部分充液罐体内液体-弹性膜耦合动力学特性研究

Liquid sloshing in partially filled tanks is a complex phenomenon and is associated with the field of aerospace, ship and pavement transportation. The effects of liquid sloshing are often negative; it may cause unstable operation of liquid tanks or even structural damage and failure. Conventional damping devices, such as compartments, baffles, etc., can only suppress liquid sloshing in one direction, and also increase the weight of tanks. Elastic membrane, as a new flexible damping device for suppressing liquid sloshing, is proposed for liquid sloshing problems in partially filled tanks. A coupled dynamic model of liquid-elastic membrane will be established in the project. Aiming at the problem that the non-linear characteristics of elastic membranes easily lead to the divergence of model calculation, the method of applying structural damping to elastic membrane will be proposed to improve the stability of calculation. The validity of the model is verified by experiments. Dynamic response analysis of the coupled model will be conducted and the effect of structural parameters of elastic membrane on liquid sloshing response will be studied, which is aimed to optimize the structural parameters of elastic membranes and improve its ability to suppress liquid sloshing. The results of the project will help to improve the efficiency of suppressing liquid sloshing in partially filled tanks and will provide new ideas and important technical support for the study on liquid sloshing suppression in partially filled tanks.

部分充液罐体内的液体晃动问题广泛存在于航空航天、船舶及路面交通运输等领域。液体晃动产生的影响往往是消极的：轻则造成载液罐体运行不稳定；重则造成罐体结构的损伤和失效。传统抑制液体晃动的阻尼装置如隔板、防波板等只能抑制液体某一方向的晃动，而且还会增大罐体的重量。本项目针对部分充液罐体内的液体晃动问题，拟提出一种新的抑制液体晃动的柔性阻尼装置：弹性膜；建立液体-弹性膜耦合动力学模型，针对弹性膜的非线性特性容易导致模型计算发散的问题，拟采用对弹性膜施加结构阻尼的方法来提高计算的稳定性；模型的有效性通过实验进行验证。对耦合模型进行动力学响应分析，研究弹性膜的结构参数对液体晃动响应的影响，旨在优化弹性膜的结构参数，提高其抑制液体晃动的能力。项目成果将有助于更有效地抑制充液罐体内液体的晃动，并将为充液罐体内液体晃动抑制的研究提供新的思路和重要的技术支持。

充液罐体内的液体晃动现象广泛发生在众多工程领域中。液体晃动造成的影响往往是负面的：轻则造成罐壁结构的损坏；重则影响载液罐体运行稳定性。本项目针对部分充液罐体内的液体晃动问题，提出了一种新的抑制液体晃动的柔性阻尼装置：弹性膜。弹性膜覆盖在液体的表面，其边缘固定在罐体的内壁。通过弹性膜的阻尼作用限制液体晃动的幅值，减小液体晃动产生的不利影响。.首先，建立了带防波板的罐体内液体晃动的三维动力学模型，利用此模型对实验工况进行仿真分析，仿真结果与已有的实验数据基本吻合，验证了模型的有效性。同时，利用此模型探索了组合型防波板在抑制液体晃动方面的作用。.其次，提出了用弹性膜代替传统的防波板作为抑制液体晃动的阻尼装置，建立了相应的罐体内带弹性膜的液体-弹性膜耦合动力学模型。对实验用的弹性气袋材料进行了一系列的拉伸实验以确定材料的本构关系。根据材料的本构关系确定了材料的超弹性模型：Yeoh超弹性模型，并将模型应用到液体-弹性膜耦合动力学模型中。利用此耦合模型对实验工况进行仿真分析，仿真结果与实验测得的数据基本吻合，表明了模型的可靠性。.最后，利用验证了的液体-弹性膜耦合动力学模型探索研究了弹性膜在抑制液体晃动方面的效果。研究结果表明，弹性膜能减小液体对于罐壁的冲击载荷，从而降低罐壁结构失效的风险。与此同时，弹性膜能最大限度地限制液体晃动的幅值，进而大幅减小作用在罐壁的力矩，从而提高了载液罐体运行的稳定性。项目研究结果将为部分充液罐体内液体晃动抑制的研究提供重要的思路和技术支持。