强振动环境下缠绕式液压胶管流固耦合特性

针对TBM破岩过程产生基础振动对液压胶管内流体动态特性影响,根据层合板理论建立缠绕式液压胶管振动梁模型,并结合轴向流固耦合模型建立胶管轴向振动动力学模型。运用特征线法求解该数学模型,研究基础振动参数和胶管结构参数对流体响应特性影响,发现胶管出口压力波动幅值随基础振动振幅呈线性增加的趋势,随振动频率增加,在40 Hz左右达到最大,此时振动频率接近系统固有频率;胶管出口压力峰值随液压胶管长度增加而减小,胶管内径在8 mm到30 mm变化时,其先增大后减小,随泊松比增大而增大。研究结果表明振动沿胶管轴向分量加强了流体与胶管互动效应,可为TBM液压管系设计和抗振提供理论依据。     

轴向基础振动对缠绕式液压胶管沿程压力衰减特性影响

液液压胶管在硬岩掘进机（TBM）液压系统中大量使用,管内流体动力学行为影响系统的安全可靠性。为了得到振动环境下管内流体压力沿管长方向的衰减特性,基于复合材料经典层合板理论和流固耦合理论,建立了缠绕式胶管轴向振动的流固耦合模型,得到沿胶管管长方向压力损失的数值计算公式,仿真与实验研究了振动参数、结构参数和流体参数对压力衰减特性的影响,研究结果表明：沿程压力损失的幅值随着基础振动振幅的增加呈线性增长,随振动频率的增加而增加;随胶管管长和管径的增加,沿程损失波动的程度减弱;随流速的增加,沿程压力损失的波动比减小,流体粘度对沿程压力损失波动的影响较小。研究结果为TBM管系设计和抗振设计提供理论依据。     

轴向基础振动对缠绕式液压胶管沿程压力衰减特性影响

液压胶管在硬岩掘进机(TBM)液压系统中大量使用,管内流体动力学行为影响系统的安全可靠性。为了得到振动环境下管内流体压力沿管长方向的衰减特性,基于复合材料经典层合板理论和流固耦合理论,建立缠绕式胶管轴向振动的流固耦合模型,得到沿胶管管长方向压力损失的数值计算公式,通过仿真与实验研究振动参数、结构参数和流体参数对压力衰减特性的影响,研究结果表明:沿程压力损失的幅值随着基础振动振幅的增加呈线性增长,随振动频率的增加而增加;随胶管管长和管径的增加,沿程损失波动的程度减弱;随流速的增加,沿程压力损失的波动比减小,流体黏度对沿程压力损失波动的影响较小。研究结果可为TBM管系设计和抗振设计提供理论依据。     

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。     

基础振动下直动式减压阀动态特性分析

针对基础振动对TBM液压元件性能的影响,为TBM液压元件优化设计提供理论依据,选择直动式减压阀为研究对象,分析其工作原理,建立减压阀的动态响应数学模型,仿真研究基础振动幅值和频率对减压阀波动特性的影响规律,分析减压阀不同结构参数对压力波动的影响.结果表明：基础振动会引起减压阀出口压力波动,波动幅值随振动幅值增加而增大;当基础振动频率大于50 Hz时,压力波动幅值随频率的增加明显增大;减小背压腔初始容积和回流通道直径能提高减压阀的动态稳定性.     

水锤激励下黏弹性输流直管轴向振动响应特性

针对水箱-管道-阀门系统,基于考虑了管壁黏滞作用的输流直管轴向振动流固耦合四方程模型,利用有限差分法和隐式欧拉法,配合牛顿-拉夫逊方法,研究弹性和黏弹性管道在水锤激励下的轴向耦合振动响应特性,对比分析了泊松耦合和连接耦合对管道振动响应特性的影响,并与前人的数值结果和实验成果对比,吻合良好。结果表明:两种耦合作用对管道轴向振动影响不容忽视;只考虑泊松耦合时,管内脉动压力水头增大明显,振动加快;同时考虑泊松耦合和连接耦合时,振动更加复杂,压力水头响应曲线更加不规则;黏弹性管道与弹性管道轴向振动响应特性差别明显,黏弹性管道脉动压力水头会随时间迅速衰减,且相位较弹性管道延迟,而弹性管道脉动压力水头无衰减趋势。     

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。     

一种锥形节流阀工作过程流-固耦合动力学响应的影响因素分析

基于三维流-固耦合有限元动力学仿真分析模型和直接耦合算法,分析了一种锥形节流阀在入口流速脉冲激励下由关闭状态开启而后重新关闭全过程的流量特性、压差特性及阀门开度的高频波动等非线性动力学响应特性,并采用小波分析方法等对阀门开度响应等进行了时-频域分析。选择不同的流体-结构模型的数值积分方法组合及时间步长对流-固耦合动力学求解算法进行了实际应用检验;然后对阀芯质量、弹簧参数与油液参数等系统参数以及激励速度幅值与脉宽等激励参数对其工作过程动力学响应的影响进行了细致的数值分析比较。结果表明:流体模型积分算法的选择对流-固耦合计算结果的影响较大;对该阀而言,阀芯质量与油液体积弹性模量的改变对阀芯振动频率的影响较为显著,油液粘度的改变对阀门开启的滞后量及振动相位的影响较大,而弹簧刚度及预紧力的改变对阀门的最大稳定开度的影响较大;阀芯与阀座间的碰撞使阀芯的振动频率提高。     

输流管道耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。通过实验和数值分析研究输流管道在流固耦合作用下的振动模态、幅频响应等动力特性的变化规律。根据流体三维波动方程和管道动力学方程之间的耦合关系建立空间输流管道系统的直接流固耦合动力有限元模型,进行管道系统有无流体两种工况下的模态实验。通过和实验结果的对比,验证了输流管道耦合动力学模型的合理性和流体对管道模态的影响,研究了不同频率下流固耦合特性对管道幅频响应的影响及作用机理。发现水介质流体显著降低了管道固有频率,但是在不同频率下流体对管道幅频响应的作用效果并不相同。     

一种新型液压管道抗振支承研究

根据管道减振原理,设计一种新型管道液压抗振支承。该液压管道支承通过弹簧、弹簧片对振动能量进行吸收,并具有结构简单、安装方便的优点。建立振动环境下液压管道振动的数学模型,通过仿真分析安装抗振支承前后管道应力的波动响应,并进行实验验证。结果表明:该抗振支承能有效减小管道应力和流体波动,减振后管道应力最大值和流体压力平均波动幅值分别减小了14.80%、40.49%,有关结论能为在基础振动环境下的管道抗振提供一定的依据和参考。     

TBM液压直管道的非线性动力学特性研究

针对TBM掘进过程中产生的振动对液压管道的影响,以液压直管为研究对象,在考虑管道变形的几何非线性及流体脉动的情况下,建立系统的非线性运动微分方程,运用Galerkin方法对其进行离散化,采用数值仿真方法分析基础振动振幅及频率对系统非线性动力学特性的影响规律。结果表明随着基础振动频率和幅值的变化,管道系统交替呈现周期和混沌运动两种形态。系统通过系列倍周期分岔或阵发性混沌进入混沌,通过倍周期倒分岔脱离混沌;当传递到管道上的基础振动频率低于42 Hz时,或者当传递到管道上的基础振动幅值D在(0,2.5)和(6.5,8.4) mm区间时,可以有效避免系统混沌运动的产生,增加管道运动的稳定性。     

The vibration analysis model of pipeline under the action of gas pressure pulsation coupling

Pipeline vibration is the main factor that makes pipeline system can't work properly. And the pressure pulsation of the air flow is one of the important factors, which causes the gas pipeline vibration. In order to further understand the influence of the pressure pulsation on the pipeline system vibration, the analysis model and calculation method of the pressure pulsation and pipe coupling interaction are established. Taking transferring matrix method to calculate the natural frequency of gas column, and using the stiffness matrix method to obtain the pressure pulsation. According to the interaction force between the pressure pulsation and the pipeline wall, the equation of forced vibration of pipeline is established, which can obtain the variation trends of vibration displacement and velocity of pipeline system. Using field test data to verify the theoretical calculation results, the results of the calculated values and test values are within error limits. The results can provide a theoretical basis for the safety evaluation of oil and gas pipeline, and provide a reference for the pipeline mechanical properties research.     

Sectional lumped parameter model using bond graph and simulation for hot asphalt pipelines

ABSTRACT

In order to achieve the matching control of hot asphalt and foaming water and improve the quality of foamed asphalt, fully considering the characteristics of the asphalt pipeline is necessary. Our dynamic model of the hot asphalt pipeline system was constructed by a sectional lumped parameter method, and the dynamic characteristics of the hot asphalt pipeline system were analyzed using Simulink software. The results showed that with decreasing pipe diameter and increasing pipe length and asphalt viscosity, the fluid pressure, flow vibration frequency, and amplitude reduced at the pipeline nozzle, whereas the loss increased. Under these conditions, the dynamic response of the pressure and flow reached the steady state faster. In contrast, with increasing pipe diameter and decreasing pipe length and asphalt viscosity, the fluid pressure, flow vibration frequency, and amplitude increased at the pipeline nozzle, whereas the loss decreased. The dynamic response speed of the pressure and flow attained steady state at a slower pace.     

Analysis on the Pressure Fluctuation Law of a Hydraulic Exciting System with a Wave-exciter

A hydraulic exciting system with a wave exciter has been constructed in order to study the hydraulic vibration law.The system consists of an oil source,wave-exciter and oil cylinder,and is controlled by a wave-exciter.The working principle of the hydraulic exciting system and wave exciter has been analyzed,and its excitation process has been illustrated.The law of every pipe’s pressure fluctuation of the system is obtained by experiment.The theoretical analysis and experimental data prove that the pipeline pressure periodically changes and the pipeline pressure fluctuation frequency is independently controlled by the excitation frequency of the wave-exciter.Every pipeline’s pressure wave is produced by system flow fluctuation and water hammer coupling.The pressure fluctuation rules of the system provide a theoretical basis for the study of the associated liberation system.     

气液固三相管流耦合水击振动特性的参数影响分析

以气液固三相管流为研究对象,采用矢通量分裂法并结合Lax-Wendroff格式和迎风Warming-Beam格式,对浆液池-管道-阀门系统的耦合水击振动响应进行了数值计算,分析了含气率、固液密度比以及固液弹模比等参数对系统振动特性的影响。结果表明:增加含气率可有效地降低压力和应力波速,同时削弱流体压力波动和管道振动强度;当固液密度比增大时,管系振动强度随之增大,系统振动能量的增量主要集中在流体里,造成流体压能升高较快;随着固液弹模比的增加,管系压能和振动强度均增加,但增幅很小;当固液弹模比增加到某种程度后,其对系统压能和振动强度的影响可忽略。     

轴向周期激励下含脉动流体的简支管道横向振动的稳定性分析

研究了轴向周期外激励对含有脉动流体的两端简支输流管道横向振动稳定性的影响。基于经典流固耦合方程,采用了二阶Galerkin 方法对其进行求解,用解的收敛性作为稳定判据求取了管道横向振动的稳定性方程。研究结果表明,在管道某一失稳频率下,当管道受到相应频率的轴向激励且其激励幅在一定限度内时,该激励可以改善简支脉动输流管道横向振动的稳定性;当激励幅超过一定限度,系统的稳定性开始恶化;当轴向周期激励频率远离该失稳频率时,对该失稳频率附近管道的稳定性不产生明显影响。     

爆破地震波作用下燃气管道的安全距离研究

为了保证爆破施工不会对埋地输气管道造成不良影响,研究爆破荷载作用对燃气管道的安全判据非常必要。从理论的角度建立瑞利波作用时燃气管道轴向应变、环向应变与爆破振动速度关系的计算方法,从爆破试验回归分析得到爆破振动速度与爆心距的具体函数关系,进而结合管道最大容许应变计算出在已知装药量的条件下爆破施工时的最小安全距离。结果表明:管道轴向应变、环向应变与振速成正比,结合场地条件计算出地下管道最小安全距离为25.3 m,说明国家燃气管道安全管理条例规定燃气管道50 m范围内禁止爆破施工有较大的安全余地。     

地震载荷作用下液化土中输流管道动态响应研究

将地震载荷作用下的液化区埋土管道模拟成受到液化土弹性力作用下的直梁模型,将管道两端约束等效化为两端弹性支承,考虑管-土间的相互作用和管内流体与管道之间的流固耦合作用,采用梁模型一般振型函数实施模态叠加法对液化区埋地管道进行地震响应的动态分析,探讨了管道、流体和液化土参数对管道上浮反应的影响。数值仿真结果表明:埋土管道在地震作用下砂土液化时的上浮位移,随液化区管道长度、管外径、管内流体流速、液化砂土的密度和管截面受到的轴向压应力的增大而增大,随管内输送流体的密度、液化土的相对弹性系数、管材的粘弹性系数和管截面受到的轴向拉应力的增大而减小,地震加速度幅值对管道上浮位移的影响相对较小。     

地铁隧道掘进爆破对既有埋地管道的动力影响

为研究爆破载荷作用下临近埋地管道的安全性,利用ANSYS/LS-DYNA建立炸药、岩土体、埋地管道的管土耦合模型,对爆破荷载下埋地管道的动力响应进行研究.通过监测管道迎爆面-背爆面特定单元的应力和速度时程曲线,发现距管道两端1/4处的迎爆面存在应力集中现象,背爆面有局部应力放大效应,10～21 ms时管道轴向振动速度最...