周期性输流管道的非线性动力学特性研究

发布时间：2021-07-22 02:59

　　基于绝对节点坐标法,推导出不同材料组成的周期性悬臂输流管道在定常内流作用下的非线性动力学方程,通过数值求解的方式对两种不同形式的周期性输流管道,即,铝-钢及钢-铝周期性悬臂输流管道的稳定性和非线性动力学行为进行了研究。研究结果表明,单位长度内,当管道周期数大于8时,两种周期性输流管道的临界流速均趋于定值。非线性分析结果显示,铝-钢周期性输流管道的非线性动力学行为随着周期数目的减小变得越来越复杂,从单周期行为演变为多周期、倍周期、概周期和混沌等多种运动的复杂动力学行为,而对于钢-铝周期输流管道而言,管道一直处于单周期运动状态。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

周期悬臂输流管道示意图

由于考虑的输流管道是一个非均匀的管道系统,传统的悬臂输流管道方程将不再适用于此模型,因此本文基于上述假设并考虑采用基于绝对节点坐标法的一维梁单元来离散如图1所示的周期输流管道系统。Shabana提出的基于绝对节点坐标法的一维梁单元如图2所示。该单元上任意一点的全局坐标(x,y)可以表示为矢量的形式

首先验证本文算法的正确性,将周期性管道退化为由相同材料制成的单一输流管道(即α1=α2=1)后,取系统参数β=0,2 Π0=0(这里需要指出的是,由于传统悬臂输流管道不考虑管道的伸长,因此为了更好的进行对比,这里取管道的伸长项系数Π0=0),应用此方法计算得到的稳定性结果与Paidoussis研究中使用Galerkin方法计算得到的结果进行对比。图3给出的是两种方法计算得到的输流管道前四阶复频率随流速变化的Argand图。从该图中可以看出,两种方法计算得到的前四阶复频率随流速变化的Argand图几乎完全一致,证明了本文的算法是正确的。接下来分析管道周期数目N对管道临界流速的影响,取式(8)给出的参数进行数值计算,得到图4所示的周期输流管系统道首次发生颤振失稳时临界流速与管道周期数目N之间的变化曲线。由图4中的曲线可知,无论管道周期数目N取多少,铝-钢周期输流管道的临界流速始终比钢-铝周期输流管道的临界流速要小,也就是说钢-铝周期输流管道的稳定性更强。同时我们还可以看到,当管道周期数目较小时(1≤N≤7)时,管道周期数对周期管道的临界流速有一定的影响;但是当管道周期数目较大时(8≤N≤30),不管是钢-铝周期输流管道还是铝-钢输流管道,临界流速几乎不随周期数目的变化而变化,而是随着管道周期数目的增大趋于一个定值。究其原因,可能是当管道的周期数目N逐渐增大时,周期管道逐渐趋近于另一种形式的均匀管道,因此周期管道的失稳临界流速不再继续随着管道的周期数目变化而继续变化。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于绝对节点坐标法的输流管道非线性动力学分析[J]. 蔡逢春,臧峰刚,叶献辉,黄茜.  振动与冲击. 2011(06)



本文编号：3296301