考虑动态腐蚀的输流管道时变共振可靠性及灵敏度分析

考虑输流管道受到环境动态腐蚀,壁厚变化引发输流管道固有频率变化,从而可能导致共振。因此,考虑时间变化以及输流管道结构参数、流体参数和外部激励频率的不确定性,采用Galerkin法求解输流管道固有频率,建立时变防共振功能函数,引入基于自适应Kriging模型的时变可靠性算法对时变失效概率进行高效求解,并与MCS法和SL-ALK法对比验证了方法的准确性,采用变量灵敏度指标评估各随机变量对时变失效概率的影响,分析了流体密度和流速对于时变共振失效概率的影响规律。

穿河输流管道自埋特性试验研究

针对穿河输流管道易受水流冲刷破坏,导致输运介质泄露的问题,通过试验研究穿河输流管道自埋特性,观测了管道自埋过程和地形剖面特征,分析了管道自埋程度的影响因素。结果表明,在一定水力条件下,当穿河管道具有一定的初始嵌入度时,管道底部河床泥沙不会冲穿,管道反被泥沙掩埋,具有明显的自埋特性,穿河输流管道前后掩埋斜坡坡度均趋于稳定值;管后相对掩埋距离L/D随弗劳德数Fr增大而增大,随初始嵌入度e/D增大而减小。

轻微弯曲输流管道的非线性强迫振动特性

为了掌握轻微弯曲输流管道在外激励下的非线性振动特性,基于哈密顿原理建立了轻微弯曲输流管道的非线性振动方程,并使用伽辽金截断法将振动方程离散为非线性常微分方程组。利用增量谐波平衡法求解系统的非线性动力学响应,并使用Floquet理论研究系统响应的稳定性和分岔行为。研究结果表明,轻微弯曲输流管道在一些参数下同时具有软弹簧特性和硬弹簧特性。分析系统参数对响应的影响表明,随着管道弯曲程度增加,系统的响应特性由硬弹簧特性转变为软弹簧特性。可见,管道的初始弯曲是影响输流管道系统振动特性的重要因素,因此在输流管道的设计中必须考虑管道弯曲构型的影响。

基于绝对节点坐标法的复杂构型输流管道简支支承设计研究

输流管道广泛应用于海洋、核电、航空航天等重大工程领域,因管道与流体间的耦合效应,在流体作用下管道会出现屈曲、颤振等失稳行为.一般而言,边界支承对管道动力学特征有着重要影响,不同支承位置显著影响管道的稳定性与振动特性.当前关于管道流固耦合动力学的研究大多集中于单一的直管或规则型弯管(如弧型、半圆型和正弦型等),对于实际工程中常见的复杂构型管道,比如L型、S型和U型等,研究还较为少见.文章基于绝对节点坐标法(absolute node coordinate formulation, ANCF)建立了具有普适性的非线性振动理论模型,可用于解决任意构型和任意支承边界下输流管道动力学问题.以L型、S型和U型3种典型构型输流管道为研究对象,首先开展了收敛性分析,找出合适的计算单元数.然后借助CFD仿真结果与理论模型进行对比验证,计算结果表明,相较于有限元方法,基于绝对节点坐标法建立的理论模型在预测复杂构型输流管道的非线性变形时,具有更高的计算效率.基于该理论模型,研究了简支支承位置对3种构型输流管道的固有频率、屈曲位移和应变特征的影响规律.研究发现,存在最优简支支承位置使得输流管道基频达到最大、屈曲位移和应变的极值达到最小.本研究为提高工程中管道的稳定性与使用寿命提供了理论依据与设计指导.

基于多角度弯曲高压输流管道流固耦合分析

弯曲高压输流管道在工程实践中应用广泛,为分析其输流特性,通过构建动力学模型,应用SolidWorks软件建立定圆角多弯曲角度管道有限元模型,ANSYS的Workbench平台搭建Fluent模块和瞬态结构模块进行流固耦合,创建数据传输进行模态分析,进而研究高压流体流入管道后在弯道处对管壁的冲击力大小、应力、应变的数值变化。结果表明,不同角度输流管道对管壁的影响不同,从而为工程实践合理规避管道压力的危害提供理论参考。

含摩擦界面复合材料输流管道非线性振动分析

针对含摩擦界面复合材料输流管道流固耦合动力学问题,基于Reissner薄壳理论和对流波动方程建立了纤维增强复合材料管道和流体介质的动力学方程,采用宏观滑移摩擦模型刻画管道摩擦界面上的非线性摩擦力分布,发展轴对称半解析有限元方法来构建含摩擦界面复合材料输流管道非线性动力学模型,研究了流体载荷和摩擦界面等对管道非线性振动响应的影响.结果表明,含摩擦界面复合材料输流管道摩擦界面上点的滞回曲线由两个对称的黏滞区域和两个对称的滑移区域组成,摩擦界面的黏滞-滑移切换导致输流管道振动响应除包含激励频率外,还包含一系列奇次超谐波;随着界面摩擦系数增大,输流管道基频处的轴向振幅减小,法向振幅增大,而3次超谐波处的轴向及法向振幅先增大后减小;随着界面摩擦刚度增大,输流管道基频及3次超谐波处的轴向振幅先减小后增大;来流速度主要影响含摩擦界面输流管道的法向振动,对管道的轴向振动影响很小.

基于Fluent双相流管道的腐蚀仿真分析

基于Ansys软件中Fluent模块,结合当前管道的腐蚀机理,对双相流管道进行模拟仿真。采用CFD方法对双相流管道内的气相、液相不同流型的仿真结果进行分析,考虑不同流动流型对管壁腐蚀影响,通过调整管内气液相的混合比进行建模和模拟,研究管壁的动态特性。用数值分析及仿真等方法预测管道腐蚀的情况,结果表明:当流体流入管道,管道内部流体形成段塞流流型时,在管道壁面形成的静压力集中相较于分散流和分离流2种流型产生的压力波动更大;并且随着气体体积分数的变化,管壁的静压力呈现非线性增长。调整气相和液相的混合比,气体体积分数随之改变;段塞流流型下,气体体积分数越小,管壁所受的静压力越大。改变管道内部的流型,可以减轻静压力对管道的腐蚀影响。影响双相流管道腐蚀的因素非常多,而且多种因素之间相互作用、相互制约。不同流型对管壁的影响不同,其中段塞流的影响更明显。

具有环状运动约束的悬臂输流管道的非线性振动特征

本文对具有环状运动约束的悬臂输流管道的空间弯曲振动进行研究,目的在于考察约束刚度系数、约束放置位置对管道的两类周期运动(包括平面周期运动和空间周期运动)及其稳定性的影响规律.首先,在已有文献的基础上,将运动约束对管道的作用模拟成非线性立方弹簧模,得出振动方程.其次,运用Galerkin方法将振动方程离散成常微分方程组,结合基于中心流形—范式理论的投影法与平均法,给出了决定系统定性动力学性质的相关系数(包括临界特征值随流速的变化率及非线性共振项),取模态截断数为6,在几组约束刚度值和约束位置处计算了上述系数,据此考察了运动约束对管道的周期运动的影响,总结出了如下结论:在约束位置取定时增加约束刚度,或在约束刚度取定时增大约束位置至管的固定端的距离,均会使得管道的稳定平面周期运动对应的质量比区间减小,稳定空间周期运动对应的质量比区间增大;约束位置距管的固定端越远,约束刚度的变化对管道动力学行为的影响越明显.最后,对上述通过投影法和平均法得出的结论,本文在特定的质量比处数值求解了原振动方程的6模态Galerkin离散化方程,绘制了位形图、相图和Poincaré映射图,计算了频率,从而验证了相关的分析.

长距离重力流管道在硬土层采用定向钻设计探讨

长距离重力流管道采用定向钻技术主要受地质情况、水文条件、现场施工环境、埋深等因素的影响。本文结合厦门市324国道提升改造工程污水管道定向钻穿越工程实例,全面介绍了管道采用定向钻技术的基本原理及研究现状,系统阐述了重力流管道在硬土层采用定向钻工艺的导向过程控制、回拖改进措施及钻进过程中遇到突发事件的解决方案,为类似长距离重力流管道在硬土层施工采用定向钻技术提供工程参考。

扭转弹簧约束下输流管道在分布随从力作用下的稳定性

采用Bernoulli-Euler梁模型为基础,建立了扭转弹簧约束下输流管道的动力学方程,并利用伽辽金法(Galerkin method)方法将方程离散。通过对特征值的分析,研究了约束弹性刚度、质量比和分布随从力等参数对输流管道复频率特性和临界流速的影响。通过复频率随流速变化的曲线,分析不同参数下管道的稳定性。研究结果表明:随着扭转弹簧刚度增加,管道失稳时的临界流速明显提高;随着分布随从力增加,管道失稳时的临界流速明显减小。当扭转弹簧约束下的输流管道在受到分布随从力作用时,输流管道的失稳方式为发散失稳和颤振失稳。

超临界流速下两端固定输流管道横向非线性受迫振动

研究横向谐波激励作用下两端固定输流管道在超临界流速下的非线性受迫振动,采用Euler-Bernoulli梁理论,运用广义哈密顿原理建立输流管道横向受迫振动控制方程。推导两端固定输流管道的屈曲静平衡位形和临界流速。通过有限差分法数值仿真得到输流管道在超临界流速下的全局振动稳态幅频响应。通过分析全局稳态振动响应,验证屈曲静平衡位形的正确性。此外,系统参数对超临界输流管道受迫振动稳态响应的影响表明非线性系数和刚度系数会显著影响输流管道的超临界振动平衡位置;管流质量比的减小会使共振频率增大。

准零刚度隔振器对多跨输流管道隔振性能分析

输流管道在低频激励的振动下会引起疲劳、失效等结构损伤,为克服线性粘弹性隔振器隔振频带与承载能力之间的限制。采用阻尼和弹簧构造非线性准零刚度隔振器,控制多跨输流管道的振动,以实现低频隔振。用哈密顿变分原理建立多跨输流管道在有无隔振器情况下的偏微分方程,通过伽辽金法和龙格-库塔法进行求解。分析了准零刚度隔振器对输送流体管道多模态振动的影响,使用绝对运动传递率来评估隔振器的性能,并与线性粘弹性隔振器进行比较。结果表明准零刚度和线性粘弹性隔振器对多跨输流管道在高频区域内都具有良好的性能,但在低频区域内前者隔振性能更好。该装置可应用于长距离连续多跨输流管道的隔振。

弹性地基输流管道的耦合模态颤振分析

推导出了弹性地基输流管道的固_液耦合振动微分方程 ,用幂级数法计算了Winkler模型地基和双参数模型地基输流管道的临界流速和复频率 ,分析了弹性地基对输流管道静力稳定性与动力稳定性的影响· 结果表明 ,与不考虑弹性地基的情况相比较 ,弹性地基的作用可使管道发生静力失稳和动力失稳的临界流速增大 ,并且增大弹性地基参数可提高静力失稳和动力失稳的临界流速 ,从而推迟发散与颤振的发生· 当质量比 β较大时 ,管道会在某个地基参数组合下 ,在发生静力失稳后 ,会在较高流速下出现再稳定和再发散现象 ,然后发生耦合模态颤振·

悬臂输流管道的运动分岔现象和混沌运动

研究受约束悬臂输流管道的稳定性和运动分岔问题.在静态与动态失稳区域边界上的一个交叉点附近,用理论分析的方法详细研究了该系统可能发生的复杂运动和运动分岔现象.在动态失稳区域内发现了输流管道的概周期运动和由于概周期运动环面破裂而导致混沌的现象.理论分析结果与数值模拟结果相吻合.

两端支承输流管道的稳定性和临界流速分析

推导两端支承梁弯曲振动的频率方程和振型函数的解析表达式。利用频率方程讨论两端扭转弹簧刚度变化对梁的前两阶弯曲振动特征值的影响。以两端支承梁的振型函数为假设振型导出两端支承输流管道在定常流作用下临界速度的解析表达式,为今后分析这类系统的动态响应提供理论依据。利用临界流速公式系统地分析和讨论扭转刚度、重力系数和轴向预紧力对管道临界流速的影响特性。研究结果表明,量纲一扭转弹簧刚度在0到50区间内变化时对临界流速的影响较大,但大于50时影响明显减弱。当重力系数和轴向预紧力增大时,临界流速也随着增大。一般而言,两端扭转弹簧刚度越大也会增大相应的临界流速值。

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N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N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。

两端固定输流管道的稳定性和参数共振

研究了两端固定输流管道在脉动内流作用下的参数共振问题。用平均法导出了管道失稳判据和三种参数共振区域的边界曲线方程 ,讨论了系统参数对失稳区域的影响。用数值方法给出了各种参数共振的响应曲线 ,分析了其存在区域以及响应频率与脉动流频率之间的关系。研究结果表明 ,组合共振区域内可发生拟周期运动和组合周期运动 ;组合共振曲线能延伸到第二振型次谐波共振区域 ;第一振型次谐波共振曲线能覆盖整个组合共振区域 ,而且能延伸到第二振型次谐波共振区域。因此 。

基于动强度可靠性的输流管道动力优化设计

建立以支撑(位置、刚度)和截面几何特性为设计变量,以结构重量极小化为目标,以动强度可靠性指标和固有频率为约束的管道动力优化模型。针对某类管道,对支撑位置、刚度和管径进行优化分析,得到了支撑、截面参数和管道动力特性之间的关系。计算结果表明此优化方式是合理有效的。经过优化,提高了首超可靠度,减轻了结构重量,降低了动应力,增强了管道的抗振能力。

分析一般支承输流管道的非线性动力学特性

研究两端受到线性弹簧支承和扭转弹簧约束的一般支承输流管道在自激-参数激励-外激励联合作用下的非线性动力学特性,揭示其通向混沌的途径。根据梁模型横向弯曲振动模态函数,由两端一般支承梁的边界条件得到其模态函数的一般表达式,采用Galerkin法将运动方程在模态空间内展开,利用非线性动力学分析方法,研究系统在平均流速和平均压强变化时非线性动力学响应。数值仿真结果表明,在一定的弹性系数下,随着平均流速和平均压强的增加,系统响应的概周期环面逐渐扩大直至破裂,系统响应出现阵发性混沌和混沌运动,表明概周期环面破裂和阵发性是系统进入混沌运动的两种途径。

不同支撑刚度对输流管道系统动力学特性完整性影响

针对输流管道系统支撑位置与刚度变化会引起输流管道动力学特性改变等问题,基于输流管道流固耦合作用,将支撑简化为等效质量及六个方向刚度系数弹簧,分析不同刚度系数下输流管道固有频率与相对振幅值,分析与评估不同支撑刚度对输流管道系统动力学特性完整性影响。结果表明,选择合适的支撑刚度对完善输流管道动力学特性的完整性作用非常重要。