多跨管道流固耦合振动的波传播解法.pdfVIP

第31卷第1期 固体力学学报 V01．31No．1 MECHANICS CHINESE 0FSOLID JOURNAL 2010 2010年2月 February 多跨管道流固耦合振动的波传播解法’ 李宝辉” 高行山 刘永寿 黄益民 岳珠峰 (西北工业大学工程力学系，西安，710129) 摘要采用Timoshenko梁模型提出了求解多跨管道流固耦合振动的波动方法．借助边界处的几何连续条 件和力平衡条件，得到了波在固支、简支和自由三种端部条件下的反射模型；建立了波在中间弹性支撑处的散射模 型；结合以上散射模型。得到了多跨管道流固耦合振动的频率特征方程；通过计算两端简支管道的临界流速，验证 了所建立模型的正确性．最后，计算了一段40m长、七跨管道在三种工况下的前五阶固有频率．计算结果表明：波传 播方法具有易于编程、执行效率高和计算精度高的优点． 关键词 流固耦合。波传播，载流管道，固有频率，临界流速 0引言 TanCA[7 输液管道的流固耦合振动问题广泛存在于核工 转振动特性． 业、石油化工和航空航天等领域．众多研究者从不同 本文用波动法对管道的流固耦合振动进行了研 的方面对这一问题进行了研究，但是绝大部分工作 究，借助经典的流固耦合4一方程模型，建立了振动 都是围绕单跨管道进行的，对多跨管道流固耦合振 波在三种端部支撑处的反射模式，计算了一段简支 动的研究很少．WuJS[1]提出了计算多跨管道固有管道的临界流速，通过对比验证了所建立模型的正 频率的传递矩阵法，这种方法物理概念清晰，但由于 确性；最后，通过建立振动波在中间弹性支撑处的散 需要进行大规模矩阵乘方运算，其计算程序的执行 射模式，得到了多跨管道振动的频率特征方程，计算 性不是很好；目前，针对单跨管道研究者们提出了许 了一段多跨管道前五阶固有频率． 多数值方法，PramilaAt2】采用Timoshenko梁模型1流固耦合振动的波动描述 用有限元法研究了载流短管动力稳定性问题；Usik 图1表示了载流管道的受力简图．忽略重力、管 Lee[31采用动力学刚度矩阵法计算了两端支撑管道道材料阻尼、外载荷和流体压力，此时，管道的运动 在恒定流和轴向力作用下的固有频率，得到了管道 微分方程为[8．9]： 失稳时的临界流速；ZhangL[4J通过傅立叶变换建 立频域中求解瞬态流固耦合振动的特征线法，研究 |l( 了管道的轴向流固耦合问题． 从波动的观点看，振动沿着管道传播，在材料性 质不连续处发生反射和透射，而在边界处由于没有 其它介质，只发生反射，因此，只要建立起振动波在 图1载流管道受力简图 管道中的传播、反射和透射模型就可以用波动法求 Theforce of fluid Fig．1 diagrampipecoveying 解流固耦合问题了．现在已经有学者应用这种方法 研究桁架结构中能量流的传播规律，建立了波在桁 架结构结点和边界处的散射模型[53；MeiC[6]用波动 署一(彬，+以)警一矿，俨警一 法研究了轴向荷载作用下梁的振动特性，由于没有