三维海流传感器的结构设计与数值模拟分析

发布时间：2017-09-25 01:30

  本文关键词：三维海流传感器的结构设计与数值模拟分析

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【摘要】：随着海洋科学研究的不断深入,对测量海洋流速的海流传感器的测量性能提出了更高的要求,不仅需要测量水平流速,还要测量微小的上升流,故可测微小上升流的三维海流传感器的重要性越来越突出。为了解决对维间差异较大的三维流速的精确测量这一难题,本论文在国家自然科学基金项目“可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究”的资助下,对可测上升流的三维海流传感器进行研究。 本文先对可测上升流的三维海流传感器进行总体方案设计,提出对维间差异较大的流速进行分别测量的设计方案,并设计了基于十字弹性梁的水平流测量装置和基于放大机构的上升流测量装置。对水平流测量装置进行理论计算,建立圆球阻力与应变之间关系的力学模型：再建立其有限元模型,运用workbench软件对装置进行静力学分析,分析装置的形变、应变及应力变化情况；然后对装置的主要结构参数进行单因素优化,分析单个因素对装置应变的影响,在此基础上结合正交试验对装置进行进一步优化,得到装置结构参数的最优尺寸。 再对装置进行动力学分析,分析其前六阶固有频率和振型,并与流场频率比较；最后对优化后的装置进行流固耦合分析,得到一组流速和装置应变的关系,并通过MATLAB拟合数据,得到水流速度与装置应变的函数关系,并试制出传感器的样机。结果表明：最终设计的三维传感器实现了对三维流速的同时测量,其中水平流测量装置的测量范围为18mm/s-1320mm/s,实现了对微小流速的准确测量,且结构简单,可广泛应用于各种需要流速测量的场合。
【关键词】：十字弹性梁 水平流测量装置 有限元分析 优化设计 正交试验 流固耦合分析
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH766.21;TP212
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-10
• 目录10-12
• 插图清单12-14
• 插表清单14-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 海洋科学的发展概况15-16
• 1.2 海洋科学的研究意义16-17
• 1.3 海流测量方法及测量仪器的研究现状17-20
• 1.3.1 海流的测量方法17
• 1.3.2 海流测量仪器的国外研究现状17-18
• 1.3.3 海流测量仪器的国内研究现状18-20
• 1.4 研究问题的提出20
• 1.5 本文课题来源及与研究内容20-22
• 第二章 可测上升流的三维海流传感器的结构设计22-31
• 2.1 引言22
• 2.2 三维流速传感器22-23
• 2.3 可测上升流的三维海流传感器的结构设计23-30
• 2.3.1 可测上升流的三维海流传感器的总体结构设计23-25
• 2.3.2 水平流测量装置的设计及原理25-28
• 2.3.3 上升流测量装置的设计及原理28-30
• 2.4 本章总结30-31
• 第三章 水平流测量装置的静力学分析31-47
• 3.1 引言31
• 3.2 水平流测量装置的理论计算31-38
• 3.2.0 水平流测量装置的结构31
• 3.2.1 十字梁受Fx作用时的理论计算31-35
• 3.2.2 十字梁受Me作用时的理论计算35-37
• 3.2.3 力学模型的理论分析结果37-38
• 3.3 有限元法简介38-39
• 3.3.1 有限单元法38
• 3.3.2 ANSYS Workbench软件简介38-39
• 3.4 基于ANSYS Workbench的仿真分析39-45
• 3.4.1 水平流测量装置的仿真分析39-41
• 3.4.2 对仿真结果的分析41-44
• 3.4.3 应变的理论结果与仿真结果的对比分析44-45
• 3.5 十字弹性梁应变片的贴片位置45-46
• 3.6 总结46-47
• 第四章 水平流测量装置的优化设计47-62
• 4.1 引言47
• 4.2 确定优化设计的方案47-48
• 4.3 基于ANSYS Workbench的单因素优化48-56
• 4.4 基于正交试验的综合优化56-59
• 4.4.1 试验指标、因素和水平的确定56-57
• 4.4.2 基于极差分析的正交试验57-59
• 4.5 对优化后模型进行分析59-61
• 4.6 优化后装置的强度校核61
• 4.7 总结61-62
• 第五章 水平流测量装置的动力学和流固耦合分析62-73
• 5.1 引言62
• 5.2 动力学分析62-65
• 5.2.1 动力学分析概述62-63
• 5.2.2 水平流测量装置的模态分析63-65
• 5.3 水平流测量装置的流固耦合分析65-70
• 5.4 建立流速与装置应变之间的关系及量程确定70-71
• 5.5 可测上升流的三维海流传感器的样机试制71-72
• 5.6 总结72-73
• 第六章 总结与展望73-75
• 6.1 全文总结73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-78
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况78

【参考文献】

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本文编号：914597