铁路罐车液固耦合问题数值方法研究

论文摘要

液固耦合动力学是力学的一个重要分支,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为,以及固体变形对流场的影响这二者交互作用的一门科学,在实际工程结构分析中有广泛的应用。一直以来,液固耦合问题就是国际上研究的前沿课题之一。我国是个货运列车大国,铁路罐车作为铁路车辆中的重要组成部分,它担负着运输液体、气体和粉状货物的重要任务。铁路罐车在运行中,不可避免会出现轻微或激烈的晃动,罐车的不稳定会使罐体与罐内的液体产生强烈地耦合作用,影响行车的行使安全。近几年来,随着火车的不断提速,使得以前常规的耦合动力学的研究方法己经不能完全解决当前的问题。计算机的飞速发展,使问题有了进一步的发展,数值方法作为一种近似的计算方法,可以利用计算资源不断改善分析精度,特别是对于像铁路罐车这样的液固耦合问题,几乎可以处理任意复杂的液体边界条件,因此数值方法已成了现今解决工程问题的主要方法。本文依据广义变分原理和有限元的数值方法,通过对罐体内部液体单元和液固耦合边界上三种单元的分析,建立了像铁路罐车这样比较复杂的液固耦合问题的控制方程。并编制了相应的计算程序,对一轻油类罐车整体进行了频域分析,最后与有关文献中的数值模拟结果相比较,证明了理论的正确性,获得了很好的分析结果。另外,本文又用ANSYS软件对罐体做了模态和响应分析,列出了罐体在不同贮液情况下振动的频率及其振型图,相关图表显示了罐体的节点变形和应力值在不同的外界激励频率情况下的响应情况。本文结果对罐体的工程设计具有重要的参考意义,也为铁路罐车及时发现事故隐患,延长寿命,提高安全性,避免或减少经济损失,以及为设计、生产新型罐车提供了相关数据和理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 一、引言
• 二、铁路罐车液固耦合振动研究的工程背景
• 三、液固耦合问题的国内外研究现状
• 四、本文研究内容和方法
• 第一章 数值方法基本理论
• 1.1 研究液固耦合问题的数值方法
• 1.2 有限元法原理
• 1.2.1 有限元法原理
• 1.2.2 有限元法的网格划分原则
• 1.3 ANSYS 有限元概述
• 1.3.1 ANSYS 的主要分析功能
• 1.3.2 ANSYS 耦合场分析的定义和分类
• 1.3.3 ANSYS 有限元法分析步骤
• 本章小结
• 第二章 液固耦合动力学系统
• 2.1 液固耦合问题概述
• 2.2 液固耦合问题的特点
• 2.3 流体力学的基本方法
• 2.3.1 流体力学基本物理量
• 2.3.2 作用在流体上的力
• 2.3.3 描述流体运动的基本方程
• 2.4 液固耦合系统的广义变分原理
• 2.4.1 液固耦合系统的基本方程及其定解条件
• 2.4.2 液固耦合系统的广义变分原理
• 2.5 液固耦合振动问题的特征值解法
• 2.5.1 非对称问题的特征值问题
• 2.5.2 非对称矩阵迭代法求解特征值
• 本章小结
• 第三章 满载罐车罐体液固耦合振动分析
• 3.1 罐体耦合分析原理
• 3.2 罐体内液体速度势的展开
• 3.3 势函数的变分求解罐体液固耦合控制方程
• 3.3.1 罐体内部液体单元分析
• 3.3.2 罐体液固耦合边界单元分析
• 3.3.3 广义变分原理求解控制方程
• 本章小结
• 第四章 铁路罐车车辆整体液固耦合振动分析
• 4.1 罐车车体的振动方程
• 4.1.1 罐车车辆垂向振动
• 4.1.2 罐车车辆横向振动
• 4.2 罐车车体及液体的总耦合方程
• 4.3 罐车车体和液体耦合计算实例
• 本章小结
• 第五章 铁路罐车罐体动力学模拟分析
• 5.1 罐体模态分析
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 罐体液固耦合模态分析
• 5.1.3 结果分析
• 5.2 罐体响应分析
• 5.2.1 罐体液固耦合响应分析
• 5.2.2 结果分析
• 本章小结
• 结论与展望
• 一、结论
• 二、展望
• 参考文献
• 附录A 单元刚度矩阵计算
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢