复联通液箱带格栅液体晃荡研究及优化设计.pdf
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1、2023.22 科学技术创新复联通液箱带格栅液体晃荡研究及优化设计赵一玮(大连理工大学,辽宁 大连)引言随着科技条件的不断进步,近年来航天航空工程以及船舶工程等领域的大力发展,工程结构逐渐复杂化与大型化的趋势,使得液体晃荡现象变得更加复杂与难以分析。液体晃荡一般具有危害性,当储液箱受到较大的外部荷载作用时,储液箱内液体会产生剧烈的晃荡,且液体晃荡引起的晃荡力会对储液箱边壁产生剧烈的冲击,其大小不能准确预知,严重时甚至会造成储液箱结构破坏,威胁生命财产安全1。目前高效的减晃手段之一是在液箱中设置挡板,经过对减晃问题深入的研究,在液箱中加入挡板,会有显著的减晃效果,能够在一定程度上减轻液体晃荡可能
2、引发的危害。而目前国内外研究的带挡板(格栅)的液体晃荡问题大多局限于单容器,对于复联通液箱带格栅液体晃荡研究及优化设计的问题涉及非常少,但复联通液箱广泛存在与飞机油箱和 LNG 船等结构中2。因此采用高效的数值计算方法研究复联通液箱内的液体运动特性并且开发出高效的减晃措施,将会大大降低此类风险的发生,有很好的工程应用前景16。1方法简介1.1比例边界有限元法比 例 边 界 有 限 元 法(scaled boundary finiteelements method,简称 SBFEM)是一种新的数值方法,最早被应用于结构力学领域,但随着研究的深入,它也被应用于其他科学和工程领域,是一种将有限元法和
3、边界元法的优点结合的方法。在进行比例边界有限元法计算时,它的一大特点是采用了新的坐标系,即辐射坐标和环向坐标,当进行应用其进行计算时,其单元离散的方式与边界元法相似,只在计算区域的边界进行离散,而这种离散方法则采用了有限元的方式14。这种特殊的组合使得它能够有效地处理一些复杂的计算问题,它在其辐射坐标上保持解析性,这意味着它的模拟结果是半解析解,因此能够提供高精度的模拟结果15。此外,这种方法可以自动满足无限远的边界条件,这在处理一些实际问题时是非常有用的。1.2内置挡板减晃分析方法在液体存储和运输中,液体的晃动往往会引起许多问题,如增大结构负荷,影响稳定性,甚至可能导致结构失效。因此,减少液
4、体储罐中的液体晃动是非常重要的。在这方面,内置挡板是一个有效的解决方案。内置挡板,简单来说,就是在储液箱中安装的一种设备,其主要功能是减少液体的自由表面效应,从而减轻液体的晃动。这些挡板通常以某种规则的方式分布在液箱内,例如,它们可以沿液箱的长度方向分布,也可以根据需要设置在特定的位置。挡板的大小、形状和位置都会影响它们的性能。对液体在储罐中的行为进行分析是一个复杂的流体动力学问题,涉及到液体静力学、动力学以及液摘要:液体晃荡通常发生在装有液体的储液箱中,是一种常见的物理现象。在工程结构逐渐复杂化与大型化的趋势下,液体晃荡问题在工程领域中的重要性日渐提高,并介绍了液体晃荡问题的研究现状和发展趋
5、势。本文提出了采用比例边界有限元法(SBFEM)来研究复杂液箱内液体晃荡特性,通过添加格栅的方式来减轻晃荡,并研究不同形式的格栅减轻液体晃荡的程度。此方法具有计算效率高、计算精度高等优点,在液体晃荡问题的研究中具有广泛的应用前景。关键词:复联通液箱;液体晃荡;比例边界有限元方法中图分类号院V231.9文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0133-05作者简介:赵一玮(2002-),男,本科在读,研究方向:土木工程。133-科学技术创新 2023.22体与储罐壁及挡板的相互作用等方面。为了进行这种分析,可以采用多种方法,如理论计算、数值模拟(如有限元分析或计算流体动力学)
6、、实验测试等。通过这种分析,可以理解挡板如何影响液体的晃动,从而优化挡板的设计,提高其减晃效果6。2实验内容2.1实验方法设计及方案首先基于线性势流理论进行深入研究。这个理论可以帮助理解和预测复联通容器内液体的运动规律,为我们解析复杂液体动力学提供理论基础,从而更好地设计和优化复联通容器。然后采用比例边界有限元方法进行模型构建。这种方法将问题区域分为多个较小的、有限的单元,然后在每个元素上使用边界条件解析。这种方法的优势在于可以更好地处理复杂的几何形状和不规则的边界条件。使用这种方法将复联通容器进行子域划分,处理边界条件,并应用高斯求解来获得最终的解析结果。进一步地,引入格栅边界条件,这种条件
7、在处理液体运动的数值模型中常常用到,它可以更准确地模拟实际情况。为了验证求解模型的正确性,我们对带格栅的 U 形容器进行了数值分析。通过比较实际结果和模型预测,我们证实了模型的有效性和准确性。在验证了基础模型的正确性之后,最终构建了复联通容器的分析模型并求解。在容器中,我们尝试添置了不同形状和布置方式的开孔格栅,分析了这些变化对液体运动的影响。这些实验的目标是理解和量化不同形状和布置方式的开孔格栅对于液体动态行为的影响,见图 1、图 2。图 1Matlab 中构建的 U 型液箱模型图 2复联通液箱模型最后,我们根据分析结果探求最佳的减晃布置,这种布置可以最大限度地降低液体的晃动,从而改善了容器
8、的稳定性。2.2实施原理假设液箱内的液体为理想流体,根据线性势流理论,由 Laplace 控制方程:(1)容器边界条件处理:自由面(2)容器侧壁(3)格栅两侧(4)其中 G 为格栅的多孔效应参数。容器底部(5)笛卡尔坐标系与比例边界坐标系的关系:(6)(7)因此,这两个坐标系的空间导数可以得到为(8)此外,拉普拉斯算子荦也可以给出为等式22220 xy2ng cosi An LRLRPPi Gnn 0n0(),()()xxx sx sN s x0(),()()yyy sy sN s y111|ssyyxJxxJyss134-2023.22 科学技术创新(9)采用加权残差法,则有(10)由此得到
9、(11)引入以下系数矩阵简化方程(12)(13)(14)可以得到自由表面和多孔挡板两侧的边界条件(15)(16)(17)基于以上边界条件和比例边界有限元方法,对于有限区域,将比例中心设置在计算区域的正中心。推导二维液箱内液体晃荡问题的比例边界有限元基本方程并进行求解模型,在结合 Matlab 软件编写相关计算程序进行数值分析13。2.3数据分析处理(1)通过最初创建的 U 型液箱模型,可以看到随着多孔效应参数的减小,波高响应呈现先减小后增大的趋势;G 取无穷大时液体运动与无格栅状况下一致,当 G 不断减小,液体共振响应被不断消减,G 取为0.1 和 0.5 时共振极值最小;当 G 逐渐趋近于
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