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原文传递充液管道动力学建模与振动特性分析

论文题名：	充液管道动力学建模与振动特性分析
关键词：	充液管道;流固耦合;动力学建模;振动特性;支承位置
摘要：	充液管道广泛应用于现代工业工程和居民日常生活中，对国民经济、人民生活都起着十分重要的作用。但是，管道系统振动所造成的噪声环境污染，严重时甚至可导致管系或机器损坏。所以，降低管道振动、保证管道输送安全，具有很高的理论研究价值和重大的现实意义。本文在考虑流体和管道耦合作用基础上，对充液管道振动特性进行了深入研究，同时在此基础上对管道能量流计算。具体说来，本文的主要研究成果和结论如下：　　1、针对在工程中常见的液体输送管道，根据Hamilton原理，使用有限元法推导了同时考虑轴向、横向、扭转振动的直管的流固耦合三维振动方程。在此基础上，对弯管进行离散化建模，把弯管离散成多个直管段首尾斜接。根据连续性方程及动力方程确定节点边界条件，推导出弯管的流固耦合三维振动方程。通过以上推导，得到可用于计算充液管道模态、谐响应的有限元计算模型。通过推导的考虑流固耦合有限元计算模型，计算了在有流速和压力情况下，单弯管的模态，并且讨论了单弯管固有频率随流速和压力的变化规律。　　2、进行了流体传输动力学的研究，从激励管道振动的流体入手，推导了管道内流体压力波传递速度。类比电路元件，推导了流体压力脉动传递的基本方程，得出压力与流量的关系。在压力脉动传递的基本方程基础上，研究了管道流体动态参数，得出流体压力脉动的特性，为削减流体压力脉动提供理论依据。在此基础上进行了实例计算，研究了压力脉动相位对管道振动的影响，得出结论：应尽量使同一直管两端的作用力方向相反。具体的措施有：使相邻两个直角弯头间的直管长度尽量接近主要脉动压力波半波长的偶数倍；在管道中安装容腔等。　　3、基于考虑流固耦合的管道梁模型，通过有限元方程求出充液管道的动力响应，由力和位移响应求出管道系统的功率流，以管道平均长度的能量为评估值，定量地评估在采用不同的管道支承时管道的振动程度，并与传统的以管道振动位移为评估值的振动评估方法进行对比。结果表明，以能量作为评估值的方法，同时考虑到了传到结构上的力、弯矩、位移和转角多个量值，比以位移作为评估值的方法更准确，可为管道系统的振动控制提供更为有效的理论依据。此外，还推导了梁模型管道功率流测量的互功率谱法。　　4、分别使用了梁模型和壳模型计算了空管和充液直管自由状态和简支状态下的模态频率和振型，并与实验所测得结果进行对比。发现三者所得各阶固有频率及对应振型基本一致，说明梁模型的准确性。同时发现，流固耦合作用明显降低了管系的固有频率，但对于模态振型的影响很小。对自由状态下的空管和充液管进行了白噪声能量流实验，发现低频激励更能激发管道的振动，管道的主要振动都来自低频，证明了梁单元的适用性。并对支承位置对管道振动的影响作了研究，在非固支情况下，支承间距对梁单元的结果的准确性没有影响。此外，还得出以下三点优化规则：1、相对高频振动，低频振动能传递更多的能量，因此管道应尽量避免低频振动。2、管道采用非固支时，离振源最近的支承应尽量接近振源，越近越好；在同侧，离振源第二近的支承不要靠近离振源最近的支承以免局部振动过大。3、两个相邻弯管之间直管的长度应尽量接近压力脉动波长的整数倍，或者在管道中安装容腔，改变压力相位。
作者：	姚煜中
专业：	机械设计及理论
导师：	饶柱石
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文