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.      

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．     

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.      

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。     

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。     

输流管道混沌运动的凹槽滤波反馈控制研究

对于两端固定输流管道在基础简谐激励下的单模态系统,利用凹槽滤波器对系统的混沌运动进行了控制.首先计算了未扰系统中同宿轨道内部周期轨道的方程,然后分别计算了引入凹槽滤波反馈后,与系统同宿轨道和周期轨道对应的两个Melnikov函数.根据前者Melnikov函数具有简单零点,得到了系统具有稳态周期解的参数条件.最后对受控系统的运动响应进行了数值仿真,发现在适当的参数条件下,通过凹槽滤波反馈控制,能够成功地将系统的混沌运动引导到稳定的周期运动,并且通过改变凹槽滤波器的增益值,可以将系统的混沌响应引导到不同形态的周期运动.     

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.     

水下悬跨输流管道动力稳定性的DQ解法

考虑水下粘弹性输流管道在管外流体附加阻尼、管内管外流体流动、管道轴向力、管内压强和流体质量比等因素的影响,尝试运用微分求积法对其涡激振动和流致振动的动力稳定性进行分析研究,通过算例分析说明DQ法用于水下管道悬空段的动力稳定性分析、疲劳分析、可靠性分析及设计是可行的,该方法具有原理简单、计算量少、易于编程实现、精度令人满意等特点,本文结论对于工程计算理论及工程应用具有参考价值.     

悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的参激振动

首先建立了悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的运动方程;然后基于Galerkin法研究了该系统的非线性动力学行为,分析了系统运动状态随激励频率和相位差的变化,以及混沌百分比随频率比(基础激励频率与脉动频率之比)和相位差的变化。结果表明,无论以激励频率还是以相位差为分岔参数,系统都具有多种形式的动态响应,包括周期运动、概周期运动和混沌运动,但进入和脱离混沌的途径不同。相位差和频率比对系统的混沌百分比有重要影响:相位差为π/2时系统混沌百分比最大;频率比为1时系统混沌百分比最小,频率比较小或较大时系统混沌百分比与只有基础激励时接近。     

考虑横向拉伸的FGM夹层双曲扁壳自由振动分析

在双曲正弦高阶剪切变形理论的基础上,针对横向位移增加厚度坐标的幂函数项,考虑了横向拉伸的影响,研究了简支条件下功能梯度夹层双曲扁壳的自由振动。基于Hamilton原理推导出了其动力学模型,利用Navier方法计算了表层是功能梯度材料,芯层是匀质材料的双曲扁壳的量纲为一的固有频率,并与已有结果进行了比较。分析了功能梯度材料性质梯度变化指数、芯层厚度、长厚比、曲率半径与厚度比对量纲为一的固有频率的影响。结果表明:与已有结果比较,基于考虑横向拉伸影响的正弦剪切变形理论,功能梯度夹层双曲扁壳对量纲为一的固有频率的计算结果是准确的;量纲为一的固有频率随着材料性质梯度变化指数的增加而单调减小,随着长厚比的增加而单调增加,随着芯层厚度的增加而单调增加。     

流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响

考虑实际流体黏性引起的管内流速非均匀分布,针对层流和两种不同的湍流流态,对理想流体情况下输流管道运动方程中的离心力项进行了修正,得到的修正系数分别为1.333(圆管层流)、1.020(光滑管壁圆管湍流)和1.037～1.055(粗糙管壁圆管湍流).根据修正后的运动方程得到的上述3种情况下的发散失稳临界流速比理想流体流动情况下依次分别低13.4%,1.0%和1.8%～2.6%.流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响只与流态有关,雷诺数决定流态,而黏性系数通过雷诺数间接起作用.     

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。     

旋转运动中弹性梁耦合振动的辛方法

研究旋转梁结构的弹性耦合振动问题。通过引入对偶体系,建立了解决该类问题的辛方法。在辛体系中描述旋转梁纵向和横向耦合振动控制方程,即哈密顿正则方程。进一步求解得到结构的固有振动频率及相应的振动模态,发现固有振动频率随转动角速度先升后降以及模态之间的某种转化规律。     

某发动机热试车的振动环境预示方法研究

发动机热试车试验在新型运载器的研制过程中起到重要作用,可用于预测运载器在飞行中的振动环境.由于载荷不等效,试验数据量有限,使得难以直接通过试验数据建立同一结构在不同系统下的映射关系模型.本文提出了一种基于试验数据的振动环境预示方法,以某发动机两次热试车试验数据为对象,分别提取了反映结构特性的动力学模型,基于载荷等效原则...     

考虑横向拉伸影响的FGM板的静态分析

在三阶剪切变形理论的基础上,添加关于厚度坐标z的幂函数项,并假设板结构的上下表面剪切力为0,提出了一种考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论。并且研究了简支边界条件下受静态载荷作用的功能梯度材料矩形板的静态弯曲行为。基于虚功原理推导出了功能梯度矩形板的基本方程,利用Navier双三角级数法计算了功能梯度材料矩形板在静态载荷作用下沿厚度方向的位移及应力分布的数值结果。计算结果与三维精确解理论、其他高阶剪切变形理论得到的数值结果进行了比较。对比结果表明,改进的考虑横向拉伸影响的高阶剪切变形理论的正确性和优越性。     

基于物理中面FGM中厚板自由振动的有限元分析

基于物理中面和一阶剪切变形板理论,研究了不同边界条件下功能梯度材料(FGM)中厚板的自由振动问题．假设功能梯度板的材料性质沿厚度方向按幂函数规律连续变化．根据哈密顿原理建立了FGM板有限元形式的自由振动方程,利用MATLAB软件编写程序进行了计算．通过数值算例,讨论了不同边界条件下FGM中厚板的无量纲频率随材料梯度指数和厚宽比的变化情况,并与经典板理论下的频率进行了比较．     

考虑横向拉伸影响的FGM夹层板动不稳定性分析

以受多种形式面内载荷作用下的功能梯度夹层矩形板为研究对象,夹层板的功能梯度层组分材料沿厚度方向按幂律分布,考虑组分材料物性参数的温度相关性.研究中所用的位移场在Reddy高阶剪切变形理论基础上考虑了横向拉伸的影响.利用能量原理和Galerkin法得到四边简支功能梯度材料夹层矩形板的动力学模型.运用Bolotin法求得了...     

深水环境下隔水管的横向自由振动分析

隔水管是海洋钻井工程中的必要设备。在深水环境下,隔水管的疲劳失效问题普遍存在,隔水管的强烈振动是导致其失效的主要原因之一。本文采用微元法,得到了隔水管在各种载荷作用下的横向振动规律及其横向振动的固有频率的分布规律,进一步分析了各种因素对隔水管横向振动固有频率的影响。结果表明:隔水管的长度增加时,固有频率减小;随着顶部张力比的增加,隔水管的横向振动的固有频率也增加;随着壁厚的增加,隔水管横向振动的固有频率逐渐降低;而随着钻井液密度的增加,隔水管横向振动的固有频率增加;海水的存在使隔水管的横向振动固有频率降低。该研究有利于避免隔水管在使用过程中出现强烈的共振现象,为减小隔水管的失效提供了理论依据。