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1、华中科技大学 硕士学位论文 管道结构振动与声辐射特性研究 姓名：袁亮 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：倪樵 20060429 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 基于管道结构在军工装备和民用设施中均有着广泛的应用，本文对承受高速移 动载荷作用输送管道的动态响应及典型充液管道结构受激振动的声辐射特性进行 了重点考察和分析。 论文第一部分采用梁质量块模型来模拟输送管道结构，在考虑梁自身的重量 和移动质量块的重量、速度等因素条件下，研究了移动质量运动过程中简支梁的动 态响应。文章从简支梁的控制方程出发，采用 Galerkin 截断对简
2、支梁模型进行离散 化，由此形成了系统的动力学方程组。数值分析时，首先考虑质量块作匀速移动时 梁的动态响应，基于前人的结果验证了数值计算程序的准确性和有效性；然后重点 考查了质量块在匀速、加速移动时简支梁的动态响应，分析了速度、加速度等参数 对系统动态响应的影响。研究表明，质量块分别在匀速和加速移动时，简支梁的动 态响应存在显著差别。 论文第二部分运用振动力学、流体力学、有限元数值分析方法、声学边界元数 值分析方法和计算机仿真等相关理论，对典型管道结构的动态性能进行了分析，并 从理论上探索了耦合系统的振动声辐射机理。文章首先采用ANSYS软件计算充液管 结构流固耦合情况下的固有模态，然后计算受节
3、点力激励时外表面的法向位移,并提 取耦合面的单元网格数据及其法向位移， 分别作为SYSNOISE软件计算的边界元模型 和边界条件，进而模拟出结构外场声辐射。通过对管道声振模型的计算分析，发现 壳体厚度、耦合振动模态等因素对结构声辐射具有一定的影响。本文的研究为解决 工程实际中管道结构的噪声控制与优化设计问题提供了一种方便有效的途径。 关键词：关键词：梁质量块模型；动态响应；流固耦合；声辐射；有限元；边界元 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract Based on the pipe structure widely used in the
4、military equipment and civilian establishments, particular attention are concentrated on both the dynamic responses of running piping under the action of moving loads and the acoustic radiation characteristics of typical water filled pipe caused by the exterior motivation in this paper. In the first
5、 part of paper, beam with moving mass model is used to simulate running piping. With taking into account the gravity of the beam, the gravity and velocity of the moving mass, the dynamic responses of simply supported beams under the action of moving loads are investigated in this paper. The Galerkin
6、 method has been used to discretize the beam model and formulate the corresponding dynamic equations of the system. For a beam with constant moving velocities, the numerical results, in contrast to the works by formerly investigators, have demonstrated the accuracy and validity of the proposed numer
7、ical program. Moreover, the dynamic responses of beam system with constant or accelerated velocity moving mass are obtained via numerical calculations. The effects of velocity or acceleration of moving mass on the dynamic responses are further discussed. The acquired results show that there are dist
8、inct differences between two beam models: with constant moving velocity and accelerated moving velocity. In the second part of paper, Mechanics of Vibrations, Fluid mechanics, Finite Element Method (FEM) and Boundary Element Method (BEM) and computer imitation are applied to analyze the dynamic resp
9、onses of pipe structure, and the structural vibro-acoustic radiation mechanism of coupling system. Vibrations of an excited water filled straight pipe and U-shape pipe and their radiation field are investigated by using software ANSYS and acoustic code SYSNOISE. The normal displacement which is stim
10、ulated by node force on the coupling surface is calculated in ANSYS firstly. Then inherent modes are obtained and the mesh element information and normal displacement 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III of the outer surface are drawn out and set as the boundary conditions of the BEM model. Based
11、 on this, the surface sound pressure and outside sound field are computed. For the pipe under consideration, it is shown that the thickness of pipe and coupling mode may influence on vibro-acoustic radiation to some extent. The study gives a convenient and effective way for noise control and optimum
12、 design of typical pipes in engineering. Key words: beam with moving mass; dynamic response; Fluid-structure coupling; acoustic radiation; FEM; BEM 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作
13、者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题
14、的背景及意义课题的背景及意义 管道系统作为一种重要的工程结构，在军事工程、机械电力、石油化工、核电、 海洋工程等诸多工程领域和日常生活中都有着广泛应用，尤其在导弹发射、核反应 堆和大型石油化工等设备设施中。然而，管道因内部高速移动质量与管壁的相对运 动而产生的大幅振动可导致管道系统动力失稳，严重时会给系统运行带来灾难性的 毁坏，如何避免这种破坏，一直是工程界迫切需要解决的问题。另外，管道振动伴 随而来的辐射噪声会造成环境污染,影响人们正常的生活生产。因此管道作为一种传 递质量流、动量流、能量流的重要工具，其振动与稳定性以及伴随而来的噪声辐射 问题是一个非常有现实意义的研究课题。 为了揭示管道振
15、动特性，了解管道结构振动在管道中产生和传播的机理，国内 外众多学者大都将管道简化为梁模型，管内物质用质量块模型来模拟，即本文用到 的梁-质量块模型。 1.2 梁梁-质量块模型的研究现状质量块模型的研究现状 梁质量块振动问题的研究始于铁路桥梁，人类自1825年建成第一条铁路以来， 便开始了探索移动载荷与梁相互作用的历史过程，并随后将之应用到工业中的其他 模型。 1849年，R.Willis首次提交了一份有关桥梁振动研究的报告，探讨了Chester铁路 桥坍塌的原因，发现在移动载荷作用下，桥梁将发生振动并由此产生比相同荷载静 止不动作用时更大的变形和应力,于是认为移动载荷的这种动力效应是不可忽视的
16、， 尤其是在荷载处于静力作用最不利位置的同时满足共振条件而发生较大的动态应 力，它将导致梁的破坏。几乎与此同时，Stokes1建立梁-质量块模型来模拟桥梁结 构，并得到了不计质量梁情况下的解析解。几十年后，Stokes进一步获得了Willis方 程的幂级数解。结合当时的实际情况梁和移动质量块荷载相比较小可以忽略，这 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 一理论结果被近似地应用于铁路交通中。 1905年， 俄国学者Krylov研究了匀速常量荷 载作用下简支梁的振动问题。他考虑了另一种极端情况，导出了忽略移动荷载质量 的移动常量力作用下梁的振动方程并获得了精确解。为了避免求解变系数微分方程， 他假定相对于跨度较大的桥梁而言，移动车辆的质量可以忽略。由于未考虑车辆质 量的动力效应，该模型只适用于车速较小的情况。著名学者Timoshenko2先后于1911 和1922年获得了梁在交变移动载荷作用下的解。1941年,李国豪继Timoshenko之后研 究
