热环境中超临界黏弹性输流管道自由振动分析

基于Euler-Bernoulli梁模型,本文研究了热环境中输流管道在超临界范围内流固耦合自由振动特性.考虑温度增量以及初始轴向拉力作用,在两端简支边界条件下,利用广义Hamilton原理建立输流管道横向振动偏微分-积分控制方程.通过解析方法得到输流管道非平凡静平衡位形及临界流速精确表达式,与微分求积单元法(DQEM)数值结果吻合较好.基于复模态法,结合伽辽金(Galerkin)法离散系统偏微分-积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率.结果表明,温度增量越大,临界流速越小,此时的管道越容易屈曲,但相同流速下超临界管道固有频率越大;初始拉力越大,临界流速越大,相同流速下超临界固有频率越小.该研究可以为热环境中超临界状态下的管道系统振动设计提供理论指导.     

两端固定输流管振动实验研究

通过实验的方法对简谐激励和脉动流作用下的两端固定输流管的动力学行为进行振动测试分析.设计并制作了两端固定输流管的振动实验装置,为确保实验结果翔实可靠,选取三种不同材料的管分别进行了三次实验,研究了管内流体流速、激振力振幅和脉动流频率对两端固定输流管振动特性的影响.结果表明,流体流速和激振力幅值对两端固定输流管的一阶共振特性和振动幅值有着显著影响,在脉动流作用下,两端固定输流管存在混沌运动,并且随着脉动频率的增大,管道平均振幅减小.     

输浆管道液—固两相流静电场特性研究

利用有限元方法建立了输浆管道内液-固两相流(矿浆)的静电场模型,以检测灵敏度为媒介,对液-固两相流的软场特性进行深入研究,分析了矿浆的流速、固体颗粒大小、结垢、浓度对软场特性的影响,得出了如下结论:在矿浆流速越低、矿浆固体颗粒越大和结垢层越厚时,灵敏度分布越不均匀;矿浆浓度的变化越大,对灵敏度影响越大。这一结论为输浆管道液-固两相流的可视化检测提供了技术支撑。     

旋转Timoshenko输流管道的固有频率和稳定性分析

基于Timoshenko梁模型,本文研究了旋转输流管道在自由振动状态下的流固耦合振动特性.考虑流体压力、重力、初始轴应力作用,基于Hamilton原理和欧拉角转换,推导得到了旋转Timoshenko输流管道的偏微分方程.根据Galerkin截断法将运动方程进行离散,通过求解系统的特征方程即可得到输流管一阶复频率的实部和虚部,实部代表固有频率,虚部代表能量变化.在流速较高时,研究发现必须考虑4阶及以上Galerkin截断,才能得到稳定的结果.通过与EulerBernoulli梁模型对比,验证了本文的结果正确性.研究发现针对短粗型管道,Timoshenko梁模型更加精确.此外研究了多种参数对旋转Timoshenko输流管道固有频率和振动稳定性的影响.研究结果表明质量比、流速、剪切系数对Timoshenko输流管道流固耦合振动的稳定性影响显著,而转动惯量、重力、流体压力和初始轴应力在一定程度上也会影响管道振动的频率和稳定性.转速的出现将管道频率分为两个量值,但转速并不影响系统能量变化.     

GDQR法用于输流曲管的流致振动研究

将广义微分求积法(GDQR)用于分析输流曲管的流致振动问题,这是一个新的尝试．基于输流曲管的面内振动微分方程,利用GDQR法使曲管系统在空间域上得以离散化,从而获得了输流曲管的动力学方程组．数值算例中,计算得到了输流曲管在几种典型边界条件下的固有频率以及曲管发生失稳的临界流速等,这些计算结果与前人的解析解结果吻合较好．此外,还给出了两端固定输流曲管典型的动力响应行为．研究表明,GDQR法极易处理输流曲管这一类动力学模型,精度令人满意,进一步的研究可望推广到输流管道的非线性振动分析中．     

基础激励作用下悬臂输流管的振动实验研究

通过实验的方法对基础激励作用下悬臂输流管的动力学行为进行振动测试分析.设计并搭建了悬臂输流管振动测试的实验平台,深入研究了悬臂输流管在不同流速及不同参数情况下的振动行为,分析了在基础激励作用下,悬臂输流管振幅的变化规律.结果表明,悬臂输流管的物理参数对悬臂输流管发生颤振失稳的临界流速有着极其显著的影响,在基础激励作用下,悬臂输流管的振幅明显增大,并且当激振力频率接近悬臂输流管的固有频率时,输流管的振幅达到最大.     

外流作用下管道流固耦合非线性动力学研究进展

管道广泛应用于海洋、核电以及航空航天等重大工程中,是采油平台、蒸汽发生器等重要工程装备的关键结构之一.当有外部流体经过时,管道会发生流固耦合振动行为,是导致重大装备振动破坏和失效的重要原因之一,已成为重大工程设计必须解决的关键问题.本文针对外流作用下柔性管道流固耦合非线性动力学机理这一科学问题,梳理了国内外学者的重要研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为.从实验研究、仿真分析和理论建模等方面进行了深入地探讨,揭示了外部流体对管道动力学行为的影响机制.最后,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究仍存在的难点与挑战.     

电磁场作用下磁流体在管道内的稳定流速研究

研究磁流体在磁场和电场作用下的流动速度,对于一些基于磁流体动力学原理的工程应用,如磁流体动量轮等,具有重要意义。基于层流和轴对称假设,构建了截面速度二维分布的傅里叶级数解析模型,分析了无沿管道方向的压力梯度情况下,截面速度和诱导磁场耦合傅里叶级数解的不可解性,基于纳维－斯托克斯方程推导了电磁场作用下稳态截面速度的傅里叶级数解析式,并利用MATLAB对解析式进行计算,与Ansys仿真结果对比分析,对不同驱动方式的速度分布进行了分析,给出了截面速度在各点的分布与该点处的电场、磁场大小及磁流体特性参数等的关系。     

输流管道弯曲和振动的有限元分析

基于Timoshenko梁理论,利用虚功原理严格地建立了输流管道弯曲和振动的有限元方程.利用加速度合成定理推导了流体横向加速度的表达式,计算了两端简支和悬臂两种边界条件下管道受到重力和流体作用时的挠度和转角,分析了流体流速对其影响.两端简支条件下将预应力效应整合到管道应变能中,并讨论了轴向预应力与弯曲挠度的关系.给出了两种边界条件下管道自由振动的前三阶固有频率与流体流速的关系,分析了两端简支条件下管道轴向预应力对振动固有频率的影响.结果表明：两端简支边界条件下,流体速度增大则挠度和转角相应增大,预应力使得挠度和转角减小;前三阶固有频率随流速增大而减小,预应力增大则导致各阶固有频率增大.悬臂边界条件下,流体速度增大则挠度和转角减小,前三阶固有频率随流速增大而减小.     

输流管道动力学与控制的最新进展

管道系统在航空航天, 石油输送, 深海探测, 核能工程等工程领域发挥着输送流体的作用.由于复杂结构功能设计、支承条件、内部流体和外部环境等因素引起输流管道中的流体和管道发生强烈地耦合,导致的动力学问题严重限制了输流管道在各种领域中的工程应用.因此,输流管道的复杂动力学行为引起了工程和科学领域学者们的广泛关注, 本文综述和讨论了最新的输流管道振动与控制的研究和进展.     

软管安装管卡的夹持力分析与试验验证

为缩短软管管卡结构设计周期并降低成本,建立软管及管卡的三维模型和有限元模型,用Abaqus求解管卡夹持力与软管和管卡之间相对位移的关系.抽拉试验表明仿真分析结果与试验结果吻合较好.该仿真分析方法可以为今后的管卡设计提供参考.     

大变形柔性管道两相流流致振动研究

针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,本文采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型.基于流体体积法对气液两相流动界面进行追踪并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法考虑流体域网格变形,同时采用有限元方法建立了柔性管道动力学模型,根据流体和管道壁面的相互作用构建强流固耦合计算模型.研究表明,在两相流作用下柔性管道的振动主要以类似一阶和二阶振动模态响应为主且会发生模态切换;模态切换与管内的液塞长度、液塞流动频率以及气液塞在管内的轴向分布有关;管道的大变形振动促进了短气塞的融合并显著改变了液塞的长度和频率,进而影响管道的振动和流型转变界限.     

Laplace transform finite volume modeling of water hammer along fluid–structure interaction

Water hammer or propagation of pressure waves generates profound forces through pipelines of industrial high pressure processes which causes structural vibration of the pipe in both radial and axial directions. To model the sudden rupture of a pipeline system the fluid–structure interaction, FSI, is taken into account by coupling the structural vibration equations to the fluid dynamic equation. In this paper, Laplace transform finite volume, LTFV, which is a new technique along the finite element method is developed to treat fluid transient and the structural vibration equations respectively.To evaluate the numerical results, a Thermal Hydraulic Test Loop (THTL facility) which has been designed and constructed for experimental research on the physical phenomena, characteristics and performance of the safety systems involved in plants is used. To conduct tests for representing a sudden break condition in the loop, the THTL facility has been equipped by devices and sensors to record pressure and vibration signals during simulated accidents. Under steady condition, by an electrical signal an electric valve, Break valve, is opened and simultaneously pressure along pipe vibration signals close to valve is recorded. Comparing the experimental data to results from numerical modeling validated the implemented method.     

发动机排气管流-固-热强耦合分析

为研究发动机排气管在流-固-热强耦合作用下的复杂工况,用INTESIM软件中流-固-热强耦合的方法计算某型发动机排气管在工作过程中流场、温度场、热变形和热应力的分布情况.结果表明,与传统的分析方法相比,INTESIM的强耦合方法收敛性更好,并且可以在同一软件平台下对模型耦合矩阵方程直接求解得到结构应力场、位移场、流场和温度场的所有结果.     

泵送混凝土对铝合金模板的冲击

对铝合金模板在泵送混凝土浇筑过程中的非线性冲击响应进行有限元分析,考虑泵送混凝土的黏度和密度、泵送管道的直径、模板的宽度和边界条件、混凝土浇筑位置和初始冲击速度等不同因素的影响。研究结果表明：浇筑过程中泵送混凝土的初始冲击速度对模板的冲击响应影响最大,混凝土黏度的影响较小;提高混凝土的泵送速度、增大泵送管道的管径和模板宽度,模板的冲击响应随之增大;模板边界约束越弱其位移响应越大,但其最大等效应力和最大塑性应变越小。     

基于ANSYS的抗性消声器性能仿真分析

运用有限元分析软件ANSYS对内插管抗性消声器内部声场及流体进行了有限元分析。在讨论了管道声场流体运动方程的基础上，首先建立抗性消声器的流体有限元分析模型和声场有限元分析模型，以定性分析为目标，通过加载、求解以及后处理等一系列的步骤对消声器内部声场及流体进行计算分析，获得消声器内部不同频率下的声压及流体速度和压力分布情况。通过分析结果可以方便直观地获取消声器内插管中心偏移对消声器插入损失及流体流速和压力的影响，分析结果为消声器的优化设计提供可靠的依据。     

Mixed finite element methods — Reduced and selective integration techniques: A unification of concepts

The equivalence of certain classes of mixed finite element methods with displacement methods which employ reduced and selective integration techniques is established. This enables one to obtain the accuracy of the mixed formulation without incurring the additional computational expense engendered by the auxiliary field of the mixed method. Applications and numerical examples are presented for problems with constraints which can be difficult to enforce in finite element approximations and have often dictated the use of mixed principles. These include thin beams and plates, and linear and nonlinear incompressible and nearly incompressible continuum problems in solid and fluid mechanics.     

Models of pad layers in finite element analysis and their application in GTSTRUDL software

In this study, several finite element models of pad layers are proposed in order to analyse the kinds of engineering structures in which pad layers are placed between a steel pipe and its support concrete. Using these models, the effect of pad layers with different physical constants on stress fields of stell pipe and support concrete is studied. With the help of the space finite element method, the models have been successfully applied in the analysis of several practical hydraulic powerstation structures and some example structures. The results show that these models are reliable, practical and accurate.     

钢管弯制过程有限元仿真及断裂原因分析

针对某金属结构公司在钢管弯制过程中出现的个别钢管断裂现象进行研究,根据现场钢管弯制工艺和工序的情况描述,采用非线性有限元软件Marc对钢管的多工位弯制过程进行模拟仿真.以最恶劣的情况即曲率最大的胎具进行多工位弯制,仿真结果显示6个工位的连续弯制过程最大应力为552 MPa,没有达到材料的抗拉极限626 MPa,该弯制过程不会引起钢管强度失效.模拟钢管多种曲率胎具弯制下的应力应变分布情况和回弹后残余应力应变情况.仿真结果表明,弯制此种钢管最大曲率的圆弧时,钢管上的最大应力为542 MPa,小于材料的抗拉强度626 MPa;最大塑性应变为0.031,小于材料允许的最大伸长应变0.2.经过模拟仿真分析,该公司采用的弯制工艺不会引起材料强度失效断裂.引起钢管弯制断裂的原因为个别材料夹杂或气孔造成的小概率事件.     

A priori and a posteriori error analysis of an augmented mixed finite element method for incompressible fluid flows

In this paper we extend recent results on the a priori and a posteriori error analysis of an augmented mixed finite element method for the linear elasticity problem, to the case of incompressible fluid flows with symmetric stress tensor. Similarly as before, the present approach is based on the introduction of the Galerkin least-squares type terms arising from the constitutive and equilibrium equations, and from the relations defining the pressure in terms of the stress tensor and the rotation in terms of the displacement, all of them multiplied by stabilization parameters. We show that these parameters can be suitably chosen so that the resulting augmented variational formulation is defined by a strongly coercive bilinear form, whence the associated Galerkin scheme becomes well-posed for any choice of finite element subspaces. Next, we present a reliable and efficient residual-based a posteriori error estimator for the augmented mixed finite element scheme. Finally, several numerical results confirming the theoretical properties of this estimator, and illustrating the capability of the corresponding adaptive algorithm to localize the singularities and the large stress regions of the solution, are reported.