基于聲固耦合算法的發射模擬試驗承壓結構濕模態分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

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基于聲固耦合算法的發射模擬試驗承壓結構濕模態分析

陳煒彬, 段 浩, 王 云

(中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部, 云南昆明, 650106)

發射裝置模擬試驗承壓結構——假海, 在試驗過程中需要在其內部充水, 這種情況下的模態稱為濕模態。文章通過充水管道的仿真結果同試驗數據的對比, 驗證了利用Workbench聲學拓展模塊進行基于聲固耦合算法的結構濕模態仿真的可行性; 然后運用該方法對假海進行濕模態仿真, 并將結果同干模態仿真結果進行對比分析, 得到了充水對假海固有振動特性的影響, 為相關充液結構的濕模態研究提供參考。

假海; 聲固耦合; 濕模態

0 引言

發射裝置模擬試驗承壓結構[1]是一種在陸上模擬深海高壓環境的試驗設施, 主要由發射裝置、筒體、循環水道、接收裝置等設備組成, 以下簡稱假海。在實施發射裝置陸上的模擬深海發射試驗時, 假海通過充水并打壓來實現對不同深度海洋環境的模擬。所以假海在實際工作時應視為儲液容器, 對儲液容器這種內部存有液體的結構, 濕模態才能準確地表征其動力學特性。為研究假海在發射沖擊激勵下, 結構的振動特性及對測試系統的影響, 文中對假海在充水狀態下的濕模態進行研究。

在濕模態分析中, 流體對結構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, 而產生的預應力效應[2-3]; 其次是流體隨結構運動而引起的附加質量效應[4-5]。由于假海的結構剛度較大, 預應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量效應對假海振動特性的影響。

目前對于結構濕模態的研究在各相關行業中已經得到普遍運用, 如: 姜峰等[6]對海洋立管的濕模態進行的仿真分析; 薛杰等[7]對充液容器進行了流固耦合模態分析; 陳先亮[8]對車用蓄水瓶進行了流固耦合動力學分析。

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, 在分析過程中通過插件直接將水的附加質量加入到計算中, 簡化了仿真計算過程。

1 濕模態分析

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

利用轉換矩陣得到

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構運動方程, 通過式(6)可進行結構濕模態分析。

2 聲固耦合算法及驗證

2.1 聲固耦合理論

運用聲固耦合算法進行濕模態分析時要把結構中的流體看成一種聲學介質, 即一種彈性介質, 只需考慮流體體積應變的壓力, 不考慮流體的粘性力。當結構振動時在流固交界面上對流體產生負載, 同時聲壓會對結構產生一個附加力, 為準確的模擬這種情況, 需要同時計算結構動力學方程和流體的波動方程來確定交界面上的位移和聲壓值。

接下來假設結構內的流體是理想的聲學介質[13], 則波動方程為

將流體方程離散化, 分成若干個有限單元, 用相應的插值表示單元的聲壓、質點位移等, 并約去聲壓變分, 可得到完全耦合的結構流體運動方程

在分析中不考慮阻尼, 故將式(9)寫成

2.2 方法驗證

表1 測試結果

接下來通過Workbench對該模型進行干模態和濕模態的分析。在工作空間內建立共享同一模型的2個模態分析模塊, 分別為濕模態分析模塊和干模態分析模塊。

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的Solid。在進行干模態分析時將水的模型抑制。

干模態分析的設置較為簡單, 添加相應的邊界條件即可, 設置完成后開始運算。得到計算結果見表2。

表2 仿真結果

通過試驗和仿真的固有頻率對比, 見表3。可以看到, 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, 濕模態的誤差最高的只有2.54%, 所以可以認為仿真結果是準確的。這就說明使用聲學拓展模塊進行結構濕模態分析是可行的。

表3 試驗與仿真對比

3 假海干濕模態對比分析

為了研究假海結構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進行仿真分析, 并進行對比。

文中分析的對象——假海, 其整體結構長度30 m, 寬度11 m, 高度6.5 m; 筒體兩支座之間距離為8.9 m; 主體結構內徑為6 m; 循環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中建立關聯分析模塊, 使得干模態和濕模態共用一個模型, 在進行干模態分析時將水模型抑制。Acoustic Extension部分的設置同第2章中的設置相同, 在此基礎上設置假海的固定約束和重力加速度等。

表4 假海干濕模態仿真結果對比

圖2 變化率折線圖

通過觀察變化率折線圖可以看到, 從1階模態到20階模態, 固有頻率變化率總體上隨著模態階數的提高而逐漸增大, 中間略有波動, 這一趨勢符合充水管道的試驗結果。可以推斷水的流固耦合作用對結構固有頻率的影響和結構振動的頻率存在內在的關聯, 當干模態狀態下結構固有頻率越大, 濕模態狀態下該固有頻率下降的比率就越高, 如圖3所示。

圖3 干模態和濕模態固有頻率變化趨勢

圖3的變化趨勢說明, 水對結構振動的影響和振動的頻率有關, 所以干模態固有頻率越高,對應的濕模態固有頻率相對下降的比率就越高。

如表5所示, 總體上濕模態各階模態的最大變形量要小于干模態, 但是第5、12、13階模態對應的變形量卻要大一些。理論上當容器內充滿水時, 容器受到水的作用, 其固有頻率下降, 對應的振動幅度也會相應減小。通過對比2種狀態下的假海振型, 如圖4所示可以發現, 第5階振型發生局部的改變, 假海筒體的振動顯著減小,振動集中在循環水道且振動幅度變大; 第12、13階的振型發生顯著的改變, 從假海整體振動變為接收管局部振動, 振動幅度也相應變大。綜上, 假海在水的作用下固有振型發生了變化, 導致假海某些模態的最大振幅變大。

表5 各階模態變形量對比

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, 還改變了某些模態的固有振型。

4 結論

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

1) 充水對假海結構的振動特性具有顯著的影響, 水的存在大大降低了結構的固有頻率, 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成正比, 這一規律是符合液體對結構振動影響趨勢的;

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生改變, 從而使得振動幅度最大值發生異常變化, 故在假海設計時應充分考慮水對結構振動特性的影響。

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(責任編輯: 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射模擬試驗承壓結構濕模態分析[J]. 水下無人系統學報, 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, 主要從事魚雷發射技術研究.