基于液压柔性管道流固耦合振动特性的研究

发布时间：2017-06-24 11:07

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【摘要】：液压柔性软管是液压系统中不可或缺的流体输液元件,液压柔性软管在非恒定流的激励下,会激发液压柔性软管和管道内部流体的流固耦合作用,流固耦合作用会产生以下后果:(1)降低管道系统的固有频率。(2)加剧管道的振动。(3)加剧液压管道内部液压油油压的波动。液压管道系统固有频率的降低,会导致工程设计过程中,管道系统固有频率计算的失准,从而造成管道系统的共振,严重时,会导致管道的破裂。管道的剧烈振动,会加剧管道的疲劳破坏,降低管道的使用寿命,同时,管道的剧烈振动还会造成管道连接部件的松动,甚至会导致管道接头的脱落和密封性能的失效。剧烈的油压波动会对液压元件造成破坏,影响液压元件的寿命,同时还会影响液压元件的工作性能和测试精度。液压柔性软管相对于普通的液压直管道而言,由于其特殊的使用环境,液压软管常常会处于弯曲的状态,弯曲的液压软管相对于液压直管来说,由于Burdon耦合的存在,会导致液压软管的流固耦合振动更加剧烈。因此,为了研究降低液压柔性管道振动的方法,合理的布局液压管道,延长液压管道和液压元件的使用寿命,提高液压元件的工作性能和测试精度,本文进行了如下研究。(1)运用伯努利-粱模型,通过对流体单元体和管道单元体进行受力分析,推导出非恒定流体激励下液压管道流体耦合振动数学模型,通过对非恒定流体激励下液压管道流体耦合振动数学模型进行简化,得到了脉动的压力、液压冲击激励以及处于弯曲状态的液压管道流固耦合振动的数学模型,为液压管道的有限元分析提供了理论基础。(2)为了研究液压柔性管道在流体激励下的流固耦合振动特性,以及影响液压柔性管道流固耦合振动特性的因素,本文通过四个仿真设计,来对液压柔性管道在流体激励下的流固耦合振动特性进行研究。设计方案一:通过对恒定流和脉动流激励下的液压柔性管道流固耦合振动特性进行研究,发现小幅度脉动流激励下的液压管道流固耦合振动特性会比恒定流激励下的液压管道流固耦合振动特性更加剧烈。通过在管道入口端加载不同的恒定流速,进行仿真计算分析,发现管道的流固耦合振动特性会随着入口端流速的增大而加剧。得出了脉动流激励下管道振动位移最大振幅和脉动频率之间的关系曲线,分析了频率对管道振动特性的影响。设计方案二:研究恒定流激励下不同曲率半径的液压柔性管道的流固耦合振动特性,发现随着曲率半径的变小,管道的流固耦合振动会更剧烈。得到了液压柔性管道三种曲率半径模型下的位移最大幅值和频率之间的关系,发现,曲率半径越小,管道发生共振的频率越低,共振振幅越大,说明曲率半径越小,管道流固耦合振动越剧烈。设计方案三:研究恒定流激励下不同管道壁厚的液压柔性管道的流固耦合振动特性,发现液压柔性管道壁厚的增加会降低管道的流固耦合振动特性。得出了不同壁厚条件液压柔性管道中间截面振动位移的最大幅值与频率之间的关系,发现壁厚的增加,管道共振的频率增加,管道共振的振幅降低,说明壁厚的增加会降低脉动流激励下的管道流固耦合振动。设计方案四:研究了液压冲击激励下,冲击压力和管道壁厚对管道流固耦合振动特性的影响。得出了液压冲击激励下,液压柔性管道的振动随着冲击压力的增大而加剧,但是因为流体能够很快的分担固体的振动能量,因而管道振动衰减越快。以及液压柔性管道的振动随着壁厚的减小而加剧,即管道越薄,振动越剧烈,流体能够很快分担固体的振动能量,因而管道振动衰减越快的结论。
【关键词】：液压柔性管道 流固耦合振动 压力脉动 固有频率
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH137
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 论文背景及研究意义11-12
• 1.2 液压系统管道振动的研究方法12-14
• 1.2.1 液压系统管道振动的理论方法研究12-14
• 1.3 管道振动的国内外研究现状14-17
• 1.3.1 管道振动的国外研究现状14-15
• 1.3.2 管道振动的国内研究现状15-17
• 1.4 液压系统压力波动理论的国内外研究现状17
• 1.5 本文的主要工作17-19
• 第二章 流固耦合分析基础19-27
• 2.1 流固耦合基础19-24
• 2.1.1 研究流固耦合耦合作用的意义19-20
• 2.1.2 计算流体力学（ CFD）20-21
• 2.1.3 计算固体力学21-22
• 2.1.4 流固耦合作用机理22-24
• 2.2 ANSYS流固耦合分析24-27
• 第三章 液压系统管道耦合振动数学模型27-45
• 3.1 液压管道流固耦合数学模型27-31
• 3.1.1 流体运动状态的描述27-28
• 3.1.2 管道的运动描述28
• 3.1.3 流固耦合边界条件分析28-31
• 3.2 液压系统管道的动力学模型31-35
• 3.2.1 液压管道的运动位移描述31-33
• 3.2.2 管道运动速度的描述33-34
• 3.2.3 液压管道系统的能量描述34-35
• 3.3 管道系统的流固耦合动力学方程35-45
• 3.3.1 管道系统的受力分析35-38
• 3.3.2 液压管道的非线性流固耦合振动方程38-39
• 3.3.3 非定常流体的连续性方程39-40
• 3.3.4 非定常流体流动的动量方程40
• 3.3.5 脉动流体激振下液压管道流固耦合振动方程40-41
• 3.3.6 压力冲击激励下液压管道流固耦合振动方程41-43
• 3.3.7 弯曲状态下的液压软管流固耦合振动方程43-45
• 第四章 基于ANSYS WORKBENCH的液压管道流固耦合振动仿真分析45-72
• 4.1 液压管道系统流固耦合振动响应研究的意义45-46
• 4.2 WORKBENCH有限元仿真分析前处理46-49
• 4.2.1 模型参数47
• 4.2.2 瞬态结构设置47-48
• 4.2.3 流场分析中cfx的参数设置48-49
• 4.3 设计 1：入.流速对液压柔性管道流固耦合振动特性的影响49-58
• 4.3.1 恒定流体和脉动流体激励对液压柔性管道振振动特性的影响49-53
• 4.3.2 入.流速对管道流固耦合振动特性的影响53-56
• 4.3.3 流体脉动频率对管道流固耦合振动特性的影响56-58
• 4.4 设计 2：管道曲率半径对液压柔性管道流固耦合振动特性的影响58-63
• 4.4.1 恒定流体激励下管道曲率半径对流固耦合振动特性的影响59-61
• 4.4.2 脉动流体激励下管道曲率半径对流固耦合振动特性的影响61-63
• 4.5 设计 3：管道壁厚对液压柔性管道流固耦合振动特性的影响63-66
• 4.5.1 恒定流体激励下管道壁厚对流固耦合振动特性的影响63-65
• 4.5.2 脉动流体激励下管道壁厚对流固耦合振动特性的影响65-66
• 4.6 设计 4：液压冲击条件下液压柔性管道流固耦合振动仿真设计66-70
• 4.6.1 瞬态冲击压力66-69
• 4.6.2 壁厚69-70
• 4.7 小结70-72
• 第五章 总结和展望72-77
• 5.1 总结72-74
• 5.2 展望74-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 附录A:攻读学位期间发表的研究成果83

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本文编号：477955