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流固耦合力学是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响的一门新兴交叉学科,具有重要的理论意义和广泛的应用领域。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。相比之下,流固耦合理论分析的发展较为缓慢,现有的理论研究成果也比较少。本文主要应用相容拉格朗日-欧拉法理论求解弹性圆柱薄壳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。
首先,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。给出非线性流固耦合问题分类准则,并由此得出弹性圆柱壳分别发生大弯曲变形、中等弯曲变形和小弯曲变形时接触面的运动学方程和动力学方程。其次,在圆柱壳非线性基本方程、流体力学基本方程和接触面方程的基础上,得出弹性圆柱壳在流体绕流作用下分别发生大弯曲变形、中等弯曲变形和小弯曲变形时的偏微分方程组。通过适当的简化将偏微分方程转化为代数方程并得出理论解。通过具体算例,得出三种不同弯曲问题中壳体变形、内力和流场分布函数的值,讨论有关参数的变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响,绘出关系曲线,并将三种弯曲问题进行比较。再次,应用有限元软件ANSYS的流固耦合模块对相应问题进行数值模拟。最终,将数值模拟的结果与理论解进行比较,从而证明了相容拉格朗日-欧拉法是求得流固耦合问题理论解的一个较好的方法。