输流管道非线性振动模型及仿真研究

摘要

输流管道被广泛应用于各个领域，因振动而导致管道破坏的现象十分普遍，造成的损失也相当大，已引起人们的重视。除去外界因素产生的振动外，研究管道系统内部引发的振动是当今的研究热门，其中考虑流固耦合的输流管道非线性振动研究得到了广泛的认同。随着科学技术的发展，在一些高端科技领域，减振降噪已成为关键问题，而研究诱发振动的根源乃是重中之重，因此，开展管道流固耦合振动的研究具有重要的现实意义和广阔的应用前景。 以管道横向位移、轴向位移、流体流速和流体压强为变量，根据中线可伸长定理，计算输流管道系统的总动能、总势能和外力做的总功，应用Hamilton变分原理，推导出输流管道轴向和横向运动方程。在建模过程中考虑泊松耦合和摩擦耦合，便于求解和仿真，忽略对系统影响很小的高阶项、部分迁移项和管道的轴向与横向间的耦合项。 轴向和横向运动方程是高阶偏微分方程，其解析解难以获得，为此本文采用有限单元法得到数值解。根据输流管道的特点，将轴向和横向分别简化为两结点的梁单元模型，采用Lagrangian插值函数和一阶Hermite插值函数，实施Ritz方法得到其单元标准方程，再集合成整体矩阵方程。采用振型分解法和Newmark法运用Matlab编程求解输流管道的模态和响应。 讨论四种边界约束(固定-固定、固定-铰支、固定-悬伸、铰支-铰支)情况下，输流管道轴向运动和横向运动的模态和响应，重点分析管道跨距、流体压强、流体流速、流体压强扰动、流体流速扰动对振动特性的影响，以及考虑阻尼与不考虑阻尼对固有频率和固有振型的影响。 所做工作为进一步实行更复杂的管道系统研究奠定基础，同时为输流管道减振提供一定的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究的背景及意义

1.2输流管道振动国内外研究现状

1.2.1输流管道振动研究的发展历程

1.2.2输流管道振动研究的主要内容

1.2.3输流管道振动国外研究现状

1.2.4输流管道振动国内研究现状

1.3研究的主要内容

1.4小结

第二章输流管道系统数学模型建立

2.1输流管道非线性振动数学模型研究基础

2.2输流管道非线性振动数学模型建立

2.2.1输流管道的轴向和横向应变

2.2.2输流管道的流体流速

2.2.3输流管道的能量

2.2.4输流管道的耦合模型

2.3小结

第三章输流管道系统数学模型求解

3.1基于有限单元法输流管道横向振动求解

3.1.1单元矩阵

3.1.2整体矩阵

3.1.3基于振型分解法输流管道模态求解

3.1.4基于Newmark法输流管道响应求解

3.2基于有限单元法输流管道轴向振动求解

3.3小结

第四章输流管道系统仿真研究

4.1程序流程与仿真参数

4.2横向振动仿真与分析

4.2.1系统参数为恒定值时的模态和响应

4.2.2系统参数为变量时对模态的影响

4.2.3系统参数为变量时对响应的影响

4.2.4管道横向振动特性对比分析

4.3轴向振动仿真与分析

4.3.1系统参数为恒定值时的模态和响应

4.3.2系统参数为变量时对模态的影响

4.3.3系统参数为变量时对响应的影响

4.3.4管道轴向振动特性对比分析

4.4轴向和横向仿真结果的对比分析

4.5小结

第五章输流管道系统的减振

5.1输流管道的振动

5.2输流管道减振机理

5.2.1主动控制

5.2.2被动控制

5.3输流管道的减振

5.3.1管道系统参数

5.3.2管道支承

5.3.3管道阻尼

5.4小结

第六章全文总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士研究生期间发表的论文

致谢