基于聲固耦合算法的發(fā)射模擬試驗承壓結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

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基于聲固耦合算法的發(fā)射模擬試驗承壓結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

發(fā)射裝置模擬試驗承壓結(jié)構(gòu)——假海, 在試驗過程中需要在其內(nèi)部充水, 這種情況下的模態(tài)稱為濕模態(tài)。文章通過充水管道的仿真結(jié)果同試驗數(shù)據(jù)的對比, 驗證了利用Workbench聲學(xué)拓展模塊進(jìn)行基于聲固耦合算法的結(jié)構(gòu)濕模態(tài)仿真的可行性; 然后運(yùn)用該方法對假海進(jìn)行濕模態(tài)仿真, 并將結(jié)果同干模態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析, 得到了充水對假海固有振動特性的影響, 為相關(guān)充液結(jié)構(gòu)的濕模態(tài)研究提供參考。

假海; 聲固耦合; 濕模態(tài)

0 引言

發(fā)射裝置模擬試驗承壓結(jié)構(gòu)[1]是一種在陸上模擬深海高壓環(huán)境的試驗設(shè)施, 主要由發(fā)射裝置、筒體、循環(huán)水道、接收裝置等設(shè)備組成, 以下簡稱假海。在實施發(fā)射裝置陸上的模擬深海發(fā)射試驗時, 假海通過充水并打壓來實現(xiàn)對不同深度海洋環(huán)境的模擬。所以假海在實際工作時應(yīng)視為儲液容器, 對儲液容器這種內(nèi)部存有液體的結(jié)構(gòu), 濕模態(tài)才能準(zhǔn)確地表征其動力學(xué)特性。為研究假海在發(fā)射沖擊激勵下, 結(jié)構(gòu)的振動特性及對測試系統(tǒng)的影響, 文中對假海在充水狀態(tài)下的濕模態(tài)進(jìn)行研究。

在濕模態(tài)分析中, 流體對結(jié)構(gòu)固有特性影響主要反映在2個方面: 首先是流體由于自身重力, 作用于流固交界面上的壓力載荷, 而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)[2-3]; 其次是流體隨結(jié)構(gòu)運(yùn)動而引起的附加質(zhì)量效應(yīng)[4-5]。由于假海的結(jié)構(gòu)剛度較大, 預(yù)應(yīng)力對假海振動特性的影響十分有限, 故文中主要研究附加質(zhì)量效應(yīng)對假海振動特性的影響。

目前對于結(jié)構(gòu)濕模態(tài)的研究在各相關(guān)行業(yè)中已經(jīng)得到普遍運(yùn)用, 如: 姜峰等[6]對海洋立管的濕模態(tài)進(jìn)行的仿真分析; 薛杰等[7]對充液容器進(jìn)行了流固耦合模態(tài)分析; 陳先亮[8]對車用蓄水瓶進(jìn)行了流固耦合動力學(xué)分析。

文中利用Workbench中的Acoustic Extension插件[6,9]通過聲固耦合的方法分析假海的濕模態(tài), 在分析過程中通過插件直接將水的附加質(zhì)量加入到計算中, 簡化了仿真計算過程。

1 濕模態(tài)分析

在實際的濕模態(tài)分析中, 由于相對振幅較小, 故結(jié)構(gòu)服從胡克定律; 同時忽略空氣和內(nèi)部液體對結(jié)構(gòu)振動的阻尼作用, 將充液結(jié)構(gòu)視為無阻尼線性系統(tǒng)。通過有限元法離散化以后, 充液結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無阻尼自由振動[10]方程式為

利用轉(zhuǎn)換矩陣得到

由式(2)和式(3)得

由虛功原理[12]得

式(6)是考慮流體作用下的結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程, 通過式(6)可進(jìn)行結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析。

2 聲固耦合算法及驗證

2.1 聲固耦合理論

運(yùn)用聲固耦合算法進(jìn)行濕模態(tài)分析時要把結(jié)構(gòu)中的流體看成一種聲學(xué)介質(zhì), 即一種彈性介質(zhì), 只需考慮流體體積應(yīng)變的壓力, 不考慮流體的粘性力。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時在流固交界面上對流體產(chǎn)生負(fù)載, 同時聲壓會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個附加力, 為準(zhǔn)確的模擬這種情況, 需要同時計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程和流體的波動方程來確定交界面上的位移和聲壓值。

接下來假設(shè)結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體是理想的聲學(xué)介質(zhì)[13], 則波動方程為

將流體方程離散化, 分成若干個有限單元, 用相應(yīng)的插值表示單元的聲壓、質(zhì)點位移等, 并約去聲壓變分, 可得到完全耦合的結(jié)構(gòu)流體運(yùn)動方程

在分析中不考慮阻尼, 故將式(9)寫成

2.2 方法驗證

表1 測試結(jié)果

接下來通過Workbench對該模型進(jìn)行干模態(tài)和濕模態(tài)的分析。在工作空間內(nèi)建立共享同一模型的2個模態(tài)分析模塊, 分別為濕模態(tài)分析模塊和干模態(tài)分析模塊。

在Workbench中建立充液管道模型, 將水的模型屬性更改為Fluent, 管道模型保持為軟件默認(rèn)的Solid。在進(jìn)行干模態(tài)分析時將水的模型抑制。

干模態(tài)分析的設(shè)置較為簡單, 添加相應(yīng)的邊界條件即可, 設(shè)置完成后開始運(yùn)算。得到計算結(jié)果見表2。

表2 仿真結(jié)果

通過試驗和仿真的固有頻率對比, 見表3?？梢钥吹? 仿真得到的固有頻率和實驗測得的固有頻率誤差在3.5%以下, 濕模態(tài)的誤差最高的只有2.54%, 所以可以認(rèn)為仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的。這就說明使用聲學(xué)拓展模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析是可行的。

表3 試驗與仿真對比

3 假海干濕模態(tài)對比分析

為了研究假海結(jié)構(gòu)在充滿水情況下的振動特性, 接下來用Workbench分別對假海在沒有充水及充滿水情況下的模態(tài)進(jìn)行仿真分析, 并進(jìn)行對比。

文中分析的對象——假海, 其整體結(jié)構(gòu)長度30 m, 寬度11 m, 高度6.5 m; 筒體兩支座之間距離為8.9 m; 主體結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為6 m; 循環(huán)水道安裝中心線位置距接收管安裝端面為7.1 m, 具體外形見圖1。

圖1 3D簡化模型

在Workbench中建立關(guān)聯(lián)分析模塊, 使得干模態(tài)和濕模態(tài)共用一個模型, 在進(jìn)行干模態(tài)分析時將水模型抑制。Acoustic Extension部分的設(shè)置同第2章中的設(shè)置相同, 在此基礎(chǔ)上設(shè)置假海的固定約束和重力加速度等。

表4 假海干濕模態(tài)仿真結(jié)果對比

圖2 變化率折線圖

通過觀察變化率折線圖可以看到, 從1階模態(tài)到20階模態(tài), 固有頻率變化率總體上隨著模態(tài)階數(shù)的提高而逐漸增大, 中間略有波動, 這一趨勢符合充水管道的試驗結(jié)果?？梢酝茢嗨牧鞴恬詈献饔脤Y(jié)構(gòu)固有頻率的影響和結(jié)構(gòu)振動的頻率存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián), 當(dāng)干模態(tài)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)固有頻率越大, 濕模態(tài)狀態(tài)下該固有頻率下降的比率就越高, 如圖3所示。

圖3 干模態(tài)和濕模態(tài)固有頻率變化趨勢

圖3的變化趨勢說明, 水對結(jié)構(gòu)振動的影響和振動的頻率有關(guān), 所以干模態(tài)固有頻率越高,對應(yīng)的濕模態(tài)固有頻率相對下降的比率就越高。

如表5所示, 總體上濕模態(tài)各階模態(tài)的最大變形量要小于干模態(tài), 但是第5、12、13階模態(tài)對應(yīng)的變形量卻要大一些。理論上當(dāng)容器內(nèi)充滿水時, 容器受到水的作用, 其固有頻率下降, 對應(yīng)的振動幅度也會相應(yīng)減小。通過對比2種狀態(tài)下的假海振型, 如圖4所示可以發(fā)現(xiàn), 第5階振型發(fā)生局部的改變, 假海筒體的振動顯著減小,振動集中在循環(huán)水道且振動幅度變大; 第12、13階的振型發(fā)生顯著的改變, 從假海整體振動變?yōu)榻邮展芫植空駝? 振動幅度也相應(yīng)變大。綜上, 假海在水的作用下固有振型發(fā)生了變化, 導(dǎo)致假海某些模態(tài)的最大振幅變大。

表5 各階模態(tài)變形量對比

綜合上述分析得出, 水對假海的振動特性存在巨大的影響, 不但降低了假海的固有頻率, 還改變了某些模態(tài)的固有振型。

4 結(jié)論

文中首先驗證了通過Workbench中的Acoustic Extension插件進(jìn)行基于聲固耦合算法的濕模態(tài)分析是可行的, 且具有較高的精度。并運(yùn)用該方法對假海進(jìn)行了濕模態(tài)的仿真分析, 將分析結(jié)果同干模態(tài)進(jìn)行對比得出以下結(jié)論:

1) 充水對假海結(jié)構(gòu)的振動特性具有顯著的影響, 水的存在大大降低了結(jié)構(gòu)的固有頻率, 下降比例在–21.44% ~ –48.82%之間, 且固有頻率下降比率總體同階數(shù)成正比, 這一規(guī)律是符合液體對結(jié)構(gòu)振動影響趨勢的;

2) 充水使得假海相同振型的振動幅值變小,也使假海的某些固有振型發(fā)生改變, 從而使得振動幅度最大值發(fā)生異常變化, 故在假海設(shè)計時應(yīng)充分考慮水對結(jié)構(gòu)振動特性的影響。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Wet Modal Analysis of Pressurized Structure in Launcher SimulationExperiment Based on Sound-Structure Coupling Algorithm

CHEN Wei-bin, DUAN Hao, WANG Yun

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650106, China)

During launcher simulation experiment, the pressurized structure called false sea, is internally filled with water, the modal in this case is called wet modal. In this paper, the simulated and experimental results of a tube full of water are compared to prove the feasibility that the Workbench acoustic extension module can be used to carry out wet modal simulation based on the sound-structure coupling algorithm. Then, the method is employed to simulate the false sea′s wet modal. The simulation results of wet modal and dry modal are compared to obtain the influence of water on the natural vibration characteristic of false sea. This study may provide a reference for the research on wet modal of water-filled structures.

false sea; sound-structure coupling; wet modal

陳煒彬, 段浩, 王云. 基于聲固耦合算法的發(fā)射模擬試驗承壓結(jié)構(gòu)濕模態(tài)分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(4): 365-370.

TJ635

A

2096-3920(2017)04-0365-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.010

2017-02-15;

2017-02-28.

陳煒彬(1991-),男, 在讀碩士, 主要從事魚雷發(fā)射技術(shù)研究.