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含局部削弱或增强输流管动力学特性研究
| 论文题名： | 含局部削弱或增强输流管动力学特性研究 |
| 关键词： | 输流管道;裂纹;局部增强;局部削弱;临界流速;局部优化 |
| 摘要： | 输流管道作为一种应用广泛的工程结构，在实际应用中可能会有局部的缺陷、裂纹或刚度减弱等情形，导致输流管道的稳定性降低，使其容易发生破坏。因此，提出有效的手段对输流管进行振动特性分析和设计，以及探究提高输流管稳定性的优化方法，具有重要的工程价值和学术意义。本文针对含局部减弱或增强输流管开展理论研究与数值分析，主要内容如下： 1.针对含裂纹输流管结构，基于传递矩阵法建立了管道动力学分析的数学模型。首先，采用有限元法对管道振动控制方程进行离散化；然后，根据局部应变能释放率原理推导裂纹单元的等效动力刚度矩阵；最后，通过算例着重分析了单裂纹和双裂纹对输流管前四阶振动固有频率与失稳临界流速的影响。研究结果表明，裂纹的引入通常会使输流管的固有频率及失稳临界流速降低；但是，裂纹在某些特殊位置也可能会提高系统的失稳临界流速，且临界流速还会随着裂纹深度的增加而得到提升。 2.通过变换管道材料的布置方式，构建了含刚度削弱或刚度增强段的输流管动力学模型。在此基础上，探讨了刚度削弱段与刚度增强段的位置、长度以及其它相关参数对输流管稳定性的影响。研究结果表明，对于悬臂管道，固定端附近的刚度增强或自由端的刚度削弱有利于提高输流管的稳定性，反之则降低稳定性；对于简支管道，引入刚度增强段会提高系统的稳定性，稳定性的提高程度与刚度增强段的长度和位置有关。 3.针对由刚性段和柔性段混杂而成的输流管结构，建立了刚柔混合输流管的动力学模型。基于推导的控制方程，借助Galerkin法求解了系统的振动复频率和失稳临界流速，详细地分析了转动弹簧刚度、质量比、刚性段与柔性段长度比等参数对系统稳定性的影响。研究结果表明，通过改变刚柔混合输流管的关键参数，可能导致系统失稳模态阶数和失稳临界流速发生较大变化。 4.通过分析含刚度局部削弱或增强输流管的稳定性机理，提出一种基于提高管道失稳临界流速的局部优化方法。利用该方法，具体分析了材料变换、壁厚增减两种方式的局部优化结果，并给出了悬臂输流管可能的优化构型。 |
| 作者： | 胡子阳 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 王琳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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