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原文传递多重陀螺耦合输流管道的三维振动特性及其控制研究

论文题名：	多重陀螺耦合输流管道的三维振动特性及其控制研究
关键词：	输流管;陀螺系统;三维振动;振动控制;带隙;谱元法;动力学
摘要：	输流管道作为一种基本结构，在核工程、航天科学和农业等工程领域有着广泛应用。作为一类典型的流固耦合系统，当管道内流体流速超过一定值时，会引起管道的强烈振动，诱发噪声甚至导致管道破裂，造成巨大的损失。为了使管道能够安全稳定地在各个领域发挥作用，就需要对其动力学特性及振动控制问题进行深入研究。由于轴向运动特性，输流管本身属于一类陀螺系统，而绕管道轴线旋转与绕端部旋转等圆周运动也会引起陀螺效应。这几种陀螺运动的耦合会使得管道系统的动力学行为更加复杂而有趣。本文在第二章提出了一类新颖的三重陀螺系统:输流管道同时伴随绕轴线旋转与绕端部旋转双重运动。基于瑞利(Rayleigh)梁模型，推导了面内、面外弯曲振动和轴向振动的耦合控制微分方程，充分考虑了自旋陀螺力、绕端部旋转陀螺力以及流体陀螺力。利用理论方法得到了管道三维振动频率以及稳定性演变规律，揭示了三重陀螺效应和离心效应的作用，讨论了管道几何和物理参数的影响，并模拟了管道三维正反进动模态。第二章的研究将有助于深入理解多重陀螺耦合动力学，为工程陀螺结构提供理论和设计参考，同时为后续研究奠定基础。　　声子晶体(PhononicCrystals,PCs)是一类新型的周期复合材料，其带隙(BandGap,BG)特性为管道系统的振动控制提供了新的技术途径。故第三、四章主要探讨了双陀螺声子晶体输流管道的振动控制机理，对非旋转和两种不同旋转方式的输流管道的振动抑制进行了深入研究。第三章基于经典欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli,E-B)梁模型建立了自旋管道的弯曲波动方程。利用谱元法(SpectralElementMethod,SEM)和传递矩阵法(TransferMatrixMethod,TMM)得到了系统能带结构、带隙分布和频响曲线，同时讨论了一些关键参数的影响。研究发现，当发生自旋运动时，周期管道成为一种运动二维声子晶体结构，在正交的横向方向上会分别产生两个弯曲波，形成平面声子晶体结构。所得到的带隙结构结合频响曲线和振动波形揭示了一个重要机理:对于自旋声子晶体管道，在两个横向方向上存在两个伪带隙，而这种现象在非旋转声子晶体结构中是不存在的。两个横向波真正衰减的有效带隙区域实际上位于伪带隙的重合区域。此外，与传统传递矩阵法相比，谱元法能更加有效地分析声子晶体结构的带隙问题。第三章关于自旋声子晶体输流管动力学的研究，将为工程自旋管道结构的振动控制提供深入的理论依据。　　在第四章中，考虑管道绕端部旋转运动。基于瑞利梁模型，建立了此类输流管道的面内、面外弯曲和轴向振动的微分方程，其中轴向和面内的方程是耦合的。采用谱元法和传递矩阵法对绕端部旋转声子晶体管道的能带结构、带隙分布、频响函数以及振动衰减形态进行了深入分析，并对一些主要系统参数的影响进行了详细讨论，得到一些重要结论:周期管道拥有横向和轴向两种带隙，且轴向振动带隙宽度远远超过横向振动带隙宽度。在低转速时，面内、面外弯曲带隙分布几乎没有变化。转速增大时,面内、面外弯曲带隙分布的差异变大。第四章的研究对绕端部旋转输流管的参数设计和振动抑制分析具有一定的指导意义。　　总之，本文对多重陀螺耦合输流管频率和模态进行了分析，并深入系统地探究了旋转双陀螺声子晶体输流管道能带结构、带隙分布、频响函数和衰减形态等振动抑制特性。研究结论有望为工程中复杂运动输流管的动力学设计提供理论参考，为管道的振动抑制提供技术途径。
作者：	钱宇
专业：	机械工程
导师：	梁峰;易书新
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023