[发明专利]一种基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学热性预测方法

说明书

技术领域

本发明属于水利水电建筑工程行业薄壁结构动力学特性分析和承载设计领域，而且特别涉及一种基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法。 

背景技术

流体和薄壁结构的相互作用问题有着广泛的工程背景，普遍存在于人体和自然界中，如血管和血液的相互作用、血液流中的微型泵以及人工心脏、水轮发电机组叶片流激振动、飞机机翼和航空发动机叶片颤振问题以及飞行中的昆虫翅膀和空气等,且随着计算方法、计算手段和日益迫切的工程需要而越发受到学术界和工程界的广泛关注，也取得一定的成果。 

此外，工程界已经可以通过使用相对成熟的有限元软件对结构在流体载荷下的应力、变形等效应进行精确计算。同时，也能够通过使用计算流体动力学软件对结构所受的流体载荷进行准确估计。然而对于进行流固耦合计算的方法和工程应用却较少。其主要原因有：（1）简单的耦合方法由于流体的附加质量会导致求解不稳定（P. Causin, J. F. Gerbeau, F. Nobile, “Added-mass effect in the design of partitioned algorithms for fluid-structure problems”, Comput. Methods Appl. Mech.Engrg, 194 (2005), 4506-4527）。（2）过于复杂的界面插值方法计算量大，缺乏工程可操作性。过于简单界面插值方法导致计算误差大。（3）不同软件间缺乏有效的信息传递与交换接口。 

本方法针对以上问题，提出交错迭代耦合技术，界面信息交换采用移动最小二乘曲面拟合技术，使考虑流固耦合的薄壁结构动力学特性预测方法从理论变成现实。在此基础上，对一薄壁悬臂梁结构的流激振动进行实例分析，验证了上述方法的有效性和准确性。 

发明内容

由于薄壁结构具有较强的抗弯曲变形能力，又能参加总体承力，薄壁结构已取代部分杆系结构，成为水利水电建筑领域、流体机械以及航空结构的主要形式，广泛应用于流体机械的叶片、机翼、机身等。但近年来，薄壁结构的振动和开裂问题日益突出，越发受到学术界和工程界的关注。比如，水轮机导水机构翼型叶片、转轮叶片作为透平机械的核心部件，其水力振动也是典型的流固耦合振动。以往单一的流场计算或单一的结构计算对机组效率、空化预测或对结构设计虽起到了指导性作用，但对研究水力振动，叶片裂纹成因等现象无能为力，因此采用流固耦合计算的方法，来预测这一类复杂湍流与大型薄壁结构之间的耦合振动势在必行，其预测结果更符合真实的物理本质，能更好地指导薄壁结构设计。但目前薄壁结构动力学特性预测无法采用先进的流固耦合技术，就其原因主要有：流体或固体计算模块的稳定性，界面插值技术的准确性，数据交换与通信、计算效率等。因此，本发明提出一种基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其目的就是要通过解决以上问题，为薄壁结构动力学特性预测和后继的承载设计提供一种准确、高效的实用方法。 

为了达到上述目的，本发明提出一种基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，包括下列步骤： 

（1）根据薄壁结构的初始位置构型及其周围环境流场，建立适体的基于有限体积的流体计算模型；

（2）根据薄壁结构的物理力学性质、约束条件和步骤（1）计算得到的流体计算模型，建立基于有限单元的薄壁结构计算模型；

（3）将设计工况流量或流速作为流体计算的进口边界条件；

（4）首先用最小二乘曲面拟合技术将流体计算模型与薄壁结构计算模型信息进行界面信息交换（确保计算准确性），然后通过数据通讯管理和实施监控程序在每一个时间步内进行流体计算模型与薄壁结构计算模型的反复交错迭代（解决耦合计算中的准确性），获得薄壁结构的流激振动响应和结构主应力分布，实现薄壁结构动力学特性预测。从而为结构安全设计提供依据。

所述步骤（1）中流体计算模型的建立采用基于混合动态亚格子的大涡模拟模型、有限体积空间离散和全隐式时间离散格式。 

所述步骤（2）中的薄壁结构是指水利水电工程以及航天航空领域广泛采用的由薄型板件和加强构件组成的结构。板件有蒙皮、腹板、隔板等，加强构件有桁条和梁、肋、框的缘条等。不加强的薄壁壳体，如球形、柱形容器等，也属于薄壁结构的范围。 

所述步骤（2）中薄壁结构模型计算采用基于有限单元的薄壁计算模型和直接积分的纽马克法（Newmark）。 

所述步骤（4）中用最小二乘曲面拟合技术将流体计算模型与薄壁结构计算模型信息进行界面信息交换的方法为：