考虑固液耦合的充液管道系统振动特性及能量流研究

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1、上海交通大学博士学位论文考虑固液耦合的充液管道系统振动特性及能量流研究姓名：张志勇申请学位级别：博士专业：机械设计与理论指导教师：沈荣瀛2000.3.1摘要随着液体输送管道系统在我国工业及城市建设中的J“泛使用，管道系统振动所0I起的安全性问题受到越来越多的关注。目前我国学者对充液管系的振动研究li嘤侧重于不考虑固液耦合作用时的水锤响应分析；近年来，各国学者研究发现，液体与管道之间的耦合作用对系统振动特性的影响很大，而对考虑耦合作用实际龟液管系的振动特性研究，我国几乎还是空白。本论文正是在这一背景下展开工『乍，对考虑液体与管道耦合作

2、用时的充液管系振动特性进行了深入研究，为实际管系的设计及动力性能分析打下了基础，并对现代振动控制中常作为控制参数的管道系统传输能量流进行了具有开拓性的理论与实验研究，为管道系统的振动控制、隔振元件的评价提供了理论依据。本论文具体内容包括：l推导了完备的充液圆柱壳运动微分方程与频散方程，总结了充液圆柱壳振动特性的研究成果，为低频时充液直管单元的梁模型理论及能量流的波分解法测量公式的推导打下基础；推导了基于梁模型时充液管道单元的轴向、横向及扭转振动的运动微分方程。2采用特征线法，对考虑固液耦合作用时充液管道系统轴向振动响应进行了计算分析

3、，并与不考虑耦合作用时的经典水锤模型计算结果进行了比较，全面研究了连接耦合、泊松耦合及阀门关闭特性对系统响应的影响，研究结果表明，同液耦合作用对系统响应的影响不能忽略。{本文首次对存在多条特征线时特征线法计算中所存在的插值问题进行了专门研究“结果表明，在通常情况下，采用向前的时间插值方法可获得令人满意的计算结果，采用更精确的插值方法对响应的影响不大，而且时问节点的细化方法会引起计算结果不稳定；本论文一个重要结论是，与插值误差相比，特征线法计算中所存在的非积分项的数值积分误差对计算结果的影响更大。j4本文基于偏微分方程求解的稳定性理论

4、，第一次对特征线法计算结果与管道最小单元数目之间的关系进行了研究。f研究指出，保证计算结果精确性的最小网格划分数目与激励频率及管道系统韵振动模态有很大关系，即由对管系响应贡献较大的最高阶模态振型决定，这一研究成果对实际管道系统振动响应计算中时间与空间节点的划分提供了理论依据。、5建立了充液直管横向振动与扭转振动的特征线法计算表达式；在考虑液体与管道耦合作用的前提下，对常见的直角弯管单元进行了建模；对两种边界条件卜．的单弯管管系进行了计算，并研究了系统响应变化历程。研究结果表明，对单弯管管系而言，液体与管道之间的耦合作用对系统响应的影

5、响较直管管系人，此时系统响应是系统中各种波及其反射波相互叠加的结果，而且系统约束条件对响应的影响很大，当系统约束越刚性时，管道振动越小，而液体振动越接近于不考虑固液耦合作用时的计算结果。，6基于充液直管的梁模型，考虑液体与管道之间的泊松耦合，详细推导了充液直管单元的轴向、横向及扭转振动传递矩阵；采用弯管不延伸理论的离散模型，将弯管离散为一组首尾相连，并成一定角度的短直管单元，通过建立弯管处力平衡方程与连续性方程，建立了弯管平面内振动的传递矩阵，并研究了弯曲因子对传递矩阵的影响。～讨论了实际管系中常见边界条件的计算处理方法；建立了一套

6、采用传递矩阵法进行模态频率、模态振型、时域响应及频域响应计算的完整体系；首次研究了充液管道系统中阻抗矩阵、导纳矩阵与传递矩阵之间的关系，一为以后更全面的能量流理论分析奠定了基础；推导了充液管道系统中能量流传播的具体表达式，并给出了计算方法。．8对水箱一邕管一阀门管系及较复杂的单弯管管系进行了模态分析，并与相关文献及ANSYS有限元分析结果进行，对比，验证了所建立的直管单元传递矩阵与弯管传递矩阵，讨论了液体与管道耦合作用对系统模态的影响，研究结果表明，固液耦合作用使管道与液体的模态频率发生变化，但对模态振型的影响较小。J—j通过对单弯

7、管系统频率响应与能量流传播的计算研究，分析了单弯管管系中频率响应和能黾流传播与激励方式之间的关系。研究结果表明，无论系统为液体激励或管道激励，当系统发生共振时，系统响应与系统输入能量流都达到最大值，而且在远离共振点的频率范围内，能罱流主要由激励的介质传播，但当某一方发生共振时，能量流即以该种介质传播为主，这一结论与充液圆柱壳传播能量流理论研究结果一致，这为实际管道系统的振动控制提供了理论指导。．，10基f充液管道低频情况下的梁模型及有限差分理论，首次详尽推导了轴向振动与横向弯曲振动能量流的互功率谱法计算表达式，并开拓性地提出了将力信

8、号作为参考信号的测量方法，通过测量测点处的频响函数与输入力信号的自功率谱，获得不同轴向位置的测点之间的互功率谱，以消除测量系统通道问的相位误差。11根据充液圆柱壳运动微分方程及频散方程，研究，低频时在充液管道中起主导作用的液体纵波与管