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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文考慮固液耦合的充液管道系統(tǒng)振動(dòng)特性及能量流研究姓名：張志勇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與理論指導(dǎo)教師：沈榮瀛2000.3.1摘要隨著液體輸送管道系統(tǒng)在我國(guó)工業(yè)及城市建設(shè)中的J“泛使用，管道系統(tǒng)振動(dòng)所0I起的安全性問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前我國(guó)學(xué)者對(duì)充液管系的振動(dòng)研究li嚶側(cè)重于不考慮固液耦合作用時(shí)的水錘響應(yīng)分析；近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，液體與管道之間的耦合作用對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響很大，而對(duì)考慮耦合作用實(shí)際龜液管系的振動(dòng)特性研究，我國(guó)幾乎還是空白。本論文正是在這一背景下展開(kāi)工『乍，對(duì)考慮液體與管道耦合作
2、用時(shí)的充液管系振動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究，為實(shí)際管系的設(shè)計(jì)及動(dòng)力性能分析打下了基礎(chǔ)，并對(duì)現(xiàn)代振動(dòng)控制中常作為控制參數(shù)的管道系統(tǒng)傳輸能量流進(jìn)行了具有開(kāi)拓性的理論與實(shí)驗(yàn)研究，為管道系統(tǒng)的振動(dòng)控制、隔振元件的評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。本論文具體內(nèi)容包括：l推導(dǎo)了完備的充液圓柱殼運(yùn)動(dòng)微分方程與頻散方程，總結(jié)了充液圓柱殼振動(dòng)特性的研究成果，為低頻時(shí)充液直管單元的梁模型理論及能量流的波分解法測(cè)量公式的推導(dǎo)打下基礎(chǔ)；推導(dǎo)了基于梁模型時(shí)充液管道單元的軸向、橫向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。2采用特征線法，對(duì)考慮固液耦合作用時(shí)充液管道系統(tǒng)軸向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析
3、，并與不考慮耦合作用時(shí)的經(jīng)典水錘模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，全面研究了連接耦合、泊松耦合及閥門關(guān)閉特性對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明，同液耦合作用對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響不能忽略。{本文首次對(duì)存在多條特征線時(shí)特征線法計(jì)算中所存在的插值問(wèn)題進(jìn)行了專門研究“結(jié)果表明，在通常情況下，采用向前的時(shí)間插值方法可獲得令人滿意的計(jì)算結(jié)果，采用更精確的插值方法對(duì)響應(yīng)的影響不大，而且時(shí)問(wèn)節(jié)點(diǎn)的細(xì)化方法會(huì)引起計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定；本論文一個(gè)重要結(jié)論是，與插值誤差相比，特征線法計(jì)算中所存在的非積分項(xiàng)的數(shù)值積分誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響更大。j4本文基于偏微分方程求解的穩(wěn)定性理論
4、，第一次對(duì)特征線法計(jì)算結(jié)果與管道最小單元數(shù)目之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。f研究指出，保證計(jì)算結(jié)果精確性的最小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目與激勵(lì)頻率及管道系統(tǒng)韻振動(dòng)模態(tài)有很大關(guān)系，即由對(duì)管系響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的最高階模態(tài)振型決定，這一研究成果對(duì)實(shí)際管道系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算中時(shí)間與空間節(jié)點(diǎn)的劃分提供了理論依據(jù)。、5建立了充液直管橫向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特征線法計(jì)算表達(dá)式；在考慮液體與管道耦合作用的前提下，對(duì)常見(jiàn)的直角彎管單元進(jìn)行了建模；對(duì)兩種邊界條件卜．的單彎管管系進(jìn)行了計(jì)算，并研究了系統(tǒng)響應(yīng)變化歷程。研究結(jié)果表明，對(duì)單彎管管系而言，液體與管道之間的耦合作用對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影
5、響較直管管系人，此時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)是系統(tǒng)中各種波及其反射波相互疊加的結(jié)果，而且系統(tǒng)約束條件對(duì)響應(yīng)的影響很大，當(dāng)系統(tǒng)約束越剛性時(shí)，管道振動(dòng)越小，而液體振動(dòng)越接近于不考慮固液耦合作用時(shí)的計(jì)算結(jié)果。，6基于充液直管的梁模型，考慮液體與管道之間的泊松耦合，詳細(xì)推導(dǎo)了充液直管單元的軸向、橫向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞矩陣；采用彎管不延伸理論的離散模型，將彎管離散為一組首尾相連，并成一定角度的短直管單元，通過(guò)建立彎管處力平衡方程與連續(xù)性方程，建立了彎管平面內(nèi)振動(dòng)的傳遞矩陣，并研究了彎曲因子對(duì)傳遞矩陣的影響?！懻摿藢?shí)際管系中常見(jiàn)邊界條件的計(jì)算處理方法；建立了一套
6、采用傳遞矩陣法進(jìn)行模態(tài)頻率、模態(tài)振型、時(shí)域響應(yīng)及頻域響應(yīng)計(jì)算的完整體系；首次研究了充液管道系統(tǒng)中阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣與傳遞矩陣之間的關(guān)系，一為以后更全面的能量流理論分析奠定了基礎(chǔ)；推導(dǎo)了充液管道系統(tǒng)中能量流傳播的具體表達(dá)式，并給出了計(jì)算方法。．8對(duì)水箱一邕管一閥門管系及較復(fù)雜的單彎管管系進(jìn)行了模態(tài)分析，并與相關(guān)文獻(xiàn)及ANSYS有限元分析結(jié)果進(jìn)行，對(duì)比，驗(yàn)證了所建立的直管單元傳遞矩陣與彎管傳遞矩陣，討論了液體與管道耦合作用對(duì)系統(tǒng)模態(tài)的影響，研究結(jié)果表明，固液耦合作用使管道與液體的模態(tài)頻率發(fā)生變化，但對(duì)模態(tài)振型的影響較小。J—j通過(guò)對(duì)單彎
7、管系統(tǒng)頻率響應(yīng)與能量流傳播的計(jì)算研究，分析了單彎管管系中頻率響應(yīng)和能黽流傳播與激勵(lì)方式之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，無(wú)論系統(tǒng)為液體激勵(lì)或管道激勵(lì)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)與系統(tǒng)輸入能量流都達(dá)到最大值，而且在遠(yuǎn)離共振點(diǎn)的頻率范圍內(nèi)，能罱流主要由激勵(lì)的介質(zhì)傳播，但當(dāng)某一方發(fā)生共振時(shí)，能量流即以該種介質(zhì)傳播為主，這一結(jié)論與充液圓柱殼傳播能量流理論研究結(jié)果一致，這為實(shí)際管道系統(tǒng)的振動(dòng)控制提供了理論指導(dǎo)。．，10基f充液管道低頻情況下的梁模型及有限差分理論，首次詳盡推導(dǎo)了軸向振動(dòng)與橫向彎曲振動(dòng)能量流的互功率譜法計(jì)算表達(dá)式，并開(kāi)拓性地提出了將力信
8、號(hào)作為參考信號(hào)的測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的頻響函數(shù)與輸入力信號(hào)的自功率譜，獲得不同軸向位置的測(cè)點(diǎn)之間的互功率譜，以消除測(cè)量系統(tǒng)通道問(wèn)的相位誤差。11根據(jù)充液圓柱殼運(yùn)動(dòng)微分方程及頻散方程，研究，低頻時(shí)在充液管道中起主導(dǎo)作用的液體縱波與管
