象的成因很多,如水中航行體受到瞬態(tài)載荷的沖擊作用,水中航行體的突然啟動或突然停止,物體自由落入水中,產(chǎn)生砰擊。這些是比較常見的高頻流固耦合現(xiàn)象。還有一些高頻流固耦合現(xiàn)象并不常見,但和一般高頻流固耦合問題卻有相似的機理,如導彈離開發(fā)射筒時,產(chǎn)生強烈砰擊,可誘發(fā)高頻流固耦合現(xiàn)象,彈體出水時,載荷變化可誘發(fā)高頻流固耦合問題。有些高頻流固耦合問題還會伴隨自由液面效應(yīng),如結(jié)構(gòu)的出水問題或入水問題。在發(fā)生高頻流固耦合問題時,水中航行體

2、還可能同時受到環(huán)境載荷的作用,如波浪、洋流等。本文研究的范圍是自由液面附近水中高速航行體的高頻流固耦合問題,以彈體出入水問題為例。
　　 本文從彈體運動的基本現(xiàn)象入手,重點研究彈體出入水時的流固耦合效應(yīng)、自由液面效應(yīng)、砰擊現(xiàn)象、環(huán)境載荷等,旨在揭示彈體出入水時的流固耦合動力學特性。
　　 首先,本文從實驗技術(shù)、數(shù)值方法等方面回顧了國內(nèi)外關(guān)于彈體出入水相關(guān)問題的研究進展情況。介紹了彈體出入水問題涉及的基本現(xiàn)象,包括流固耦合

3、現(xiàn)象、水?，F(xiàn)象、入水砰擊現(xiàn)象、波浪中出水等。重點綜述了國內(nèi)外流固耦合數(shù)值計算方法的研究進展。在上述基礎(chǔ)上提出一些尚需進一步解決的問題,為指導本文的后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。
　　 彈體屬于航行態(tài)結(jié)構(gòu)同時伴隨高頻的彈性振動,其流固耦合問題也因其運動特性表現(xiàn)出特殊性。因此,選取合適的流固耦合方法研究彈體流固耦合問題至關(guān)重要。本文根據(jù)彈體的運動特性,在二階雙漸近法(DAA2)的基礎(chǔ)上,提出一種將運動非線性引入到雙漸近法計算的一種流固耦合數(shù)值計

4、算方法。由于它考慮了運動非線性,本文暫且稱其為非線性雙漸近法(NDAA)。該方法是一種考慮部分非線性的混合方法。同時,以球殼為例,研究運動非線性對水中結(jié)構(gòu)高頻流固耦合動態(tài)特性的影響,給出運動非線性不能忽略的邊值條件。
　　 彈體出水時,彈體的向上運動會使自由液面產(chǎn)生水冢,其載荷特征也會發(fā)生變化。本文建立了推導一種考慮自由液面效應(yīng)的NDAA方法,在研究可壓縮性對動量方程及連續(xù)性方程影響的基礎(chǔ)上,對NDAA數(shù)學模型的控制方程與自由面

5、邊界條件的相容性進行分析和論證。在對數(shù)學模型進行可行性分析的前提下,采用該數(shù)學模型分析自由液面附近結(jié)構(gòu)出水時的水?，F(xiàn)象,載荷特征及其出水機理,并對自由液面附近結(jié)構(gòu)運動進行研究。
　　 彈體屬彈塑性結(jié)構(gòu),在其出水過程中會伴隨彈性振動。因此,本文推導一種適用于高頻流固耦合計算的NDAA方法,以彈體突然啟動問題為例,分析高頻流固耦合現(xiàn)象的特征。與不考慮可壓縮性的理論解進行比較,分析可壓縮性在高頻流固耦合問題中的影響及高頻流固耦合現(xiàn)象的

6、產(chǎn)生機理;與考慮可壓縮的估算值進行比較,證實本文NDAA數(shù)學模型在計算高頻流固耦合問題時的合理性。并給出影響高頻流固耦合現(xiàn)象的因素。
　　 環(huán)境載荷是影響彈體出水的關(guān)鍵因素,尤其是波浪載荷。本文將波浪載荷引入彈體出水流固耦合的數(shù)值計算,以平面進行波為例,開發(fā)考慮波浪載荷與結(jié)構(gòu)彈性振動耦合的動力學模型,重點模擬彈體在波浪中出水時波面形狀變化以及彈體穿透波面的過程。同時研究波浪參數(shù)(波高、周期)對彈體出水姿態(tài)的影響。
　　

7、建立了三維彈性結(jié)構(gòu)入水沖擊流固耦合數(shù)學模型,采用該法模擬三維柱體自由落水時自由液面變化情況以及柱體運動情況,研究入水砰擊力的特征。在對該法可行性及優(yōu)越性分析的前提下,采用該法模擬面接觸入水砰擊問題,分析可壓縮性對面接觸入水沖擊問題的影響,比較彈性體入水與剛體入水的差異,分析彈性體剛度對入水沖擊力的影響。最后給出適合彈體入水砰擊力的解析表達式,方便用于彈體入水砰擊力的計算。
　　 給出回轉(zhuǎn)體剛彈耦合數(shù)學模型,在對該數(shù)學模型進行驗證