【摘要】：在航空航天、海洋工程和石油化工等領(lǐng)域中,作為輸運系統(tǒng)的重要連接部件,輸液管的重要性逐漸凸顯出來。廣闊的應(yīng)用范圍以及多變的應(yīng)用環(huán)境,導(dǎo)致輸液管受到的外界作用復(fù)雜多變,常見的外界作用包括碰撞約束、基礎(chǔ)激勵和外部橫向流等�；诖�,本文建立了懸臂輸液管在各種不同外部激勵下的動力學(xué)理論模型,研究了懸臂輸液管在各種工況下的非線性振動特性;此外,對懸臂輸液管振動的被動控制也做了相關(guān)的研究。本文的主要研究成果如下:1.揭示了基礎(chǔ)激勵幅值與頻率對懸臂輸液管振動響應(yīng)的影響。首先確定了數(shù)值求解收斂性所需的模態(tài)截斷數(shù),然后分析了基礎(chǔ)激勵幅值較小時內(nèi)流速對管道受迫振動的影響,研究了一階共振、跳躍以及淬滅等現(xiàn)象發(fā)生與消失的規(guī)律,最后分析了基礎(chǔ)激勵幅值較大時管道的超諧共振特性。2.提出了一種懸臂輸液管振動的被動控制方法,研究了不同物理與幾何參數(shù)的線性動力吸振器對懸臂輸液管振動的控制效果�；趧恿ξ衿鞯馁|(zhì)量比、阻尼系數(shù)、剛度以及安裝位置等參數(shù),采用正交參數(shù)分析法,研究多個不同參數(shù)對懸臂管穩(wěn)定性的影響規(guī)律;通過優(yōu)化動力吸振器各個參數(shù)的取值,不僅有效地提高了懸臂輸液管系統(tǒng)的臨界流速,而且較好地抑制了懸臂輸液管非線性振動的幅值。3.探討了非對稱碰撞約束對懸臂輸液管非線性振動特性的影響規(guī)律。從懸臂輸液管系統(tǒng)非線性碰撞振動的控制方程出發(fā),將非對稱碰撞約束的間隙偏移量引入光滑三線性碰撞力模型中,著重分析了約束間隙、約束剛度和間隙偏移量對系統(tǒng)分岔路徑的影響,揭示了管道出現(xiàn)pitchfork分岔、倍周期、混沌振動以及粘連等力學(xué)行為的規(guī)律。4.將懸臂輸液管的非線性振動方程與尾流振子方程耦合,研究了碰撞約束下管道系統(tǒng)的非平面渦激振動響應(yīng)。首先校驗了本文研究方法及計算程序的準(zhǔn)確性,其次分析了系統(tǒng)在無外流時的動態(tài)響應(yīng)行為,然后探討了亞臨界內(nèi)流速與超臨界內(nèi)流速對管道渦激振動的影響規(guī)律,最后給出了不同碰撞約束位置對懸臂輸液管渦激振動的影響規(guī)律。5.提出了采用管中管結(jié)構(gòu)來抑制懸臂輸液管渦激振動的構(gòu)想,并通過大量算例探究了輸液管中管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和渦激振動機理。采用一個分布的線性阻尼和非線性彈簧來模擬絕緣夾層與內(nèi)外管之間的相互作用,依次研究了懸臂輸液管中管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、無外流時的振動響應(yīng)、以及亞臨界與超臨界內(nèi)流速情形下的非平面渦激振動特性,研究結(jié)果顯示管中管結(jié)構(gòu)可有效的提高顫振失穩(wěn)臨界流速并降低渦激振動的幅值。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O322;TH113.1
【圖文】：

圖 2-2 懸臂輸液管的復(fù)特征值隨流速增大的變化規(guī)律 (Argand 圖)表 2-1 幾個不同內(nèi)流速下懸臂輸液管的前三階固有頻率流速 (u)無量綱頻率 (Re(ω))一階 二階 三階0.00 7.3471 26.7506 66.84770.25 7.3456 26.7334 66.82161.00 7.3295 26.5023 66.49052.00 7.2840 25.7662 65.45477.30 1.4162 17.1698 46.87127.40 0 17.2569 46.20968.50 0 20.8146 36.62348.60 0 21.5783 35.33919.00 0 28.9544 25.915810.0 8.4058 29.6116 20.0318

(a) (b)圖 2-4 立方彈簧約束下懸臂輸液管自由端振幅隨內(nèi)流速的分岔圖:(a) Paidoussis 等[44]計算結(jié)果; (b) 本文計算結(jié)果為了更進一步驗證本文計算程序的可靠性，再次用本文計算程序再現(xiàn)Paidoussis和Semler[44]已公開的結(jié)果，研究受立方彈簧約束的懸臂輸液管，所用系統(tǒng)參數(shù)為：γ=26.75，β=0.213，k3=105，ξb=0.65，N=3。其中 γ 表示管道重力系數(shù)，β 表示管內(nèi)流體質(zhì)量與流體跟管道質(zhì)量之和的比值，k3表示立方彈簧的無量綱剛度，ξb表示立方彈簧約束點位置，N 表示模態(tài)截斷數(shù)。圖 2-4 中展示了內(nèi)流速在[7.5，10]范圍內(nèi)時，輸液管自由端振幅隨內(nèi)流速變化的分岔圖，圖 2-4(b)與圖 2-4(a)的結(jié)果吻合相當(dāng)好，說明本文計算方法及程序可靠，并且精度很高。2.4 懸臂輸液管面內(nèi)的受迫振動

r0.028，δ2=0.081，δ3=0.144，而高階模態(tài)則可以通過線性插來的所有分析中，最大流動速度為 u=11，參考 Paidoussis 和系統(tǒng)參數(shù)：ξb=0.65，β=0.213 和 γ=26.75。本章首先重現(xiàn)了 算的對稱約束下懸臂管的分岔圖，隨后又研究了非對稱約束，懸臂輸液管的動態(tài)響應(yīng)。方法驗證撞約束下懸臂輸液管的振動問題的研究，始于 1988 年 論與實驗研究，最后在 1993 年，Paidoussis 和 Semler[44]才配度極高的數(shù)值模型。他們證實了利用光滑三線性模型來模全非線性方程來模擬管道的振動，計算得到的主要的分岔圖完美吻合。

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本文編號：2805450