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原文传递计及多因素影响的输流管道动力学行为分析

论文题名：	计及多因素影响的输流管道动力学行为分析
关键词：	输流管道;弹性耦合;非局部尺度效应;临界流速;非线性动力学;振动同步
摘要：	输流管是广泛应用于核电、化工、航天以及碳纳米管元器件等诸多领域用于输送流体介质的工程结构，由于其支撑形式众多、工作环境复杂，存在不同支撑、不同介质、变温环境、不同尺度效应及不同载荷等多因素作用，导致输流管的动力学行为十分复杂，直接影响着相关设备的工作效能及使用寿命。因此，输流管的动力学行为研究是一个具有重大工程和科学需求的基础问题。　　本文以核电蒸汽发生器输流管和微观碳纳米输流管道为主要研究工程背景，依据其数学模型的相似性，将其抽象为计及多因素影响下的输流管动力学分析问题进行研究。具体内容包括：计及非局部尺度效应、热耦合力效应、弹性介质和弹簧支撑、流体载荷和移动质点载荷及多管耦合等因素的影响，建立输流管道动力学模型，研究输流管道的临界流速和稳定性，分析耦合条件下输流管道束系统的线性和非线性动力学问题及其振动的耦合同步现象，力图揭示计及多因素影响的输流管非线性行为（分叉路径和混沌），建立一套完整的计及多因素影响的输流管动力学行为分析和管道流致振动的同步抑制的方法。本文的主要工作有：　　1.计及非局部弹性的尺度效应影响、输流管道外部弹性耦合介质作用力、弹簧作用力、变温环境内热耦合管道轴向力的影响，基于非局部弹性理论和弹性梁模型，建立了输流管道流致振动基本动力学方程、输送离散移动质点输流管道动力学方程、弹性介质耦合下碳纳米管道耦合动力学方程和非线性弹簧耦合下的输流管道动力学方程。并结合工程实际应用，给出了不同支撑的边界条件和作用力模型。　　2.对计及多因素影响的线性输流管道临界流速和稳定性进行了研究，提出了固支-固支、简支-简支和固支-简支边界条件计及多因素影响输流管道发散失稳的临界流速隐式解析表达式。提出了计及非局部效应输流管道模型发散失稳临界流速的显示解析表达式。并采用Galerkin模态展开和微分变换法等数值方法对结果进行了验证。分析了悬臂边界条件输流管道临界流速的“S”型曲线及其对应的振动模态。发现了前人Roth给出的部分边界条件临界流速表达式的不足，并给出了修正的结果。　　3.研究了线性弹性介质耦合作用、输送离散移动纳米颗粒的两耦合碳纳米管道的动力学特性，采用Galerkin法数值分析了相关参数对耦合碳纳米管道束系统的最大振动振幅的影响。详细讨论了两耦合碳纳米管道内移动质点间的时间间隔、非局部参数、弹性介质刚度等参数对管道束系统振幅的抑制作用。数值仿真分析发现合理地设计相邻管道内移动质点的时间间隔，能够有效减小管道振动振幅。　　4.研究了非线性弹簧耦合作用下的两输流管道耦合的非线性振动与动力学行为。分别针对系统的流体相关参数和结构相关参数，数值地对耦合输流管道束系统的分岔等非线性动力学行为展开了研究讨论，揭示了非线性弹簧耦合下输流管道间的振动与动力学同步现象。通过引入相似性函数，在耦合管道系统的分岔行为分析基础上，对输流管道间的耦合同步行为和相位关系给出了明确数量指标，进而对输流管道间的耦合同步现象进行了分析和分类，给出了耦合管道系统诸如理想同步、相位差同步、非理想同步等多种典型同步行为。提出了利用管道系统动力学的同步行为实现非线性弹簧耦合输流管道振动抑制的思想。　　5.研究了悬臂边界条件受弹簧支撑作用输流管道空间振动的非线性动力学行为。以核电蒸汽发生器内换热管为研究对象，分别针对蒸汽发生器内换热管支撑板的两种孔型（三叶孔和方孔）建立了输流管道法平面内的三弹簧和四弹簧支撑模型，数值分析管道在两垂直平面内的耦合振动，研究了系统参数对管道振动动力学分岔行为的影响，结论中指出，研究发现了类似平面振动问题的“S”型稳定-失稳-再稳定-再失稳现象，发现了非线性振动研究中，管道空间振动在两垂直面内的复杂耦合行为。最后讨论了支撑板孔型参数对输流管道空间振动振幅的抑制作用。　　本文将工程和科学研究中不同输流管道问题，抽象为计及多因素影响下的输流管动力学分析问题，系统地讨论了计及多因素影响的输流管动力学建模、线性非耦合条件输流管道的发散临界流速和稳定性分析、线弹性介质作用耦合碳纳米管道振动与抑制问题、非线性弹簧耦合下输流管道非线性动力学特性与振动同步行为以及空间输流管道的非线性振动行为研究。形成了一套完整的输流管动力学分析方法，提出了具有一定应用前景的输流管道振动抑制方法，为输流管道振动抑制研究提供了理论参考。　　在文章最后，对全文进行了总结，指出了目前研究中的不足之处，并展望了未来研究方向。
作者：	吕磊
专业：	机械设计及理论
导师：	李成刚;胡于进
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文