浅拱形薄壳与流体耦合作用的力学分析

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流体弹性力学是广泛应用于水利、海洋、船舶以及航天、航空等许多工程领域中的一门学科。它的研究对象是弹性体在流场作用下的各种力学行为,以及弹性体变形或运动对流场的影响。国内外对这一领域的研究主要集中在耦合系统动态问题的数值分析方面,且已经有很多研究成果。而在众多的研究中,关于弹性壳体流固耦合问题中的弹性体变形与内力分析的研究却很少见。因此,理论研究及解析计算方法的研究还有很大的发展空间。  本文主要应用相容拉格朗日-欧拉法理论求解弹性浅拱形壳体与横向绕流场的相互作用问题,着重求解壳体的变形与内力。  依据弹性薄壳非线性基本方程和流体力学基本方程,应用相容拉格朗日-欧拉法推导出流固接触面的运动学方程和动力学方程,并结合非线性流体弹性力学问题分类准则,建立了浅拱形壳体在理想流体横向绕流情况下,发生大弯曲变形、中等弯曲变形和小弯曲变形时的基本方程及关系式。对其应用伽辽金积分,进而求得浅拱形壳体变形的解析解。本文求解了在流体作用下两边固支浅拱形壳体的三种弯曲变形情况下的解及两边简支浅拱形壳体的大弯曲变形的解。通过具体算例,得出壳体的变形、内力和流场分布函数的值,讨论有关壳体参数和流体流场的变化对壳体变形与应力的影响,绘出关系曲线。  通过研究可知:不可压缩流体绕浅拱形壳体横向流动时,无论壳体发生大弯曲变形、中等弯曲变形,还是小弯曲变形,壳体的变形、应力只在量值上有差别,变形规律基本相同;影响壳体变形的因素有壳体表面流体压力、流速及壳体的材料、壳体的中面半径、弧长、厚度、迎角等,还与壳体所受的边界条件有关。
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