考虑流固耦合效应的液压浮力调节器的振动特性

《Ocean Engineering》：Vibration characteristics of a hydraulic buoyancy regulator considering the fluid-structure interaction

液压浮力调节器振动特性分析中提出考虑流体结构相互作用（FSI）的动态建模方法，通过等效质量和流体阻尼简化实现计算效率提升（较双向FSI方法减少1/3时间），并研究油温与不同频率激励下的振动响应规律。

　　

杨琪晔|倪恒泰|张东晓|刘静|黄巧高|潘光

西北工业大学海洋科学与技术学院，中国西安，710072

摘要

液压浮力调节器（HBR）是大型无人水下航行器（LUUV）的核心组件之一。HBR的振动直接影响LUUV的隐身性能和探测能力。本文提出了一种考虑流固耦合（FSI）的动态建模方法，用于研究HBR的振动特性。在该方法中，流固耦合的影响被简化为附加质量和等效流体阻尼。通过与双向FSI方法和Morison方法的结果进行比较，验证了所提方法的计算效率和准确性。计算时间缩短到了双向FSI方法所需时间的约1/3。利用所提方法研究了流体和液压油温度对电机泵单元（MPU）及HBR振动特性的影响。值得注意的是，较低的液压油温度由于更大的流体阻尼能量耗散，使得MPU和HBR在强迫振动条件下能够更快达到稳态。此外，还利用所提方法分析了不同频率激励下MPU和HBR的振动特性。这项工作为考虑流固耦合的液压浮力调节器振动分析提供了一些启发和指导。

引言

大型无人水下航行器（LUUV）是海洋探测系统的重要组成部分（Kwon等人，2024年）。液压浮力调节器（HBR）通过吸水和排水来调节LUUV的浮力（Feng等人，2024年；Yang等人，2023年）。振动是影响设备工作性能的重要因素之一（Liu等人，2026a；Ni等人，2026年；Xu等人，2025年；Xu等人，2026年）。因此，HBR的动态行为会同时影响LUUV的探测能力和隐身性能。水下作业环境对HBR的动态行为预测提出了重大挑战。

水下机械系统广泛应用于各种海洋和海上工程中（Mal等人，2025年；Cheng等人，2026年；Zhou等人，2024年）。周围流体通过引入额外的惯性和能量耗散显著影响这些系统的动态行为（Song等人，2025年；Moideen等人，2025年）。因此，考虑流体效应的准确动态建模方法对于水下设备的振动预测、性能评估和结构设计至关重要。近年来，许多研究致力于探讨周围流体对结构动态性能的影响（Wu等人，2024a；Hisamatsu和Utsunomiya，2023年；Samsam-Khayani和Seyed-Aghazadeh，2024年）。Wei等人（2025年）研究了浸没在海水中的螺旋桨的振动特性。Fei等人（2023年）提出了浸没在海水中的张力锚缆（STAC）的动态模型，并利用动态模型研究了其非线性动态特性。Yang等人（2024a）也研究了STAC的动态特性。Wu等人（2024b）提出了一种浮动能量耗散和抗振动装置，以减少水下浮动隧道的流体动力响应。Ullestad等人（Ullestad和Liu，2024年）提出了一种耦合声学结构方法，用于研究水下结构的动态特性。Xue等人（2023年）提出了一种降阶模型，用于研究大型水下结构的流动诱导振动。Zhang等人（2025a）研究了喷射流对不同浸没深度下圆柱体振动性能的影响。

对于水下结构的动态分析，需要同时考虑结构响应以及结构运动对周围流体的影响（Zhang等人，2025b；Al-Ezzi等人，2025年；Liu等人，2026b）。流体与结构之间的相互作用会导致一些更复杂的耦合现象。流体力应依赖于结构运动，而结构响应同时受到流体动力载荷的影响（Mu等人，2025年；Yan等人，2025年；Cruchaga和Moreno，2026年）。双向流固耦合（FSI）建模方法也被广泛采用，作为一种有效的方法来研究水下物体的动态行为，因为它能够捕捉流体与结构之间的实时双向相互作用。Derakhshandeh（2024年）利用双向FSI方法研究了位于串联圆柱体尾流中的弹性板的振动响应，分析了动力学、涡流脱落特性和流体动力载荷的相位关系。Luo等人（2025年）基于双向FSI方法提出了长跨度水下浮动隧道的时间域动态分析框架，预测了多载荷条件下的耦合动态响应。Krishna等人（2022年）利用双向FSI框架研究了海洋螺旋桨的流体弹性和声学响应。通过将基于LES的流体动力学与结构和声学求解器相结合，该研究可以预测瞬态应力、变形和噪声特性。Bian等人（2025a；Bian等人，2025b）利用双向FSI方法研究了具有多个平行连杆的大型水下机器臂的流体动力响应和结构变形。Xu等人（2022年）利用双向FSI方法研究了附着在方形圆柱体上的柔性分流板的流动诱导振动，揭示了流体动力载荷条件与结构响应之间的相位差异以及板柔韧性引起的涡流脱落滞后效应。双向FSI方法能够捕捉流体与结构之间的实时耦合。利用这种方法可以准确描述浸没物体的动态行为。然而，当应用于几何形状复杂的结构时，会带来较高的计算需求，从而降低计算效率。

本研究的目的是开发一种高效的HBR动态建模方法，以研究HBR的水下振动特性。为了解决这些问题，提出了一种考虑流固耦合的HBR动态建模方法。将流体对HBR的影响简化为附加质量和流体阻尼。基于能量方法和单向FSI方法，提出了一种水下结构的等效流体阻尼计算方法。利用所提出的建模方法，高效建立了考虑流固耦合的HBR在强迫振动下的动态模型。通过使用该动态模型，研究了油温和激励频率对HBR振动特性的影响。本文的结构如下：第2节描述了HBR的工作条件；第3节提出了考虑流体影响的HBR动态建模方法；第4节利用所提方法分析了液压油温度对HBR动态特性的影响。

部分摘录

问题表述

当LUUV增加浮力时，HBR会将海水从海洋吸入水箱；当LUUV减少浮力时，HBR会将水箱中的水排回海洋。HBR由一个柱塞装置、一个电机泵单元（MPU）、一个控制舱、一个液压系统和一个水系统组成。水通过柱塞装置的往复运动进行转换。海水的流动方向由...

考虑流固耦合的动态建模方法

本文提出了一种考虑流固耦合的HBR动态建模方法。将流体的影响简化为附加质量和流体阻尼，并提出了一种等效流体阻尼计算方法。通过与双向FSI方法和Morison方法的结果进行比较，验证了等效流体阻尼计算方法的效率和准确性。

结果与讨论

浮力调节器的油泵浸没在液压油中。由于油泵的长期运行，液压油的温度会升高。液压油对泵的流体阻尼会受到温度变化的影响。此外，浮力调节器在海水中工作。本文提出的流体阻尼计算方法用于研究流体对浮力调节器振动的影响。

结论

本文分析了大型无人水下航行器HBR的振动特性。提出了一种考虑流固耦合的HBR动态建模方法，并为该动态建模方法提出了一种新的等效流体阻尼计算方法。等效流体阻尼是根据流体在一个完整周期内的总功计算得出的。通过与双向FSI方法进行比较，验证了所提动态建模方法的准确性和效率。

作者贡献声明

杨琪晔：撰写——初稿、方法论、研究。倪恒泰：方法论。张东晓：数据整理。刘静：撰写——审稿与编辑、监督。黄巧高：软件开发。潘光：监督。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。

资助

国家自然科学基金（编号：52525111）和陕西省创新能力支持计划（编号：2024RS-CXTD-15）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。