详情

原文传递两端支承输流管非平面动力学研究

论文题名：	两端支承输流管非平面动力学研究
关键词：	输流管系统;非平面动力学;轴向内流;轴向外流;分岔行为
摘要：	作为工程中常见的流体输送结构，输流管在海洋船舶、航空航天和石油化工等工程领域有着非常广泛的应用。输流管系统蕴含着极为丰富的动力学现象，具有重要的学术研究价值。本文主要探究轴向内流和横向（或轴向）外流对简支输流管非平面动力学行为的影响，重点分析了输流管系统在以内流或（和）外流为变化参数下的分岔行为和非平面动态响应。基于理论和数值分析结果，揭示了内流或内外流共同作用对输流管系统非平面动力学行为的影响规律。本文的主要工作包括：　　（1）从非平面动力学的视角，研究了稳定内流对简支输流管的非平面后屈曲行为的影响。基于非平面振动方程，分析了输流管系统围绕后屈曲构形振动的固有频率，发现系统面内和面外运动的第一阶频率差别很大，而它们的第二阶和第三阶频率几乎相等。通过研究初值条件对系统后屈曲构形的影响后发现，输流管屈曲平面的方位角会随着初值条件的变化而变化。在此基础上，探究了边界条件为两端简支且下游端可轴向滑移的输流管的非平面后屈曲行为，分析了初值条件、质量比和重力参数的影响。研究结果表明，初值条件会影响输流管两个横向方向的屈曲位移分量，但不会影响屈曲合位移。　　（2）建立了线性弹簧连接下双输流管系统的非平面动力学模型，分析了双管系统的非线性振动行为和同步现象。通过线性和非线性分析，探究了两管的内流速对系统耦合频率、模态形状、分岔和同步行为的影响。研究结果表明，当两管输送稳定内流时，两管的内流速对耦合系统的固有频率和模态形状有相同的影响；当两管分别输送稳定和脉动内流时，两管的振动类型在定性上是相同的，且两管的周期或准周期运动通常以相位（或相位滞后）同步模式发生耦合。　　（3）建立了均匀或剪切横向流作用下简支输流管涡激振动的非平面动力学理论模型，揭示了管道的复杂涡激振动机理。重点分析了均匀或剪切横向流中输流管系统的频率特性和分岔行为。研究结果表明，当内流速高于临界流速时，由于外部水动力的影响，输流管后屈曲构形的方位角是时变的；在均匀外流中，输流管倾向于做周期运动，其动力学响应主要包含某个单一模态成分，且多表现为驻波模式；然而，在剪切外流中，输流管更倾向于做准周期运动，其动力学响应通常包含多个模态的贡献，并呈现出行波和驻波的混合模式。　　（4）发展了轴向外流和内流作用下管道的非平面动力学理论模型，探究了内外流对管道系统固有特性和分岔行为的影响。研究结果表明，当内流速为定常时，轴向内流和轴向外流对管道均产生离心力和科氏力，它们对系统的固有频率和后屈曲行为有相似的影响。当内流速为脉动时，在给定的内流速脉动频率范围内，输流管的位移分岔图根据振动类型可分为五个区域，在不同区域中可观察到系统可能发生的周期、准周期或混沌运动。
作者：	江天力
专业：	固体力学
导师：	王琳
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022