双节悬臂管流固耦合系统基座振动研究

基于柔性多体动力学与流固耦合动力学理论,利用悬臂输液管Lagrange方程建立双节悬臂管流固耦合系统基座振动力学模型,进行节臂姿态、平均流速及节臂长度参数对流固耦合系统振动影响分析。结果表明,节臂姿态及长度参数变化对系统振动响应影响显著;平均流速增加使流体流动产生的激励作用增大、振动响应均值提高,对水平姿态具有较高的稳定工作流速;节臂长度参数对臂间弯矩影响显著,以臂间弯矩为控制力设计振动控制系统时应进行节臂长度优化;设计、构建输流管振动试验系统,并通过试验验证理论模型的正确性。所建动力学模型可为节臂主动控制提供理论基础。     

直齿圆柱齿轮啮合耦合振动系统参数振动研究

齿轮副啮合耦合振动系统是一个多自由度参数振动系统。该文考虑啮合刚度时变性,传动轴、轴承和箱体等支撑刚度和阻尼,轮齿传动误差以及输入转矩非线性等因素的影响,建立了直齿圆柱齿轮副啮合耦合动力学模型。将动力学方程转换到正则模态下,利用多尺度法对其进行动力稳定性分析,推导出主共振和亚谐共振条件下系统的组合共振频率以及稳定性边界。数值模拟系统非参数和参数共振响应,与摄动法结果吻合较好。结果表明:当轮齿啮合频率接近和型共振频率时,系统发生参数共振,存在着不收敛的无界解。系统的非参数共振响应为概周期响应,包含着多种组合频率成分。     

弯扭耦合共振式振动时效的参激稳定性分析

研究弯扭耦合共振消减转轴的残余应力的动力稳定性,对转子-轴承系统进行有限元离散,建立动力学模型。然后,对转子-轴承系统进行模态分析,得到合适的阵型。根据共振条件在共振转速之下用Newmark法求得转轴受到扭转振动激励的弯扭耦合位移响应和动应力响应,分析了转轴弯扭耦合共振特性。当转轴从零转速上升到耦合共振转速的过程中,通过Floquet稳定性理论和Poincaré法对参数激励系统进行周期稳定性分析。研究结果表明,弯扭耦合振动时效过程中的耦合动力特性明显,且振动是稳定的,对弯扭耦合共振理论应用于振动时效领域有一定的参考价值。     

油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。     

基于格林函数法的车辆-轨道垂向耦合动力学分析

通过直接求解脉冲激励下线性系统的动力学方程得到车辆系统和轨道系统格林函数的显式表达,基于格林函数和轮轨Hertz非线性接触理论,提出了求解车辆-轨道垂向耦合动力学的新方法。利用该方法分析了车辆系统和轨道系统格林函数的特征,计算了轨道随机不平顺和单一谐波两种不平顺激励下的轮轨垂向力以及轮对和钢轨垂向位移响应,并与传统的车辆-轨道耦合动力学计算结果进行对比。研究结果表明:车辆系统的格林函数主要由随时间线性增加的线性项和随时间逐渐衰减的衰减项组成;轨道系统的格林函数随时间波动衰减,0.15 s后初始脉冲激励引起的钢轨振动基本衰减至0;格林函数法与传统方法的计算结果几乎完全吻合,说明了该方法在车辆-轨道耦合动力学计算中的可靠性。     

覆冰四分裂导线舞动近似解析解分析

建立了带有刚性间隔棒的覆冰四分裂导线垂直、水平和扭转三自由度的耦合模型,并对由强非线性系统转化为弱非线性系统的方法进行了研究,运用平均法分析了非内共振、3∶1内共振和1∶1内共振时系统的振动情况,得到了风速、横向阻尼比、来流密度、线路档距等相关参数对导线舞动的影响及在不同参数影响情况下导线舞动的响应曲线,其近似解析解与数值解基本吻合。     

定轴转动与基础激励下梁的非线性动力学

采用Kane方程，建立了含耦合的几何及惯性非线性项的定轴转动与轴向基础激励联合作用下柔性梁的非线性动力学控制方程组，该方程组不仅包含二次及三次非线性项，而且体现了参数激励与外激励的联合作用。运用多尺度法，研究了匀转速，顺臂安装下悬臂梁的一阶模态主参激共振与外激励1/2次亚谐共振同时作用时梁的一阶近似稳态响应。结果表明，梁的一阶模态幅频特性将受到转速，旋转半径和激励幅值等参数变化的显著影响。     

分析弹性地基一般支承输流管道的动力学特性

研究Pasternak双参数地基一般支承输流管道的线性固有频率及非线性动力学特性。综合考虑管道黏弹性系数、地基的剪切效应、线性刚度的影响,建立了系统运动微分方程。根据两端一般支承的边界条件推导出线性系统固有频率方程,分析了基础激励与脉动流作用下,流速对系统非线性动力学特性的影响。数值结果表明,管道一阶临界流速随弹性系数的增大呈现先增大后减小的趋势,当弹性系数足够大时,管道随流速的增加发生一阶、二阶模态耦合现象;系统响应随流速变化呈现由倍周期分岔过渡到混沌运动的特性;当管内流体流速足够大时,系统响应保持混沌运动状态。     

浸液轴向运动板的非线性自由振动和内共振分析

以竖直浸没于液体中的轴向运动矩形板作为研究模型,根据经典薄板理论以及von Kámán非线性几何关系,得到流-固耦合系统的非线性振动微分方程。假定液体为无黏、无旋、不可压缩的理想流体,流体对板的动压力采用速度势函数及Bernoulli方程描述。然后应用直接多尺度法求解系统的非线性偏微分方程,根据可解性条件,获得系统的非线性频率。分析了浸液轴向运动板的1:1内共振及1:3内共振现象,并讨论了系统参数对该流-固耦合系统非线性动力学特性的影响。     

摆线钢球行星传动系统参数振动特性研究

摆线钢球行星传动系统为多自由度的参数振动系统,其时变啮合刚度激励会对系统的动态特性产生较大影响。该文首先综合考虑时变啮合刚度及轴承支承刚度等影响因素,建立了摆线钢球行星传动系统的平移-扭转耦合动力学模型,并推导出系统的动力学方程。然后将动力学方程转换为正则模态方程,并利用多尺度法对系统进行动力稳定性分析,推导出系统的组合共振频率及稳定性条件。最后利用摄动法计算出系统的稳态响应。研究结果表明:当偏心轴的输入转速接近和型组合共振频率时,系统将发生参数共振;当偏心轴的输入转速接近差型组合共振频率时,系统总是稳定的;系统的稳态响应中包含多种组合频率成分,并表现出多频响应叠加的特性。     

柔性立管涡激振动抑制装置试验研究

为深入研究带螺旋列板的柔性立管涡激振动响应特性,进行立管螺旋列板抑制装置的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生来流测得应变数据,基于模态叠加法获得立管位移响应等参数。分析螺旋列板抑制装置的螺距变化,系统研究不同螺旋列板状态下立管应变、位移响应等参数。结果表明,流向响应与横向响应同样重要不可忽略;裸管响应特性与带螺旋列板的立管响应特性区别较大,响应特性与螺旋列板几何形状紧密相关。     

参数激励下深海立管动力特性研究

针对参数激励下深海立管的水平动力响应及参量不稳定性进行研究。随着海洋油气资源勘探开采往深海进发,立管结构与以往相比起到更为关键的作用,并面临着众多的挑战。特别是当立管系统参数处于不稳定区域时,立管结构易发生参量共振,导致立管破坏,造成环境污染及经济损失。深海立管结构动力特性较为复杂,首先建立了深海立管的结构动力学方程,然后采用富洛开理论分析了立管含阻尼与不含非线性阻尼的参量稳定性,计算了立管结构四个典型工况下的水平动力响应。系统方程的求解考虑了模态之间的耦合作用,探讨了参数激励频率与平台振动幅度之间的关系,最后,着重分析了阻尼变化对系统参量稳定区域的影响,研究表明系统阻尼能够有效缩减参量不稳定性的区域,并对深海立管结构设计提出有益的建议。     

载流导线间轴向运动导电梁的参数-主共振

研究轴向运动导电梁在载流导线产生的周期变化磁场中的参数-主共振问题。给出载流导线间导电梁处的磁感应强度、梁的应变能、动能及所受电磁力表达式,推得轴向运动导电梁的磁弹性横向振动微分方程。应用伽辽金积分法,得到导电梁无量纲化的非线性参数-主共振微分方程。利用多尺度法求解方程,得到系统关于非线性参数-主共振联合方程的近似解析解。通过计算,得到了轴向运动导电梁共振幅值随调谐参数变化的幅频图,共振系统的动相平面轨迹图,以及在变化调谐参数下的时程图和相图。结果表明,相关参数的改变对系统的共振幅值及稳定性影响明显。     

考虑材料非线性时压电发电悬臂梁的主共振响应分析

针对单晶压电悬臂梁发电系统进行了动力学建模及主共振响应分析。首先在考虑压电材料非线性的情况下,利用广义Hamilton原理、Rayleigh-Ritz法、Euler-Bernoulli梁理论等建立了单晶压电悬臂梁发电结构的机电耦合模型;其次利用多尺度法对系统进行了主共振二次近似响应分析,得到了谐振频率附近解的特性与系统参数的关系,揭示了压电材料非线性、外激励参数及负载电阻对系统响应的影响规律;最后通过数值计算验证了解析解的正确性。结论表明,压电材料的非线性特性会导致近似解的共振峰向左偏移,呈现软特性的非线性特征;当激励频率变化时,系统响应存在多解、跳跃等现象,多解区有2个稳定焦点和1个不稳定鞍点;主共振解的真正实现取决于系统的稳定性条件及初始条件的选取;系统存在最佳匹配负载电阻范围,对应系统的发电功率较大。     

两平行导线间轴向运动载流梁的非线性主共振

研究轴向运动载流梁在两平行导线产生磁场中的主共振问题。给出两平行导线间载流梁处磁感应强度及所受电磁力表达式,推得轴向运动载流梁的横向振动微分方程。应用伽辽金积分法,得到轴向运动梁无量纲化的非线性振动微分方程。采用多尺度法进行求解,得到系统关于前两阶模态非线性方程的近似解析解以及主共振幅频响应方程。通过算例,得到了轴向运动载流梁共振幅值随调谐参数、载流电流密度、导线电流和位置的变化关系曲线图。结果表明,各相关物理和几何参数的改变对系统共振特征有较大影响,且非线性振动特征较为明显。     

迷宫密封激振力作用下转子系统非线性动力学分析

由双控体模型确定迷宫密封轴向平均流速,结合Muszynska气流激振力建立了转子-密封系统非线性动力学模型,并采用Runge-Kutta-Fehlbrg方法求解系统非线性动力学方程。分析了迷宫密封间隙、密封半径、齿数、齿腔宽度、进口气压等参数对泄漏量及轴向平均流速的影响;绘制了分岔图、轴心轨迹、Poincare图和频谱图等,研究了转速、进口气压、偏心距及密封有效总长度对系统动力学特性的影响。数值结果表明,转速、密封结构及介质参数的改变能够诱导系统发生单周期运动、概周期运动等复杂的非线性动力学行为。     

复杂激励下复合行星传动系统频率耦合与耦合共振研究

建立了考虑时变啮合刚度、啮合间隙、啮合误差等多种非线性因素的复合行星传动系统动力学模型,研究了发动机时变转矩输入、定值转矩输入等不同外界激励与多种内部非线性激励同时作用下对复合行星传动系统频率耦合的影响。在此基础上,对外部激励、内部激励以及内外部耦合激励引起的低频、高频以及低高频耦合产生的系统扭转共振问题进行了分析。结果表明:在定值转矩驱动时,齿轮啮合力与主轴剪切力的主要频率成分都为啮频及其倍频;在时变转矩驱动时,齿轮啮合力在各转速下的主要频率成分都为啮合相关频率,而主轴剪切力的主要频率成分随转速提高逐渐由啮合相关频率转变为发动机各谐次频率;系统共振转速带中,由啮合频率及其耦合频率引起的共振转速主要集中于中低速工况,而发动机激励引起的共振转速主要集中于中高速。     

内共振作用下轴向运动黏弹性梁横向受迫振动EI北大核心CSCD

研究内共振与外部激励共同作用下,轴向运动黏弹性梁横向非线性振动的稳态响应。在运动梁动力学建模中采用Kelvin本构关系,并取物质时间导数。首次将直接多尺度法应用到轴向运动连续体的内共振研究。通过直接对连续体的偏微分-积分控制方程运用多尺度法,建立内共振条件下的横向非线性受迫共振的可解性条件。并通过稳定性分析,得到稳态响应解的稳定边界。另外还考察了参数对响应的影响。运用数值仿真验证了近似解析方法的正确性及有效性。     

内输多相流与绕流耦合作用下立管非线性振动EI北大核心CSCD

对内输多相流立管在内流与外部绕流耦合作用下的振动响应进行了分析。建立了内部多相流-立管-外部绕流的耦合方程,并采用广义积分变换法(GITT)将偏微分方程转化为常微分方程进行求解。分析得到立管内两相流会引起立管自然频率的降低,管内流速越高,立管越长,两相流作用越明显;立管在内流和外部绕流共同作用下,管内含气量的增加,使立管发生涡激振动的频率降低,振动幅值增加;管内两相流的作用会引起立管在较小的外部流速下发生共振并且会诱发立管发生更高一阶模态的振动;外部绕流流速越高,管内两相流作用越小。     

内共振作用下轴向运动黏弹性梁横向受迫振动

研究内共振与外部激励共同作用下,轴向运动黏弹性梁横向非线性振动的稳态响应。在运动梁动力学建模中采用Kelvin本构关系,并取物质时间导数。首次将直接多尺度法应用到轴向运动连续体的内共振研究。通过直接对连续体的偏微分-积分控制方程运用多尺度法,建立内共振条件下的横向非线性受迫共振的可解性条件。并通过稳定性分析,得到稳态响应解的稳定边界。另外还考察了参数对响应的影响。运用数值仿真验证了近似解析方法的正确性及有效性。