环境阻尼作用下Kelvin-Voigt型输流曲管的混沌运动

考虑环境阻尼因素的影响,研究了具有运动约束作用Kelvin-Voigt型输流曲管的混沌运动现象．数值仿真表明,输流曲管系统在某些参数取值时具有混沌运动的可能,管道材料的粘弹性系数和环境阻尼等因素对曲管的动力响应产生较大的影响．这些结论可为工程管道系统的铺设与设计提供参考．     

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．     

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.     

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.     

载流导线在磁场中混沌运动区域分析

在考虑电磁场对结构变形影响基础上,假设导线变形为小变形,采用弦的模型建立了载流导线在磁场中的周期激励作用下的横向振动控制方程.利用伽辽金原理及Melnikov方法推导出了载流导线发生混沌运动的临界条件,并讨论了导线张力、导线距离、电流等因素对载流导线混沌运动区域的影响.得到了如下的结论:载流导线的混沌运动区域随导线张力、导线距离的增大而变大;电流小于某一值时,载流导线混沌运动区域随电流增大而减小.     

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.     

基于有限差分法的端部约束同轴圆柱壳的流致失稳分析

本文基于经典壳体和理想势流理论建立圆柱壳流固耦合系统的运动方程,并引入有限差分法(FDM)对运动方程进行离散.为将壳体表面的扰动压力离散到差分网格节点,基于差分离散的原理,提出了以分段函数作为基函数的展开方法.本文对结构与压力控制方程均采用FDM方法进行求解,发展了一种基于FDM的同轴圆柱壳流固耦合求解策略.首先,利用本文方法计算了同轴圆柱壳在静态流体环境中的振动频率,并与有限元软件(ANSYS)的计算结果相比较,验证了本文方法的正确性；然后,探究了在静流体环境中同轴圆柱壳的结构参数变化对其振动频率的影响规律；最后,研究了同轴圆柱壳系统在运动流体环境中的流弹失稳问题.     

用闭环反馈周期脉冲抑制分叉和混沌运动

提出一种抑制分叉和混沌的方法.该方法用控制目标与实时检测的系统状态量之间的差值作为控制脉冲信号,用闭环反馈方式作用于受控系统,达到控制分叉或混沌的目的.首先介绍了该方法的基本原理,然后将该方法用于含间隙往复碰撞振动系统的分叉和混沌异常运动的抑制.利用一个二自由度往复碰撞振动模型作为研究对象,用随机数模拟随机扰动,通过数值仿真的方法对该系统在无扰动和有扰动条件下的分叉及其混沌运动进行抑制.结果表明该方法对这类分叉和混沌异常振动有明显的抑制作用.该方法也适用于其他混沌系统.     

永磁同步电动机的混沌特性及其反混沌控制

永磁同步电动机在一定工作情况下将呈现出混沌运动. 而在其非混沌工作区, 通过在永磁同步电动机系统中增加一个线性控制项, 则将使原本稳定的永磁同步电动机系统呈现出混沌行为, 即实现了系统的混沌化或反混沌控制. 为此本文全面地研究了永磁同步电动机混沌及其反混沌控制特性, 这为永磁同步电动机混沌运动的抑制或利用打下了重要的研究基础.     

利用正反馈引导混沌系统到周期解

提出了一种抑制混沌的方法, 通过对混沌动力系统增加一个基于系统变量的正反馈控制项, 成功而快速引导系统从混沌运动转化为低周期运动. 利用Melnikov方法分析了该控制方法在Duffing振子中实现混沌抑制的控制机理, 得到了结论: 正反馈项可以消除混沌系统的稳定流形和不稳定流形的横截相交. 仿真表明, 该方法简单而广泛适用.     

Bifurcations and chaotic motions of a curved pipe conveying fluid with nonlinear constraints

This paper investigates the bifurcations and chaotic motions of a fluid-conveying curved pipe restrained with nonlinear constraints. The nonlinear equation of motion for the curved pipe is derived by forces equilibrium on microelement of the system under consideration. Depending on the nonlinear equation of motion and the corresponding boundary conditions for the curved pipe, the DQM (differential quadrature method) is introduced to formulate the discrete forms of the equation of motion for the system, which is then solved by numerical methods. Calculations of phase-plane portraits, time history diagrams, PS (Power Spectrum) diagrams, bifurcation diagrams and Poincaré maps of the oscillations establish clearly the existence of the chaotic motions. In addition, the result shows the route to chaos for the pipe is via period-doubling bifurcations, which is affected definitively by several parameters of the system.     

用微分求积法分析输液管道的非线性动力学行为

将微分求积法(Differential Quadrature Method,简称DQM)应用于输液管道的非线性动力学分析,采用此法研究了受非线性约束输液管道的分岔现象和混沌运动问题.从悬臂输液管道模型出发,利用微分求积法形成管道的动力学方程.以分岔图、相平面图、时间历程图和Poincare映射等分析手段考察了系统参数(管内流速)变化对管道振动形态的影响.结果表明,在所研究的系统中存在出现倍周期分岔现象和混沌运动的参数区域,这与前人的研究成果具有一致性.这为一类结构的非线性动力响应问题提供了一种新的研究思路.     

分析两端扭转弹簧约束下简支输流管道的动力特性

研究了两端受扭转弹簧约束的简支输流管道的固有频率特性和静态失稳临界流速.根据梁模型横向弯曲振动模态函数,由端部支承和约束边界条件得到了其模态函数的一般表达式.根据动力方程的特征方程,具体分析了约束弹性刚度、流体压强、流速和管截面轴向力等参数对管道固有频率特性和静态失稳临界流速的影响.数值分析表明,约束弹性刚度的增大使管道的固有频率和失稳临界流速明显提高;流体流速、压强和管截面受到的轴向压力的增加使管道的固有频率和失稳临界流速降低.当管道的固有频率和失稳临界流速较低时,可以通过增加端部约束的方法来提高.     

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.     

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.     

Size-dependent vibration analysis of multi-span functionally graded material micropipes conveying fluid using a hybrid method

Microscale fluid-conveying pipes and functionally graded materials (FGMs) have many potential applications in engineering fields. In this paper, the free vibration and stability of multi-span FGM micropipes conveying fluid are investigated. The material properties of FGM micropipes are assumed to change continuously through thickness direction according to a power law. Based on modified couple stress theory, the governing equation and boundary conditions are derived by applying Hamilton’s principle. Subsequently, a hybrid method which combines reverberation-ray matrix method and wave propagation method is developed to determine the natural frequencies, and the results determined by present method are compared with those in the existing literature. Then, the effects of material length scale parameter, volume fraction exponent, location and number of supports on dynamic characteristics of multi-span FGM micropipes conveying fluid are discussed. The results show that the size effect is significant when the diameter of micropipe is comparable to the length scale parameter, and the natural frequencies determined by modified couple stress theory are larger than those obtained by classical beam theory. It is also found that natural frequencies and critical velocities increase rapidly with the increase of volume fraction exponent when it is less than 10, and the intermediate supports could improve the stability of pipes conveying fluid significantly.