简支Kelvin模型粘弹性输流管道的动力稳定性

对简支Kelvin模型粘弹性输流管道的动力稳定性进行了研究,具体分析了材料的无量纲延滞时间对无量纲流速与前二阶模态的无量纲频率的实部及虚部之间变化曲线的影响。计算结果表明,当无量纲延滞时间小于或等于10-5时,可将其按弹性管道处理;当延滞时间大于10-4时,简支Kelvin模型粘弹性输流管道与简支弹性输流管道及简支Maxmell模型粘弹性输流管道的一个最大差异在于不发生耦合模态颤振,而是发生单一模态颤振。     

内激励型振荡衰减流作用下输流管道动力不稳定分析

振荡衰减流作为一种内激励形式,对输流管道的稳定性和共振特性将产生影响。基于输流管道横向振动运动微分方程,引入指数衰减函数模拟水锤发生时流速呈现的振荡衰减特性,推导得到内激励型振荡衰减流作用下输流管道动力不稳定区域的表达式。在无衰减周期脉动流激励条件下,计算得到两种不同支撑输流管道的不稳定区域,与前人数值研究结果吻合良好。同时将引入的流速表达式与水锤条件下黏弹性输流管道模型计算得到的流速时程进行对比,表明所提出的流速表达式能较好地反映水锤激励下输流管道内水流的双向衰减特性。进一步分析了衰减特征参数对两端简支输流管道不稳定区域的影响,结果表明,内激励型振荡衰减流对于输流管道横向振动的影响不容忽视,当流速衰减系数b增加,不稳定区域向下偏移,且初始流速u 0增大,偏移现象越明显;同时随着时间τ的推移和衰减系数b的增加,流速衰减越快,不稳定区域闭合加快,当管道内流速衰减至0时,水锤过程结束,管道不稳定区域消失。     

含非贯穿直裂纹输流管道振动与模态功率流分析

针对含非贯穿直裂纹输流管道的振动与模态功率流进行研究，将输流管道以Euler-Bernoulli梁模型建模并据此推导其弯曲振动方程，采用断裂力学方法将裂纹模拟成无质量的转动弹簧，用波动法分析含裂纹输流管道的自由振动特性。通过计算结果与相关文献对比验证了该方法的可靠性。探讨裂纹位置、深度以及管内流速对固有频率的影响。基于模态功率流的概念进行算例分析，讨论裂纹位置、深度以及振动模态对模态功率流的影响，研究表明，裂纹处的模态功率流曲线产生突变，裂纹位置与深度和模态功率流密切相关。     

输流管道在分布随从力作用下的振动和稳定性

以Pflüger柱模型和普通输流管道模型为基础,建立了在流动流体和分布随从力共同作用下管道的运动微分方程,并采用Galerkin法进行离散。通过特征值分析,得到了发生发散失稳的临界流速计算公式,以及不同参数下系统复频率随流速的变化曲线。通过Runge-Kutta数值积分法对离散方程组求解,得到了不同参数下管道的位移时程曲线和相图。计算结果表明:分布随从力作用下输流管道发生发散失稳的无量纲临界流速与质量比无关,发生颤振失稳的无量纲临界流速随质量比的增大略微提高;随着分布随从力的增大,发生发散失稳和颤振失稳的临界流速均明显降低;随着质量比的增大,发生发散失稳时管道的位移随时间增加变快,流致振动的振幅增大。在无分布随从力作用和不考虑流体流动两种特殊情况下,所得结果与已有研究一致。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

基于ALK解法的输流管道防共振可靠性分析

输流管道广泛应用于航空航天等工业领域,宽频激励下的共振失效是引起管道破坏的重要原因。采用Euler-Bernoulli梁模型建立了输流管道控制方程,使用Galerkin加权余量法将振动控制高阶微分方程转化为N阶线性方程组,求得了N阶输流管道固有频率,并根据激振力上下界频率建立了防共振可靠性功能函数。考虑到功能函数为隐式,建立了基于主动学习的Kriging解法(Active Learning Kriging, ALK)的输流管道防共振可靠性分析方法,得到了输流管道共振失效概率,分析了管道参数、液体流速等对管道共振失效的影响。计算结果对于输流管道的防共振设计和优化具有重要意义。     

悬臂叠层板状结构稳定性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立悬臂支承叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行离散,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式,并研究不同参数对稳定性的影响。结果表明,悬臂叠层板发生颤振失稳,间隙,管/液质量比,间隙和流速非对称参数对颤振流速有一定的影响,但在该研究参数范围内对系统失稳形式没有影响。     

两端简支输流管道共振可靠度分析

采用基于Galerkin的加权残数法分析输流管道,利用 阶Galerkin截断建立试函数,推导出消除残数方程,得到输流管道的前 阶固有频率,并分析流速对固有频率的影响。建立输流管道共振可靠度的功能函数,利用点估计法计算功能函数的前四阶矩,采用修正Edgeworth级数法求得输流管道的共振可靠度,并讨论了流速对管道共振可靠度的影响。研究结果对于输流管道的防共振设计和共振可靠性评估具有参考价值。     

叠层板状结构流致振动特性研究

将管道理论引入叠层板状结构的流致振动研究,在势流理论下,基于输流管道的哈密顿原理,建立叠层板状结构的流致振动模型,用微分求积法对模型的运动方程进行求解,研究系统零流速状态的固有频率和模态,运用特征值分析与响应分析结合的方法,确定系统失稳的临界流速与形式。结果表明,悬臂支承模型发生颤振失稳;两端固支模型发生屈曲失稳。     

复杂约束三维功能梯度输流管道稳定性和临界流速分析

针对输流管道在恶劣的动力学环境所受到多方向载荷所引起的管道结构失效或破坏等问题,提出一种新型三维功能梯度材料构造输流管道来提升管道的载荷忍耐力。基于欧拉伯努利梁理论,考虑流体和管道的耦合关系,利用哈密顿变分原理建立复杂约束下三维功能梯度输流管道的运动微分方程。利用微分求积法求解,分析流体流速提升所引起的三维功能梯度输流管道振动的固有频率变化,当第一阶固有频率首次降低为0系统失稳,所对应的流体流速被确定为系统的临界流速。研究复杂约束线性和扭转弹簧刚度、轴向、径向和环向功能梯度指数等物理参数对输流管道振动频率和临界流速的影响。研究结果表明：当流速较小时,增加轴向功能梯度指数和降低径向和环向功能梯度指数会降低系统的基频和提高系统的临界流速;而当流速较大时,系统的基频随着三维功能梯度指数的变化会展现相反的趋势。增大三维功能梯度指数能降低系统的第二阶固有频率。这说明通过调节复杂约束和三维功能梯度参数能够实现对输流管道稳定性的调控。     

基于分离系数矩阵差分法的输流管道轴向耦合响应特性研究

利用分离系数矩阵差分法配合隐式欧拉法,针对输流直管轴向振动流固耦合-四方程模型进行数值仿真计算,研究在水锤激励下,输流直管耦合轴向振动响应特性。分离系数矩阵差分法避开特征线法复杂的时间或空间插值,能根据波的传播方向选择适当的差分公式进行计算,简单可行且稳定性较好。将该数值模式的计算结果与前人的数值结果和经典水锤理论对比,吻合良好,表明其具有较高的适应性和准确性。对比分析了仅考虑泊松耦合时和同时考虑泊松与连接两种耦合时,流体流速、管内压强、轴向管道振动速度以及管壁应力四个特征参数的响应特性。结果表明,两种耦合作用对管道轴向振动特性的影响不容忽视,泊松耦合主要影响振动响应幅值,而连接耦合不仅会影响振动幅值,还会影响振动频率。     

功能梯度输流管的非线性自由振动分析

应用一个适用于管的高阶梁模型,分析并计算了功能梯度管在内流作用下的自由振动问题,该模型能够满足管内外表面剪应力为零的边界条件。基于该模型和哈密顿原理,得出了管道振动的控制方程。然后利用Galerkin方法将非线性偏微分控制方程离散,保留一阶振型,采用多尺度法得到了管道振动的自然频率和非线性频率的解析表达式。最后数值计算验证了方法的正确性,并且分析了内流流速、管厚和功能梯度参数等对管道振动频率的影响。     

脉动环状流作用下输流管道的非线性振动特性分析

输流管道内流体的脉动是造成管道系统失稳的重要因素。对于环状流虽然气、液两相速度相差很大,但液相介质流动特性对管道振动特性的影响不容忽视。为了分析环状流液相介质的脉动对管道非线性振动的影响,建立了管道横向振动模型。模型方程利用Galerkin法进行离散,同时采用四阶Runge-Kutta迭代方法求解。分析了包括固有频率、临界气速、分岔、混沌等基本动力学特征。研究结果表明,表观液速增加不仅导致系统固有频率显著下降而且使得系统的临界气速下降。当不考虑液相脉动时,只观察到Pitchfork分岔,表观液速由0.2 m/s增加到0.9 m/s过程中分岔起点由31.9 m降低到21.8 m。当液相介质脉动时,管道系统随着脉动频率增加检测到包括多种形态的周期运动、概周期运动以及混沌等振动形态。研究结果对于工程具有指导意义。     

基于贝叶斯估计的结构固有频率不确定性分析

在结构振动测试中,由于测试环境影响、试验设备、操作人员以及模态分析过程中的简化,试验获取的结构模态参数中包含了不确定因素。为了正确的估计结构物理参数的统计特性,在贝叶斯估计方法中选择共轭先验分布,结合试验数据导出后验分布,得到了结构固有频率均值及方差的估计值。对一个4层钢筋混凝土框架结构模型进行了振动测试。试验结果表明:在不能获得大量样本信息时,充分利用先验信息,结合现场测试数据,对频率参数进行估计,能够有效地减小均值与方差的可信区间长度,具有工程实用参考价值。     

GDQR求解弹性地基上输流管道的稳定性

用广义微分求积法（GDQR）研究了弹性地基上输流管道的稳定性问题。基于输流管道运动微分方程及边界条件,采用GDQR进行离散化,获得由动力方程组及边界条件合成的特征值矩阵方程。通过对相应特征值方程的具体分析,计算了左端固定、右端弹性支承下输流管道的发散失稳流速和颤振失稳流速,研究了临界失稳流速和稳定区域随两端支撑弹簧刚度、扭转弹簧刚度的变化情况,分析了质量比、双参数模型地基反力系数和剪切模量对输流管道稳定区域图的影响,得到了一些有益的结论。研究结论对于工程实践有一定的指导意义。     

输流管道参数共振实验研究

运用非接触测振技术对两端固定输流管道在脉动流作用下的参数共振问题进行了实验研究。通过搭建的实验平台,在功能上实现对流速、脉动频率以及脉动幅值的有效控制,实验通过激光测振技术获取实验管道的振动信息,通过多组测试,利用实验结果拟合出管道第一振型1/2次谐波参数共振区域,与理论计算结果定性上一致。     

不同入射角下圆柱涡激振动的数值研究

采用二维非定常雷诺平均N-S方程和剪应力运输k-ω模型,结合四阶龙格-库塔法,选取4种不同入射角(α)对二自由度圆柱涡激振动响应影响进行数值研究。比较了不同来流角度下圆柱涡激振动幅值、结构振动频率、锁定区间、漩涡脱落模式、斯特劳哈尔数、水动力系数和捕能效率的影响。数值结果表明,来流角度变化会使圆柱涡激振动响应产生多频率特性,且随着来流角度的增加y方向振幅逐渐减小,x方向振幅逐渐增大。不同来流角度下涡激振动响应均产生明显的锁定现象,锁定区间宽度随来流角度的变化不明显。但随着来流角度的增加,y方向力系数均方根与x方向力系数均值均有下降的趋势。     

强振动环境下液压管道主动减振建模

针对在强振动环境下工作的液压管道,建立振动液压管道梁模型,并结合管道流固耦合横向振动模型建立管道的主动减振模型。运用特征线和差分计算方法求解该数学模型,并且研究主动振动相位差、频率、作用位置和幅值对管道振动的影响规律,得到各减振参数对管道最大幅值和最大应力的影响曲线。发现当振动相位差为π时能使管道的最大幅值和最大应力分别降低44.55%和39.69%,并且适当调整其他三个参数有更佳的减振效果。研究结果表明,使用主动减振方法能够有效减小管道的振动,为管道主动减振提供一定的理论参考。     

基于广义有限差分法的输流直管振动响应特性研究

基于输流直管横向振动微分方程,采用广义有限差分法和Houbolt法分别对空间和时间上的偏微分项进行离散,建立高阶精度的无网格法数值模式。将该数值模式应用于两端支撑轴向运动梁模型和两端固支输流直管模型,所得的固有频率和振幅时程等与前人研究成果和理论解均吻合良好;并对不同总点数N、时间步长△t、子区域选点数n_s的数值结果进行对比,表明提出的数值模型在求解输流直管振动响应问题上具有良好的准确性和鲁棒性;对比分析了三种不同支撑条件(两端固支、两端简支和一端固支一端简支)下输流直管的振动响应特性。结果表明:两端简支时输流直管中点处的振幅最大,振动频率最小;两端固支时输流直管中点处的振幅最小,振动频率最大;且在端部约束限制条件不对称时,其振动幅值最大值出现位置会向弱约束端偏移。