充液管道振动特性分析及其减振控制

论文摘要

充液管道广泛应用于现代工业工程和居民日常生活中,对国民经济、人民生活都起着十分重要的作用。但是,管道系统振动所造成的噪声环境污染,严重时甚至可导致管系或机器损坏。所以,降低管道振动、保证管道输送安全,具有很高的理论研究价值和重大的现实意义。本文在考虑流体和管道耦合作用基础上,对充液管道振动特性进行了深入研究,同时在此基础上提出高静低动刚度概念,设计加工了高静低动隔振器,并做了相关理论和实验研究。具体说来,本文的主要研究成果和结论如下:1、推导了基于流固耦合4方程模型的充液管道传递矩阵法,得到直管单元轴向振动、横向振动、扭转振动的传递矩阵,并将弯管离散为多个短直管,从而建立充液弯管的传递矩阵。另外,推导了管系中常见的集中质量、弹性支撑的传递矩阵。通过以上推导,得到可用于计算充液管道模态、谐响应的传递矩阵算法。2、分别使用传递矩阵法和ANSYS软件,计算了“U”形充液管道的模态频率和振型。对比两者的结果,发现所得各阶固有频率及对应振型基本一致,说明传递矩阵法可以很好的对弯管进行离散化处理,进而进行模态计算。同时发现,流固耦合作用明显降低了管系的固有频率,但对于模态振型的影响很小。对含有弹簧支撑的充液管道进行了谐响应计算,验证了推导的弹性支撑传递矩阵的正确性。另外,对不同长度和外径的充液管道进行了实验测试,通过固有频率的对比分析可以看出,在其它条件不变的情况下,随着管道长度的增加,传递矩阵法误差逐渐减小;阶数越高,固有频率误差也越大。当管道外径减小时,具有相同的规律。3、介绍了高静低动刚度的概念,设计加工了一个高静低动隔振器,并对其进行了静力实验和振动实验。通过静力实验,验证了加工的隔振器的力-变形曲线基本与理论值接近,达到了非线性的效果。但是考虑到材料、加工、以及装配的因素,实测曲线与理论曲线存在一定的偏差。而在振动实验中,分别测试了线性弹簧和高静低动隔振器的位移传递率。通过对理论模型的不断修正,使得实验结果和理论曲线基本相同。通过与线性弹簧实验结果的对比可知,设计加工的高静低动隔振器可使系统的固有频率减小,从而扩大隔振区间;同时,高静低动隔振器具有更小的位移传递率,可以有效隔离来自地基、底座等的振动,从而达到保护承载物的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 充液管道流固耦合作用机理
• 1.2.2 充液管道主要研究方向与内容
• 1.2.3 充液管道振动分析研究方法
• 1.2.4 充液管道常见减振措施
• 1.3 发展方向
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 充液管道的传递矩阵法推导
• 2.1 充液直管单元的传递矩阵推导
• 2.1.1 充液直管单元轴向运动传递矩阵
• 2.1.2 充液直管单元横向运动传递矩阵
• 2.1.3 充液直管单元扭转运动传递矩阵
• 2.1.4 充液直管单元场传递矩阵集成
• 2.2 充液弯管单元的传递矩阵推导
• 2.2.1 充液弯管的计算模型
• 2.2.2 充液弯管传递矩阵的建立
• 2.3 常见管道元件的传递矩阵推导
• 2.3.1 集中质量的传递矩阵
• 2.3.2 弹性支撑的传递矩阵
• 2.4 充液管道模态计算
• 2.4.1 计算充液管道模态频率
• 2.4.2 计算充液管道模态振型
• 2.5 充液管道谐响应计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 充液管道数值计算与实验
• 3.1 “U”形充液管道模态计算
• 3.2 弹簧支撑充液管道谐响应计算
• 3.2.1 中间弹簧支撑充液管道谐响应计算
• 3.2.2 两端弹簧支撑充液管道谐响应计算
• 3.3 充液直管模态计算与实验
• 3.3.1 不同长度的空管固有频率计算
• 3.3.2 不同外径的空管固有频率计算
• 3.3.3 不同长度的充水管道固有频率计算
• 3.3.4 不同外径的充水管道固有频率计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 管道非线性隔振器设计与实验
• 4.1 非线性隔振器设计理论简介
• 4.2 高静低动隔振器结构设计与分析
• 4.2.1 三弹簧结构分析
• 4.2.2 水平四弹簧结构分析
• 4.2.3 薄片梁结构分析
• 4.3 位移传递率理论计算
• 4.3.1 线性弹簧位移传递率理论计算
• 4.3.2 高静低动隔振器位移传递率理论计算
• 4.4 高静低动隔振器静力实验
• 4.5 位移传递率实验
• 4.5.1 线性弹簧系统位移传递率实验
• 4.5.2 高静低动隔振器位移传递率实验
• 4.5.3 实验结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 符号说明
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文