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。     

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.      

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．     

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.     

参-强激励联合作用下输流管的分岔和混沌行为研究

研究输送脉动流的两端固定输流管道在其基础简谐运动激励下的分岔和混沌行为,考虑管道变形的几何非线性和管道材料的非线性因素,推导了系统的非线性运动方程,并应用Galerkin方法对其进行了离散化处理。通过采用数值模拟方法,对系统的运动响应进行仿真,重点探讨了流体平均流速、流速脉动振幅以及基础简谐运动激励振幅对系统动态特性的影响。结果表明,系统在不同的参数下会发生围绕不同平衡点的周期和混沌等运动,并在系统中发现了两条通向混沌运动的途径:倍周期分岔和阵发混沌运动。     

弹性介质中输流微管道的热弹性振动分析

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

Melnikov方法在输流管混沌运动研究中的应用

对基础简谐运动激励下两端固定输流管道的混沌运动进行了研究，推导出了系统的运动方程，确定了系统存在的平衡点及其稳定性，计算出了未扰系统的同宿轨道，并利用Melnikov方法得到了系统发生混沌运动时参数需满足的临界条件，同时还利用相平面图和：Poincare映射等方法对管道的混沌运动进行了数值模拟，通过比较发现，由Melnikov方法确定的临界参数值要稍小于数值模拟中首次观察到混沌运动时对应的临界值。     

平行结构流固耦合振动特性的研究

本文以多片平行悬臂板为模型,对平行结构流固耦合振动特性问题从理论上进行了探讨,导出了便于分析计算的理论表达式,并进行了计算与实验验证。结果说明,分析方法正确,对于分析实际水工结构的完全流固耦合问题具有现实意义。     

管道及管路系统流固耦合振动问题的研究动态

对管道及管路系统流固耦合振动问题在近二十年来的进展作了综述。根据问题特点，将本课题分为三个分支，即从紊流到振动噪声源的研究，流－弹耦合振动的研究和声－弹耦合振动的研究。在分别总结这三个分支的研究成果的同时指出了尚需进一步研究的某些问题。     

吸流管道动力学模型的研究现状与展望

围绕吸流管道的稳定性与振动问题,对近年来的主要研究工作加以综述并提出预测,其中包括运动方程的归纳与讨论、管道自由端口处的流固耦合理论、定常流速下吸流管道的稳定性机理以及今后值得进一步研究的某些问题.     

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．     

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.     

VIBRATION AND STABILITY OF RING-STIFFENED THIN-WALLED CYLINDRICAL SHELLS CONVEYING FLUID

Based on the Flügge shell theory,equations of motion of ring-stiffened thin-walled cylindrical shells conveying fluid are developed with the aid of the Hamilton's principle.Analysis is carried out on t...     

输液曲管平面内振动的波动方法研究

采用Flügge曲粱模拟弯曲管道,推导了管内流体的加速度,在总体轴线不可伸长假定的基础上建立了曲管平面内振动的动力学方程;采用波动方法,获得了曲管内振动波的传播和反射矩阵,提出了计算曲管平面内振动固有频率的数值方法.算例分析中,通过计算两端固定半圆形曲管的临界流速并与已有文献结果对比,验证了论文方法的正确性.最后,计算了两端固定半圆形曲管在四种不同流速下的前四阶固有频率,结果表明,管内流速的增大会降低管道的固有频率,当流速增大到某一特定值时,管道的一阶固有频率消失.     

基于非线性模态和一种数值迭代法的陀螺连续体参数振动研究

以脉动流输流管为例,利用非线性模态技术和一种数值迭代法研究陀螺连续体的非线性参数振动响应问题. 通过谐波平衡法将系统非线性非自治控制方程转化为拟自治方程,并在状态空间上利用不变流形法构造系统的非线性模态. 以对应自治系统的解为初值,采用一种数值迭代法来求解拟自治控制方程的模态系数,结果证明了该迭代法的快速收敛性. 在频域分析中得到了幅频响应和相空间上的不变流形,而在时域复模态分析中则发现了参激陀螺系统的正交相位差和行波振动现象.     

DYNAMIC STABILITY OF A BEAM-MODEL VISCOELASTIC PIPE FOR CONVEYING PULSATIVE FLUID

The dynamic stability in transverse vibration of a viscoelastic pipe for conveying pulsative fluid is investigated for the simply-supported case.The material property of the beam- model pipe is described by the Kelvin-type viscoelastic constitutive relation.The axial fluid speed is characterized as simple harmonic variation about a constant mean speed.The method of mul- tiple scales is applied directly to the governing partial differential equation without discretization when the viscoelastic damping and the periodical excitation are considered small.The stability conditions are presented in the case of subharmonic and combination resonance.Numerical results show the effect of viscosity and mass ratio on instability regions.     

STUDY OF PARAMETRIC VIBRATION OF GYROSCOPIC CONTINUA BASED ON NONLINEAR NORMAL MODES AND A NUMERICAL ITERATIVE APPROACH

以脉动流输流管为例,利用非线性模态技术和一种数值迭代法研究陀螺连续体的非线性参数振动响应问题. 通过谐波平衡法将系统非线性非自治控制方程转化为拟自治方程,并在状态空间上利用不变流形法构造系统的非线性模态. 以对应自治系统的解为初值,采用一种数值迭代法来求解拟自治控制方程的模态系数,结果证明了该迭代法的快速收敛性. 在频域分析中得到了幅频响应和相空间上的不变流形,而在时域复模态分析中则发现了参激陀螺系统的正交相位差和行波振动现象.     

FLUTTER INSTABILITY OF SUPPORTED PIPES CONVEYING FLUID SUBJECTED TO DISTRIBUTED FOLLOWER FORCES

In the past decades,it has been reported that divergence is the expected form of instability for fluid-conveying pipes with both ends supported.In this paper,the form of instability of supported pipes ...     

分析输流曲管临界流速的迁移矩阵法

提出了一种分析输液曲管临界流速的方法。与其它方法相比,该方法不但容易处理带任意多个中间支承和变刚度、变曲率的输液曲管问题,而且由于对各段位移、内力关系导出了一系列显式,故不管离散段数多少,最终都只需解一个三阶矩阵方程,因此计算量小、精度高。