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。     

输流管道系统振动研究进展

从5个方面评述了近年来输流管道流固耦合振动的研究进展.概述了输流管道线性振动的动力学建模与分析方法;非线性振动及分析方法;输流管的振动试验方法、输流管的振动控制以及管道动强度设计.并提出了进一步的研究方向以及采用的相应的对策.     

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.      

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。     

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。     

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．     

输液管道附加支承刚度优化设计

研究液固耦合效应作用下,两端铰支输液管道系统附加支承的刚度和位置优化设计。应用有限元分析方法,建立了输液管道液固耦合振动方程。为有效控制管道结构的振动,利用在管道结构上附(增)加支承的方法,提高输液管道系统的固有频率,预防系统可能发生强烈的耦合振动导致不稳定状态。提出了附加支承最小(临界)刚度的快速计算策略和途径,分别探讨分析了输液管道内液体的流速、附加支承的位置以及第一阶固有频率的目标值对最优支承刚度值的影响。     

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.      

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．     

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.      

Improved frequency modeling and solution for parallel liquid-filled pipes considering both fluid-structure interaction and structural coupling

The dynamic characteristics of a single liquid-filled pipe have been broadly studied in the previous literature. The parallel liquid-filled pipe (PLFP) system is also widely used in engineering, and its structure is more complex than that of a single pipe. However, there are few reports about the dynamic characteristics of the PLFPs. Therefore, this paper proposes improved frequency modeling and solution for the PLFPs, involving the logical alignment principle and coupled matrix processing. The established model incorporates both the fluid-structure interaction (FSI) and the structural coupling of the PLFPs. The validity of the established model is verified by modal experiments. The effects of some unique parameters on the dynamic characteristics of the PLFPs are discussed. This work provides a feasible method for solving the FSI of multiple pipes in parallel and potential theoretical guidance for the dynamic analysis of the PLFPs in engineering.     

含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应求解方法

薄壁圆柱壳流体冲击振动响应是一个复杂的流固耦合(FSI)动力学问题，对于薄壳状态监测与缺陷识别具有重要意义。基于Flügge壳体应力理论，得到壳体运动的高阶偏微分方程组(PDE)，利用波传播方法获得圆柱壳系统振动响应。将壳体周围流体定义为理想声学介质，通过亥姆霍兹方程描述声压场，得到流固耦合条件下的薄壁圆柱壳受迫振动响应演变规律。针对薄壳裂纹损伤识别问题，基于断裂力学理论建立局部柔度矩阵，结合呼吸型线弹簧模型(LSM)，构造裂纹附近应力及位移连续条件，获得含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应，进而给出一种基于振动能量流的裂纹损伤识别方法。研究结果表明：充液圆柱壳耦合系统在非线性激励下，位移响应在沿轴向、周向和径向的传播特性差异明显；裂纹的存在会导致结构局部柔度的降低和耦合系统固有频率下降；归一化输入功率流能够有效地对充液圆柱壳耦合系统进行结构裂纹损伤识别。研究结果可为充液薄壳振动响应方面的研究提供有益参考，也可为流固耦合条件下的结构裂纹损伤识别方面提供技术支持。     

Study on fluid-structure interaction in liquid oxygen feeding pipe systems using finite volume method

The fluid-structure interaction may occur in space launch vehicles,which would lead to bad performance of vehicles,damage equipments on vehicles,or even affect astronauts’ health.In this paper,analysis on dynamic behavior of liquid oxygen (LOX) feeding pipe system in a large scale launch vehicle is performed,with the effect of fluid-structure interaction (FSI) taken into consideration.The pipe system is simplified as a planar FSI model with Poisson coupling and junction coupling.Numerical tests on pipes between the tank and the pump are solved by the finite volume method.Results show that restrictions weaken the interaction between axial and lateral vibrations.The reasonable results regarding frequencies and modes indicate that the FSI affects substantially the dynamic analysis,and thus highlight the usefulness of the proposed model.This study would provide a reference to the pipe test,as well as facilitate further studies on oscillation suppression.     

圆筒内旋转细长管与流体界面耦合的数值方法

圆筒内旋转细长管是石油钻采工程中特有结构,细长管不仅与圆筒发生碰撞接触,还与管内流体和管外环空流体耦合,是一个复杂的非线性流固耦合系统。细长管固体域离散成梁单元,采用非线性碰撞接触动力学方程描述;管内外流体离散成六面体单元,采用计算流体动力学方程描述,在耦合界面处用任意拉格朗日欧拉法动网格来处理运动界面。根据梁单元位移...     

输液管振动与稳定性研究的新进展:从宏观尺度到微纳米尺度

本文围绕不同尺度级的输液管结构,针对液流引起的管道振动与稳定性综述了目前已有的几种物理和数学模型,详细介绍了梁模型输液管的各类振动控制方程,重点讨论了宏观尺度、微米尺度和纳米尺度下输液管振动方程的异同点.在此基础之上,进一步概述了近几年这些输液管振动与稳定性问题研究的现状和一些重要研究结果,其中也包括作者们近期的相关工作.最后对未来的研究趋势作了分析和预测.通过本文可以看到,输液管振动问题仍有不少难题尚未很好解决,特别是微纳米输液管的建模和流固耦振机理方面的研究亟需加强.     

RESEARCH ON SOLID-LIQUID COUPLING DYNAMICSOF PIPE CONVEYING FLUID

I.IntroductionSolid-fluidcouplingvibrationproblemofpipesconveyingfluidarepresencegenerallyinthedomainofastronomic,energysources,chemicalindustryetc..Notonlytheoreticallytheproblemhaswideresearchvalue,butpracticallytheproblemhaswideengineeringbackground.Therefore,itisimportantreseachproblemihsciencedomainspang.Thefirstrightequationofsolid-liquidcouplingvibrationofpipeconveyingfluidwaspiovidedbyG.W.Housner,andV.Y.Feodosievil'2].Thebasicfrequencycharacteristicofpipesconveyingfluidwasstudiedre…     

充液弯管连续/离散模型振动的动刚度解法

由充液弯管三维振动模型切入，应用动刚度法构建了弯管及直管单元的振动求解方法，进而用于组装求解充液管系的振动，可同时适用于含弯管单元的连续模型或只含直管单元的离散模型；通过算例对比，证明动刚度法比传递矩阵法和有限元法在计算效率和精度上有所提升；与充液L型管道振动实验测得的加速度频响曲线对比，验证了本文对于管道组装的计算方法的有效性，此外还分析了连续模型和离散模型的区别及适用范围。     

The flow-induced instability of long hanging pipes

The effect of increasing length on the stability of a hanging fluid-conveying pipe is investigated. Experiments show that there exists a critical length above which the flow velocity necessary to cause flutter becomes independent of the pipe length. The fluid-structure interaction is thus modelled by following the work of Bourrières and of Paı̈doussis. Computations using a standard Galerkin method confirm this evolution. A short pipe model is then considered, where gravity plays a negligible role. Transition between this short length model and the asymptotic situation is found to occur where a local stability criterion is satisfied at the upstream end of the pipe. For longer pipes, a model is proposed where the zone of stable waves is totally disregarded. Comparison of these models with experiments and computations show a good agreement over all ranges of mass ratios between the flowing fluid and the pipe.     

Vibration of fluid-conveying pipe with nonlinear supports at both ends

The axial fluid-induced vibration of pipes is very widespread in engineering applications. The nonlinear forced vibration of a viscoelastic fluid-conveying pipe with nonlinear supports at both ends is investigated. The multi-scale method combined with the modal revision method is formulated for the fluid-conveying pipe system with nonlinear boundary conditions. The governing equations and the nonlinear boundary conditions are rescaled simultaneously as linear inhomogeneous equations and linear inhomogeneous boundary conditions on different time-scales. The modal revision method is used to transform the linear inhomogeneous boundary problem into a linear homogeneous boundary problem. The differential quadrature element method (DQEM) is used to verify the approximate analytical results. The results show good agreement between these two methods. A detailed analysis of the boundary nonlinearity is also presented. The obtained results demonstrate that the boundary nonlinearities have a significant effect on the dynamic characteristics of the fluid-conveying pipe, and can lead to significant differences in the dynamic responses of the pipe system.

     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.