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《西北工业大学》 2007年
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埋地输流管道动力学特性及其影响因素分析

侯庆志  
【摘要】:埋地输液管道系统属于重要的生命线工程,是一种特殊的地下结构,在能源输送、城市给排水、化工及核工业等领域中有着广泛的应用。以往关于埋地管道的研究主要集中在外部激励下的管道动响应及管内流体动态特性两个方面,但都很少考虑到流固耦合的作用。然而,关于地上载流管道的研究结果却表明,流体与结构之间的耦合作用可使系统动力学性能发生显著改变。本研究主要是为了探索流固耦合作用对埋地管道动力学行为的影响。 文章首先以振动理论、流固耦合理论为基础,利用行波方法建立了埋地输流管线系统的动力学分析模型,研究了泊松耦合、连接耦合、支承条件及土质条件对埋地管道系统振动特性的影响。然后,基于建立的行波分析模型,将外激励描述为简谐激励,分析了管道结构在管内脉动流体作用以及管外SH波作用下的动力学响应问题,并讨论了影响结构响应的一些因素。为了保证系统模型的准确性,文中探讨了系统建模中的一些参数取值问题。 管流地震动水压力是除水锤作用外,对输流管道破坏较强的又一流体作用。以往的管道地震动水压力设计,大多将流体处理为刚体,这在一定情况下可能是不安全的。为了研究流体可压缩性对管流地震动水压力的影响,文章利用模态叠加法及地震反应谱理论,建立了分析输液管线地震动水压力的数学模型,提出了两种典型工况下的动水压力计算公式,并将计算结果与不考虑流体可压缩性时的刚体动水压力进行了比较,对管流地震动水压力的影响因素进行了讨论。 数值算例分析结果表明,管内流体脉动对管内应力有较大影响,流固耦合作用可使埋地管道系统的SH波响应大幅提高,管道直埋有利于管道受力性能的改善,且硬土的效用高于软土;进行管道动水压力设计时不考虑流体可压缩性,可能带来较大的误差,输液管线中的地震动水压力不仅与地震烈度及静水压力有关,还与管线长度、场地类型、管流所处工况、地震反应谱以及管内流体波速有重要关系。 最后,为了证实行波方法的有效性及流固耦合作用对系统动力学行为的影响,从实验的角度研究了一单跨管道的频谱和频响特性。研究结果表明,流固耦合作用可使系统轴向振动固有频率发生显著改变,考虑流体作用时,整个系统的频率分成了流体组和管道组;比较管道充液前后结构轴向和横向冲击响应的不同,说明了流体对管道冲击响应的影响作用。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U171

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