考虑流固耦合的典型管段结构振动特性分析

研究了两种最常见的流体管段结构模型与计算。对于直管,利用拉氏变换把时域方程变换到频域,对频域方程进行推导求解,得到了直管的频域解析解;对于弯管,直接对方程模型进行整体求解,同样求得了其频域解析解。然后以Davidson单弯管模型为例,说明典型管段结构组合的管道系统的求解方法,并验证直管以及弯管模型和求解方法的正确性。最后,通过改变弯管的弯曲半径以及角度来对管道的流固耦合振动特性的影响因素进行分析。结果表明,弯曲角度以及弯曲半径越小,频谱曲线密集程度越低,耦合振动越弱,反之越强。     

考虑流固耦合的管内压力波传递特性分析

考虑流体的科氏力、离心力以及迁移力,导出直管14方程的流固耦合模型,建立不同管段间的角度转换矩阵和流体压力波透射边界的传递矩阵,并验证了该模型及算法的正确性。通过改变介质参数、流体边界条件以及管段间的夹角,对流固耦合作用下的管内压力波传递特性的影响规律及其特征进行了分析和研究。结果表明,由于流固耦合的作用,即使流体在透射边界时,弹性管内亦会出现一定的驻波,且管内介质及管道属性越相近,驻波现象越明显;流固耦合对压力波的影响在流体为“绝对硬”边界时达到最大;当管道强制流体改变运动方向时,由于Burdon耦合的作用,使得压力波的频域响应共振峰增多,并且这些新增的共振峰受转角影响更为明显。     

基于结构动力学方法的气动弹性分析

摘 要：对于气动与弹性的耦合模型,给出气动力的频域公式,并表示成有理多项式,通过等价的变换,能够推导出与结构动力学方程完全相似的、关于求解变量的二阶常微分方程组。于是,可以在计算结构动力学框架下实现气动弹性问题的分析和计算。此方法将通用计算结构动力学程序的功能与试验或数值分析得到的气动力模型相结合,简化了气动弹性的耦合分析、提高计算效率。     

分支管流固耦合振动的频域解析解

利用拉氏变换,把时域流固耦合14方程模型变换到频域,对频域方程进行推导,得到12个一元四阶常微分方程和2个一元二阶常微分方程,对其求解,得到了直管的频域解析解。然后结合分支点的平衡条件以及分支管的边界条件,求解得出任意形状分支管的频域解析解。最后,对结果进行仿真计算,利用英国Dundee大学Tijsseling教授的实验结果对计算结果进行验证,并对不同形状的分支管进行了仿真计算。     

成层饱和土中桩纵向振动特性研究及应用

采用Winkler地基模拟土层间的相互作用,建立了三维轴对称条件下饱和成层土中弹性支承桩纵向振动的简化模型,通过势函数分解和分离变量方法得到饱和土层的振动形式解,进而利用桩土完全接触条件求解出任一桩段的耦合振动解,根据复阻抗传递原理得出桩顶频域响应解析解和时域响应半解析解,在此基础上,分析了分层模型的合理性以及土层参数对桩顶动力响应的影响,最后结合工程实例对比了分层模型和单层模型,结果表明,采用分层模型可以取得更好的拟合效果。     

大跨桥梁地震反应的频域精细传递矩阵法

地震反应分析是研究桥梁抗震能力,指导安全设计的重要手段。大跨度桥梁进行地震反应分析时,需要考虑多点输入影响已成为国内外共识。该文将传递矩阵法与精细积分法的指数矩阵运算相结合,建立了一种精细传递矩阵格式。与传统的传递矩阵法相比,其无需求解微分方程,仅按照迭代公式进行计算,就可得到所需要的传递矩阵。该方法公式简明,规律性强,理论上可实现任意高精度的要求。通过傅里叶变换,推导出了大跨桥梁在一致地震输入和多点地震输入下的频域精细传递矩阵,在频域内对大跨度桥梁进行了动力反应分析。算例表明精细传递矩阵法是正确、有效的。     

一种实现Fornasini-Marchesini 模型的新方法的研究

针对给定的多维系统有理传递函数,对利用解析不变后向移位空间和矩阵值函数得到Fornasini-Marchesini(F-M)状态空间模型实现矩阵的问题进行了研究,提出一种新的实现矩阵的求解方法。与前者相比,新方法根据传递函数或传递矩阵的结构特征进行变换,能够得到F-M状态空间模型更低阶实现矩阵,可以使求解状态空间模型的实现矩阵计算过程的复杂度得到简化,避免产生不必要的高阶次,能够得到系统更加清晰简洁的表现形式,有利于系统的分析。利用F-M状态空间模型的特点,将此方法运用在多输入多输出(MIMO)雷达系统中,能够提高雷达系统的工作效率。     

承插管件连接处涂层的耐蚀性及密封完整性评价

根据西北某油田现场集输管道环境特点,通过高温高压腐蚀模拟试验,水压爆破试验和有限元计算,结合涂层附着力及扫描电子显微镜(SEM)测试对过盈压接管道接头处的涂层有效性和管段密封性能进行评价。结果表明:管道接头处和管体处涂层的表观形貌在腐蚀模拟试验后均未发生明显变化,涂层/基体界面无腐蚀产物出现,管道接头处涂层附着力与管体无明显区别,均高于22 MPa;管段静水压试验失效模式为连接段内外管脱开,最大压力为39 MPa,有限元计算结果与试验结果基本一致,模型可以用于同类管段承压时的受力分析。过盈承插连接方式能够保证接头位置具有涂层完整性和较高的密封完整性,能够满足油田典型集输管道的环境要求。     

机器人与激光跟踪仪的坐标系转换方法研究

激光跟踪仪对工业机器人的末端位姿进行绝对定位精度标定时,需要把测量坐标系和机器人坐标系下的坐标值转换到同一坐标系下,坐标值的比较才有意义。因为机器人运动学模型误差的存在,使得机器人坐标系下的点不能遵循着唯一确定的变换关系变换到测量坐标系,所以坐标系的变换精度不高。在建立齐次变换形式的变换模型之后,通过分析坐标系变换过程中的误差来源,提出结合最小二乘法的RANSAC快速转换算法。从测量样点中随机选择一定量的样点拟合变换模型,在获得多个变换模型之后,利用评判模型选择最优模型。结果表明:相比于常规的求解方法,机器人和激光跟踪仪的坐标转换精度提高3倍。RANSAC算法能有效地降低机器人模型误差对求解变换关系的影响,并且实验过程快速、操作简单。     

航空液压管路流固耦合振动传递矩阵模型分析

将国产大飞机C919的一段多弯曲液压管路,按弯曲结构分为多个分段,基于目前公认的液压管路流固耦合14-方程分析了各段之间的关系,采用传递矩阵法创建了该段管路的完整传递矩阵动力学模型。进一步,基于Matlab软件编程求解该动力学模型的偏微分方程组,分析该管路在正常飞行振动载荷及功能冲击载荷作用下的流固耦合振动,得到其在3个方向激励下的轴向速度频域响应,并通过实验验证了该数学模型的分析结果。研究结果表明:3个方向激励下的响应频率相同,仅响应幅值会有所不同;管路在低频处的振动幅值较大,说明低频振动更为剧烈,更易引发谐振失效,在管路设计时要予以重视;所建立的传递矩阵动力学模型及其求解算法准确度均较高,误差最大仅为4.5%。     

粘弹性分数阶导数模型的有限元法

本文给出了粘弹性分数阶导数模型的有限元格式,并用模态分析的方法进行了运动方程解耦。用Laplace变换及其反变换,解析地计算了解耦后单自由度系统的时域和频域响应。时域响应被分为极点部分和截断部分,它们分别代表短期内的衰减振动和长时间内的缓慢恢复效应。以一维杆件为例,对有限元算法和解析解做了对比,分析了响应精度与单元个数的关系。结果表明用有限元法计算的位移接近解析解,而要得到准确的高频加速度响应,则需要划分许多单元格。     

Three-dimensional analytical solution for transient guided wave propagation in liquid-filled pipe systems

The objective of this study is to investigate the three-dimensional (3-D) analytical solution for transient guided wave propagation in liquid-filled pipe systems using the eigenfunction expansion method (EEM). The eigenfunctions corresponding to finite liquid-filled pipe systems with a traction-free lateral boundary and rigid smooth end boundaries are obtained. Additionally, the orthogonality of the eigenfunctions is proved in detail. Subsequently, the exact 3-D analytical transient response of finite liquid-filled pipe systems to external body forces is constructed using the EEM, based on which, the approximate 3-D analytical transient response of the systems to external surface forces is derived. Furthermore, the analytical solution for transient guided wave propagation in finite liquid-filled pipe systems is extended explicitly and concisely to infinite liquid-filled pipe systems. Several numerical examples are given to illustrate the analysis of the spatial and frequency distributions of the radial and axial displacement amplitudes of various guided wave modes; the numerical examples also simulate the transient displacement of the pipe wall and the transient pressure of the internal liquid from the present solution. The present solution can provide some theoretical guidelines for the guided wave nondestructive evaluation of liquid-filled pipes and the guided wave technique for downhole data transfer.     

TBM液压管道频谱特性分析和结构优化

考虑到全断面硬岩推进机(TBM)掘进过程中轴向基础振动对流体流速和压力波动的影响,运用输流管道流固耦合轴向运动4-方程模型,分析基础振动的影响,建立轴向基础振动下的TBM液压管道轴向耦合振动方程组,并用直接解法在频域内对其进行求解,再运用MATLAB软件对管道出口处流速和压力的频域响应特性进行仿真计算,随之分析基础振动和不同结构参数对流体频域响应的影响规律。同时,为减弱基础振动对流体出口参数的影响,运用正交实验法对管道进行结构优化,优化后的管道系统流速的频域幅值整体上减小了48.61%,从而在一定程度上抑制了因基础振动带来的流体波动。     

地铁列车运行引起的振动对精密仪器的影响研究

采用一种数值模型,并结合现场振动实测,对北京地铁4号线列车运行引起的振动对北京大学物理实验室内精密仪器的影响问题进行了研究,并对地铁4号线隧道内浮置板轨道的减振效果进行了探讨。该模型根据移动荷载作用下的动力响应解,把地铁列车运行引起的振动问题归结到计算频率-波数域内的传递函数和频域内移动轴荷载的问题上。传递函数采用三维周期性有限元-边界元耦合的数值模型来计算,移动轴荷载主要考虑为频域内轨道不平顺激励下的轮轨接触力。现场振动实测包括地铁列车与公交车单独引起的振动及两者的合振动测试。结果表明:浮置板轨道是一种有效的减振措施,在其工作频段内有显著的减振效果;在低频段,地铁列车单独引起的振动可能对精密仪器正常工作造成影响,公交车流单独引起的振动以及与地铁列车叠加的振动会对精密仪器的正常工作造成影响,仪器基座处应采取相应的隔振措施来减小这部分振动。     

Classical Approach to Analyzing the Influence of Edge Boundary Conditions on Stresses and Flexibility of Pipe Elastic Bend

A new analytical method is proposed for the analysis of boundary effect in a pipe bend portion loaded by bending moment combined with internal pressure. The proposed method is based on the simplifying hypotheses, which make possible to represent all deformation- and force-related parameters in terms of the tangential displacement assumed in the form of the Fourier series expansion by the circumferential coordinate. A set of quadric differential equations by axial coordinate containing unknown displacement expansion coefficients is derived. We obtained an analytical approximate solution for a pipe bend portion and precise solution for a straight pipe, which are expressed via Krylov functions. We formulate the application procedure for the method of initial parameter, where the values of tangential and longitudinal displacements, axial and tangential forces are used as boundary conditions. We present the equations relating the above-mentioned parameters in the initial and end sections of the pipe bend portion. The results obtained are compared with the available published data. __________ Translated from Problemy Prochnosti, No. 4, pp. 64 – 94, July – August, 2005.     

冲击波作用下悬臂梁瞬态响应的传递函数方法

利用传递函数方法对爆炸冲击波作用下的悬臂梁进行分析，得到其瞬态响应的封闭形式的解析解。首先，针对给定的爆炸冲击波载荷和初始条件，对梁的控制方程和边界条件进行Laplace变换，然后通过引入状态向量将其改写成状态空间形式，并利用传递函数方法求得其在频域内的解析解，最后利用Crump方法并结合ε算法进行Laplace逆变换，求得悬臂梁在时域内的瞬态响应。给出数值算例，通过与有限元的比较验证了方法的正确性。     

基于滞变阻尼模型的时域计算方法

复阻尼时域运动方程的自由振动解中包含发散项,导致时域数值计算结果不能稳定收敛。在复阻尼模型的频域运动方程基础上可得到滞变阻尼模型的时域运动方程。针对滞变阻尼模型的特点,依据复平面法和地震加速度的三角级数表达式,该文提出了滞变阻尼模型的时域理论计算方法;假定时间步长内结构的振动响应为简谐振动响应,同时借助于常平均加速度法,提出了滞变阻尼模型的时域数值计算方法。算例分析表明,与复阻尼模型的时域数值计算方法相比,滞变阻尼模型的时域理论计算方法和时域数值计算方法可有效避免时域发散现象;滞变阻尼模型的时域理论计算结果和时域数值计算结果与复阻尼模型的频域计算结果近似相等,进一步证明了该文方法的正确性。     

任意层地基中粘弹性楔形桩纵向振动响应研究

考虑楔形桩的横向惯性效应,研究了任意层地基中粘弹性楔形桩的纵向振动问题。首先,根据楔形桩的变截面特性并考虑桩侧土的成层性,将桩土系统沿纵向划分为有限个单元。然后,采用平面应变模型模拟桩侧土,采用Rayleigh-Love杆模拟楔形桩,运用Laplace变换技术和阻抗函数传递方法,求解得到了任意层地基中桩顶速度频域响应的解析解及桩顶速度时域响应的半解析解。最后,采用参数分析方法,对楔形桩单元划分精度进行了讨论,并讨论了楔形桩设计参数及材料参数和桩侧土成层性对楔形桩纵向振动响应的影响。     

Frequency response of fiber-optic multilayer hydrophones: experimental investigation and finite element simulation

The frequency response of a fiber-optic hydrophone that uses a dielectric multilayer system as the sensing element for ultrasound detection is investigated. A primary interferometric calibration technique is applied to determine by experiment the frequency-dependent pressure-voltage transfer function up to 45 MHz. The interaction between an incident pressure wave and the fiber end is analyzed by finite element methods. The simulation yields the response of the sensor to a short Gaussian impulse in the time domain from which the transfer function is calculated. The results of the model simulations allowed the transfer function obtained to be interpreted as the result of the superposition of longitudinal, edge diffraction and lateral waves with a resonant vibration mode of the fiber body representing an elastic rod