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。

脉动顶张力作用下输流立管涡激振动主共振研究

为定量描述海洋工程中输流立管受脉动顶张力作用时的涡激振动响应,本文研究了海洋输流立管受到内部流体、脉动顶张力和涡流激励作用时的参数主共振问题。首先建立了该问题的数学模型,运用Galerkin法和多重尺度法对其进行求解,引入调谐参数描述输流立管第一阶固有频率同顶张力脉动频率和涡流频率的接近程度,通过改变调谐参数,研究输流立管的动力学响应。结果表明:定常顶张力作用下,立管的振幅为单值,随着调谐参数增大,立管振幅先增大后减小,且出现明显的跳跃现象,内部流体速度和张力幅值的竞争机制也会影响立管振幅;脉动顶张力作用时,在一阶锁频的条件下,随着调谐参数变化,立管的振幅呈现“多值—单值—多值”的变化规律,顶张力均值或脉动幅值越大,立管振幅的变化范围越宽。

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。

硬磁软材料输流管的屈曲不稳定性分析

输流管道广泛应用于海洋工程、航空航天、先进制造和生物医学等工程行业和前沿科技领域.在内部流体作用下,软材料输流管易丧失稳定性并出现较大位移.因此,如何预测其稳定性以及调控其力学行为显得至关重要.基于Hamilton原理,建立了磁调控下硬磁软材料输流管道的动力学理论模型,推导了铰支-可滑动铰支边界条件下输流管道的控制方程.在Galerkin方法离散的基础上,对输流管系统进行了稳定性分析.研究发现:当流速小于失稳临界值时,输流管在静态平衡位置保持稳定;当流速大于失稳临界值时,输流管以静态分岔形式发生屈曲失稳.通过求解输流管道的非线性控制方程,得到管道的非线性力学响应.研究结果显示,磁场力幅值P和磁偏角α会共同影响输流管系统的非线性力学响应行为,α的取值决定了系统临界流速和管道屈曲形状随P值增大的演化趋势,实现了对管道屈曲变形行为的磁调控.理论模型还可方便地推广应用于非均匀磁化管道的力学响应分析之中.文章采用的磁场调控方法具有非接触式和快速响应等优势,可望进一步应用于医用器械及极端环境作业等领域.

基于双向流固耦合方法的火箭发动机输流管路振动研究

火箭发动机的液氧煤油输送管路经常发生异常振动,严重威胁火箭发动机安全,处理不当将使火箭发射失败,造成巨大经济损失,因此必须对输送管路振动进行研究。本文建立了包含波纹管、多段弯管及其他附属结构的高压输送管路三维模型,采用双向流固耦合方法,在外源压力脉动激励作用下,对管路进行了振动研究,并通过热试车试验验证了计算结果的有效性。分析结果表明,同一频率下,振动加速度的幅值分布与流场压力幅值分布有明显的相关性,表明流体压力脉动是引起管道异常振动的根本原因,且随着平均压力的升高,管道的振动加剧。可视化结果表明,管道振动剧烈位置主要集中在中间管道和波纹管处。波纹管、弯管和支撑处的应力应变值较大,是容易发生结构失效的危险位置,应重点关注。

具有弹性支承的周期性输流直管的振动分析

利用Laplace变换法对修正流动模型的输流直管的流体诱发振动微分方程进行推导,得到位置相关项的解的具体表达式,基于欧拉-伯努利梁理论并经过化简最终导出输流直管的传递矩阵表达式,进一步获得整个管路系统的特征方程。相比于基于波动方法的传递矩阵法,该方法的特征方程仅为2阶,大大节省计算时间。通过与微分变换法对比发现,运用两者计算输流管路固有频率所得结果几乎一致。考虑到制造误差能够导致管路材质不均匀,用周期性来近似描述材质的不均匀性,利用该方法计算具有弹性支承的周期性输流直管的颤振临界流速,发现材质的不均匀段长度越小,结果越接近纯悬臂式输流直管,运用该方法可以优化弹性支承(包括弹性系数和安置位置)和材料特性,可将其推广至复杂结构的输流管路的动态特性研究,其可为设计人员提供精确的计算结果。

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.

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.

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.

折弯角度及流体对汽车输流管路振动特性的影响研究

为了研究折弯角度和流体对汽车输流管路振动特性的影响,文章通过ANSYS work-bench分析软件,对不同折弯角度(90°、105°、120°、135°和150°)下的空管和充液管路的模态频率及模态振型进行仿真计算,并将输流管路在不同工况下的模态频率进一步处理分析。结果表明,折弯角度的增加和流体的存在均会显著地降低输流管路的模态频率,而在低阶模态下,折弯角度和流体对输流管路模态振型的影响较弱。研究为后期汽车输流管路在充液和空管状态下的设计选型工作提供了依据。

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。

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。

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。

含集中质量不同流向多通道旋转输流管动力学特性分析

涡轮叶片工作环境极度严苛,需要在内部设置多条冷却通道使其冷却降温。叶片在自身旋转和内部流体的共同作用下,会引发系统共振,因此需要对叶片的动力学行为进行研究。本文主要研究旋转叶片在内部流体作用下产生的动力学行为,将含有叶冠和蛇形冷却通道的叶片结构简化为含端部集中质量不同流向多通道旋转输流管,通过计算位移分量在轴向拉伸和弯曲变形的作用下产生的动能、势能以及开放系统下流体作用对系统产生的功,代入Lagrange方程得到系统的动力学方程,将方程无量纲化,使其具有一般性规律。通过求解动力学方程的特征值,计算得到系统的特征频率和阻尼频率。研究结果表明:旋转输流管中流体流速方向会显著影响系统的特征轨迹和振动模态,转速和端部集中质量会显著提高输流管的稳定性。

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·

流固耦合输流管系统的动力学分析及参数影响

为了探究航天器供能系统中输流管系统的动力学问题,建立了输流弯管的有限元模型,并进行流固耦合模态分析,研究了输流管壁厚、管径及弯角角度对其固有频率的影响.另一方面,选取星载质子交换膜燃料电池系统中的一段输流管,进行非定常流输流管动力学响应分析,研究了阀门安装位置和壁厚对管道动位移和应力值的影响.数值结果表明:流固耦合作用降低了输流管的固有频率,随着输流管壁厚的增大,输流管固有频率逐渐增大,输流管管径和弯角角度对输流管的低阶固有频率影响较小,但对高阶固有频率有较大影响;流体的非定常流动会导致管壁动位移值和应力值产生突变,管道动位移幅值和应力幅值受阀门安装位置影响很小,但出现应力极值的位置随其变化而变化;随着输流管壁厚的增加,输流管动位移幅值和应力幅值减小.

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.