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
专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于 水 利 水电 建筑工程以及航天航空领域薄壁结构动 力 学特性分析和承载设计领域，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。根据薄壁结构的物理力学性质、约束条件和第一步计算得到的 流体 载荷 ，建立基于有限单元的薄壁结构计算模型；利用设计工况流量（流速）作为流体计算的进口边界条件；利用交错迭代耦合技术进行薄壁结构动力特性分析，从而为结构安全设计提供依据。该计算方法准确性较以往的材料力学方法和单向耦合方法有了显著的提高，而且计算速度快，使流固耦合从理论研究走上实际工程应用。，下面是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专利的具体信息内容。
1.一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，其特征在于具体步骤包括如下：
（1）根据薄壁结构的初始位置构型及其周围环境流场，建立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）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，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，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。
2.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述步骤（2）中的薄壁结构是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。
4.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于所述步骤（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：
A、求任意流体节点 处的位移值 ：在耦合界面 上，有固体节点
，节点 相应的位置坐标为 ，其节点上的位移为
， 为任意流体节点 的位置坐标，在拟合区域的一个局部子域上，拟合函数 表示为
（1）
式 中 为 待 求 系 数，它 是 坐 标 的 函 数，
为插值基函数， 是插值基函数的项数；
加权离散 范式，令
（2）
式中 是影响区域内节点的数目， 是节点 的权函数，记 ，
，则三次样条权函数
(3.a)
(3.b)
(3.c)
为确定系数 ，式（2）取最小值，将式（2）对 求导，并令 ，得
（4）
其中
（5）
（6）
（7）
将式（4）带入式（1），得到MLS拟合函数
（8）
式中 称为形函数，表示基函数的阶数,
（9）
求得MLS拟合函数后,将耦合界面 任意流体节点 处位置坐标带入式(8),求得任意流体节点 处的位移值 ；
B、求任意固体节点 处的载荷值：根据步骤（A）中所述的方法，已知流体节点上的载荷值，获取耦合界面 上的固体节点的载荷值，完成流体计算模型与薄壁结构计算模型进行的界面信息交换。
6.根据权利要求1或5所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述流体计算模型与薄壁结构计算模型在耦合界面 满足应力和运动一致条件。
7.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述步骤（4）中数据通讯管理和实施监控程序将流体计算模型、薄壁结构计算模型和界面信息交换分别设置为三个模块：流体计算模块，薄壁结构计算模块和信息交换模块，在每一个时间步内通过进行数据通讯管理和实施监控程序流体计算模型与薄壁结构计算模型的反复交错迭代的具体步骤包括：(Ⅰ)启动流体计算模块，执行信息交换模块，获取作用在结构上的流体载荷；(Ⅱ)启动薄壁结构计算模块，获得薄壁结构运动特征，执行信息交换模块，获取流固交界面上流体侧的位置，作为下一个交错迭代步流体计算的边界条件，继续执行步骤(Ⅰ)和(Ⅱ)，满足收敛标准后，跳到下一时间步，直到满足物理上所需的计算总时间，停止计算，即可完成流体计算模型与薄壁结构计算模型的反复交错迭代。
8.根据权利要求7所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述一个时间步是指把物理上连续的时间分割成有限时间段，每一时间段即为一个时间步；每一时间段的长短为时间步长；计算总时间为时间步长乘以总的时间步。
9.根据权利要求7所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述收敛标准是指下一迭代步固体节点的位移值与上一迭代步固体节点位移值-4
之比小于10 。
10.根据权利要求1所述的基于交错迭代耦合技术的薄壁结构动力学特性预测方法，其特征在于：所述薄壁结构动力学特性包括薄壁结构不同位置处的位移、应力、应变随时间的变化规律。
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
技术领域
（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。
，见图2，节点 相应的位置坐标为 ，其节点上的位移为
， 为任意流体节点 的位置坐标，在拟合区域的一个局部子域上，拟合函
数 表示为
（1）
式 中 为 待 求 系 数，它 是 坐 标 的 函 数，
称为插值基函数，它是一个 阶完备的多项式， 是插值基函数
的项数；例如对平面板与流体耦合，线性基 ，二次基 ，
依次类推，还可取三次基等。加权离散 范式，令
（2）
式中 是影响区域内节点的数目， 是节点 的权函数，常用的权函数是样条函数，记 ， ，则三次样条权函数
(3.a)
(3.b)
(3.c)
为确定系数 ，式（2）应取最小值，将式（2）对 求导，并令 ，得
（4）
其中
（5）
（6）
（7）
将式（4）带入式（1），就可以得到MLS拟合函数
（8）
式中 称为形函数，表示基函数的阶数,
（9）
求得MLS拟合函数后,将耦合界面 任意流体节点 处位置坐标带入式(8),就可求得任意流体节点 处的位移值 ；
B、求任意固体节点Si处的载荷值：根据步骤（A）中所述的方法，已知流体节点上的载荷值，同样可以获取耦合界面 上的固体节点的载荷值，即可完成流体计算模型与薄壁结构计算模型进行的界面信息交换。
图3本发明使用的交错迭代耦合技术方案流程；
图4本发明实施例采用的计算对象；
图5本发明实施例中监测点示意图；
图6本发明实施例中流场监测点湍涡频率演化图；
图7本发明实施例中结构监测点振动位移演化图。
，见图2，节点 相应的位置坐标为 ，其节点上的位移为
， 为任意流体节点 的位置坐标，在拟合区域的一个局部子域上，拟合函
数 表示为
（1）
式 中 为 待 求 系 数，它 是 坐 标 的 函 数，
称为插值基函数，它是一个 阶完备的多项式， 是插值基函数
的项数；例如对平面板与流体耦合，线性基 ，二次基 ，
依次类推，还可取三次基等。加权离散 范式，令
（2）
式中 是影响区域内节点的数目， 是节点 的权函数，常用的权函数是样条函数，记 ， ，则三次样条权函数
(3.a)
(3.b)
(3.c)
为确定系数 ，式（2）应取最小值，将式（2）对 求导，并令 ，得
（4）
其中
（5）
（6）
（7）
将式（4）带入式（1），就可以得到MLS拟合函数
（8）
式中 称为形函数，表示基函数的阶数,
（9）
求得MLS拟合函数后,将耦合界面 任意流体节点 处位置坐标带入式(8),就可求得任意流体节点 处的位移值 ；
B、求任意固体节点Si处的载荷值：根据步骤（A）中所述的方法，已知流体节点上的载荷值，同样可以获取耦合界面 上的固体节点的载荷值，即可完成流体计算模型与薄壁结构计算模型进行的界面信息交换。
21.7s时，湍涡频率接近60Hz，与结构的第二阶基频接近，发生“拍”现象，结构分别在12.9s和22.7s左右出现峰值振动位移；在34.3s时，湍涡频率接近10Hz，与结构的第一阶基频接近，再次发生“拍”现象，结构在34.6s左右出现最大峰值振动位移。同时也可以看出，这种瞬间的高位移振动并没有呈现明显的周期性，如自由端位移在12.9s出现峰值振动位移，而在22.7s时并没有出现峰值位移，而是出现突然升高－降低－再升高的振动现象，一方面，动态结构对流体激振荷载的响应产生“累积效应”的结果，同时结构振动反过来又会显著改变流体的运动特性，使流动频率背离结构的某一振动基频，从而使结构的振动位移发生突然改变；（3）实验测试得到的振动位移曲线和计算得到的振动位移曲线基本吻合，说明数值方法是可行的。（4）由上述较佳实施例实施结果看，对于薄壁结构流激振动特性，考虑流固耦合效应，会使结构的动力学特性更接近真实，能较好地预测到共拍效应，从而更好地指导结构设计。
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