基于流固耦合的高精度声速剖面仪支撑结构的结构强度及应力分析.pdf

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1、1訇似基于流固耦合的高精度声速剖面仪支撑结构的结构强度及应力分析StructuraIstrengthandstressanalysisofthestructuralstabilityofhigh-precisionsoundvelocimeterbasedonfIuid—structureinteraction舒竞翔，王收军，李志伟，张宝峰SHUJing-xiang，WANGShou-jun，LIZhi．wei，ZHANGBao．fenq(天津理工大学复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384)摘要：高精度声速剖面仪是标定声速仪的标准，它需要

2、有良好的机械结构，其支架结构为核心部件，要保证在海水搅拌及环境条件变化工况下变形很小。为了准确得到其工况下的变形以保证仪器测量精度，采用流固耦合计算方法，应用ANSYSWorkbench仿真软件通过两个耦合完成对仪器支架结构在工作状态下的数值模拟分析。分析结构表明：样机支架在海水搅拌作用力下最大位移发生在支架中部，最大应力发生在支架横梁与圆周连接处，其应力和应变大小满足设计要求，为精度保障提供了依据。关键词：流固耦合；搅拌预应力；模拟仿真；应力分析；结构强度中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1009—0134(2014)10(下)一0078

3、—04Doi：10．3989／J．issn．1009-0134．2014．1O(下)．200引言各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。ANSYS很早就开始进行流固耦合声速剖面仪是一种测量声波在水中传播速度的研究应用，目前算法和功能已相当成熟，本文的精密水声仪器，同时通过温度及压力传感器测采用ANSYSMechanicalAPDL+FLUENT进行流固量温度和垂直深度，能够快速、有效地为测深仪耦合分析。从数据传递角度出发，流固耦合分析等声呐设备校正测量误差，提供实时声速剖面数分为单向流固耦合分析和双向流固耦合分析。由据但在声速剖面仪自

4、身标定校验时，需要设计出于支架及搅拌设备的尺寸变形量相对于搅拌槽整更高精度的声速剖面仪与其他声速剖面仪进行比体尺寸较小，即其结构变化对流场影响较小，所对校验，这就需要对高精度声速剖面仪样机机械以采用单向流固耦合进行分析。结构提出更高的设计要求。支撑结构作为仪器整但是要对支架进行耦合分析前，需要先完场体机械结构的核心部件，其上安装着一对相对的旋转流场的计算，即一共进行两个耦合计算，先换能器，支架的受力变形将直接导致样机测量数进行搅拌器与流体的计算，得出带有搅拌预应力据精度的改变，所以对仪器支架结构进行力学分的旋转流场，然后将得出的流场域与支架结构进析尤

5、为重要。对其强度和刚度分析具有十分重要行另一个流固耦合计算，从而完成对支架的耦合的意义。而样机是在海水搅拌的环境下工作的，分析。所以仪器支架承受的是流体不均匀力的作用，所1．1流体控制方程以采用流固耦合的方法进行分析。因此本文利用流体流动遵循物理守恒定律，基本的守恒定ANSYSWorkbench平台，对声速剖面仪支撑结构律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒进行单向流固耦合分析，计算出仪器支撑结构在定律。海水搅拌中应力和变形量分布，为仪器的设计提质量守恒方程：供依据。1流固耦合分析方法Ot+v．(＼J．)，=0流固耦合是研究可变性固体在流场作用下

6、的动量守恒方程：收稿日期：2014-06-03基金项目：海洋公益性行业科研专项经费项目(201305034)作者简介：舒竞翔(1990一)，男，河北石家庄人，硕士，从事流固耦合研究。[781第36卷第1O期2014—10(下)、l匐化了确保求解的精确性，对流场进行多域法网格划+v‘p#v—vf)分，耦合区域水体网格尺寸为10mm，下静止区域其中，t／s表示时间，ff表示体积力矢量。Pfl水体网格划分为面网格划分，控制网格为10mm，(Kg／m)表示流体密度，v表示流体速度矢量，上静止区域水体网格划分为四面体网格，采用默-厂／(m／s)表示剪切力长量，

7、可表示为：认值。划分得到网格节点数为40798，单元数量为fr：(一P+·)+2／ae201771。流场网格模型如图2所示。其中，p／Mpa表示流体压力，bt／(Ns／m)表示TS1，、动力粘度，e表示速度应力张量e=去(V+)S、0、●●●，●●●●●Lr●●●●●●●●J1．2固体控制方程固体部分的守恒方程可以由牛顿第二定律导出：psdS=·Gs+s其中，P／(Kg／m)表示固体密度，o表示柯西应力张量，／N表示体积力矢量，n／(m／s)表示固体域当地加速度矢量。2．2湍流模型选择1．3流固耦合方程选取流场模型时，选择K一￡湍流模型。K一￡同样，

8、流固耦合遵循最基本的守恒定律，在型分为标准(standard)、RNGK—E和带旋流修耦合交界面处，应满足流