計(jì)及多因素影響的輸流管道動(dòng)力學(xué)行為分析.pdf

1、輸流管是廣泛應(yīng)用于核電、化工、航天以及碳納米管元器件等諸多領(lǐng)域用于輸送流體介質(zhì)的工程結(jié)構(gòu)，由于其支撐形式眾多、工作環(huán)境復(fù)雜，存在不同支撐、不同介質(zhì)、變溫環(huán)境、不同尺度效應(yīng)及不同載荷等多因素作用，導(dǎo)致輸流管的動(dòng)力學(xué)行為十分復(fù)雜，直接影響著相關(guān)設(shè)備的工作效能及使用壽命。因此，輸流管的動(dòng)力學(xué)行為研究是一個(gè)具有重大工程和科學(xué)需求的基礎(chǔ)問題。
　　本文以核電蒸汽發(fā)生器輸流管和微觀碳納米輸流管道為主要研究工程背景，依據(jù)其數(shù)學(xué)模型的相似性，將其

2、抽象為計(jì)及多因素影響下的輸流管動(dòng)力學(xué)分析問題進(jìn)行研究。具體內(nèi)容包括：計(jì)及非局部尺度效應(yīng)、熱耦合力效應(yīng)、彈性介質(zhì)和彈簧支撐、流體載荷和移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)載荷及多管耦合等因素的影響，建立輸流管道動(dòng)力學(xué)模型，研究輸流管道的臨界流速和穩(wěn)定性，分析耦合條件下輸流管道束系統(tǒng)的線性和非線性動(dòng)力學(xué)問題及其振動(dòng)的耦合同步現(xiàn)象，力圖揭示計(jì)及多因素影響的輸流管非線性行為（分叉路徑和混沌），建立一套完整的計(jì)及多因素影響的輸流管動(dòng)力學(xué)行為分析和管道流致振動(dòng)的同步抑制的方法

3、。本文的主要工作有：
　　1.計(jì)及非局部彈性的尺度效應(yīng)影響、輸流管道外部彈性耦合介質(zhì)作用力、彈簧作用力、變溫環(huán)境內(nèi)熱耦合管道軸向力的影響，基于非局部彈性理論和彈性梁模型，建立了輸流管道流致振動(dòng)基本動(dòng)力學(xué)方程、輸送離散移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)輸流管道動(dòng)力學(xué)方程、彈性介質(zhì)耦合下碳納米管道耦合動(dòng)力學(xué)方程和非線性彈簧耦合下的輸流管道動(dòng)力學(xué)方程。并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，給出了不同支撐的邊界條件和作用力模型。
　　2.對(duì)計(jì)及多因素影響的線性輸流管道臨界流速

4、和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了固支-固支、簡(jiǎn)支-簡(jiǎn)支和固支-簡(jiǎn)支邊界條件計(jì)及多因素影響輸流管道發(fā)散失穩(wěn)的臨界流速隱式解析表達(dá)式。提出了計(jì)及非局部效應(yīng)輸流管道模型發(fā)散失穩(wěn)臨界流速的顯示解析表達(dá)式。并采用Galerkin模態(tài)展開和微分變換法等數(shù)值方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了懸臂邊界條件輸流管道臨界流速的“S”型曲線及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。發(fā)現(xiàn)了前人Roth給出的部分邊界條件臨界流速表達(dá)式的不足，并給出了修正的結(jié)果。
　　3.研究了線性彈性介質(zhì)

5、耦合作用、輸送離散移動(dòng)納米顆粒的兩耦合碳納米管道的動(dòng)力學(xué)特性，采用Galerkin法數(shù)值分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)耦合碳納米管道束系統(tǒng)的最大振動(dòng)振幅的影響。詳細(xì)討論了兩耦合碳納米管道內(nèi)移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)間的時(shí)間間隔、非局部參數(shù)、彈性介質(zhì)剛度等參數(shù)對(duì)管道束系統(tǒng)振幅的抑制作用。數(shù)值仿真分析發(fā)現(xiàn)合理地設(shè)計(jì)相鄰管道內(nèi)移動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間間隔，能夠有效減小管道振動(dòng)振幅。
　　4.研究了非線性彈簧耦合作用下的兩輸流管道耦合的非線性振動(dòng)與動(dòng)力學(xué)行為。分別針對(duì)系統(tǒng)的流體相

6、關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，數(shù)值地對(duì)耦合輸流管道束系統(tǒng)的分岔等非線性動(dòng)力學(xué)行為展開了研究討論，揭示了非線性彈簧耦合下輸流管道間的振動(dòng)與動(dòng)力學(xué)同步現(xiàn)象。通過(guò)引入相似性函數(shù)，在耦合管道系統(tǒng)的分岔行為分析基礎(chǔ)上，對(duì)輸流管道間的耦合同步行為和相位關(guān)系給出了明確數(shù)量指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)輸流管道間的耦合同步現(xiàn)象進(jìn)行了分析和分類，給出了耦合管道系統(tǒng)諸如理想同步、相位差同步、非理想同步等多種典型同步行為。提出了利用管道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的同步行為實(shí)現(xiàn)非線性彈簧耦合輸流管道振

7、動(dòng)抑制的思想。
　　5.研究了懸臂邊界條件受彈簧支撐作用輸流管道空間振動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為。以核電蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱管為研究對(duì)象，分別針對(duì)蒸汽發(fā)生器內(nèi)換熱管支撐板的兩種孔型（三葉孔和方孔）建立了輸流管道法平面內(nèi)的三彈簧和四彈簧支撐模型，數(shù)值分析管道在兩垂直平面內(nèi)的耦合振動(dòng)，研究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)管道振動(dòng)動(dòng)力學(xué)分岔行為的影響，結(jié)論中指出，研究發(fā)現(xiàn)了類似平面振動(dòng)問題的“S”型穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定-再失穩(wěn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了非線性振動(dòng)研究中，管道空間振動(dòng)

8、在兩垂直面內(nèi)的復(fù)雜耦合行為。最后討論了支撐板孔型參數(shù)對(duì)輸流管道空間振動(dòng)振幅的抑制作用。
　　本文將工程和科學(xué)研究中不同輸流管道問題，抽象為計(jì)及多因素影響下的輸流管動(dòng)力學(xué)分析問題，系統(tǒng)地討論了計(jì)及多因素影響的輸流管動(dòng)力學(xué)建模、線性非耦合條件輸流管道的發(fā)散臨界流速和穩(wěn)定性分析、線彈性介質(zhì)作用耦合碳納米管道振動(dòng)與抑制問題、非線性彈簧耦合下輸流管道非線性動(dòng)力學(xué)特性與振動(dòng)同步行為以及空間輸流管道的非線性振動(dòng)行為研究。形成了一套完整的輸流管動(dòng)