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原文传递脉动流和集中质量作用下管道的非线性动力学分析

论文题名：	脉动流和集中质量作用下管道的非线性动力学分析
关键词：	输流管;动力学;非线性振动;脉动内流
摘要：	输流管结构在海洋运输、西气东输、水利水电以及生物工程等方面具有广阔的工程应用背景，其动力学问题一直都是国内外学者们的研究热点之一。本文在已有工作基础之上，研究脉动内流下含有集中质量输流管的平面与非平面动力学响应行为。针对悬臂以及两端简支两种边界条件，分别讨论脉动流以及集中质量大小和位置等因素的影响，并对比二维模型和三维模型的适用条件及各自优越性。本文研究结果对工程输流管结构的动力学分析和优化设计具有一定指导意义。本文探讨的主要内容概述如下：　　1.建立了脉动内流作用下含端部集中质量的悬臂输流管二维动力学模型和控制方程，基于伽辽金法对方程进行了离散化与数值求解，重点对脉动内流和集中质量作用下的管道系统进行参数分析。研究结果显示，受流速脉动频率的影响，管道可出现如概周期、混沌运动等丰富的非线性动力学响应行为，并在某些特定频率段发生共振；流速脉动幅值的增加可导致管道不稳定的频率区域变宽，共振分叉曲线呈现不对称特征，且这种不对称性随脉动幅值的增加而增强；端部集中质量可使管道失稳临界流速减小。　　2.发展了脉动内流作用下含端部集中质量的悬臂输流管非平面动力学模型，通过数值求解和结果展示，对比分析了脉动内流和集中质量对管道非线性非平面运动响应的影响。研究结果表明，脉动内流和集中质量对管道平面和非平面运动的影响规律大体一致，其不同点在于三维模型下管道可能出现空间运动。通过对比四组不同初值条件下二维和三维管道模型的动态响应发现：当选择平面初值条件时，二维管道模型因计算量较小比三维管道模型更有计算上的优势；当选择非平面初值条件时，三维管道模型因更能描述管道的真实空间运动状态而比二维管道模型更具优势。　　3.建立了脉动内流作用下含集中质量的两端简支输流管二维动力学模型，分析了轴线可伸长简支管系统的非线性动力学响应。研究结果表明，相较于悬臂管道的运动形态，两端简支管的非周期运动中有较多的混沌运动频率段，且发生振幅跳跃现象的频率段多；在较高频区域，简支管动力学更易受非线性因素的影响。集中质量越靠近管道两端，对管道中点的运动形态影响越小。　　4.建立了脉动内流作用下含集中质量的两端简支输流管三维动力学模型，着重分析了脉动流速及集中质量影响下二维和三维管道模型的动态响应的异同点。研究结果显示，三维管道模型在不同脉动频率范围内可交替出现平面与非平面运动；集中质量位置的影响规律与二维管道模型的情形有较大不同。通过对比悬臂和两端简支边界条件下小扰动初值和非平面初值时的计算结果，预计可通过施加小扰动初值的方法，快速判断管道做非平面运动的大致频率范围。
作者：	贾青青
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