悬臂输液管的非线性振动及其被动控制

论文摘要

在航空航天、海洋工程和石油化工等领域中,作为输运系统的重要连接部件,输液管的重要性逐渐凸显出来。广阔的应用范围以及多变的应用环境,导致输液管受到的外界作用复杂多变,常见的外界作用包括碰撞约束、基础激励和外部横向流等。基于此,本文建立了悬臂输液管在各种不同外部激励下的动力学理论模型,研究了悬臂输液管在各种工况下的非线性振动特性;此外,对悬臂输液管振动的被动控制也做了相关的研究。本文的主要研究成果如下:1.揭示了基础激励幅值与频率对悬臂输液管振动响应的影响。首先确定了数值求解收敛性所需的模态截断数,然后分析了基础激励幅值较小时内流速对管道受迫振动的影响,研究了一阶共振、跳跃以及淬灭等现象发生与消失的规律,最后分析了基础激励幅值较大时管道的超谐共振特性。2.提出了一种悬臂输液管振动的被动控制方法,研究了不同物理与几何参数的线性动力吸振器对悬臂输液管振动的控制效果。基于动力吸振器的质量比、阻尼系数、刚度以及安装位置等参数,采用正交参数分析法,研究多个不同参数对悬臂管稳定性的影响规律;通过优化动力吸振器各个参数的取值,不仅有效地提高了悬臂输液管系统的临界流速,而且较好地抑制了悬臂输液管非线性振动的幅值。3.探讨了非对称碰撞约束对悬臂输液管非线性振动特性的影响规律。从悬臂输液管系统非线性碰撞振动的控制方程出发,将非对称碰撞约束的间隙偏移量引入光滑三线性碰撞力模型中,着重分析了约束间隙、约束刚度和间隙偏移量对系统分岔路径的影响,揭示了管道出现pitchfork分岔、倍周期、混沌振动以及粘连等力学行为的规律。4.将悬臂输液管的非线性振动方程与尾流振子方程耦合,研究了碰撞约束下管道系统的非平面涡激振动响应。首先校验了本文研究方法及计算程序的准确性,其次分析了系统在无外流时的动态响应行为,然后探讨了亚临界内流速与超临界内流速对管道涡激振动的影响规律,最后给出了不同碰撞约束位置对悬臂输液管涡激振动的影响规律。5.提出了采用管中管结构来抑制悬臂输液管涡激振动的构想,并通过大量算例探究了输液管中管结构的稳定性和涡激振动机理。采用一个分布的线性阻尼和非线性弹簧来模拟绝缘夹层与内外管之间的相互作用,依次研究了悬臂输液管中管结构的稳定性、无外流时的振动响应、以及亚临界与超临界内流速情形下的非平面涡激振动特性,研究结果显示管中管结构可有效的提高颤振失稳临界流速并降低涡激振动的幅值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 现有研究存在的不足
•   1.4 本文的创新点和主要工作
• 2 悬臂输液管平面内的自激与受迫振动行为
•   2.1 引言
•   2.2 理论模型
•   2.3 悬臂输液管面内的自激振动
•   2.4 悬臂输液管面内的受迫振动
•   2.5 小结
• 3 线性动力吸振器对悬臂输液管平面振动的抑制作用研究
•   3.1 引言
•   3.2 模型建立
•   3.3 计算结果及分析
•   3.4 小结
• 4 碰撞约束下悬臂输液管的非线性平面振动
•   4.1 引言
•   4.2 理论模型
•   4.3 计算结果与讨论
•   4.4 小结
• 5 横向流与碰撞约束作用下悬臂输液管的非平面涡激振动
•   5.1 引言
•   5.2 控制方程
•   5.3 计算结果及分析
•   5.4 小结
• 6 横向流作用下悬臂输液管中管的非平面涡激振动
•   6.1 引言
•   6.2 理论模型
•   6.3 计算结果及分析
•   6.4 小结
• 7 总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间完成的学术论文及其他成果
• 附录2 攻读博士学位期间参加和主持的科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘智远

导师: 王琳

关键词: 悬臂输液管,基础激励,非对称约束,线性动力吸振器,非平面涡激振动,输液管中管结构

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,力学,公路与水路运输

单位: 华中科技大学

基金: 国家优秀青年科学基金项目(No.11622216):输液管系统动力学。主持人:王琳

分类号: O231;U171;O322

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.005085

总页数: 149

文件大小: 22911k