充液管道動力學(xué)建模與振動特性分析.pdf

1、充液管道廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)工程和居民日常生活中，對國民經(jīng)濟、人民生活都起著十分重要的作用。但是，管道系統(tǒng)振動所造成的噪聲環(huán)境污染，嚴(yán)重時甚至可導(dǎo)致管系或機器損壞。所以，降低管道振動、保證管道輸送安全，具有很高的理論研究價值和重大的現(xiàn)實意義。本文在考慮流體和管道耦合作用基礎(chǔ)上，對充液管道振動特性進行了深入研究，同時在此基礎(chǔ)上對管道能量流計算。具體說來，本文的主要研究成果和結(jié)論如下：
　　1、針對在工程中常見的液體輸送管道，根據(jù)Ham

2、ilton原理，使用有限元法推導(dǎo)了同時考慮軸向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動的直管的流固耦合三維振動方程。在此基礎(chǔ)上，對彎管進行離散化建模，把彎管離散成多個直管段首尾斜接。根據(jù)連續(xù)性方程及動力方程確定節(jié)點邊界條件，推導(dǎo)出彎管的流固耦合三維振動方程。通過以上推導(dǎo)，得到可用于計算充液管道模態(tài)、諧響應(yīng)的有限元計算模型。通過推導(dǎo)的考慮流固耦合有限元計算模型，計算了在有流速和壓力情況下，單彎管的模態(tài)，并且討論了單彎管固有頻率隨流速和壓力的變化規(guī)律。
　　

3、2、進行了流體傳輸動力學(xué)的研究，從激勵管道振動的流體入手，推導(dǎo)了管道內(nèi)流體壓力波傳遞速度。類比電路元件，推導(dǎo)了流體壓力脈動傳遞的基本方程，得出壓力與流量的關(guān)系。在壓力脈動傳遞的基本方程基礎(chǔ)上，研究了管道流體動態(tài)參數(shù)，得出流體壓力脈動的特性，為削減流體壓力脈動提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上進行了實例計算，研究了壓力脈動相位對管道振動的影響，得出結(jié)論：應(yīng)盡量使同一直管兩端的作用力方向相反。具體的措施有：使相鄰兩個直角彎頭間的直管長度盡量接近主要脈

4、動壓力波半波長的偶數(shù)倍；在管道中安裝容腔等。
　　3、基于考慮流固耦合的管道梁模型，通過有限元方程求出充液管道的動力響應(yīng)，由力和位移響應(yīng)求出管道系統(tǒng)的功率流，以管道平均長度的能量為評估值，定量地評估在采用不同的管道支承時管道的振動程度，并與傳統(tǒng)的以管道振動位移為評估值的振動評估方法進行對比。結(jié)果表明，以能量作為評估值的方法，同時考慮到了傳到結(jié)構(gòu)上的力、彎矩、位移和轉(zhuǎn)角多個量值，比以位移作為評估值的方法更準(zhǔn)確，可為管道系統(tǒng)的振動控制

5、提供更為有效的理論依據(jù)。此外，還推導(dǎo)了梁模型管道功率流測量的互功率譜法。
　　4、分別使用了梁模型和殼模型計算了空管和充液直管自由狀態(tài)和簡支狀態(tài)下的模態(tài)頻率和振型，并與實驗所測得結(jié)果進行對比。發(fā)現(xiàn)三者所得各階固有頻率及對應(yīng)振型基本一致，說明梁模型的準(zhǔn)確性。同時發(fā)現(xiàn)，流固耦合作用明顯降低了管系的固有頻率，但對于模態(tài)振型的影響很小。對自由狀態(tài)下的空管和充液管進行了白噪聲能量流實驗，發(fā)現(xiàn)低頻激勵更能激發(fā)管道的振動，管道的主要振動都來自低

6、頻，證明了梁單元的適用性。并對支承位置對管道振動的影響作了研究，在非固支情況下，支承間距對梁單元的結(jié)果的準(zhǔn)確性沒有影響。此外，還得出以下三點優(yōu)化規(guī)則：1、相對高頻振動，低頻振動能傳遞更多的能量，因此管道應(yīng)盡量避免低頻振動。2、管道采用非固支時，離振源最近的支承應(yīng)盡量接近振源，越近越好；在同側(cè)，離振源第二近的支承不要靠近離振源最近的支承以免局部振動過大。3、兩個相鄰彎管之間直管的長度應(yīng)盡量接近壓力脈動波長的整數(shù)倍，或者在管道中安裝容腔，改