详情

原文传递复杂输流管道--调节阀系统传递矩阵建模与动力学仿真分析

论文题名：	复杂输流管道--调节阀系统传递矩阵建模与动力学仿真分析
关键词：	输流管道;调节阀;耦合系统;传递矩阵;动力学分析
摘要：	输流管道-调节阀系统是参与流程工业生产过程中的重要组成部分，其动态性能和可靠性影响着生产过程的稳定性及安全性。以往大多数研究只考虑了流固耦合的影响，却忽视调节阀和输流管道之间的相互作用，无法揭示输流管道-调节阀耦合系统振动的机理和规律。本文以复杂输流管道-调节阀为研究对象，分析了复杂输流管道-调节阀系统动力学响应。　　首先，建立考虑气室薄膜压力、流体不平衡力、摩擦力及弹簧恢复力的阀芯，阀杆非线性动力学模型。采用龙格库塔数值计算方法，分析了阀芯在不同工况参数下的非线性振动响应，给出了阀芯振动随调节阀两端压差、阀芯开度变化的分岔图，揭示了阀芯振动由倍周期分岔到混沌的过程；同时，表明阀芯小开度下与阀座底部发生碰撞的条件不仅取决于阀芯开度的大小，且与调节阀两端压差的大小有关。　　其次，基于14方程的输流管道流固耦合物理模型，针对直管、弯管及分支管道，并考虑异面管道之间的坐标变换、多跨管道的弹性支撑问题，提出了完整的具有空间异面构型、多跨弹性/刚性支撑、串-并联混合的复杂输流管道传递矩阵建模方法；用传递矩阵法和有限元软件仿真，对不同的输流管道模型进行固有特性分析，两种方法的结果相对误差在10%以内，表明各模型传递矩阵建模的正确性及复杂输流管道建模的可行性，且传递矩阵法的求解效率在本文算例中是有限元仿真的成百上千倍；另外，输流管道在中间引入约束时，弹簧支撑位置、个数及刚度的改变对系统的低阶频影响较大，高阶频率受其影响较小，且当支撑刚度增大到一定值时，可认为支撑刚度近似达到了刚性支撑的要求。　　再次，将调节阀按照与输流管道状态变量同样的顺序，建立线性化调节阀传递矩阵模型，按照链式系统传递思想，构建了指定的复杂输流管道-调节阀系统传递矩阵。通过对输流管道-调节阀模型作出不同假设并求解，结果表明，相比于单独考虑输流管道或调节阀得到的振动响应，集成的输流管道．调节阀系统得到的振动响应要大7%~50%，因此，将调节阀-输流管道集成建模分析很有必要，在系统动态分析和设计时，无论对调节阀还是输流管道，必须考虑相互作用带来的影响。　　最后，为了解决线性输流管道与非线性调节阀集成系统的动态响应分析问题，以多体系统传递矩阵法中的多体系统离散时间传递矩阵法，求解了输流管道任意时刻状态变量的时域响应。并用多体离散时间传递矩阵法与非线性动力学方法相结合，将求解得到的输流管道压差的瞬态解作为调节阀阀芯阀杆在输流管道作用下的分岔参数，分析了调节阀阀芯-阀杆在输流管道作用下的分岔行为和混沌现象。结果表明：在输流管道的作用下，调节阀阀芯-阀杆的振动机理变得更为复杂，阀芯振动会随着压差在稳定值附近上下振动而导致阀芯振动在不同周期间快速跳跃。
作者：	李景伦
专业：	机械工程;机械电子工程
导师：	王雯
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文