液艙流固耦合振動模態(tài)分析

液艙流固耦合振動模態(tài)分析

許多船舶和海洋平臺的結(jié)構(gòu)，如船底結(jié)構(gòu)、橫向結(jié)構(gòu)和沿海壁，與水流密切相關(guān)。如果這些結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，與接觸到的水也會發(fā)生變化。這些結(jié)構(gòu)和其中的液體就會產(chǎn)生耦合振動,在計算這些結(jié)構(gòu)組成的船舶液艙總體振動固有頻率時,外部附連水質(zhì)量和艙內(nèi)液體附加質(zhì)量對總體振動也有較大影響,在計算時不能忽略這部分附加質(zhì)量。為了研究其振動特性,可以將此耦合系統(tǒng)簡化為充液箱體的振動。針對這一問題,國內(nèi)外學(xué)者做了一系列的工作。O.Andrianarison等研究了平面內(nèi)的線性振動,建立了部分充液結(jié)構(gòu)在重力影響下的線性振動的基本方程。M.Esmailzadeh等分析了充液對矩形液箱固有頻率的影響,得出了充液容器的動力特性與侵入水中的鋼板類似的結(jié)論。謝志勇,等對加筋雙層圓柱殼進(jìn)行了流固耦合的復(fù)特征值分析,求解了其固有頻率和振型,并進(jìn)行了實驗測量。LeeJongsoo等研究接觸水的板和船體結(jié)構(gòu)振動中的液彈效應(yīng),并把解析解和實驗結(jié)果進(jìn)行綜合比較分析。程選生,等對鋼質(zhì)矩形貯液結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計算和實驗研究,發(fā)現(xiàn)液體的存在會降低貯液容器的固有頻率,加大結(jié)構(gòu)頂板厚度會使固有頻率升高。X.H.Si等采用瑞利里茲法對帶有徑向裂紋的圓形板和一側(cè)水域進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果表明干模態(tài)和濕模態(tài)相比,第1階頻率下降最大。A.ERGINP和K.C.BISWAL等針對儲液罐等圓柱體,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部考慮附連水質(zhì)量對振動的影響。何孔德,等實現(xiàn)了考慮水作用的浮筒的固有特性分析,將水下計算結(jié)果和空氣中計算結(jié)果進(jìn)行對比。M.Eswaran和P.K.Panigrahy等等采用VOF法追蹤自由液面,用任意拉格朗日-歐拉方程構(gòu)建了耦合模型,用ADINA軟件分析了系統(tǒng)動力響應(yīng)并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較。田晶,等采用多種懸掛方式與彈性支撐方式進(jìn)行自由模態(tài)實驗,將試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。從形狀上,實際船舶的液艙不是很規(guī)則。為了定性說明附加質(zhì)量的影響,將耦合系統(tǒng)簡化為矩形液箱,對其不同約束條件和充液高度條件下的流固耦合系統(tǒng)進(jìn)行了有限元建模和自由模態(tài)分析,完成內(nèi)、外均有流體載荷作用時濕模態(tài)分析,并使用LMStestlab振動分析系統(tǒng)對軟件分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證,給出了充液箱在空箱情況和不同充液高度下的固有頻率與振型變化對比分析圖。1液體罐的模態(tài)測量1.1圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)液箱結(jié)構(gòu)是邊長為0.3m的正方體,板材采用焊接方式連接,箱體外殼頂部留有懸掛用的孔。如圖1所示。選用如圖1(b)所示坐標(biāo)系(如無特殊說明,均采用此坐標(biāo)系),測量時將充液箱X向2等分,Z向3等分,Y向分為0.07m,0.15m,0.08m三份,且分別對內(nèi)外殼體上的測點進(jìn)行編號,選取如圖1(b)所示的12個測點。1.2空氣模態(tài)和內(nèi)壓電子模態(tài)在lmsscads中的應(yīng)用使用錘擊法測取充液箱的模態(tài)與振型。LMSSCADAS硬件與LMSTest.Lab軟件無縫集成,可以快速完成測試設(shè)置,保證最佳數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度,試驗分別對懸掛于空氣中[圖1(a)]和漂浮于水中[圖1(c)]兩種邊界條件,對液箱空氣模態(tài)和箱內(nèi)充水模態(tài)兩類情況進(jìn)行了測量,力錘選用PCB公司的22128型力錘,傳感器選用美國PCB公司的ICP型加速度傳感器,在LMStestlab中建立圖1(b)中六面體模型(包含12個測點),由LMSSCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動進(jìn)行模態(tài)和固有頻率的識別。系統(tǒng)會在選定的頻率范圍內(nèi)使用曲線擬合來確定系統(tǒng)極點,計算所有物理意義的極點及模態(tài)振型,試驗和分析結(jié)果進(jìn)行完整的3D可視化顯示。2流場及邊界條件以雙層底液艙為參照,建立有限元模型。箱體材料為鋼,彈性模量為2.1×1011Pa,密度為7800kg/m3,泊松比為0.3;箱內(nèi)外液體為水,密度為1000kg/m3,重力加速度為9.81m/s2。箱體結(jié)構(gòu)選用SHELL單元,水選用3D-fluid單元。忽略水面運動的影響,即不考慮液體表面重力波,將液體表面流體勢設(shè)置為0。結(jié)構(gòu)的邊界條件分為懸掛于空氣中和漂浮于水中,液箱空氣模態(tài)和箱內(nèi)充水模態(tài)兩類情況進(jìn)行了數(shù)值計算,圖2即是充液高度為0.04m自由懸掛和漂浮水中兩種邊界條件下的網(wǎng)格劃分結(jié)果與邊界條件定義情況。分別計算內(nèi)部充液0.00m、0.02m、0.04m、0.06m和0.08m情況下兩種邊界條件液箱頻率與振型,并將計算結(jié)果和實驗進(jìn)行比較。3通過計算液體層析成像的值，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較3.1耦合振動的模態(tài)頻率將液箱結(jié)構(gòu)自由懸掛(空氣模態(tài))、自由懸掛(充液0.08m)和漂浮水中(充液0.08m)的實驗測量結(jié)果,同數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行對比,見表1,水中結(jié)構(gòu)振動模態(tài)頻率低于空氣中相應(yīng)模態(tài)頻率,數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比除個別頻率外,誤差小于10%。在工程上可以認(rèn)為二者很好的吻合。耦合振動的模態(tài)以鋼質(zhì)液箱的振動模態(tài)為主導(dǎo),其頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛體邊界的流體振動模態(tài),但由于液體的附加質(zhì)量作用,所以耦合振動的頻率要小于鋼質(zhì)液箱單獨振動的頻率。在模態(tài)分析中,當(dāng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)對稱時,某兩階頻率必然相同。如自由懸掛(空氣模態(tài))的第3、4階,自由懸掛(充液0.08m)的第4、5階和漂浮水中(充液0.08m)的第3、4階和第7、8階。雖然固有頻率很接近,但振型確有很大的不同,對系統(tǒng)振動的貢獻(xiàn)也各自獨立,振型對稱不等于振型一樣,如圖3所示。3.2漂浮水對充液頻率的影響從實驗和數(shù)值計算兩方面研究了兩種邊界條件下不同充液高度工況下液箱固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)頻率呈現(xiàn)隨著充液液位升高而降低的總體規(guī)律,頻率值見表2。以第四階模態(tài)頻率為例,自由懸掛邊界條件:充液0.08m模態(tài)頻率值比充液0.02m模態(tài)頻率值,數(shù)值計算結(jié)果下降2.81%,實驗測量結(jié)果下降6.40%。漂浮水中邊界條件下,充液0.08m模態(tài)頻率值比充液0.02m模態(tài)頻率值,數(shù)值計算結(jié)果下降5.96%,實驗測量結(jié)果下降9.50%。結(jié)果表明,隨著充液比的增加,液箱的各個階次頻率均有不同程度的下降。充液高度較低情況下,液體質(zhì)量的增加對結(jié)構(gòu)頻率的影響不大。在液面無擾動的假設(shè)前提下當(dāng)液箱中侵入一定深度的水時,液箱同時在外側(cè)和內(nèi)側(cè)受到水的作用,從而使振動發(fā)生改變,內(nèi)側(cè)液艙中水起附連質(zhì)量或剛度的作用,而在外側(cè)半無限空間,水起附連質(zhì)量和阻尼的作用。以充液0.04m為例,第2模態(tài)均是一組側(cè)板向內(nèi)擠壓,另一組側(cè)板向外擴張,第4階模態(tài)一組側(cè)板以相同趨勢振動,另一組對邊只有一塊側(cè)板有較大位移,最大位移出現(xiàn)在振動幅度較大的相鄰兩塊側(cè)板的中上部,如圖4所示。4限元計算結(jié)果采用流固耦合振動分析方法,給出了兩種邊界條件下液箱前八階固有頻率和振型。采用LMS結(jié)構(gòu)模態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證,將模態(tài)實驗值與結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明:如果結(jié)構(gòu)和約束都是對稱的,會產(chǎn)生兩個頻率相同的固有頻率,但是