液压管道问题研究及流固耦合分析
流固耦合算法研究报告
流固耦合算法研究报告1 流固耦合的概念流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域。
而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：1）流体域与固体域均不可单独地求解2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象的独立变量从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类：第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等。
第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。
实际上流固耦合问题是场（流场与固体变形场）间的相互作用：场间不相互重叠与渗透其耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用，若场间相互重叠与渗透其耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程等微分方程来实现。
流固耦合的数值计算问题，早期是从航空领域的气动弹性问题开始的，这也就是通过界面耦合的情况，只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以。
气动弹性开始主要是考虑机翼的颤振边界问题，计算采用简化的气动方程和结构动力学方程，从理论推导入手，建立耦合方程，这种方法求解相对容易，适应性也较窄。
现在由于数值计算方法，计算机技术的发展，整个的求解趋向于N S方程与非线性结构动力学。
一般使用迭代求解，也就是在流场，结构上分别求解，在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。
基于ANSYS Workbench的液压管道流固耦合振动分析
基于ANSYS Workbench的液压管道流固耦合振动分析夏永胜;张成龙【摘要】以噪声试验台液压系统的折弯式管道为例,采用ANSYS Workbench进行有限元联合仿真,研究了流固耦合作用对管道振动的影响.仿真结果表明,流固耦合是引发管道振动的重要原因,在双向流固耦合作用下,管道的固有频率会明显降低.通过在合适位置增加卡箍约束管道,可以在不改变管系主要特征和管道结构的基础上,降低液压管道的流固耦合振动,最终实现减小管道的振动及降低噪声的目的.【期刊名称】《流体传动与控制》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P38-41,57)【关键词】流固耦合;液压管道;ANSYS Workbench;振动【作者】夏永胜;张成龙【作者单位】合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009;合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TH137汽车驱动桥中的主减速器要求工作平稳、无噪声，对主减速器进行噪声检测是保证产品性能的重要手段，实现这项工作的检验装备是噪声检测试验台。
在用噪声试验台进行主减的噪声检测时，试验台本身的振动及噪声必须控制在一定范围之内，这样测量的数据才能满足要求。
液压系统管道的振动会导致噪声污染，进而影响噪音试验台的整体性能。
因此液压管道应根据实际情况合理布置，并且采取一些有效的措施，以此来减小液压管道的振动。
压力管道内流体的流动会诱发管道振动，而管道的振动又会影响流体的运动状态，即压力管道系统中存在流体与管道结构之间的耦合振动[1]。
较强的流固耦合作用会造成液压系统中管道的振动和噪声污染，可以说液压管道中元件与液压油的流固耦合，是导致管道振动的根源之一。
以主减噪声检测试验台液压系统的某一折弯式管道为研究对象，验证了流固耦合作用对液压管道振动的影响，分析了其在振荡流体载荷的作用下管道的耦合振动特性以及相应振动控制措施，从而有效地降低了噪声试验台液压管道的振动与噪声。
管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态
第14卷 第3期应用力学学报V o l.14 N o.3 1997年9月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS Sep.1997管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态α李 琳 喻立凡(北京航空航天大学 北京 100083)摘 要对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。
根据问题特点,将本课题分为三个分支,即从紊流到振动噪声源的研究,流2弹耦合振动的研究和声2弹耦合振动的研究。
在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。
关键词:流固耦合;管路系统;振动噪声1 引 言管路系统流固耦合振动问题有着广阔的工程背景,它的研究成果可直接应用于水利电力、机械、化工、航空航天以及核工程等各个领域。
同时在学术领域,它也是一个十分诱人的课题, Jou rnal of F lu ids and Structu res的创始人M.P.Paidou ssis称之为A M odel D ynam ical P rob2 lem[1]。
因为,它物理模型简单,描述它的数学方程容易简化,特别是管路系统容易实现,这给理论研究与实验研究协同并进提供了极大的方便。
此外,管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合力学中的大多数问题,而且由于它结构的简单性还使得学者们可以分别(或侧重)研究流体的某一特性(如可压性、粘性、流速)对系统的影响。
七十年代以来,管道及管路系统流固耦合的振动问题有了长足进展。
随着问题的深入,关于这方面的研究形成了三个分枝:——研究内流诱发管系振动及噪声幅射机理;——研究具有定常流速的不可压缩流体与管道弯曲振动的耦合以及在此流速下的管道稳定性分析;管道与不可压缩流体的耦合振动可称为液2弹耦合振动。
——研究可压流体中的声波与管道振动的耦合,这种耦合振动可称为声2弹耦合振动。
α来稿日期:1995211230本文将按此三个分支简述课题的进展状况。
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用一、流固耦合概述历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1. 流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solid interaction)。
变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征：•流体域或固体域均不可能单独地求解；•无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。
2. 流固耦合力学涉及领域及分类流固耦合问题涉及到很多方面。
流固耦合分析(FSI)理论详解
流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。
以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。
一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。
2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。
3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。
（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。
4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。
二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。
《流固耦合渗流规律研究》范文
《流固耦合渗流规律研究》篇一一、引言流固耦合渗流规律研究是当前多学科交叉领域的一个重要研究方向，涉及力学、物理学、地质学等多个学科。
随着科学技术的不断发展，流固耦合渗流规律在工程实践中应用越来越广泛，如地下水动力学、油气开采、地质灾害防治等领域。
本文旨在通过分析流固耦合渗流的基本原理和规律，探讨其在实际应用中的一些关键问题。
二、流固耦合渗流的基本原理流固耦合渗流是指在多孔介质中，流体和固体骨架之间相互作用而形成的流动过程。
这种流动过程具有复杂的物理机制，包括多孔介质的渗透性、流体与固体骨架的相互作用力等。
在流固耦合渗流中，流体在多孔介质中流动时，会对固体骨架产生作用力，而固体骨架的变形也会对流体流动产生影响。
这种相互作用力的大小和方向取决于多孔介质的性质、流体和固体骨架的物理性质以及流体流动的物理条件等因素。
因此，在研究流固耦合渗流规律时，需要综合考虑这些因素。
三、流固耦合渗流的规律分析1. 多孔介质中的流体流动规律在多孔介质中，流体受到的阻力主要是由多孔介质的孔隙结构和流体的性质所决定的。
流体在多孔介质中流动时，会受到粘滞力、惯性力等多种力的作用，这些力的作用大小和方向取决于多孔介质的渗透性、孔隙大小分布等因素。
因此，在研究多孔介质中的流体流动规律时，需要综合考虑这些因素。
2. 固体骨架的变形规律在流固耦合渗流中，固体骨架的变形也是非常重要的一个方面。
当流体在多孔介质中流动时，会对固体骨架产生作用力，导致固体骨架发生变形。
这种变形的大小和方向取决于流体和固体骨架的相互作用力以及固体骨架的物理性质等因素。
因此，在研究固体骨架的变形规律时，也需要考虑这些因素。
3. 流固耦合渗流的总体规律流固耦合渗流的总体规律是指在多孔介质中，流体和固体骨架之间的相互作用力所形成的流动过程。
这种流动过程具有复杂的物理机制和数学模型。
在实际应用中，需要根据具体的工程问题建立相应的数学模型和求解方法，从而得出可靠的结论和解决方案。
基于多物理场的管道强度与模态分析(三)管道的流固耦合模态分析第一期
图4 模型控制参数
2. 计算结果分析 为了 研究流 体对 管道固 有频率 的影响 ，对空 管进行 了 模态分 析，表1 为无耦 合（空管）和考 虑流固耦合效 应的管 道前 6阶固 有频率。可 以看出，考 虑流固耦合 后，管道 的固 有频率比空管状态下的低，且 随着阶数的增加，固有频率的 变化率逐渐降低。说明了对于 充液管道考虑流固耦合模态计 算时的结果更为准确。
二、流固耦合模态分析
1. 有限元模型 由于 要分析 的几 何模型 较为简 单，可 直接在 软件中 建
图2 势流体材料定义
图1建立几何模型
图3 数值计算模型
2014年第4期
72
仿真 COMPUTER AIDED ENGINE ERING
再建立如图1 所示 的圆柱体几何模型为流体模型 。流体 采用 基于势的流 体单元进行 模拟，定 义势流体材 料如图2所 示，流体体积模量为2.56GPa，密 度为1000kg/m3。采用8节点 六面体单元对流体模型进行网 格划分，不需要设定流固耦合 边界。划分网格后的管道和流体有限元模型如图3所示。
流 体采 用层流 模型， 流体 粘度为 0.001 Pa ·s，密 度为 1 000kg/m3。用四 面体单元 对其进 行网格划 分，并设 置流体 外表面为流固耦合边界。在流体端部施加轴向速度载荷，对 另一端除轴 向以外的速 度设定为0。对流 体施加的周 期性速
CAD/ C AM 与制造业信息化
图8 流速随时间变化曲线 度载 荷如图8所示， 其频率与流 固耦合模态 分析后的管 道第 1 阶固有频率相同，取为36.9Hz。
立其几 何模 型。本 例中 的管 道直径 为1 00mm，管 道长 度为 5m，其建模方式如 图1 所示，建立同尺寸的圆 柱体。定义管 道材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为7 800kg/ m3。采用四节点壳单元对圆 柱体的外表面进行网格划分，则 得到了直管结构有限元模型。对管道的一段进行固定约束， 另一端施加除轴向以外的约束。
飞机液压管道流固耦合振动特性及动响应分析
飞机液压管道流固耦合振动特性及动响应分析张乐迪;张显余【摘要】通过对输流管道的动力特性进行研究,利用有限元法对管道及流体单元建立运动方程;采用Hermite插值函数,利用里茨-伽辽金法将求解微分方程问题得到输流管道的动特性方程.在有限元方程的基础上,对某飞机上的一段液压管道进行有限元仿真分析,得到管道结构各阶固有频率、特征点处位移、压力变化规律,分析了流固耦合作用对管道系统的影响.另外,讨论了不同阻尼比对管道结构动态响应的影响,为飞机液压管道的设计及优化提供了依据和参考.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)028【总页数】6页(P153-158)【关键词】有限元法;动特性方程;阻尼比;固有频率【作者】张乐迪;张显余【作者单位】空军航空大学,长春130022;空军航空大学,长春130022【正文语种】中文【中图分类】O327飞机液压系统中所有的附件都是通过管道和管道接头来连接的，从而构成一个封闭的、完整的系统回路［1］。
从重量上看，管道及管道接头占液压系统总重量的30%～50%，分布上几乎遍及机体各个部分;如果系统中任何一根管道或一个接头损坏，都可能导致系统出现重大故障。
在飞机的实际使用过程中，因导管爆破引起油液漏光、使液压系统失去作用导致重大事故发生的情况屡见不鲜。
但是，实际上在设计时导管本身所能承受的最大内压力(即爆破压力)远远比系统的最大压力大，一般都有6～8 倍的安全系数［2］。
所以在静载荷的作用下，液压管道本身的强度是十分充裕的，破坏的原因主要是由于受到重复载荷作用下发生振动，从而产生疲劳，使其结构强度大大降低。
而液压管道产生振动的原因主要有两个方面［3］:一是飞机或某些飞机上的部件(如发动机或液压泵等)的振动引起的管道共振;二是管内压力脉动等因素迫使导管产生振动。
因此，为了避免飞机液压管路在工作过程中产生共振现象，有必要对管道系统的动态特性进行全面分析，以提高飞机液压系统的安全性和可靠性。
液压管路流固耦合振动机理及控制研究现状与发展_权凌霄
第 51 卷第 18 期 2015 Hale Waihona Puke 9 月机械工
程
学 报
Vol.51 Sep.
No.18 2015
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2015.18.175
液压管路流固耦合振动机理及控制 研究现状与发展*
权凌霄 1, 2 孔祥东 1, 2 俞 滨1 白欢欢 1
3
液压管路振动模型研究现状
2
液压管路振动的复杂性
导致液压管路振动复杂的根源之一是液压泵 的复杂振动。首先，液压泵受其结构影响，必然会 产生复杂的宽频流量和压力脉动，二者相互影响， 在管路中形成多种耦合相互作用的流量脉动。 其次， 液压泵内产生的气穴气蚀会在系统中形成瞬时高频 脉冲振动，受流固耦合作用影响，进而衍生为宽频 域、随机性强的振动波。第三，液压泵工作过程中， 转子系统中各机械组件相互作用激发复杂的机械振 动， 激励泵内流体， 进而形成复杂的流固耦合振动。 导致液压管路振动复杂的根源之二是液压系 统中元件及介质的耦合作用。首先，系统中的液压 阀、液压缸、蓄能器、过滤器、管路等元件具有液 阻、液容及液感特性，会在系统中产生强烈的非线 性作用，相互耦合后进一步导致振动更为复杂；第 二，执行机构驱动机械设备运动受到其反向作用， 安装连接部分受到基础或减振支架的作用，均会将 机械振动以强迫激励的形式作用到液压管路及管内 流体中，其与管路振动耦合后，特性更为复杂。 导致液压管路振动复杂的根源之三是液压管 路中存在复杂耦合和演化作用。首先，管路振动往 往受到摩擦耦合、泊松耦合、结合部耦合、Bourdon 耦合等的综合作用，机理极为复杂；第二，液压管 路管壁振动和内部流体脉动都以振动波的形式传
《流固耦合渗流规律研究》范文
《流固耦合渗流规律研究》篇一一、引言流固耦合现象广泛存在于自然界和工程领域中，如地下水渗流、岩土工程、多孔介质流动等。
这些现象涉及到流体与固体之间的相互作用，对渗流规律的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文旨在研究流固耦合渗流规律，通过对相关理论的分析和实验研究，揭示流固耦合渗流的基本规律和特点。
二、流固耦合渗流理论基础流固耦合渗流是指在多孔介质中，流体与固体骨架之间的相互作用导致流体在介质中的流动规律发生变化。
其理论基础主要包括多孔介质渗流理论、弹性力学理论、流固耦合理论等。
多孔介质渗流理论是研究流体在多孔介质中流动的规律和特性的理论。
该理论认为多孔介质中的流体流动受到介质孔隙结构、流体性质、外部条件等多种因素的影响。
弹性力学理论则是研究固体在外力作用下的变形和应力分布的理论。
在流固耦合过程中，固体骨架的变形会影响流体的流动规律，而流体的流动又会对固体骨架产生作用力，二者相互影响、相互制约。
流固耦合理论则是将多孔介质渗流理论和弹性力学理论相结合，研究流体与固体之间的相互作用及其对渗流规律的影响。
该理论认为，在流固耦合过程中，流体与固体之间的相互作用会导致介质孔隙结构的变化，从而影响流体的流动规律。
三、实验研究方法为了深入研究流固耦合渗流规律，本文采用实验研究方法。
具体步骤如下：1. 制备多孔介质样品：选用不同类型的多孔介质样品，如砂土、黏土等，进行制备和加工。
2. 设计实验装置：设计一套流固耦合渗流实验装置，包括供水系统、压力传感器、数据采集系统等。
3. 进行实验：将多孔介质样品置于实验装置中，通过改变流体压力、流量等参数，观察流体在介质中的流动规律和特点。
4. 数据处理与分析：对实验数据进行处理和分析，得出流固耦合渗流的基本规律和特点。
四、实验结果与分析通过实验研究，我们得出以下结论：1. 流固耦合渗流过程中，流体与固体之间的相互作用会导致介质孔隙结构的变化，从而影响流体的流动规律。
2. 流体压力、流量等参数对流固耦合渗流规律具有重要影响。
仿生液压管路双向流固耦合机理及脉动吸收研究
仿生液压管路双向流固耦合机理及脉动吸收研究郭长虹;姚佳程;崔超;吴少东;权凌霄【摘要】高速高压化导致液压泵口流量压力脉动加剧,其振动控制尤为重要.借鉴“猎豹心脏出口血管能耐受高压高频血液脉动”的生物学机理和结构,提出一种具有3层结构的仿生管路,其外层为钢管,中层为硅橡胶,内层涂有减摩材料.针对仿生管路的中层,考虑硅胶材料非线性,对比分析国内外已有的硅胶材料数学模型后,选用Mooney-Rivlin模型描述硅胶材料,其模型参数由拉伸实验确定;然后,结合硅胶材料模型,对液压管路流固耦合14-方程进行修正;最后,采用ANSYS Workbench软件分别对不同管路长度和硅胶层厚度的仿生管路进行双向流固耦合仿真.数值分析结果表明,随着管路长度和硅胶层厚度的增加,仿生管路对流量脉动吸收效果不断增强.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2018(000)009【总页数】8页(P55-62)【关键词】仿生管路;双向流固耦合;流量脉动;振动控制【作者】郭长虹;姚佳程;崔超;吴少东;权凌霄【作者单位】燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TH137;TB23;V19引言轴向柱塞泵口的流量压力脉动是造成液压系统振动的主要根源之一，减小泵口的流量压力脉动，不但可以起到抑制振动的效果，而且还可以提高系统的可靠性，减小液压系统的重量，进而提高系统功重比。
近年来，国内外学者针对液压管路流量脉动吸收和振动控制开展了很多深入研究，取得了很多成果。
DAVID教授设计了一种主动液压滤波器，通过电压控制作动器，利用活塞往复运动来减小压力脉动，取得了良好效果[1]。
基于流固耦合的液压支架力学仿真研究
（a）整体应力云图
（b）整体位移云图 图 2 液压支架整机应力尧位移云图
4 结束语 本文基于流固耦合方法对液压支架进行有限元仿真 分析。以 ZY6000/25/50 型液压支架为例，基于 Pro/E 建模 软件建立三维虚拟模型。运用流固耦合方法对模型进行了 有限元仿真分析，得到了液压支架整体机的应力和位移云 图，确定了最大应力及最大位移的位置。本文研究结果为 液压支架结构优化设计提供了理论基础，对于指导液压支 架的结构设计具有重要的工程实际意义。
作者简介院王纯（1983-），男，江苏连云港人，讲师，硕士研究生，主 要研究方向为机械工程。
例，基于流固耦合理论对液压支架进行有限元仿真分析。 探究更加贴近真实工况条件下的液压支架的受力变形过 程，对于提高支架的安全性、稳定性具有重要意义。
1 液压支架三维模型的建立 在对支架有限元分析前有必要对支架的外部载荷特 征做相应的分析，以便选择合适的分析工况。同时液压支 架三维模型的建立是有限元分析的必要条件，模型建立的 准确性和合理性关系到有限元分析的准确性和可行性，针 对有限元分析软件建模功能相对薄弱以及支架模型复杂 的特点，对支架进行适当简化，在专用建模软件 Pro/E 中 建立支架的装配模型，为有限元分析提供基础。 本文选取液压支架的型号为 ZY6000/25/50。液压支 架最大的额定高度为 5000mm、最低高度是 2500mm、最 大行程是 2500mm。顶梁扭转工况下支架的装配高度为 4167mm，顶梁偏载工况下支架的装配高度为 2800mm。 ZY6000/25/50 型液压支架以高压乳化液泵站为动力源，支 撑与控制工作面的顶梁、实现对采空区的隔离、防止采空 区顶部落下的矸石影响采煤工作面。 在对液压支架进行装配时首先调出 Pro/E 的装配环 境，将导入的底座模型作为基准进行固定，之后通过销钉 连接、滑动连接、球连接以及对齐约束、重合约束、距离等 约束方式对液压支架各部件依次进行装配。装配完成后， 依次单击“分析”-“测量”-“距离”，分别测量立柱外缸内表 面到立柱中缸之间的距离，立柱中缸内表面和立柱小柱之 间的距离，平衡千斤顶缸体内表面和活塞之间的距离，随 后建立立柱外缸、中缸、平衡千斤顶缸体内液体的模型，将 液体模型装配到相应缸体内，为液压支架流固耦合有限元 分析做准备。装配完成后可以依次点击“分析”-“全局干 涉”对液压支架进行干涉检查。最终建立好的液压支架的 装配模型分别如图 1 所示。 2 流固耦合理论简介 流固耦合问题是一个综合性的研究课题，涉及到流体 力学、固体力学、振动力学、动力学等学科知识，具有复杂 性和交叉性。流固耦合与机械、土木、航空航天、采矿、船舶 等工程领域有着密切联系，由于流固耦合在求解时同时考 虑到固体和流体特性，使得分析结果更加接近物理规律。 伴随着流体力学和固体力学的快速发展，流固耦合分析在
液压缸间隙密封流场下支承环的流固耦合分析(七)
图 4.5 对称面约束
图 4.6 端面约束
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载荷施加： （1）非耦合面的载荷施加 在本课题中，除了支承环出口端面没有接触压力油外，其余部分均接触压力油。 在耦合面，支承环受到的压力载荷来源于缝隙流场域中流动的液压油，而其余非耦合 面受到的载荷则为液压缸工作腔压力(缝隙入口压力)，本章中即：20MPa。 （2）耦合面的载荷导入 对于流固耦合来说，分析问题的关键便是耦合面的载荷确定与传递。可以说，前 一章所做的仿真与分析为的便是此时向耦合面施加载荷。在载荷导入前，要先选择载
4.2.1 前处理及求解设置 流固耦合对耦合面的数据传递要求比较高，如果能实现流场域耦合面网格与固场域耦 合面网格一一对应，那么对于压力载荷数据的传递无疑是非常好的[43~47]。但是流场域模型 网格划分较密（网格数 595560） ，如果固体域模型内表面划分跟流场域一样的话，那么网 格密度必然很大。对于 ANSYS 静力分析计算来说，其要求的计算机内存及计算时间远远比 FLUENT 要高。因此如此一对一划分在 ANSYS 里不具有太大可行性，所以根据计算机内存生 成一套独立的网格是较合适的方法。 本文 Workbench 下 ANSYS 仿真具体求解过程如下： � 定义材料属性：在结构静力分析中，材料的定义是重要的基础。跟经典版 ANSYS 不同， workbench 下的材料属性需要自己去新建材料库，在材料库里，根据你需要的参数去 选择定义材料，因此过程比较复杂。具体如下：双击 B 模块 B2 栏，弹出材料库列表 （Outline Filter）,点击列表最后一行添加新材料库，命名为 00，并保存至源文件 里材料库所在位置。再在弹出的 00 新材料库（Outline of 00）里点击添加材料 001， 弹出材料属性列表(Properties of Outline Row3:001)。这时可以看到界面左侧出现 材料出现工具框，里面包含了几乎所有分析类型的材料的各种属性，双击一项，便可 自动添加到材料属性列表。本文定义的材料属性列表如图 4.3 所示：
流固耦合作用下管道振动模态分析
于 工 程 机 械 、 力 能 源 等 各 个 领 域 。 一 定 压 力 和 流 动 而
速 的 液 体 在 经 过 管 道 的过 程 中 ，将 液 体 的 动 压 力 作
用于 管道 内壁 ， 而 产生管 道 的振动 ， 管 道 系统不 从 使 能 稳 定 工 作 。 当 液 体 压 力 脉 动 的谐 振 频 率 与 管 道 的
密 度 ／ｇｍ ｋ／ 比热 容／ ｋ ・ Ｊ ｇＫ ／ ８３ ８ ２ｏ ００
运动粘度／ ｍ％ 动力粘度／ａｓ Ｐ ・
６Ｅ ６ ８ 一 ＯＯ ．６
文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ２１ ２ ２ ０ — ０ ６ ０ １ ７ — １ （ ０１ ） ４ ０ ７ — ３
流 固耦 合 作 用 下 管 道 振 动 模 态 分 析
李 少 静 。雷 步 芳 ，李 永 堂
（ 原科 技大 学 ， 西 太 原 ０ ０２ 太 山 ３ ０ ４）
摘 要 ： 文 运 用 ＡＮＳ ｒ ｂ ｎ ｈ ２０模 拟 仿 真 软 件 ， 析 了有 无 流 固 耦 合 存 在 时 管 道 振 动 模 态 的 变 化 本 ＹＳ Ｗｏｋ ｅ ｃ １ ． 分
固有频 率接 近 时 ， 会 发生 共振 ， 至 会对 管道 系统 就 甚 产 生 严 重 破 坏 ， 成 重 大 事 故 的发 生 ｌ 造 ｌ ｌ 。 ８ ＭＮ 快 锻 液 压 机 锻 造 工 作 速 度 达 １ ０ ｓ 锻 ０ ６ ｍ／ ， 造 频 次 达 ７ ｍｉ～ ５ ｎ 。快 锻 液 压 机 要 达 到 如 此 高 频 次 的
密度，ｇｍ ｋ ／ 弹性模量／ａ Ｐ
泊 松 比
的 固有 频率 ， 之 远 离激 振 频率 。 免共 振 的 发生 ， 使 避
航空弯曲液压管路流固耦合振动频响分析
航空弯曲液压管路流固耦合振动频响分析发布时间：2022-10-24T04:03:08.991Z 来源：《新型城镇化》2022年20期作者：强轲崔航侨[导读] 近年来，输流管路流固耦合振动的研究成果较多。
Tentarelli建立的弯曲管路流固耦合模型被大量引用，为弯管的流固耦合研究提供了理论基础。
国营长虹机械厂广西桂林 541003摘要：本文针对航空弯曲管路，建立其流固耦合14-方程模型，并利用拉氏变换将其变换至频域进行求解；对含单个弯管的管路，利用14-方程分析在管路长度变化及不变化时，弯曲参数对管路频域响应的影响规律；同时，对含2个弯管的管路，分析不同跨度时，弯曲参数对管路固有频率的影响；最终，通过模态敲击实验，验证仿真的准确性。
经过上述分析，得到以下结论：弯曲角度对管路固有特性影响较大，弯曲角度越小，管路固有频域越高，然而，弯曲半径的影响在于是否会造成管长变化，通常情况下，弯曲半径的增加会导致管路长度增加，从而导致其固有频率降低。
关键词：流体传动与控制；频域振动响应；流固耦合振动；弯曲液压管路；国产大飞机近年来，输流管路流固耦合振动的研究成果较多。
Tentarelli建立的弯曲管路流固耦合模型被大量引用，为弯管的流固耦合研究提供了理论基础。
研究表明摩擦的影响要小于曲率的影响，这说明对弯管参数展开的相关研究十分重要。
上述研究者对弯管进行了广泛的研究，但是基于分布参数方法建立液压管路模型，并深入分析折弯参数对管路频域特性的影响研究较少。
本文针对弯曲管路几何参数对管路流固耦合频域特性的影响规律进行研究，分析在定长管路、非定长管路、多弯管路下弯曲参数变化对流固耦合响应特性的影响规律。
1 耦合振动的理论分析本文基于欧拉-伯努利梁理论对输油管道振动特性进行理论分析。
在输液管道中，流体的压力和流速都会对管壁会产生作用，进而使管道产生变形，直至诱发管道振动。
输液管道的固有频率会随着流体的压力和速度的增大而降低。
流固耦合的研究综述
流体机械中流固耦合的 研究综述
时间：2013-01-18
1.流固耦合问题的产生
Content
2.流固耦合研究现状 3.流固耦合在流体机械中的应用
4.流固耦合研究方法
1.流固耦合问题的产生
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它 是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者 相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作 用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来 影响流体，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同 条件下产生不同的流固耦合现象。
流固耦合在水泵中的应用： • Brennen早在20世纪90年代就已经认识到了离心泵中存在的流固耦合现
象，并进行了理论的推导和实验研究。 • Benra等人分别使用双向交替耦合及单向耦合计算了无堵塞离心泵单叶
片的转子部件及其受到的水力激励，并与试验结果进行对比分析，发现 由双向交替耦合计算出来的结果与试验值更为接近。 • Guadaqni等采用流固耦合方法对一新型泵结构动力特性进行了模拟，并 通过试验测试验证了模拟结果的准确性。 • 袁启明对某一轴流泵叶轮进行了单向顺序流固耦合计算，进行了动力学 分析，求得轴流泵叶轮在流场作用下的应力和变形。
为了求出控制体积的积分，必须假定数值在网格点之间的变化规律。 从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法中的子区域法； 从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法.
简而言之，子区域法加离散就是有限体积法的基本方法。
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流固耦合问题由于这种交叉性质，在学科上设计流体力学，固体力学， 动力学，计算力学等学科的知识；从技术上与许多工程领域均有很大关系， 如土木、航空航天、船舶、动力、海洋、石化、机械、核动力、地质、生 物工程等，研究和应用领域广泛。
常见的流固耦合问题
常见的流固耦合问题流固耦合问题是力学领域中的一类重要问题，涉及到流体力学、固体力学、热力学、化学反应、电磁学、生物力学、环境科学和工程应用等多个方面。
本文将分别介绍这些方面的流固耦合问题。
1.流体力学方面流体力学方面的流固耦合问题主要涉及到流体与固体之间的相互作用。
例如，在流体动力学中，流体对固体边界的冲击和摩擦力可以影响固体的稳定性和形状；在流体静力学中，流体对固体表面的压力分布可以导致固体的变形和破裂。
此外，流体的流动和温度变化也会影响固体中的热应力分布。
2.固体力学方面固体力学方面的流固耦合问题主要涉及到固体在流体作用下的力学行为。
例如，在海洋工程中，船体在波浪作用下的振动和变形会影响船的性能和安全性；在航空航天领域，飞行器在空中飞行时，空气对飞行器表面的压力分布会导致飞行器的变形和疲劳裂纹。
此外，固体在高温、低温或腐蚀性流体环境中的性能也会受到很大影响。
3.热力学方面热力学方面的流固耦合问题主要涉及到热量传递和热力学效应对流固耦合的影响。
例如，在能源工程中，热流体对换热器中固体材料的影响会直接影响设备的性能和安全性；在化学工业中，化学反应过程中产生的热量对反应器和管道中的固体材料性能有很大影响。
此外，温度变化还会引起固体材料的热膨胀和热应力分布变化。
4.化学反应方面化学反应方面的流固耦合问题主要涉及到化学反应过程中产生的流体和固体材料之间的相互作用。
例如，在石油化工中，石油裂解过程中产生的气体和液体对反应器中固体材料表面的腐蚀和冲刷会影响设备的使用寿命和安全性；在环保领域，化学反应过程中产生的有毒有害气体对催化剂和吸收剂的性能有很大影响。
此外，化学反应过程中产生的热量也会影响流体的温度分布和热力学效应。
5.电磁学方面电磁学方面的流固耦合问题主要涉及到电磁场对流体和固体之间相互作用的影响。
例如，在电磁泵中，电磁场对流体的压力和速度分布有很大影响；在电磁分离中，电磁场可以用于分离不同磁性的颗粒物。
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固体属性:
管道材料为普通钢材，密度ρ=7800 kg/m^3，弹性模 量E=210 GPa，泊松比v=0.3
流体属性：
流体为水，密度ρ=997kg/m^3，温度25℃，动力粘性 系数v =0.0008899kg/m*s
算例
耦合时间 0.4s 计算步长 0.001s 初始条件：出口压力设为零，入口处加一流速 V1，单位为m/s 支撑方式： 两端固支
液压管路分析
研究背景
液压系统的压力脉动不仅影响系统正常工作， 降低系统性能，如果压力脉动诱发大的管路振 动，会降低管路以及液压部件的寿命。 严重时甚至造成管壁的破裂、管路支撑结构的 破坏，引起支撑刚度下降，使管路系统失效、 压油液流失，从而导致严重的灾难性事故。 因此，弄清楚飞机液压系统管道流固耦合振动 的机制，对于设计安全可靠的新型液压系统和 对于现有飞机液压系统振动抑制对策都是非常 重要的。
计算软件
CFX-ANSYS（12.0 版本） CFX 是集成于ANSYS 中的流体计算软件，虽然 功能较fluent 差，但是目前只有CFX 可以不借 助第三方软件与ANSYS 实现双向流固耦合的计 算。 因此现在选用CFX-ANSYS 来解决双向流固耦合 问题。其基本框架与MPCCI 相同，实现耦合的 通讯软件为MFX(multi-field solver)。
1）校核冲击载荷下是否超过应力极限 2）进行模态分析，调整系统部件设计， 避免共振 3）对于强迫振动下的振动疲劳进行寿命 预计
谢 谢！
By 0.99Ma
管路系统失效2——共振 Nhomakorabea
1）压力脉动频率与管道固有频率接近或者重合。管道 在其固有频率上发生最大幅值的强烈振动，将很快导 致管道的破裂。 2）压力脉动或者谐振增强后的压力脉动幅值过大，使 作用于管壁上的压力脉动超过了管道材料的屈服应力 极限，则将在短时间内造成管壁的破裂。 3）压力脉动或者谐振增强后的压力脉动，即使幅值很 小，却仍能够使支撑结构表面发生微动磨损，严重的 磨损使支撑结构遭到破坏，失去了对管道支撑功能。 4）在3的条件下，随着微动磨损的发展，支撑刚度逐 渐下降，从而使管道的固有频率逐渐降低，可能会逐 渐发展为1的情况。
应力云图
应力云图
弯管内侧节点x方向位移-时间图
弯管内侧节点y方向位移-时间图
弯管内侧节点应力-时间图
算例结果分析
弯管内侧应力较大 当前算例情况下（管道较短、约束较 强），流固耦合振动衰减较快，很快趋 于稳定 但当管道加长、约束减弱（为简支或圆 支时），振动会加强
对实际工程问题可进行的分析
管路系统失效3——疲劳
基于管路结构的整体有限元分析，筛选 疲劳危险部位 对确定的疲劳危险点，可设计相应的疲 劳模拟试验件进行实验，或用应力严重 系数法（SSF）、局部应力应变法、应力 场强法等方法进行疲劳寿命估算 另外应考虑振动疲劳，与静载疲劳有区 别
液压管道流固耦合作用的机理
液压管道流固耦合作用的机理主要有三种： 摩擦耦合、泊松耦合、结合部耦合。 摩擦耦合是指液体与管道内壁之间的摩擦作 用及管道内液内摩擦；泊松耦合是指由液体 压力脉动而带来的管道径向胀缩运动；结合 部耦合是指液体与管道在某些连接件处所发 生的较强耦合作用。 摩擦耦合对响应的影响最小，而泊松耦合和 结合部耦合对响应的影响较大。
流固耦合分析工作
a. 建立管系结构有限元网格； b. 建立流体的欧拉网格； c. 定义材料特性； d. 定义流动初始条件； e. 定义流固耦合； f. 定义流动边界； g. 定义输出请求；
流固耦合分析框架图
算例
算例
几何尺寸：
弯管两端直段长度均为L =0.5m，弯曲半径R =0.1m， 角度90°，管道内径d =0.049m，壁厚t =0.002m；
双向流固耦合计算基本思路
使用双向耦合求解法，让不同的耦合场迭代求 解，通过场间耦合媒介交换耦合信息，在各个 时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。 1）当流体推动固体时，流体的流动参数计算 >FSI耦合边界>固体的变形或移动参数计算 2）当固体推动流体时，固体的变形或移动 >FSI耦合边界>流体的流动计算。
管路振动的情况比较复杂，液压泵脉动式的流 量输出使流体管路和固体管道产生强迫振动。 流体管路本身的分布参数特性，使之在管道结 构满足谐振条件时，发生自激谐振。液压泵的 脉动频率与流体的谐振频率接近时，振动会进 一步加强。 如果固体管道的固有频率与流体的谐振频率相 接近，或者与液压泵的脉动频率相接近，则产 生流固耦合共振。
管路系统失效1——冲击
水锤现象——液体在管道中稳态流动， 当突然关闭或开启阀门，或者突然停止 和运行水泵时，液体的稳流状态就会发 生改变，带来巨大的瞬态压力变化，由 停止点开始的高压波在管道内传递。 水锤产生的压力冲击作用是非常大的， 因此考虑流体波速对管道压力的影响十 分必要。
管路系统失效2——共振