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输流管道横向振动机理及其控制研究

梁峰  
【摘要】:输流管道在航空航天工程、水利工程、石油化工、农业及人们日常生活中都有着广泛应用。由于流固耦合的作用,当管道内流体的流速较高或其发生脉动时,常常会引起管道的强烈振动,严重时会导致管道破裂损毁而造成无法估计的损失。为了使管道能够安全稳定地在各行业中发挥作用,就需要对其振动机理及如何控制振动进行深入研究。 本文首先分析了输流管道流固耦合振动问题的研究现状,然后采用理论结合实验的方法对输流管道的稳定性、参数共振、具有内共振的强迫振动以及振动控制等问题展开研究,结论可为工程中管道的稳定性分析和危害评估提供必要的理论依据,也为管道振动的可行性控制奠定了理论基础。全文主要研究内容包括: (1)建立了输流管道系统的力学模型,利用牛顿法推导了管道横向非线性振动微分方程,并进行了无量纲化和离散化,得到了最简形式的运动微分方程。 (2)对两端支承及弹性地基上管道系统的静态和动态稳定性进行了分析。利用Galerkin离散法和复模态方法计算了系统的固有频率和临界流速,并应用平均法得到了脉动内流作用时管道的前两阶主参数共振和组合共振区域,讨论了地基的线性刚度、剪切刚度及其它一些参数对系统稳定性的影响。研究发现,系统的固有频率和稳定性将随流速的增大而降低;地基的剪切刚度对系统稳定性的影响相当显著,不能忽略;同时管道预紧力、流体介质与管道质量比、粘弹性系数和管内介质平均流速等参数也会对系统的稳定性产生一定的影响。 (3)利用增量谐波平衡法对管道非线性运动方程进行求解,并用数值方法对结果进行了验证。根据方程解的情况分析了脉动流作用下管道系统的动态响应特性。结果表明,增量谐波平衡法是求解非线性振动问题的精确有效的半解析半数值方法;随着脉动流频率的增大,系统响应振幅的解会出现分岔情况,导致系统可能出现零响应,稳定响应,或零响应、稳定、不稳定响应共存的情况;系统发生第几阶参数共振,第几阶模态就对响应起主要作用,而其它模态的影响很微弱。 (4)利用多元L-P法和增量谐波平衡法对两端铰支和两端固定管道具有内共振的横向强迫振动进行研究,并对两种方法的结果进行比较分析。讨论了前两阶主共振和组合共振响应情况及内共振与外激励幅值的关系,并分析了各模态的振动情况。研究发现,在系统第2阶固有频率约为第1阶固有频率3倍的情况下,当外激励频率接近前两阶固有频率或其和的一半时,系统将发生内部共振,两个模态相互激励。但某些内共振的发生取决于外激励幅值的大小。 (5)采用陶瓷压电片作为控制激励器和模态传感器,根据最优控制方案对弹性地基上脉动流管道的参数共振实施了主动控制,并分析了控制参数对控制效果的影响。数值模拟结果表明,本文设计的最优控制器可使管道的各种参数共振均得到较好的控制,同时还具备一定的抗参数扰动能力。 (6)对脉动流作用下输流管道的动态稳定性进行了实验研究。建立了输流管道实验系统,给出了一些关键参数的有效测量方法,并对两种管道的第一阶1/2次谐波参数共振进行了重点观察与分析,用实验的方法确定了相应的参数共振区域。将其与理论共振区域进行对比,结果在定性上吻合得比较好。同时对误差产生的原因进行了讨论。


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