基础振动诱发的流体-管道轴向耦合振动特性

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1、2016年3月北京航空航天大学学报March2016第42卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．3http：ffbhxb．buaa．edu。cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0208基础振动诱发的流体-管道轴向耦合振动特性刘森1，张怀亮1’2一，彭欢1(1．中南大学机电工程学院，长沙410083；2．中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙41

2、0083)摘要：针对轴向基础振动对管道和流体波动的影响，运用轴向基础振动下液压直管道轴向耦合振动数学模型，推导了4种不同管端约束方式下的边界条件，并采用特征线法对不同约束方式下基础振动诱发的管内流体波动进行了研究，分析了管端约束方式、约束刚度、基础振动参数、结构参数对管道出口压力波动幅值的影响。结果表明：与两端固定约束相比，出口轴向自由和入口轴向自由时出口流体压力波动幅值分别增大了很多，且出口处约束刚度越大，压力波动幅值越小；基础振动频率越大，流固耦合作用越剧烈；压力波动幅值随基础振动幅值增大而线性增大；流体

3、流经管道的距离越长，流体波动越剧烈。分析结果能为制定相应的管道振动控制策略提供理论依据。关键词：基础振动；液压管道；流固耦合；压力波动；特征线法中图分类号：THll3．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)03加610-09对处于恶劣工况环境下的工程装备，如全断面硬岩掘进机、矿山机械等，在工作过程中载荷突变会使机器基础产生强烈的振动，液压管道作为液压系统的重要元件之一，安装在机器基础上，剧烈的基础振动会加剧管道振动和引起管内流体产生流速和压力的巨大波动，波动的流体会对下游液压系统造成大的冲击

4、，严重影响液压元件的性能和寿命。因此，有必要以处于基础振动环境下的液压管道为研究对象，对基础振动诱发的管道一流体耦合振动特性进行研究，为制定相应的管道振动控制策略提供理论依据。近年来，较多国内外学者围绕管道．流体耦合振动问题已进行了一些研究，多集中在流体瞬变诱发的输流管道振动¨。31和充液管道在冲击载荷下的流体振动方面H⋯，杨超‘¨研究了阀门突然关闭时水锤作用对管道轴向振动响应的影响，分析了连接耦合、泊松耦合、结构阻尼等对流体响应的影响规律；Perotti等¨o以充液的复合材料管道为对象，通过实验和仿真研究了

5、管内流体冲击诱发的管道流固耦合振动响应情况，分析了复合材料纤维缠绕角度对流体振动的影响。Kucienska等一1研究了由阀门突然关闭引发的水锤作用下管道的切应力响应问题，深入分析了切应力响应的变化步骤及其影响因素。Rocha等¨叫运用广义线性混合模型(GLIMM)方法数值求解了管道流固耦合轴向振动响应，得到了流体在冲击载荷下的动态响应。Zhu等⋯o运用CFD软件仿真研究了三通管内流体压力和流速分布的流动特性，并分析了人口流速、分支管径和分支角度对流体流动特性和管道切应力及变形的影响。综上，对管道．流体耦合振动

6、的研究中，其振动诱发因素主要来自于流体瞬变引起的水锤作用，如阀门突然关闭、管端受锤击、液体受冲击载荷等¨2‘151，但以处于基础振动环境下的输流管道为研究对象，对基础振动诱发的管道一流体耦合振动进行研究鲜见报道。收稿日期：2015-04—10；录用日期：2015-04-24；网络出版时间：2015-06-0314：12网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150603．1412．003．html基金项目：国家“973”计划(2013CB035404)$通讯作者

7、：Tel．：0731—88876810E—mail：zhl2001@CSU．edu．CU；f用格式：刘森，张怀亮，彭欢．基础振动诱发的流体一管道轴向藕合振动特性ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，420)：610—618．LIUS，ZHANGHL，PENGI-／．Fluid-pipecouplingaxisvibrationcharacteristicsinducedbyfoundationvibrationfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstr

8、onautics，2016，42f3)：610-618(inChinese)．第3期刘森，等：基础振动诱发的流体一管道轴向耦合振动特性611针对轴向基础振动对液压管道内流体的影响，将液压管道简化为两端受约束的输流管道单元，研究轴向基础振动下流体一管道耦合振动特性，分析系统参数对管道出IZl流体波动的影响规律，为管道抗振策略的制定提供理论指导。1输流管道轴向流固耦合振动模型建立1．1假设条件①管内流体