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典型管路的流固耦合动力学特征分析及其约束条件优化
| 论文题名： | 典型管路的流固耦合动力学特征分析及其约束条件优化 |
| 关键词： | 输流管;动力学特征;约束优化;非线性振动;稳定性;管卡类型;管卡布置 |
| 摘要： | 管路系统是常见的工程结构，起着传输流体介质的作用，广泛应用于热交换器、石油化工、航空航天和海洋工程等领域。一旦发生破坏，往往会造成极其严重的经济损失，甚至危及公共安全。因此，针对管路系统的振动问题进行研究，具有明确的工程背景和现实意义。本文针对典型管路的动力学特征及其约束优化进行了详细的理论分析和现场试验，研究了不同的管卡类型和管卡布置方式对管路系统稳定性和安全性的影响。分析了在内外流共同作用下，具有弹性支承的复杂输流管的非线性振动特性和稳定性，得到了一些有意义的结论。主要研究成果如下： (1)建立了含约束管卡的平面管路理论模型，得到了管路各支点间的弯矩传递关系，并开展了试验分析。研究了管路的约束方式和管卡的排布形式对管路的应力和变形的影响。结果表明，当管路平台发生变形后，适当增加管卡间距有利于减小管路的最大应力。特别是在拐角处及端部附近，管卡间距需要详细地优化分析，以防止管路因振动剧烈激起过大的应力和变形，从而确保结构的安全性与稳定性。 (2)引入非线性弯曲变形效应，建立了受内外流共同作用的弹性支承输流直管的动力学模型。采用微分求积法和龙格库塔法对控制方程进行了求解，分析了管卡的刚度效应对系统失稳方式和临界流速的影响规律。结果表明，随着约束刚度减小，系统固有频率降低，锁频范围缩小，且锁频区间向左移动。还研究了不同的支承约束对管路失稳方式的影响：如悬臂管路只可能发生颤振失稳，这是因为由非线性弯曲变形引起的轴向力被释放；而两端存在约束支承的管路则因轴向变形被限制而出现轴向力，并且轴向力随着流速的增加而增大，最终导致结构发生屈曲失稳，若进一步增大流速，还将发生颤振失稳。 (3)建立了受外流作用的弹性支承曲管的振动模型，分析了不同支承情况下的曲管面内变形和面外变形的稳定性。结果表明，当支承刚度一定时，随着外部流速的增大，惯性力增大，系统的固有频率降低。一旦外部流速达到临界值时，结构将发生屈曲失稳；若继续增大流速，则因外流做功所引起的能量累积，将最终导致结构发生颤振失稳。此外，弹性支承的刚度效应增加，失稳临界流速也会随之提高。当弹性支承的刚度足够大后，其约束已逼近固支效果，此时曲管的失稳临界流速将趋于定值。 |
| 作者： | 徐永亮 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 胡元太 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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