利用调谐质量阻尼器进行管路系统减振的研究

论文摘要

在化工和机械领域,管路系统作为输送原料和热源冷源的主要途径,被广泛地应用在工厂的建设和生产过程中。在航空与船舶工程中,管路系统也是整个系统的重要组成部分。管路系统对保证化工工业生产中各种装置的正常工作以及飞行器与船舶的安全航行起着至关重要的作用。然而在管路系统实际运行中,由于管路中阀门的启闭,以及流体输送机械的振动传递,都会引起管路系统发生一定强度的谐振甚至剧烈振动,从而大大降低管路的输送效率,引起结构疲劳失效,甚至由此导致管系结构的破坏。无论是对航空与船舶的管路系统还是对一般工业管路系统而言,振动控制至关重要。本课题基于上述背景,详细综述了管路系统在理论研究和应用研究下的一些成果,并经过比较和分析后提出了利用调谐质量阻尼器进行管路系统减振的方案。通过理论研究,模拟计算和实验验证,本课题的主要成果如下：1.在研究产生管路振动的流固耦合理论尚不完整的背景下,调谐质量阻尼器以其安装方便、设计简单和成本低廉等特点成为一种较好的管系减振方法。2.使用有限元方法配合商业的有限元软件准确计算了管路系统的模态,同时还讨论了管路系统与充液度和流速的定性关系。3.从微分方程和传递函数出发,论述了单个调谐、多个调谐和多重调谐对管路系统调谐的作用,并在时域和频率做了相应的比较。4.提出了通用的针对管路系统的调谐质量阻尼器设计原则和步骤,并搭建了个实验平台。5.实验验证了以上一些理论计算和模拟计算的结果,证明了利用调谐质量阻尼器来降低管路振动的有效性与优越性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章:绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 管路振动理论研究
• 1.2.1 国内外理论研究现状
• 1.2.1.1 国外研究情况
• 1.2.1.2 国内的研究情况
• 1.2.2 管路振动动力学特性研究
• 1.2.2.1 管路模型研究
• 1.2.2.2 管路振动动力学分析方法
• 1.2.3 管路非线性流固耦合振动研究
• 1.2.3.1 振动模型研究
• 1.2.3.2 非线性分析方法
• 1.3 管路消振应用研究
• 1.3.1 理论研究和应用研究关系
• 1.3.2 振动主动控制技术
• 1.3.3 振动被动控制技术
• 1.4 调谐质量阻尼器技术
• 1.4.1 调谐质量阻尼器
• 1.4.2 调谐质量阻尼器的特点
• 1.5 小结
• 第2章:管路振动问题的建模
• 2.1 连续系统的振动
• 2.1.1 纵向一维波动方程
• 2.1.2 横向振动方程
• 2.2 管路系统的有限元法
• 2.2.1 几种近似方法的比较
• 2.2.2 管路系统有限元法步骤
• 2.2.3 管路系统的有限元划分
• 2.3 有限元解法的数学表达
• 2.3.1 计算系统的质量矩阵、刚度矩阵、载荷矩阵
• 2.3.2 纵向振动分析
• 2.3.3 横向振动分析
• 2.4 管路系统的模态和振型
• 2.4.1 ANSYS的运用
• 2.4.1.1 ANSYS简介
• 2.4.1.2 APDL命令流
• 2.4.1.3 ANSYS管路系统
• 2.4.2 建立简单管系
• 2.4.3 模态分析
• 2.4.4 瞬态分析
• 2.5 小结
• 第3章:调谐质量阻尼器数学模型
• 3.1 管路结构的单自由度模型
• 3.2 两自由度振系模型
• 3.3 多自由度振系模型
• 3.3.1 多个调谐阻尼器
• 3.3.2 多重调谐阻尼器
• 3.4 各种调谐情况性能比较
• 3.4.1 MATLAB简介
• 3.4.2 单个调谐阻尼器性能
• 3.4.2.1 时域特性
• 3.4.2.2 频域特性
• 3.4.2.3 阻尼比和调谐频率对减振过程的影响
• 3.4.3 多个调谐和多重调谐性能
• 3.4.3.1 时域特性
• 3.4.3.2 频域特性
• 3.4.3.3 多个调谐比单个调谐的优势
• 3.5 小结
• 第4章:实验架构设计
• 4.1 实验平台设计
• 4.1.1 实验管路设计
• 4.1.2 调谐阻尼器设计
• 4.1.3 调谐阻尼器参数的选取
• 4.2 测试平台设计
• 4.2.1 LabVIEW介绍
• 4.2.2 振动传感器的选择
• 4.2.3 数据采集和信号调理
• 4.2.3.1 数据采集
• 4.2.3.2 信号调理
• 4.2.4 实验软件界面和功能
• 4.3 小结
• 第5章:实验验证
• 5.1 管路系统固有频率分析
• 5.1.1 空管的各阶模态频率
• 5.1.2 空管的一阶固有频率
• 5.1.3 充液管与半充液管的一阶固有频率
• 5.1.4 管系固有频率与流速的关系
• 5.2 单个调谐的实验曲线
• 5.2.1 时域瞬态效果
• 5.2.2 频域稳态效果
• 5.3 多个调谐的实验曲线
• 5.3.1 时域瞬态效果
• 5.3.2 频域稳态效果
• 5.4 小结
• 第6章:总结与展望
• 6.1 研究工作汇总
• 6.2 研究结论
• 6.3 前景展望
• 参考文献
• 硕士期间工作成果