带有恒力支承的输流管道的动态特性研究

摘要

管道在工业领域中应用十分广泛，而管内流体与管道间的流固耦合作用引起的管道系统振动，会大大降低系统运行可靠性，恶化工作环境，影响仪器仪表的精度，甚至使管道爆裂。在电厂、石油及化工行业中，很多管道在运行过程中会产生较大的位移，必需使用恒力支吊结构支承。恒力支承可以提供一种不随支承方向的位移发生变化的恒定支承力，可以避免管道系统产生危险的弯曲应力及位移。恒力支承对输流管道系统的动态特性也有影响。因此，研究输流管道系统中恒力支承及流固耦合作用对输流管道动态特性的影响，准确分析系统的动力学特性、对于管道系统的优化设计、提高系统运行可靠性具有十分重要的理论意义和工程价值。 本文对恒力支承下的输流管道系统进行了动态特性分析，具体工作包括以下几个方面： 1．考虑流固耦合作用及恒力支承影响，以流体运动的连续方程、动量方程和管道的振动方程为基础，建立带恒力支承输流管道的动力学模型，推导了输流管道轴向及横向振动的运动微分方程。 2．基于输流管道轴向及横向振动的微分方程，考虑流体与管道之间的泊松耦合，推导出输流直管的轴向及横向振动的传递矩阵；同时采用中线不可伸长理论的离散模型，将弯管离散为一组首尾相连成一定角度排列的短直管单元，通过力的平衡方程和连续性方程，构建了弯管振动的传递矩阵。 3．采用传递矩阵法对带恒力支承的输流直管和弯管进行了模态分析，并与典型的RPV系统算例及采用ANSYS有限元数值计算结果进行了比较分析，验证了所建动力学模型和传递矩阵的正确性。分析结果表明，流固耦合作用对系统模态频率的影响较大，对系统模态振型的影响较小；使用恒力支承的输流管道的动态特性与固支、简支的输流管道的动态特性有明显不同，使用恒力支承的输流管道的各阶固有频率均较小，且在恒力支承的情况下，流固耦合作用对管道系统的动态特性影响更大。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第1章绪论

1.1本课题研究的目的和意义

1.2研究背景

1.2.1经典水锤理论

1.2.2耦合水锤理论

1.3国内外研究现状

1.3.1输流管道线性流固耦合振动分析

1.3.2输流管道非线性流固耦合振动分析

1.4采用恒力支承的管道系统及恒力支吊架

1.4.1三连杆弹簧式

1.4.2四连杆弹簧式

1.4.3主辅弹簧式

1.5本课题研究的主要内容

第2章带恒力支承的输流管道动力学建模

2.1基本假设

2.2带恒力支承的输流直管的动力学建模

2.2.1输流管道轴向运动的数学建模

2.2.2输流管道横向运动的数学建模

2.3输流弯管的模型

2.3.1弯管的连续模型

2.3.2弯管的离散模型

2.4本章小结

第3章输流管道系统传递矩阵的推导

3.1输流直管轴向运动的单元传递矩阵

3.2输流直管横向运动的单元传递矩阵

3.3输流弯管的单元传递矩阵

3.4本章小结

第4章带有恒力支承的输流管道系统的模态分析

4.1输流管道系统边界条件

4.2恒力支承输流直管系统的模态分析

4.2.1 RPV系统的固有频率计算

4.2.2带恒力支承输流管道的固有频率计算

4.2.3恒力支承输流直管的模态振型

4.3恒力支承输流弯管系统的模态分析

4.3.1固有频率的计算

4.3.2模态振型的计算

4.4本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文