输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

含集中质量悬臂输流管的稳定性与模态演化特性研究

本文主要研究通过调控集中质量对悬臂输流管稳定性和振动模态特性的影响规律,为输流管动力学性能的可控性提供理论指导和实验依据. 首先基于扩展的哈密顿原理,建立了含集中质量悬臂输流管的非线性动力学理论模型. 基于线性动力学特性分析,研究发现集中质量沿管道轴向位置变化对输流管发生颤振失稳的临界流速有重要影响.并通过伽辽金前四阶模态截断处理线性矩阵方程式,定性地分析了集中质量位置与质量比的变化对于输流管稳定性影响的变化.实验结果表明, 输流管的颤振失稳模态随集中质量位置的变化发生了转迁. 此外,基于动力学理论分析, 发现集中质量比值对失稳临界流速也有重要的影响,且主要取决于集中质量的安装位置. 基于非线性特性,进一步分析了集中质量对输流管振动幅值的影响. 实验和理论研究发现,集中质量位置从固定端向自由端变化时, 输流管振幅表现出先增大后减小趋势,且振动模态也从二阶转迁到三阶.本研究有望为输流管振动驱动应用提供理论支撑与指导意义.      

STABILITY AND MODE EVOLUTION CHARACTERISTICS OF A CANTILEVERED FLUID-CONVEYING PIPE ATTACHED WITH THE LUMPED MASS 1)

本文主要研究通过调控集中质量对悬臂输流管稳定性和振动模态特性的影响规律,为输流管动力学性能的可控性提供理论指导和实验依据. 首先基于扩展的哈密顿原理,建立了含集中质量悬臂输流管的非线性动力学理论模型. 基于线性动力学特性分析,研究发现集中质量沿管道轴向位置变化对输流管发生颤振失稳的临界流速有重要影响.并通过伽辽金前四阶模态截断处理线性矩阵方程式,定性地分析了集中质量位置与质量比的变化对于输流管稳定性影响的变化.实验结果表明, 输流管的颤振失稳模态随集中质量位置的变化发生了转迁. 此外,基于动力学理论分析, 发现集中质量比值对失稳临界流速也有重要的影响,且主要取决于集中质量的安装位置. 基于非线性特性,进一步分析了集中质量对输流管振动幅值的影响. 实验和理论研究发现,集中质量位置从固定端向自由端变化时, 输流管振幅表现出先增大后减小趋势,且振动模态也从二阶转迁到三阶.本研究有望为输流管振动驱动应用提供理论支撑与指导意义.     

接地惯容式减振器对悬臂输流管稳定性 和动态响应的影响研究

输流管道广泛应用于机械、航空、核电和石油等重要工程领域.为防止管道结构因流致振动破坏造成的损失, 很有必要对其稳定性、动力学响应及其调控进行深入研究.本文提出一种由惯容器、弹簧和阻尼器并联组成的减振器模型, 研究了这种接地惯容减振器对悬臂输流管稳定性和非线性振动的影响. 首先, 基于哈密顿原理给出了带有接地惯容减振器非保守系统的非线性动力学模型; 然后, 利用高阶伽辽金方法对非线性方程进行离散化; 最后, 分别从线性和非线性角度分析了不同减振器参数下输流管道的被动控制效果, 着重讨论了惯容系数和减振器安装位置对悬臂管稳定性和动态响应的影响机制.线性理论模型的研究结果显示, 接地惯容减振器可显著影响悬臂管的失稳临界流速, 故通过调节减振器参数能有效提高输流管道的稳定性;惯容系数和弹簧刚度对系统稳定性的控制效果还与减振器的安装位置密切相关.非线性理论模型的分析结果显示, 惯容系数和减振器位置对输流管的非线性动态响应也有显著影响, 且这种影响还依赖于管道的流速取值; 在某些参数条件下, 减振器还可使输流管道由周期运动演化为复杂的混沌行为. 本文研究结果表明, 通过设计合理的惯容式减振器参数, 可提升悬臂输流管道的稳定性并有效抑制其颤振幅值.      

两端弹性支承输流管道固有特性研究

输流管道广泛应用于航天航空、石油化工、海洋等重要的工程领域, 其振动特性尤其是系统固有特性一直是国内外学者研究的热点问题. 本文研究了两端弹性支承输流管道横向振动的固有特性, 尤其是在非对称弹性支承下的系统固有特性. 使用哈密顿原理得到了输流管道的控制方程及边界条件, 通过复模态法得到了静态管道的模态函数, 以其作为伽辽金法的势函数和权函数对线性派生系统控制方程进行截断处理. 分析了两端对称支承刚度、两端非对称支承刚度、管道长度以及流体质量比对系统固有频率的影响规律, 重点讨论了管道两端可能形成的非对称支承条件下固有频率的变化规律. 结果表明, 较大的对称支承刚度下管道的第一阶固有频率下降较快; 当管道两端支承刚度变化时, 管道的各阶固有频率在两端支承刚度相等时取得最值; 对于两端非对称支承的管道而言, 两端支承刚度越接近, 第一阶固有频率下降的越快, 而且相应的临界流速越小; 流体的流速越大, 其对两端非对称弹簧支承的管道固有频率的影响更为明显.      

基于三阶剪切变形理论的悬臂输流管道自由振动

采用三阶剪切变形理论,结合有限元法研究了悬臂输流管道的自由振动问题．利用虚功原理建立了输流管系统的有限元方程,同时将悬臂端弹性支承以势能的形式引入到系统方程中,求解了系统前三阶的复频率．分别探讨了流体速度和弹簧刚度对系统复频率实部和虚部的影响,重点分析了弹簧刚度与前三阶固有频率间的关系．在弹性支承刚度为零的特例下,对比了本文结果与Timoshenko梁理论的结果,证明了本文方法的可靠性．研究发现系统固有频率的实部恒为负值,表明一端带有弹性支承的约束形式有利于提高悬臂输流管道自由振动的稳定性;流体的流动对管道振动起到了阻尼作用,在流动速度足够大的情况下,各阶振动固有频率均趋于零;当弹簧刚度为无穷大,且流体速度足够大时,输流管道将发生失稳．     

谐激励作用下输流曲管的混沌振动研究

研究了谐激励作用下输流曲管在系统参数区域内的混沌振动．基于牛顿法导出了输流曲管模型的非线性控制方程,并利用微分求积法对此方程在空间域进行离散,导出了输流曲管的非线性动力学方程组．在此基础上,对输流管道的动力响应进行了数值模拟．采用分岔、相平面、时间历程和庞加莱映射图等手段分析发现,在流速和激励频率的参数区域内,系统将可能发生包括混沌振动在内的多种运动形式．系统可经由倍周期分岔或概周期运动通向混沌．分析结果为工程输流管道模型的合理设计提供了参考．     

基于WDQ法的粘弹性输流管道稳定性分析

在微分求积法（DQ法）基础上,根据多分辨分析理论,以尺度函数为基础构造插值基函数,形成小波微分求积法（WDQ法）,用该方法研究了简支Kelvin型粘弹性输流管道的稳定性问题,给出了不同参数下管道复频率随内部流速的变化关系,分析了外部流速对Kelvin型粘弹性输流管道在不同延滞时间下的振动特性及稳定性的影响。     

管道流固耦合振动的行波方法研究

应用波动方法分析载流管道流固耦合振动问题。采用直梁模型，推导了管道流固耦合系统的轴向、横向波导方程及平面管系的坐标转换矩阵，通过节点位移连续和力平衡条件建立了耦合系统的散射模型。最终分析了两种耦合对载流管道振动的影响机理及流速变化对管道振动稳定性的影响。数值算例表明本文方法的正确性及有效性。     

双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析

旋转叶片是航空发动机重要零件之一,服役条件十分恶劣,常常因振动过量导致其失效.为了合理设计含冷却通道的叶片,保证其可靠性与安全性,需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究.基于EulerBernoulli梁理论,将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管,考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响,采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程,采用降阶扩维的方法求解系统特征值.研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响.将文章模型退化为简支单通道输流管,与文献报道结果进行对比,部分验证建模方法的正确性.研究发现:在相同的管道截面积下,两通道模型的临界流速值大于单通道模型的;旋转运动引入的陀螺效应会使得第2, 3阶特征根轨迹发生绕圈现象,并多次穿越虚轴;随着长细比的增大,系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为;系统的横向位移模态响应呈现出行波特性,且在不同参数组合下,阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.     

输液管的非线性振动、分叉与混沌——现状与展望

围绕输液管的非线性振动、分叉与混沌问题，对近几年来的主要研究工作加以综述并提出预测，其中包括运动方程中非线性项的归纳与讨论、非线性动力分析的一些现代计算方法、定常流速下输液管的分叉与混沌行为、振荡流速下输液管的参数共振以及今后值得进一步研究的某些问题．     

粘弹性地基上粘弹性输流管道的稳定性分析

从Winkler假设和单轴线性粘弹性本构方程出发，推导了Kelvin-Voigt粘弹性地基上三参量固体模型输流管道的运动微分方程，采用改进的有限差分法，分析了管道和地基的粘弹性参数对输流管道无量纲复频率和无量纲流速之间的变化关系的影响。     

输液管模型及其非线性动力学近期研究进展

综述了输液管系统的各类物理模型及其相应的数学模型,在流体满足基本假设条件下,对于管道内径远远小于管道长度的直管和曲管,详细叙述了梁模型管动力学数学模型的建模过程以及建模方法,针对在水动压力作用下以及管道短而且薄的情形,综述了壳模型的输液管道的动力学方程.在此基础上,概述了近几年来输液管道的非线性振动、稳定性、分岔与混沌、特别是管道控制的研究现状,并对今后的发展趋势作了分析和预测.综观非线性动力学理论的发展历程可以发现选取研究对象和典型的数学模型是至关重要的.对于低维的非线性系统,常常选用van der Pol、Duffing、Mathieu、Lorenz等典型系统来进行研究工作的.通过本文可以看出,对于研究高维非线性系统动力学,流诱发输液管的动力学问题是非常典型的模型之一,它有着容易理解的工程背景、包含了梁和壳的振动问题,并且它的数学模型相对简单,然而却能包含非常复杂的非线性动力学现象,同时容易解释数学方法得到的结果易对应到工程中的实际现象.本文希望通过对输液管动力学模型及其非线性动力学和控制研究现状的综述,建立高维非线性动力学的分析模型,以便发展高维非线性动力学的分岔与混沌理论,同时建立相应的控制理论基础.      

NONLINEAR DYNAMICS AND SYNCHRONIZATION OF TWO COUPLED PIPES CONVEYING PULSATING FLUID

In this paper, the nonlinear dynamical behavior of two coupled pipes conveying pulsating fluid is studied. The connection between the two pipes is considered as a distributed linear spring. Based on this consideration, the equations of motion of the coupled two-pipe system are obtained. The two coupled nonlinear partial differential equations, discretized using the fourth- order Galerkin method, are solved by a fourth-order Runge-Kutta integration algorithm. Results show that the connection stiffness has a significant effect on the dynamical behavior of the coupled system. It is found that for some parameter values the motion types of the two pipes might be synchronous.     

分布式运动约束下悬臂输液管的参数共振研究

输液管道结构在航空、航天、机械、海洋、水利和核电等工程领域都有广泛应用,其稳定性、振动与安全评估备受关注.针对具有分布式运动约束悬臂输液管的非线性动力学模型,分别采用立方非线性弹簧和修正三线性弹簧来模拟运动约束的作用力,研究了管道在脉动内流激励下的参数共振行为.首先,从输液管系统的非线性控制方程出发,利用Galerkin方法进行离散化;然后,由Floquet理论得出线性系统在失稳前两个不同平均流速下脉动幅值和脉动频率变化时的共振参数区域;最后,考虑系统的几何非线性项和分布式非线性运动约束力的影响,求解了管道的非线性动力学响应,讨论了非线性项及运动约束力对管道参数共振行为的影响.研究结果表明,系统非线性共振响应的参数区域与线性系统的共振参数区域是一致的,分布式运动约束力对发生参数共振时管道的位移响应有显著影响;立方非线性弹簧和修正三线性弹簧模型所预测的分岔路径存有较大差异,但都可诱发管道在一定的参数激励下出现混沌运动.      

具有刚性间隙约束输流管的碰撞振动

管道与间隙约束间的碰撞振动是工程输流管结构的一个重要动力学现象. 迄今,人们通常采用光滑的非线性弹簧来模拟管道与间隙约束之间的碰撞力,但这种光滑的碰撞力无法真实反映碰撞前后管道状态向量的非光滑传递特征. 本文基于非光滑理论建立了具有刚性间隙约束简支输流管的非线性碰撞振动模型,利用 Galerkin 法离散了无穷维的管道模型, 并引入恢复系数构造了碰撞前后管道各处状态向量的传递矩阵,运用四阶龙格库塔法分析了脉动内流激励下管道与刚性间隙约束的非光滑碰撞振动现象,着重讨论了刚性间隙约束参数对管道动态响应随流速脉动频率变化的影响规律,特别是碰撞振动的周期性运动规律. 研究结果表明,刚性约束间隙值对管道碰撞振动行为的影响较大,在某些脉动频率下管道会出现多周期和非周期性的运动形态,还可出现非光滑系统特有的黏滑现象. 此外,碰撞恢复系数对管道振动的影响也比较显著,较小的恢复系数值更容易使管道在大范围脉动频率区间出现复杂的非周期碰撞振动.