專利名稱：一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)熱性預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利水電建筑工程行業(yè)薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析和承載設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而且特別涉及一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
流體和薄壁結(jié)構(gòu)的相互作用問題有著廣泛的工程背景，普遍存在于人體和自然界中，如血管和血液的相互作用、血液流中的微型泵以及人工心臟、水輪發(fā)電機(jī)組葉片流激振動、飛機(jī)機(jī)翼和航空發(fā)動機(jī)葉片顫振問題以及飛行中的昆蟲翅膀和空氣等，且隨著計(jì)算方法、計(jì)算手段和日益迫切的工程需要而越發(fā)受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，也取得一定的成果。此外，工程界已經(jīng)可以通過使用相對成熟的有限元軟件對結(jié)構(gòu)在流體載荷下的應(yīng)力、變形等效應(yīng)進(jìn)行精確計(jì)算。同時(shí)，也能夠通過使用計(jì)算流體動力學(xué)軟件對結(jié)構(gòu)所受的流體載荷進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。然而對于進(jìn)行流固耦合計(jì)算的方法和工程應(yīng)用卻較少。其主要原因有:(1)簡單的耦合方法由于流體的附加質(zhì)量會導(dǎo)致求解不穩(wěn)定(P.Causin, J.F.Gerbeau, F.Nobile, “Added-mass effect in the design of partitioned algorithmsfor f luid-structure problems，，，Comput.Methods App 1.Mech.Engrg, 194 (2005),4506-4527)。(2)過于復(fù)雜的界面插值方法計(jì)算量大，缺乏工程可操作性。過于簡單界面插值方法導(dǎo)致計(jì)算誤差大。(3)不同軟件間缺乏有效的信息傳遞與交換接口。本方法針對以上問題，提出交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)，界面信息交換采用移動最小二乘曲面擬合技術(shù)，使考慮流固耦合的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法從理論變成現(xiàn)實(shí)。在此基礎(chǔ)上，對一薄壁懸臂梁結(jié)構(gòu)的流激振動進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證了上述方法的有效性和準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
由于薄壁結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗彎曲變形能力，又能參加總體承力，薄壁結(jié)構(gòu)已取代部分桿系結(jié)構(gòu)，成為水利水電建筑領(lǐng)域、流體機(jī)械以及航空結(jié)構(gòu)的主要形式，廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械的葉片、機(jī)翼、機(jī)身等。但近年來，薄壁結(jié)構(gòu)的振動和開裂問題日益突出，越發(fā)受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。比如，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)翼型葉片、轉(zhuǎn)輪葉片作為透平機(jī)械的核心部件，其水力振動也是典型的流固耦合振動。以往單一的流場計(jì)算或單一的結(jié)構(gòu)計(jì)算對機(jī)組效率、空化預(yù)測或?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖起到了指導(dǎo)性作用，但對研究水力振動，葉片裂紋成因等現(xiàn)象無能為力，因此采用流固耦合計(jì)算的方法，來預(yù)測這一類復(fù)雜湍流與大型薄壁結(jié)構(gòu)之間的耦合振動勢在必行，其預(yù)測結(jié)果更符合真實(shí)的物理本質(zhì)，能更好地指導(dǎo)薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但目前薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測無法采用先進(jìn)的流固耦合技術(shù)，就其原因主要有:流體或固體計(jì)算模塊的穩(wěn)定性，界面插值技術(shù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)交換與通信、計(jì)算效率等。因此，本發(fā)明提出一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其目的就是要通過解決以上問題，為薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測和后繼的承載設(shè)計(jì)提供一種準(zhǔn)確、高效的實(shí)用方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，包括下列步驟:
(1)根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的初始位置構(gòu)型及其周圍環(huán)境流場，建立適體的基于有限體積的流體計(jì)算模型；
(2)根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)、約束條件和步驟(I)計(jì)算得到的流體計(jì)算模型，建立基于有限單元的薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；
(3)將設(shè)計(jì)工況流量或流速作為流體計(jì)算的進(jìn)口邊界條件；
(4)首先用最小二乘曲面擬合技術(shù)將流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型信息進(jìn)行界面信息交換(確保計(jì)算準(zhǔn)確性)，然后通過數(shù)據(jù)通訊管理和實(shí)施監(jiān)控程序在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的反復(fù)交錯(cuò)迭代(解決耦合計(jì)算中的準(zhǔn)確性)，獲得薄壁結(jié)構(gòu)的流激振動響應(yīng)和結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測。從而為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)。所述步驟(I)中流體計(jì)算模型的建立采用基于混合動態(tài)亞格子的大渦模擬模型、有限體積空間離散和全隱式時(shí)間離散格式。所 述步驟(2)中的薄壁結(jié)構(gòu)是指水利水電工程以及航天航空領(lǐng)域廣泛采用的由薄型板件和加強(qiáng)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。板件有蒙皮、腹板、隔板等，加強(qiáng)構(gòu)件有桁條和梁、肋、框的緣條等。不加強(qiáng)的薄壁殼體，如球形、柱形容器等，也屬于薄壁結(jié)構(gòu)的范圍。所述步驟(2)中薄壁結(jié)構(gòu)模型計(jì)算采用基于有限單元的薄壁計(jì)算模型和直接積分的紐馬克法(Newmark )。所述步驟(4)中用最小二乘曲面擬合技術(shù)將流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型信息進(jìn)行界面信息交換的方法為:
A、求任意流體節(jié)點(diǎn)Si處的位移值4 =:在耦合界面上，有固體節(jié)點(diǎn)
Si(I = C),I,L 0-1),見圖2，節(jié)點(diǎn)Si相應(yīng)的位置坐標(biāo)為<(! = UL 其節(jié)點(diǎn)上的位移為
= 1,2,L , ) 為任意流體節(jié)*的位置坐標(biāo)，在擬合區(qū)域的一個(gè)局部子域上，擬合函
數(shù)表示為
權(quán)利要求
1.一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于具體步驟包括如下: (1)根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的初始位置構(gòu)型及其周圍環(huán)境流場，建立基于有限體積的流體計(jì)算模型； (2)根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)、約束條件和步驟(I)的流體計(jì)算模型，建立基于有限單元的薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型； (3)將設(shè)計(jì)工況流量或流速作為流體計(jì)算的進(jìn)口邊界條件； (4)首先用最小二乘曲面擬合技術(shù)將流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型信息進(jìn)行界面信息交換，然后通過數(shù)據(jù)通訊管理和實(shí)施監(jiān)控程序在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的反復(fù)交錯(cuò)迭代，獲得薄壁結(jié)構(gòu)的流激振動響應(yīng)和結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟(I)中流體計(jì)算模型的建立采用基于混合動態(tài)亞格子的大渦模擬模型、有限體積空間離散和全隱式時(shí)間離散格式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟(2)中的薄壁結(jié)構(gòu)是水利水電工程以及航天航空領(lǐng)域廣泛采用的由薄型板件和加強(qiáng)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟(2)中薄壁結(jié)構(gòu)模型計(jì)算采用基于有限單元的薄壁計(jì)算模型和直接積分的紐馬克法。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于所述步驟(4)中用最小二乘曲面擬合技術(shù)將流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型信息進(jìn)行界面信息交換的方法為: A、求任意流體節(jié)點(diǎn)』處的位移值W = Fg1:在耦合界面P上，有固體節(jié)點(diǎn)咕=0.1.L，《 -1),節(jié)點(diǎn)Si相應(yīng)的位置坐標(biāo)為P = 1,2,L，》),其節(jié)點(diǎn)上的位移為4@ = 1,2SL為任意流體節(jié)占的位置坐標(biāo)，在擬合區(qū)域的一個(gè)局部子域上，擬合函數(shù)增表示為 F{x) = / (x)ff(x)(I) 式中a'(x)=α (χ)]*為待求系數(shù)，它是坐標(biāo)χ的函數(shù)， =4Wf為插值基函數(shù)是插值基函數(shù)的項(xiàng)數(shù)； 加權(quán)離散^范式,令 jr = ^ w(x- χ )[F(χ)Xi)I # ( )Q'(x)- < Γ(2) i_li 麵I 式中W是影響區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，W(X-Sj)是節(jié)點(diǎn)Si的權(quán)函數(shù)，記S = X- Xi，S = S丨Sjmx ,則三次樣條權(quán)函數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在耦合界面0滿足應(yīng)力和運(yùn)動一致條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟(4)中數(shù)據(jù)通訊管理和實(shí)施監(jiān)控程序?qū)⒘黧w計(jì)算模型、薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和界面信息交換分別設(shè)置為三個(gè)模塊:流體計(jì)算模塊，薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊和信息交換模塊，在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)通過進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊管理和實(shí)施監(jiān)控程序流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的反復(fù)交錯(cuò)迭代的具體步驟包括:(I )啟動流體計(jì)算模塊，執(zhí)行信息交換模塊，獲取作用在結(jié)構(gòu)上的流體載荷；(II )啟動薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊，獲得薄壁結(jié)構(gòu)運(yùn)動特征，執(zhí)行信息交換模塊，獲取流固交界面上流體側(cè)的位置，作為下一個(gè)交錯(cuò)迭代步流體計(jì)算的邊界條件，繼續(xù)執(zhí)行步驟(I )和(II )，滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)后，跳到下一時(shí)間步，直到滿足物理上所需的計(jì)算總時(shí)間，停止計(jì)算，即可完成流體計(jì)算模型與薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的反復(fù)交錯(cuò)迭代。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述一個(gè)時(shí)間步是指把物理上連續(xù)的時(shí)間分割成有限時(shí)間段，每一時(shí)間段即為一個(gè)時(shí)間步；每一時(shí)間段的長短為時(shí)間步長；計(jì)算總時(shí)間為時(shí)間步長乘以總的時(shí)間步。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述收斂標(biāo)準(zhǔn)是指下一迭代步固體節(jié)點(diǎn)的位移值與上一迭代步固體節(jié)點(diǎn)位移值之比小于10'
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法，其特征在于:所述薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性包括薄壁結(jié)構(gòu)不同位置處的位移、應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間 的變化規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明屬于水利水電建筑工程以及航天航空領(lǐng)域薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析和承載設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性預(yù)測方法。根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)、約束條件和第一步計(jì)算得到的流體載荷，建立基于有限單元的薄壁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；利用設(shè)計(jì)工況流量(流速)作為流體計(jì)算的進(jìn)口邊界條件；利用交錯(cuò)迭代耦合技術(shù)進(jìn)行薄壁結(jié)構(gòu)動力特性分析，從而為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)。該計(jì)算方法準(zhǔn)確性較以往的材料力學(xué)方法和單向耦合方法有了顯著的提高，而且計(jì)算速度快，使流固耦合從理論研究走上實(shí)際工程應(yīng)用。
文檔編號G06F17/50GK103177162SQ20131011720
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者王文全, 閆妍, 張立翔, 曾云, 李澤, 楊錫階, 楊洋, 郭濤 申請人:昆明理工大學(xué)