悬臂输液管的非线性振动及其被动控制

发布时间：2020-08-26 17:03

【摘要】：在航空航天、海洋工程和石油化工等领域中,作为输运系统的重要连接部件,输液管的重要性逐渐凸显出来。广阔的应用范围以及多变的应用环境,导致输液管受到的外界作用复杂多变,常见的外界作用包括碰撞约束、基础激励和外部横向流等。基于此,本文建立了悬臂输液管在各种不同外部激励下的动力学理论模型,研究了悬臂输液管在各种工况下的非线性振动特性;此外,对悬臂输液管振动的被动控制也做了相关的研究。本文的主要研究成果如下:1.揭示了基础激励幅值与频率对悬臂输液管振动响应的影响。首先确定了数值求解收敛性所需的模态截断数,然后分析了基础激励幅值较小时内流速对管道受迫振动的影响,研究了一阶共振、跳跃以及淬灭等现象发生与消失的规律,最后分析了基础激励幅值较大时管道的超谐共振特性。2.提出了一种悬臂输液管振动的被动控制方法,研究了不同物理与几何参数的线性动力吸振器对悬臂输液管振动的控制效果。基于动力吸振器的质量比、阻尼系数、刚度以及安装位置等参数,采用正交参数分析法,研究多个不同参数对悬臂管稳定性的影响规律;通过优化动力吸振器各个参数的取值,不仅有效地提高了悬臂输液管系统的临界流速,而且较好地抑制了悬臂输液管非线性振动的幅值。3.探讨了非对称碰撞约束对悬臂输液管非线性振动特性的影响规律。从悬臂输液管系统非线性碰撞振动的控制方程出发,将非对称碰撞约束的间隙偏移量引入光滑三线性碰撞力模型中,着重分析了约束间隙、约束刚度和间隙偏移量对系统分岔路径的影响,揭示了管道出现pitchfork分岔、倍周期、混沌振动以及粘连等力学行为的规律。4.将悬臂输液管的非线性振动方程与尾流振子方程耦合,研究了碰撞约束下管道系统的非平面涡激振动响应。首先校验了本文研究方法及计算程序的准确性,其次分析了系统在无外流时的动态响应行为,然后探讨了亚临界内流速与超临界内流速对管道涡激振动的影响规律,最后给出了不同碰撞约束位置对悬臂输液管涡激振动的影响规律。5.提出了采用管中管结构来抑制悬臂输液管涡激振动的构想,并通过大量算例探究了输液管中管结构的稳定性和涡激振动机理。采用一个分布的线性阻尼和非线性弹簧来模拟绝缘夹层与内外管之间的相互作用,依次研究了悬臂输液管中管结构的稳定性、无外流时的振动响应、以及亚临界与超临界内流速情形下的非平面涡激振动特性,研究结果显示管中管结构可有效的提高颤振失稳临界流速并降低涡激振动的幅值。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O322;TH113.1
【图文】：

图 2-2 悬臂输液管的复特征值随流速增大的变化规律 (Argand 图)表 2-1 几个不同内流速下悬臂输液管的前三阶固有频率流速 (u)无量纲频率 (Re(ω))一阶 二阶 三阶0.00 7.3471 26.7506 66.84770.25 7.3456 26.7334 66.82161.00 7.3295 26.5023 66.49052.00 7.2840 25.7662 65.45477.30 1.4162 17.1698 46.87127.40 0 17.2569 46.20968.50 0 20.8146 36.62348.60 0 21.5783 35.33919.00 0 28.9544 25.915810.0 8.4058 29.6116 20.0318

(a) (b)图 2-4 立方弹簧约束下悬臂输液管自由端振幅随内流速的分岔图:(a) Paidoussis 等[44]计算结果; (b) 本文计算结果为了更进一步验证本文计算程序的可靠性，再次用本文计算程序再现Paidoussis和Semler[44]已公开的结果，研究受立方弹簧约束的悬臂输液管，所用系统参数为：γ=26.75，β=0.213，k3=105，ξb=0.65，N=3。其中 γ 表示管道重力系数，β 表示管内流体质量与流体跟管道质量之和的比值，k3表示立方弹簧的无量纲刚度，ξb表示立方弹簧约束点位置，N 表示模态截断数。图 2-4 中展示了内流速在[7.5，10]范围内时，输液管自由端振幅随内流速变化的分岔图，图 2-4(b)与图 2-4(a)的结果吻合相当好，说明本文计算方法及程序可靠，并且精度很高。2.4 悬臂输液管面内的受迫振动

r0.028，δ2=0.081，δ3=0.144，而高阶模态则可以通过线性插来的所有分析中，最大流动速度为 u=11，参考 Paidoussis 和系统参数：ξb=0.65，β=0.213 和 γ=26.75。本章首先重现了 算的对称约束下悬臂管的分岔图，随后又研究了非对称约束，悬臂输液管的动态响应。方法验证撞约束下悬臂输液管的振动问题的研究，始于 1988 年 论与实验研究，最后在 1993 年，Paidoussis 和 Semler[44]才配度极高的数值模型。他们证实了利用光滑三线性模型来模全非线性方程来模拟管道的振动，计算得到的主要的分岔图完美吻合。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 巩庆梅;许英姿;刘灿昌;马驰骋;周继磊;姜瑞瑞;;主共振纳米梁非线性振动电容控制[J];科学技术与工程;2017年18期

2 刘燕;;梁的非线性振动的进展[J];大众科技;2009年10期

3 寇胜利;;汽轮发电机组非线性振动研究[J];中国电力;2006年01期

4 许明田,胡海岩,程德林;求解非线性振动问题的一种新方法[J];应用力学学报;1998年04期

5 吴奇学;一维含阻尼非线性振动的正则摄动解[J];三明师专学报;1998年02期

6 吴晓，张龙庭，马建勋;弹性直杆热膨胀状态下的非线性振动[J];工程力学;1996年04期

7 陈立群,王铁光;控制非线性振动中的混沌[J];东北大学学报;1997年03期

8 向裕民;电子在电环轴上的非线性振动[J];电子科技大学学报;1997年01期

9 安平;水平非线性振动分选供料器[J];组合机床与自动化加工技术;1997年11期

10 朱位秋;余金寿;;van der Pol振子对高斯白噪声的响应[J];振动工程学报;1987年01期

相关会议论文 前10条

1 赵德敏;刘建林;;考虑表面效应的纳米梁的非线性振动[A];第十届动力学与控制学术会议摘要集[C];2016年

2 闫妍;王文全;;静电激励下微观曲梁的非线性振动和稳定性研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

3 邱恒斌;徐自力;;一种求解围带成圈叶片非线性振动响应的高效算法[A];第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2015年

4 李宏卫;王军;卢立新;陈安军;;一种求解强非线性振动问题的修正同伦分析法[A];第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2015年

5 陈璐琪;齐浩;孙清;;压电智能悬臂梁非线性振动与模糊控制研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

6 闻邦椿;;非线性振动的工程应用[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2007年

7 闻邦椿;;“工程非线性振动”的研究的若干进展及展望[A];第八届全国动力学与控制学术会议论文集[C];2008年

8 贾启芬;李徐东;许恒波;刘习军;;基于新型磁流变阻尼器的汽车悬架非线性振动特性分析[A];第八届全国动力学与控制学术会议论文集[C];2008年

9 黄坤;冯奇;;悬索桥的非线性振动[A];第十二届全国非线性振动暨第九届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2009年

10 蔡建平;李怡平;;强非线性振动的多尺度法及其应用[A];第七届全国非线性动力学学术会议和第九届全国非线性振动学术会议论文集[C];2004年

相关重要报纸文章 前2条

1 本报特约记者　 胡宏伟;愿借好风上青云[N];大众科技报;2006年

2 胡宏伟;在自主创新的征途上驰骋[N];中国知识产权报;2006年

相关博士学位论文 前10条

1 刘智远;悬臂输液管的非线性振动及其被动控制[D];华中科技大学;2019年

2 王乙坤;碰撞约束下输液管的非线性振动[D];华中科技大学;2017年

3 邵明月;柔性运动薄膜的非线性动力学研究[D];西安理工大学;2019年

4 李磊;多物理场耦合下微谐振器非线性动力学及其控制研究[D];天津大学;2017年

5 李鹏松;求解大振幅非线性振动问题的若干解析逼近方法[D];吉林大学;2004年

6 杜国君;圆薄板和夹层圆板非线性振动研究[D];燕山大学;2004年

7 孙维鹏;强非线性振动系统解析逼近解的构造[D];吉林大学;2007年

8 周俊;梁板挠曲与非线性振动分析的自适定小波方法[D];兰州大学;2006年

9 胡春林;桩基非线性动力学特性研究[D];上海大学;2006年

10 刘伟佳;求解强非线性振动问题的解析逼近方法及其应用[D];吉林大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 姜瑞瑞;基于隧道场效应管传感的纳米梁非线性振动控制研究[D];山东理工大学;2019年

2 陈湘阳;单柱拉线塔中的索—梁模型的非线性振动分析[D];华北电力大学;2019年

3 周露;不同高阶理论下碳纳米管增强复合材料板非线性振动分析[D];长沙理工大学;2017年

4 官云龙;杆、拱和板结构的强非线性振动研究[D];河北工业大学;2016年

5 黄磊;锚索非线性振动特性与张拉力关系研究[D];重庆大学;2018年

6 贾海明;压电梁板结构的非线性振动分析[D];哈尔滨工程大学;2015年

7 郑晓宇;基于盲源分离技术的混凝土梁非线性振动分析[D];重庆大学;2011年

8 祝涛;蜂窝夹层结构非线性振动研究[D];上海交通大学;2007年

9 杨迪;轧制过程中轴向运动矩形薄板的非线性振动研究[D];燕山大学;2013年

10 张晓彤;利用非线性振动特性识别输电塔结构的连接损伤[D];重庆大学;2014年

本文编号：2805450