流体浸没多段组合壳体混合建模：一种高效振动分析方法

内容推荐 为提升含内部结构组合壳体的振动分析精度与效率，研究人员提出一种基于能量框架的混合建模方法：采用轴对称有限元法（FEM）离散组合壳体，结合Rayleigh-Ritz法分析矩形板弯曲/面内振动，利用轴对称边界元法（BEM）模拟流体作用；通过人工弹簧耦合子系统，建立流体-结构耦合振动方程。该方法在空气与流体环境中均验证了自由/受迫振动特性，相比ANSYS仿真具备更高计算效率与普适性，为潜艇、航天器等复杂工程结构的动力学设计提供新工具。

　　

论文解读

在深海探测器和航天器设计中，由锥壳、柱壳和球壳组合而成的复杂壳体结构（如潜艇耐压舱、燃料储罐）广泛存在。这类结构常因内部加装矩形隔板（如船舶甲板、航天器舱壁）破坏轴对称性，导致振动特性分析异常复杂。传统方法如纯有限元法虽通用但计算成本高昂，而针对单一壳体的简化流体压力模型难以适应组合壳的几何突变。更棘手的是，当结构浸没于流体中时，流体-结构耦合效应会显著改变系统动力学响应，直接影响结构安全性、疲劳寿命及噪声控制。

针对上述挑战，哈尔滨工程大学的研究团队提出一种创新的混合建模方法，通过融合轴对称有限元法（Axisymmetric FEM）、Rayleigh-Ritz法和轴对称边界元法（Axisymmetric BEM），实现了含内部矩形隔板的组合壳体在流体环境中的高效振动分析。研究成果发表于《Ocean Engineering》，核心创新在于：

1. 结构离散：组合壳体沿子午线方向用轴对称FEM离散（每个节点含8自由度），矩形板采用Rayleigh-Ritz法描述弯曲/面内振动。
2. 流体耦合：用轴对称BEM计算流体压力，通过形函数将流体载荷转换为节点荷载，生成附加质量矩阵。
3. 子系统耦合：利用人工弹簧技术（含4类弹簧模拟位移/转角连续性）连接壳-板子系统，基于能量原理构建整体系统振动方程。
4. 验证设计：对比ANSYS全模型仿真，验证空气/流体中自由振动频率及受迫响应精度。

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主要研究结果

模型描述

建立锥壳(半锥角α)-柱壳(长L、半径R)-球壳组合体浸没模型，矩形板通过弹簧系统与柱壳侧壁连接。壳体厚度、材料属性分段定义，流体密度设为ρ_f。

流固耦合机制

推导关键转换公式 F_fluid = -ω²M_aq，其中M_a为轴对称BEM生成的附加质量矩阵，q为节点广义位移向量。该公式将三维流体压力高效嵌入轴对称模型。

收敛性分析

1. 壳体验证：锥-柱-球组合壳（α=26.56^°, L=5m, R=1m）自由振动频率与文献误差<1.5%，证明轴对称FEM精度。
2. 流体影响：浸没状态下一阶频率降至空气中的38%，凸显流体附加质量效应。
3. 网格收敛：当壳单元数>12、板模态数>8×8时，频率误差稳定在0.3%内。

耦合系统特性

1. 弹簧刚度影响：当扭转刚度K_θ>10⁹ N·m/rad时，系统趋于刚性连接，频率提升12%；低刚度下出现局部板振动模态。
2. 流体衰减效应：受迫振动中流体使共振峰偏移且幅值降低60%，显著抑制高频振动能量传递。
3. 隔板位置优化：矩形板居中布置时，系统基频提升9%，表明内部结构布局可主动调控动力学性能。

方法效率

混合模型计算耗时仅为ANSYS全模型的1/15，且能精确捕捉周向波数n=0-5的模态（误差<2%）。

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结论与意义

本研究成功构建了针对流体浸没含隔板组合壳体的混合建模框架：

1. 多方法协同优势：轴对称FEM高效处理壳体变厚度问题，Rayleigh-Ritz法精确描述板振动，人工弹簧实现非均匀耦合，轴对称BEM显著降低流体计算维度。
2. 工程普适性：支持任意轴对称壳（锥/柱/球）与矩形板组合，适用于潜艇、压力容器等复杂系统的振动与声学设计。
3. 计算革命性：突破传统全模型仿真的效率瓶颈，为快速优化结构-流体耦合参数提供新路径。

该方法未来可扩展至热-流-固多场耦合分析（如高温推进剂储罐），或结合机器学习实现振动响应实时预测，为重大装备的智能运维奠定核心算法基础。