流体-弹性体-刚体耦合系统动力学与控制
流固耦合动力学是固体力学与流体力学交叉形成的一个动力学分支，主要研究变形固体和流体两种介质之间的交互作用，即在液体动载荷作用下固体产生的变形和动力学响应，而变形和动力学响应反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。多柔体系统动力学是固体力学和动力学交叉形成的一个动力学分支，主要研究大范围的刚体运动和柔性变形的相互影响，刚体运动产生的附加的惯性力影响变形，而变形产生刚体的质心和惯性张量的变化，从而影响刚体的运动。 流体-弹性体-刚体耦合系统动力学与控制是上述两个交叉学科的坦步交叉与融合，从学科上来看涉及固体力学、流体力学、计算力学、动力学与控制等学科，从工程上来看与航天、航空、航海、机械、石化、生物等领域均有密切联系。 在输流管中流体诱发的复杂性与是流体-弹性体耦合非线性动力学的一个典型问题。对于输流管的非线性动力学研究有着广阔的工程应用背景，它的研究成果可以直接应用于海底输油管道工程、动力工程、生物工程、航空和航天工程以及核工程等领域。输流管的流固耦合非线性振动，包括流体的压力和速度的脉动、管壁的结构振动等，以及振荡流可能导致的次谐波共振、超谐波共振或者组合共振等问题在工程实际中越来越受到重视，严重的耦合非线性振动将导致系统的损坏。 流体-弹性体-刚体耦合系统具有以下一些特点： 多介质耦合。系统中刚体、弹性体、流体（液体和气体）等多种介质相互耦合作用，其特点是固体运动、流体运动、和刚体运动均不可能单独地求解，无法显式地消去液体运动的独立变量，或描述固体运动的独立变量，或描述刚体运动的独立变量。这里的刚体可能是可以处理成刚体的真实物体，也可能是刻画系统整体运动的虚拟物体。 非线性特性。刚体的运动和系统整体的运动一般是大范围的非线性运动，因此非线性因素是流体-弹性体-刚体耦合系统的固有特点。 多时间尺度效应。刚体（或系统整体）、弹性体、和流体运动的特征周期一般属于两个三个时间尺度。 变结构特性。有些系统中含有机构，可以在一定条件下锁定，如卫星的太阳能电池帆板展开锁定，机械手抓取载荷等。 对于流体-弹性体-刚体耦合系统动力学与控制领域，可以开展以下一些关键问题的研究： 耦合系统动力学建模的研究：(a) 如何建立准确描述系统耦合动力学行为的数学模型；(b) 如何建立工程上实用的简化模型（或等效模型）及其简化准则。 耦合系统计算方法的研究：由于计算对象属于多时间尺度、多介质耦合问题和非线性问题，因此其难度非常大。需要重点研究三个问题：(a) 运动的描述方法；(b) 刚性问题；(c) 计算效率等。 柔性输流管非线性动力学的研究：建立考虑流体速度脉动情况下流固耦合的非线性动力学议程，研究单柔性输流管，双柔性输流管以及多排输流管的全局非线性动力学和混沌动力学。 大长径比输流管非线性动力学的数学模型与分析方法：随着管径-跨长比的增加，输流管的动力学分析就采用圆柱壳模型。复杂输流管的壳体系统的非线性动力学分析和有限元模型相结合是一个主要研究方向。研究内容包括考虑多种流固耦合非线性因素，如壳壁附近流体黏性造成的影响、轴流和环流同时作用的影响、材料阻尼等因素的影响。 输流管道的非线性振动控制：为了减少非线性振动对输流管造成的危害，非线性振动控制方法及其实施方案的研究也是一个值得重视的问题。可以采用智能材料作为作动器、传感器、吸震器以及采样通道等元器件，利用多种控制方法进行控制，进而控制混沌吸引子。 风载作用下柔性索非线性动力学的研究：研究在风载作用和支座运动情况下柔性索和柔性梁耦合的混沌动力学，建立水平索和斜拉索与柔性梁耦合情况下的非线性动力学方程，研究这些系统在多种共振情况下的全局分岔和混沌动力学，确定多脉冲同宿轨道和多脉冲异宿轨道。 液体晃动下储液箱非线性动力学的研究：研究贮液箱中液体与贮液箱之间相互作用的非线性动力学、全局分岔和混沌动力学问题，建立合适有效的动力学控制方程，研究这些系统在多种共振情况下的全局分岔和混沌动力学。 流体-弹性体-刚体耦合系统动力学的实验研究，将实验结果与理论结果进行对比分析。 (摘自: 国家自然科学基金委员会数学物理科学部. 力学学科发展研究报告. 北京: 科学出版社. 2007. pp 35–38) Send article as PDF