流固耦合下多层波纹管等效刚度的研究

论文摘要

多层波纹管是由套合的多层薄壳构成,与等厚度的单层结构相比,多层波纹管具有较大的位移补偿和减振降噪能力,在管道系统中被大量使用。刚度是波纹管设计的主要性能参数之一,目前对刚度的研究主要采用有限元、曲梁简化模型、工程实际经验公式和实验等方法。本文以含夹层阻尼多层金属波纹管为研究对象,运用ADINA有限元软件对多层波纹管的轴向等效刚度进行分析研究。通过对波纹管的静力学分析,得到波纹管轴向等效刚度随夹层阻尼材料特性和波纹管各参数的变化规律。结果表明:轴向等效刚度随阻尼材料厚度和弹性模量的增大而增大,但增加的幅度不大,尤其是随阻尼弹性模量的增大轴向等效刚度增加很小。波纹管轴向等效刚度随波根外径、波距和壁厚的增大而增大,随波高和波数的增大而减小;随金属材料弹性模量的增大而线性增大。建立了合理的多层波纹管等效刚度的流固耦合数值仿真模型,得到水介质条件对波纹管轴向等效刚度的影响。结果表明:水介质压力对波纹管轴向等效刚度的影响很小。考虑流固耦合后,波纹管动态刚度有了一定的降低,通过波纹管流固耦合下的动态试验,得到有限元分析结果与试验结果较为吻合,二者的相对误差较小。从而验证了有限元分析的正确性,为进一步研究波纹管的动力学特性提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 波纹管概述
• 1.2 课题背景与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 课题研究方法
• 1.6 课题来源
• 第2章 数值仿真分析基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 非线性有限元
• 2.2.1 材料非线性
• 2.2.2 几何非线性
• 2.2.3 接触非线性
• 2.2.4 非线性数值解法
• 2.3 计算流体力学概述
• 2.3.1 流体力学方程组
• 2.3.2 流体模型的分类
• 2.3.3 初始条件和边界条件
• 2.4 本章小结
• 第3章 多层波纹管的等效刚度
• 3.1 引言
• 3.2 波纹管有限元模型的建立
• 3.2.1 波纹管的选择
• 3.2.2 单元类型的选择
• 3.2.3 网格密度的确定
• 3.2.4 模型的基本假设
• 3.2.5 波纹管有限元模型
• 3.3 含夹层阻尼波纹管的等效应力分析
• 3.3.1 位移工况下的应力分布
• 3.3.2 内压工况下的应力分布
• 3.3.3 联合工况下的应力分布
• 3.4 含夹层阻尼波纹管的等效刚度研究
• 3.4.1 阻尼材料对波纹管等效刚度的影响
• 3.4.2 波纹管参数对波纹管等效刚度的影响
• 3.4.3 材料参数对波纹管等效刚度的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 流固耦合下多层波纹管的等效刚度
• 4.1 引言
• 4.2 流固耦合分析过程
• 4.2.1 运动学和动力学条件
• 4.2.2 流体和结构模型的网格
• 4.2.3 耦合系统中的有限元方程
• 4.2.4 波纹管双向流固耦合
• 4.3 波纹管流固耦合有限元模型
• 4.4 水介质对波纹管等效刚度的影响
• 4.4.1 水介质速度对波纹管轴向变形的影响
• 4.4.2 水介质压力对波纹管等效刚度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 流固耦合下多层波纹管的动态等效刚度
• 5.1 引言
• 5.2 波纹管模态分析
• 5.2.1 模态分析基础理论
• 5.2.2 模态分析数值解法
• 5.2.3 流固耦合模态分析
• 5.2.4 耦合模态分析结果
• 5.3 流固耦合下波纹管振动试验
• 5.3.1 振动试验目的
• 5.3.2 振动试验设备
• 5.3.3 振动试验原理
• 5.3.4 振动试验装置
• 5.3.5 试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 已完成工作总结
• 6.2 存在问题与工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果