《多跨输流管道的稳定性分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多跨输流管道的稳定性分析（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 多跨输流管道的稳定性分析 姓名：黄锦涛 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：李威 2011-01 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要 要 输流管道系统在船舶工程、海洋工程、石油化工、核工程和航天工程等领域有 着广泛运用。管道的流固耦合振动和稳定性与设备的可靠性和安全性密切相关，本 文将运用传递矩阵法和微分求积法研究并探讨流速、质量比、弹性支撑刚度等因素 对输流管道的稳定性影响，并计算了输流管道的固有频率和临界流速。 本文首先基于梁模型推导了输流直管横向振动的传递矩阵，并
2、详细讨论了管系 中常见部件和边界条件的处理方法。阐述了复特征问题的求解方法。在输流管道的 稳定性计算及分析部分，主要完成了以下三部分的工作： （1）以单跨输流直管为研究对象，针对各种不同的边界条件，对输流管道的临 界流速和固有频率进行了计算。通过与解析结果的比较，表明文中所用传递矩阵法 是可行有效的。计算结果发现，流速的增加会导致管道系统固有频率的降低。 （2）对多跨弹性支撑输流直管进行稳定性分析，重点讨论了弹性支撑刚度变化 对管系临界流速的影响规律，并为管道的安全设计和振动控制提供理论依据。 （3）运用微分求积法计算了复杂边界条件下输流管道的稳定性，探讨了扭转刚 度系数和弹性支撑系数对管道稳
3、定性的影响。 关键词关键词：输流管道 稳定性 传递矩阵法 微分求积法 临界流速 多跨 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Pipes conveying fluid have widely used in the marine engineering, marine engineering, petrochemical, nuclear engineering and aerospace engineering and other fields. Fluid structure interaction and s
4、tability of pipeline are closely related with the reliability and security of equipments, the relationship between the stability of pipes conveying fluid and the velocity, mass ratio, elastic support stiffness and other factors was studied and investigated by using the transfer matrix method and the
5、 differential quadrature method. What is more，natural frequencies and critical velocity were also calculated in this paper. In the paper, the field transfer matrixes of transverse vibration of fluid-conveying straight pipes are derived based on beam model. And the disposal of common components and b
6、oundary conditions are discussed. The method for solving the complex eigenvalue problem was described. In the calculation and analysis part of the stability of pipes conveying fluid, three parts of the work were finished as follows: (1) Taking the single-span straight pipe conveying fluid as the res
7、earch object, for a variety of different boundary conditions, the critical velocity and natural frequency of pipe conveying fluid were calculated. By comparison with the results between analytical method and transfer matrix method, indicating the latter used in this paper was feasible and effective.
8、 The results showed that natural frequency of piping system will be reduced with the flow velocity increasing. (2) Analyzing the stability of multi-span straight pipe conveying fluid with elastic support, then the effect of elastic support stiffness change to the critical velocity of pipe system was
9、 studied, the research results provided theoretical basis for the pipeline safety design and vibration control. (3) Using differential quadrature method to compute the stability of pipes conveying fluid under complex boundary conditions. Meanwhile, the influence of torsion stiffness coefficient and
10、elastic support coefficient on the stability was discussed. Keywords: Pipes Conveying Fluid, stability, transfer matrix method, differential quadrature method, critical velocity, multi-span 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 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，
11、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。 保密， 在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 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 中 科 技 大 学
12、 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究目的与意义研究目的与意义 输流管道在船舶、航空航天、海洋工程、水利电力、石油化工、核工程、液压 传动、城市给排水等工业领域中具有十分广泛的应用。管道在流体输送的过程中， 常常以结构振动和流体声振动的形式传播能量和辐射噪声，比如激起的管壁振动对 空气场的声辐射、脉动流引起的谐波共振等。管道系统的流固耦合振动，不仅会造 成振动噪声污染，严重时甚至将影响到相应设备的正常工作和安全运行1。 在工业生产和日常的生活过程中，人们观察到，当输流管内流体的流速超过某 一临界值时，就会引起管道产生弓形弯曲或者
13、剧烈的振动，这种不稳定现象可以使 管道系统的薄弱环节产生破坏，甚至导致管道断裂，造成巨大的经济损失和严重的 事故。据统计，在工业生产中，水流导致管道接头损坏以及管道破裂一般占管道系 统总破坏率的 75%以上，由此而造成的经济损失也是巨大的2。 输流管道振动的诱导因素很多，如动力装置、节流装置、弯头与分支管等等。动 力装置包括泵、压缩机等用于提供流体流动的动力源，节流装置则包括阀体、扩张与 收缩管段等对流体起变流作用的装置3。除此之外，来自外部载荷的激励也是引发振 动的重要原因。输流管道在受到外力激励时，流体的流速和压力产生脉动，并通过阀 门、弯管等固液耦合连接件及流体与管壁之间的耦合作用，诱发
14、了多个互耦合的振动 波，振动机理相当复杂4。 随着国民经济的发展，输流管道将在现代化建设中扮演更为重要的角色，系统 的可靠性和安全性也越来越受到人们的关注。目前，我国正在投资建设一些重点项 目，比如海底石油输送管线、核电站、大型飞机、载人航天和新型舰艇等。输流管 道流固耦合的振动稳定性与这些新兴的和传统的工业设备的安全性和可靠性密切相 关，因此，探讨流速、质量比、跨长、支撑刚度、压力等因素对管道系统稳定性的 影响规律，以保证管系运行的安全及可靠性和在设计阶段预测管道的振动特性，为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 管道系统的合理设
15、计提供理论性指导，具有重要的工程应用价值。 1.2 研究背景研究背景 管道的振动研究因其物理、几何等条件的复杂性以及其多参数影响的特点引起 了众多学者的极大兴趣5。管道的流固耦合振动研究涉及的范围广泛，包括数学建模 理论、动力学特性分析、声振能量流传递特性、振动特性及响应预估、实验技术等。 在管道研究的初期，研究者仅考虑流体波动的影响，而常常忽略管道壁与流体 的耦合效应；对于管道的响应分析，研究者同样没有考虑流固双向耦合效应，响应 计算的思路是先计算得到流体的响应，并以此作为激励，然后计算管道的结构响应。 经过几十年的发展，输流管道系统的流固耦合振动问题研究有了很大的进展， 考虑的因素也更加全
16、面。目前研究的主要方向有：线性流固耦合管道振动、非线性 流固耦合管道振动、管道系统的振动实验方法、振动控制理论、管道的稳定性研究 等1。 管道动力学特性研究的力学模型有两种：一种是梁模型，即将管道看作梁，它 的运动限于一阶的周向模态振动（横向振动）。还有一种是壳模型。一般而言，对 于长细比较大的管或者较小的厚壁管道可采用Euler-Bernoulli或Timoshenko梁模型分 析。对于薄壁管或短管，由于振动时所对应的周向模态数较大通常采用壳模型。至 于采用哪一种模型，最终应该根据管道横截面的形变对问题的影响大小以及解决问 题的精度程度而定。 工程中管道的动力学研究可以归结为两类，一类是研究低频、流速较低情况下 管道的动力学特性，主要为模态分析、响应预估和能量流研究等；
