输液管道流固耦合的响应分析
输液管道破坏的流固耦合分析
裂使 得东三环路面积水长达 ２ｋ ｍ。如果 遇 到 自然灾 害 ， 如地震 ， 地下输液管道 将会 遭受 巨 大破 坏并 造 成生 命财 产 的 巨大损 失 。
如 １７ ９ ６年唐山地震 ， 整个城市供水管 网完全遭 到破坏 ， 京输 油 秦
管线 流失原油 １ 万余 吨… １ ９ 云南丽江地震 ， 江旧水厂 主 １；９ ６年 丽 干供水管 道遭 到严 重破坏 ；０ ３年 云南 大姚地 震 ， ２０ 金碧镇 自来 水
忠， 刘玉兰等（９ ８年 ） １９ 讨论 了流体 的流速 、 压强 变化 以及 固一液
耦合 阻尼和 固一液耦合刚度对管道 固有频 率 的影 响 张智勇 等 ３； （０ ０年 ，０ １ ） ２０ ２０ 年 对充液 直管 管 系中 固一液 耦合 对管 系轴 向振 动响应 的影响进行 了研 究 ， 导 了低 频情 况下 的充液 直管 轴 向、 推
管道工程共发现渗漏点 近 ４ ０处。因为输 液管道破坏 受到其管 内
流体 的影 响 ， 因此 ， 液管道 的流 固耦 合分析 日益受 到重视 。国 输
外的流固耦合作用研究起 自 ２ ０世纪 ７ ０年代 』我 国的流 固耦 合 ２， 研究起 自２ 世 纪 ８ ０ ０年代 ， 在 ２ 并 ０世纪末 得 到较 快发展 。王世
一
算机 与数 字工程 ，０ ５ ３ （ ）７ ４ ２ ０ ，３ ８ ：２７ ． 京航 空航 天大学学报 ，９ ６ ２ （ ）５ ０５ ４ １ ９ ，２ ５ ：３—３ ． ［］ ３ 陈建春 ． ｉ ａ Ｃ＋＋开发 ＧＩ Ｖｓ ｌ ｕ Ｓ系统—— 开发 实例剖析［ ． Ｍ］北
京 ： 子 工 业 出版 社 ，００ 电 ２０ ．
维普资讯
第 ３ ３卷 第 ３ ３期 ２００７年 １１月
冲击荷载下输液管道动响应分析的谱单元方法
第39卷第21期振动与冲击JO U R N A L O F V IB R A T IO N A N D S H O C K V o l.39N o.21 2020冲击荷载下输液管道动响应分析的谱单元方法李宝辉，景丽娜，王正中(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：建立了基于Tmohenko梁的管道轴向流致振动模型，采用谱单元方法分析了管道的动响应。
借助离散傅 里叶变换，将时域控制方程转换为频域形式，结合有限元法获得了与频率相关的谱单元矩阵，进而发展出分析管道在冲击 荷载作用下的动响应计算方法。
通过管道固有频率和Tmohenko梁动响应的对比计算，验证了该方法的有效性。
最后，采用谱单元法计算了管道在不同流速、不同瞬态荷载作用下的动响应。
结果显示，谱单元法并且只需两个单元就可以分 析管道的动响应并且具有很高精度。
关键词：输液管道;谱单元法;动响应；固有频率中图分类号#O321 文献标志码：A DOI：10.13465/ki.jvs.2020.21.024D y n a m i c analysis of pipe c o n v e y i n g fluid u n d e r i m p a c t load with spectral e l e m e n t m e t h o dLI Baohui, JING Una,WANG Zhengzhong(College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest A& F University，Yangling712100，China) Abstract；Here，a pipe axial flow-induced vibration model was built based on Timoshenko b e a m，and the spectral element method (S E M)was applied in dynamic response analysis of a pipe conveying fluid.By means of discrete Fourier transformation，the pipe’s dynamic equations in time domain were converted into those in frequency domain.Being similar to the finite element method(F E M)，the spectral element matrix equation was obtained.The method was developed for dynamic response of pipe conveying fluid under point impact loads.The natural frequencies and dynamic responses of the pipe conveying fluid were computed with S E M，and the results were compared with those published in literature to verify the effectiveness of S E M.Finally，the pipe’s dynamic responses were computed using S E M under different fluid f low velocities and transient impact loads.Results showed that the proposed S E M has a high accuracy;only two spectral elements a re needed to analyze dynamic resj^onses of a pipe conveying loads.K e y words；pipe conveying fluid;spectral element method;dynamic response;natural frequency输液管道广泛应用于各种工业领域，比如，核反应 堆的冷却系统，飞机燃油液压系统以及石油输送系统 等等。
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制
管道系统的流固耦合振动分析与振动控制管道系统中的流固耦合振动是一种常见的动力学现象，对于系统的安全性和可靠性具有重要影响。
因此，对管道系统的流固耦合振动进行分析和控制是非常必要的。
本文将介绍管道系统的流固耦合振动的基本原理、分析方法和振动控制技术，并分析其在实际应用中的一些问题和挑战。
一、流固耦合振动的基本原理管道系统的流固耦合振动是指在流体通过管道时，由于流体与管道壁之间的相互作用，产生的流固耦合振动。
其基本原理可以通过流体力学和结构力学的分析来解释。
在流体力学方面，流体在管道中流动时会产生压力波动，这些波动会传播到整个管道系统中，引起管道壁的振动。
而在结构力学方面，管道壁的振动会引起流体内部的压力波动，形成一个闭环的流固耦合振动系统。
二、流固耦合振动的分析方法为了对管道系统的流固耦合振动进行准确的分析，可以采用两种主要的方法：数值模拟和实验测试。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数学建模和计算机仿真来模拟管道系统的流固耦合振动。
其中，计算流体力学（CFD）方法可以用来模拟流体流动，有限元法（FEM）可用于模拟管道振动。
通过将这两种方法耦合起来，可以得到较为准确的流固耦合振动特性。
2. 实验测试方法实验测试方法是通过搭建实验平台来进行流固耦合振动的测试。
通过在实验平台上设置不同的工况和参数，可以获取管道系统的振动响应。
常用的测试方法包括压力传感器、加速度传感器等。
通过实验测试，可以获取系统的振动特性，并验证数值模拟结果的准确性。
三、振动控制技术为了降低管道系统的流固耦合振动，需要采取一些有效的控制手段。
目前常用的振动控制技术有两种：被动控制和主动控制。
1. 被动控制技术被动控制技术主要包括减振器和阻尼材料的应用。
减振器可以通过改变系统的固有频率或阻尼特性来吸收振动能量，从而减小振动幅值。
阻尼材料可以通过吸收或传导振动能量来减小系统的振动响应。
2. 主动控制技术主动控制技术则是通过在系统中添加控制器和执行器来主动调节系统的振动响应。
输流管道流体结构互动响应研究
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ０ ｒ ｅ ｕ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｄ ｓ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ （ Ｓ ）ｉ ｘ ａ ｖｂ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ ｌ ｕ ｄ— ｓｒ ｃ ： ａ ｅ ｎｔ ｅｆｕ — ｑ ａｉ ｄ ｌ ｅ ｃｉ ｎ ｈ ｌ ｄ ｓｒ ｃｕ ｅｉｔｒｃｉ ｏ ｂ ｕ ｏ Ｆ Ｉ ｎ ａ ｉｌ ｉｒｔ ｏ ｉ ｉ ｏ ｑ
应 进 行 了数 值 仿真 计 算 。结 果表 明 ， 固耦 合 作 用 对 充 液 管道 振 动 响 应 有 较 大 影 响 。 ３种 耦 合 作 用 中， 擦 耦 合 影 流 摩
响较 小 ， 接 耦 合 与 泊松 耦 合 影 响 较 大 。针 对 气 液 两 相 流 动 ， 举 了 常 用 的 压 力 波 速 计 算模 型 ， 选 了合 适 的 波速 连 列 优 计 算 表 达 式 ， 析 了含 气 率对 压 力 波 速 的 影 响 ， 分 旨在 为 进 一 步 研 究 气 液 混 输 管 道 流 固 耦 合 振 动 提 供 一 定 的 理 论 指
（ ．Ｂ ｉｉｇ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆ Ｕｒ ａ ｌａ ｄ Ｇ ｓＤｉｔｉｕｉｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ １ ｅｊｎ ｙ Ｌａ ｏ ａｏ ｙ ｏ ｂ ｎ Ｏｉ ｎ ａ ｓｒｂ ｔｏ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｃ ｉａＵｎ ｖ ｒｉｙｏ ｔｏｅ ｍ ， ｈ ｎ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｐｅｒ ｌｕ Ｂｅｊｎ ０ ２ ９ ｉｉｇ １ ２ ４ ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｎ ；２ ｉ ａ ．Ｃｈｎ ｔｏ ａ ｆｓ ｏｅＯｉ Ｃｏｐｏａ ｉｎＲｅｅ ｒｈ Ｃ ｎｅ ｉ ａＮａｉｎ ｌＯ ｆｈ ｒ ｌ ｒ ｒ ｔｏ ｓａ ｃ ｅ ｔｒ，Ｂｅｊｎ ０ ０ ７ ｉｉ ｇ １ ０ ２ ， Ｐ．Ｒ．Ｃ ｉａ；３ ｆｓ ｏ ｅ ｌＥｎ ｉｅｒｎ ｏ ｈｎ ．Ｏ ｆｈ ｒ ｇ ｎ ｅｉ ｇ Ｃ ．，Ｌｔ ，Ｔｉｎ ｉ ０ ４ １ Ｏｉ ｄ． ａ ｊｎ ３ ０ ５ ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈ ｎ ） ｉａ
输水管道流固耦合振动数值计算
ｔａ ｅｌａｔ ｖ ｐ ｅ ｔｅｌ ｕｄｐｅｓｒ ｖ ｐ ｅ ｒｆｕ－ ｎ ｔ ｎｍｏ ｅ ｈ ｕｄｂ ｄ ｐｅ ｈ ｔｈ ｓ ｗａ ｅｓｅ ｄ（ ｉ ｉ—ｒｓｕｅｗａ ｅｓｅｄｆ ｒ ｃ ｏ ｄ１ ｏ ｌ ｅａｏ ｔ ｔ ｔ ｅ ｈ ｑ ｏ ｏ ｆ ｉ ｕ ）ｓ ｄｏ
水 管 道 系 统 流 固 耦 合 振 动 响应 时 ， 采 用 最 小 波 速 对 管 道 分 段 ： 道 的结 构 阻 尼 对 系 统 响应 的影 响大 于 液 体 与 管 道 之 应 管 间 的摩 擦 阻尼 ， 以使 系 统 的 振 动 快速 衰 减 。 可 关键 词 ： 动 与 波 ； 水 管道 ； 固祸 合 振 动 ； 值 计 算 ； 征线 法 振 输 流 数 特 中 图 分 类号 ： ３ ３４ ０ ５． 文献标识码 ： Ａ ＤＯ 编 码 ： ０ ９ ９ ．ｓ． ０．３ ５ ０ ００ ．１ Ｉ １． ６ ￣ｉ ｎ１ ６１ ５ ． １ ． ０ ０ ３ ｓ ０ ２ ６
（ ｅ ａ ｏａ ｒ ｆ ｏ ｖ ｙｎ ｅ ｎ ｑ ｉｍｅｔ Ｍｉｉｒ ｆ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ ｎ ｅ ａ ｃ ｄ ｕｐ ｎ， ｎｓ ｏ ｏ Ｃ ａ Ｅ ｔ ｙ Ｅ ｕ ａ ｏ ， ａｔ ｈｎ ａｔｎ ｎｖ ｒｉ ， ｎ ｈ ｎ ３ ０ Ｃ ｉａ ｄ ｃｔ ｎ Ｅ ｓＣ ｉａ ｉ ｏ ｇＵ ｉｅｓｙ Ｎａｃ ａｇ３ ０ ， ｈ ） ｉ Ｊｏ ｔ １ ３ ｎ
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｌｕ ａｉ ｎ ｏ ｕ ｄ Ｓ ｒ ｃｕ ｅＣｏ ｐ ｉ ｇＶｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｍ ｒｃ ｌ Ｃａｃ ｌｔｏ ｆ Ｆｌ ｉ － ｔｕ ｔ ｒ ｕ ｌ ｂ ａ ｉ ｆ ｎ ｏ ａ
Ｗ ａｅ ｐ ｌ ｅ ｔｒＰｉ ｅ ｉ ｎ
Ｆ ＡＮ ｈ －ｕ ｎ．Ｙ Ｓ ｉｉａ ＡＮＧ Ｃｈ Ｏ ａ
流固耦合作用下固支输液管道有限元分析
Ｆｏ （ Ｆ 模 块 ； ｌｗ Ｃ Ｘ） ｂ ．在 Ｅ ｇ ｅｒ ｇＤ ｔ ｎ ｉ ｅｉ ａ ｎ ｎ ａ中设 置管道 材 料性 能
参数 ， 道规 格 为 ５ ｍ ×３ ２ ｍ， 长 ０ ５ 弹 管 ７ｍ ．ｍ 管 ． ｍ， 性模 量 ２ ０ Ｐ ， ０ Ｇ ａ 泊松 比 ０ ３ 密度 ７８０ ｇ ｍ ； ．， ０ ｋ／ ｃ ．建立 管 道 和 流 体 的几 何 模 型 ， 模 型 为 该
摩擦 耦合 、 泊松 耦 合 和结 合 部 耦 合 。泊 松 耦 合 是 流体 压力 与管壁 应力之 间 的一种 由局部相 互作 用 而导 致 的沿程耦 合 ， 因其耦 合 的强 烈程 度 与 管 材 的泊 松 比紧密 相 关 而 得 名 ， 泊松 耦 合 过 程 如 图 １
所 示 。
出版 社 ，０４ ２０． ［ ］ Ｔｊ ｅｎ ． ｌｄｓｕｔ ｅＩｔａｔｎｉ Ｌｑｉ Ｆ ｌ ３ ｉｓｌ ｇＡＳＦｕ —ｒｃ ｒ ｅ ｃｏ ｉ ｄ ｉｅ ｓ ｉ ｉ ｔ ｕ ｎ ｒ ｉ ｎ ｕ ｌｄ Ｐｐ ｙｔ ｓ ａＲ ｖ ｗ Ｊ ．ｏｒａ ｏ ＦｕｄａｄＳ ｕ— ｉ Ｓｓ ｍ ： ｅｉ ［］Ｊｕｎｌ ｆ ｌ ｎ ｔ ｃ ｅ ｅ ｅ ｉ ｒ
［ ． 京： Ｍ］北 国防 工业 出版社 ， １． ２０ ０
［ ］ 刘 志远 ， 源 ． Ｎ Ｙ －Ｆ 单 向 耦 合 分 析 方 法 ［］ 水 ６ 郑 Ａ Ｓ ＳＣ Ｘ Ｊ．
产
利 水 电工程 设计 ， ０ ，８ ２ ： ３ ． ２ ９２ （ ）２ ０ ９～ １ （ 稿 日期 ：０ １０ — 修 回 日期 ：０ ２Ｏ ４ 收 ２ １—１１ ４， ２ １ 一１ ）
步 变形 。 用 Ａ Ｓ ＳＣ Ｘ耦 合 方 法 分 析 在 ２ ／ Ｎ Ｙ ．Ｆ ｍ ｓ流 速
基于ANSYS的输流管道流固耦合特性分析_喻萌
中 国 舰 船 研 究 ChineseJournalofShipResearch
Vol.2 No.5 Oct.200 7
基于 ANSYS的输流管道流固耦合特性分析
喻 萌
中国舰船研究设计中心 , 湖北 武汉 430064
摘 要 :应用有限元分析软件 ANSYS对输流管道在不同约束条件下进行流固 耦合动力 学模拟计算 和模态分
3.4
62.1
5.5
0.005 -0.894E6 0.829E-5 0.635E7 -0.923E6 0.229E-5 0.601E7
3.2
72.4
5.4
0.006 -0.108E7 0.234E-5 0.706E7 -0.105E7 0.219E-5 0.674E7 -2.7
6.4
4.5
0.007 -0.268E6 0.578E-6 0.174E7 -0.233E6 0.838E-6 0.160E7 -13.1 -45.0
∑ ∑ ∑ ∑ G = Ge = Gi αβ , H = He = Hα
其中 , Ae为质 量矩阵 ;Be为对流矩阵 ;Ce为压力 矩阵 ;De为耗损矩 阵 ;Fe为 体积力矩阵 ;Ge为连 续矩阵 ;He为边界速度矢量 ;{.δ.}、{·δ}、{δ}分别 为加速度 、速度 、结构应力列向量 ;[ M] 为质量矩 阵 ;[ K] 为刚度矩阵 ;[ C]为阻尼矩阵 。
AnalysisonCharicterasticsofFluid-structureInteractionfor FluidConveyingPipesbyANSYS
YuMeng ChinaShipDevelopmentandDesignCenter, Wuhan430064, China
输流管道流体结构互动响应研究
（７ ）
记
Ψ２
＝
Ｃ２Ｔ
＋
Ｃ２Ｆ
＋
２
μ２
Ｒρｆ ｅ
Ｃ２Ｆ
，求解上式可得 ４ 个特
征根 ，分别如下 ：
λ１ ，２ ＝ ± Ｃ珟Ｆ ＝ ±
１ ２
Ψ２ － （ Ψ４ － ４ Ｃ２Ｔ Ｃ２Ｆ ）１ ／２
１ ／２
（８ ）
λ３ ，４ ＝ ± Ｃ珟Ｔ ＝ ±
１ ２
Ψ２ ＋ （ Ψ４ － ４ Ｃ２Ｔ Ｃ２Ｆ ）１ ／２
式中 ，Ｖ 、Ｕ 、Ｖ ｒ 分别为流体／管道运动速度 、流体与
管道的相对速度 ，ｍ ／ｓ ；Ｈ ，液体压头 ，ｍ ；ｆ ，摩阻系
数 ；Ａｆ 、Ａ ｔ 分别为管道流通截面积和管道环形截面
积 ；σｚ ，管道轴向应力 ，Ｐａ ；ＣＦ 、ＣＴ 分别为液体 ／管道
的压力波速 ，ｍ ／ｓ ；Ｋ ，液体的体积弹性模量 ，Ｎ ／ｍ２ ；
ＬＩ Ｍ ｉｎｇ１ ，ＧＯＮＧ Ｊｉｎｇ１ 倡 ，ＬＩ Ｑｉｎｇ － ｐｉｎｇ２ ，ＷＡ ＮＧ Ｌｉ － ｊｉａ３
（１ ．Ｂｅｉ ｊ ｉｎｇ Ｋ ｅｙ Ｌ ａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏ ｆ Ｕ ｒｂａｎ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇ ａｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏ ｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ， Ｂｅｉ ｊ ｉｎｇ １０２２４９ ， Ｐ ．Ｒ ．Ｃｈｉｎａ ；２ ．Ｃｈｉｎａ Ｎ ａｔｉｏｎａｌ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ，Ｂｅｉ ｊ ｉｎｇ １０００２７ ，
ρｆ 、ρｔ 分别为液体 ／管道密度 ｋｇ ／ｍ３ ；Ｅ ，管道壁的弹
性模量 ，Ｐａ ；Ｒ ，管道半径 ，ｍ ；ｅ ，管道壁厚 ，ｍ ；μ ，是管
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ｉ黑；
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ｎｏｄｅ２ ｎｏｄｅｌ ｎｏｄｅ ３
ａｍⅫ１曲”）
ＯＩ）０ ０ ０５ ０１０ Ｏ、１５ Ｏ ２０ ０ ２５ Ｏ．３０ Ｏ ３５ ａ ｒｃＩｅｎ９Ｉｈ【ｍ）
万方数据
６８
中 国 舰 船研 究
第ｌ卷
（ｂ１截面ｌＩ位移
Ｏ．ＯＯ ００５ ０１０ ０１５ ０ ２０ ０ ２５ ０ ３０ ０ ３５ ａＫ ｌｅｎｏｍＩｍ）
０ ００ Ｏ ０５ ０１０ ０１５ ０ ２０ Ｏ ２５ ０ ３０ ０．３５ 并ｃ ｌ舯口ｍ（ｍＪ
Ｊ０
．ｆ
～
，Ｏ
［ｓ．］＝２叩。口“ｊⅣ；Ⅳ’ｓｄ口
界面上力的传递，实现流体与结构间的单向耦合 或双向耦合。在ＡＮｓＹｓ中，流固交界面用数字表 示，在ＣＦＸ中则用名字表示。Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄ Ｓｏｌｖｅｒ在
式中，。４ ２＝（Ｋ，和。）／（１＋Ｋ，Ｄ／Ｅ’￡） Ｅ＋ ＝Ｅ／（１一秽２）
口为泊松比；ｐ。流体密度；Ｄ管道内径；￡管道厚 度；Ｋ，体积模量；Ⅳ。流体流速；丙，轴向结构方 程；，ｖ，压力的型函数；［Ｍ］是质量矩阵；［Ｋ］刚
１ ４×１０ ４
１００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０柏０ ４５０ ５００ ，／Ｈｚ
２×１０４
１．０×１０４
０．８×ｌ旷
０．６×１０×１００
６９
图５节点１、２、３沿ｚ、），、ｚ方向位移及频谱图
５×１０。５
４×１０４ ３×ｌ舻
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｕｉｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｎｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｃ ＦＤ ｍｅｔｈ－ ｏｄ ｆｂｒ ｎｕｉｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｃｕｎｒｅ ｏｆ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｎｕｉｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｉｌｅ ｗａｌｌ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆ｝ｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｕｉｄ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＭＡＴＬＡＢ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｓ；ｆｌｕｉｄ；ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｈｉｐ
Ⅲ，以ｙ，。平面为对称面，分析３个截面在不同时 刻下沿戈，），，；轴的位移，可得管道的运动形式和 变形，如图３所示。
从图３中可以看出，管道结构的位移、变形基 本于ｙ，彳平面对称。在题设中所给的约束条件 下，管道主要运动表现为ｙ，ｚ平面内弯曲运动及 管道的扩张和收缩。同时，由于流体激励是随机 的，各时刻下作用于管壁上各点的压力值不同，管 道在沿石轴方向略有摆动。
从图４中可知，结构上应力也基本关于ｙ，ｚ 平面对称，且最大应力出现在弯曲部分。
分别在截面Ｉ、Ⅱ、Ⅲ上取节点１、２、３进行分 析，可得到各点在戈，ｙ，三方向的位移时间历程曲 线。采用傅立叶变换，编制ＭＡＴＬＡＢ程序对其进 行频谱分析，得到各点沿菇，ｙ，。轴的频响曲线，如
图５所示。 从图５中可知，类似于阀门作用，在开始一段
．ｆ
度矩阵；［ｓ：］＝２”Ｊ群Ⅳｊｄ”为泊松耦合系数；
Ｊ０
｛八ｆ）｝为节点上的连接耦合力；ｕ，Ｐ，ｙ分别为管 道在石方向的位移、压力和流体速度。
２有限元计算模型
计算过程中不考虑结构和流体重力对管道动力响 应的影响，其求解思想为有限元理论方法。
在ｗＯＲＫＢＥＮｃＨ中分别建立结构和流体的 物理模型。将结构模型导入ＡＮｓＹｓ中进行网格 划分和前处理；将流体模型导人到ＩｃＥＭ中划分 网格，然后将网格导入ＣＦｘ中进行前处理。建模 尺寸为：管道关于ｙ，：平面对称，其入口端轴线平 行于。轴，出口端轴线平行于ｙ轴；弯管两端长度 均为三＝Ｏ．５ ｍ，弯曲半径宠＝０．Ｉ ｍ，角度９０。，管 道内径ｄ＝０，０９８ ｍ，壁厚￡＝０．００２ ｍ；管道材料
２ Ｏ×１０１
５×１０
ｏ
０×１０
五ｏ ５。１０１ 瘩ｏ ｏ×ｌ∥ 专一ｏ ５×１０１
一ｌ ０×１０：
．１ ５Ｘ１０’
一：０×１０’
Ｔ２，５×１０’ Ｏ ００ Ｏ ０Ｓ ０１０ ０ｌ ５
０２０ ＯＺ５ Ｏ，Ｏ Ｏ ３５
ａｒｃＩ们ｇ ｃｈｔｍ）
（ａ）截面Ｉ位移
一ｔ＝０１８ｓ＋
０００ Ｄ０５ ０．１０ ０１５ ０．２０ ０，２５ Ｏ ３０ Ｏ．３５
０ ２×ｌＯｏ
ｔ／ｓ
４ ０×１０４
３ ５×１０’６
３ ０×１０４
＼ｇ
２ ５×１０‘
漤
型
２ Ｏ×ｌＯ‘
内 ｌ ５×１０４
ｌ ０×１０４
０ ５×１０
ｎｏｄｅ ３ ｎｏ（１ｅｌ ｎｏｄｅ ２
００２ ０．０４ ０．０６
０．０８ ０１０ ０１２ ０１４ ０１６ ｔ／ｓ
０．１８ ０２０
０ ０×１００
０
５０
（ｃ）
时间内结构产生强迫振动，之后结构响应达到稳 定。结构上各点沿戈，），，ｚ方向的振动幅值不同， ｙ，石方向明显大于ｘ方向，振动频率也略有差别。 在节点ｌ处六＝４３５ Ｈｚ，工＝４５４ Ｈｚ，，＝４５２ Ｈ２； 节点２处六＝４３７ Ｈｚ，工＝４５４ Ｈｚ，正＝４５２ Ｈｚ；节 点３处六＝４３７ Ｈｚ，，＝４５４ Ｈｚ，六＝４５４ Ｈｚ。结 构的响应图中出现了拍频现象，是由两相近频率 叠加所产生的，正如频率图中所示。另外，频率图 中接近０点位置处出现的峰值频率，是由结构振 动过程中偏离初始位置所引起，并非结构响应 频率。
为普通钢材，密度ｐ。＝７ ８００ ｋｇ／ｍ３，弹性模量Ｅ＝ ２１０ ＧＰａ，泊松比秽＝０．３，忽略管道阻尼，其所用单 元为ｓｏｌｉｄｌ８６；流体为水，密度ｐ。＝９９７ ｋｇ／ｍ ３，温 度２５℃，动力粘性系数＂＝８．８９９ｅ一４ ｋｇ／ｍ·ｓ， 流体采用六面体网格。视管道壁为光滑壁面，计 算时弯管两端采用简支约束的边界条件。网格示 意图分别如图１、图２。
收稿日期：２００４—１ｌ—１９ 基金项目：国家博士后基金资助项目（２００４０３５０２） 作者简介：张艳萍（１９８３一），女，硕士；研究方向为海洋结构物流固耦合分析。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ ｙｐｓｚ＠１６３．ｃｏｍ
万方数据
第３期
张艳萍等：输液管道流固耦合的响应分析
６７
［Ａ］＝｛Ⅳ；Ⅳ，ｄ移 ［８］＝ｐ。口ｑ ｌⅣ，Ⅳ：，ｄ∞
充液管路系统的流固耦合问题普遍存在于海 洋工程、生物工程、电力工业、石油能源工业、核工 业、舰船、飞行器动力装置以及日常生活中，其研 究不仅具有理论意义，并且具有广泛的工程背景 和经济意义。
管路振动的研究历史已达百年之久，研究内 容十分广泛。Ｇｏｒｍａｎ Ｄ Ｇ…等利用特征线一有限 元法分析了粘性脉动载流弹性管的振动特性，得 到了位移、流速、水动压力随时间的变化曲线。孙 玉东等¨。以ｗ培ｇｅｒｔ和Ｈａｔｆｉｅｌｄ＂。的特征线分析方 法为基础，研究管路在水锤冲击下，考虑泊松耦合 时流体和结构的瞬态响应，得到了管道中流体压 力和流速及轴向应力和振动速度的时程曲线，计 算结果与理论分析相当吻合。ＪａｍｎｉａＨｌ使用ＡＮ． ｓＹｓ有限元软件分析了固液耦合作用管道的动力 响应。Ｓｒｅｅｊｉｌｈ Ｂ”１等采用有限元方法分析了在变 化流速下，管道的流固耦合动力响应，所得结果与 实验结果基本一致。
第１卷第３期 ２００６年６月
中 国舰船研究 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．１ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ． ２００６
输液管道流固耦合的响应分析
张艳萍１ 徐治萍２ 刘土光１ 张 涛１
（１华中科技大学交通科学与工程学院，湖北武汉４３００７４； ２武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉４３００６４）
０００ Ｏ．０５ Ｏ．１０ Ｏ １５ Ｏ．２０ ０．２５ Ｏ．３０ ０ ３５ ａｍ Ｉｅｎｇｍ（ｍ）
图３ 截面Ｉ、Ⅱ、Ⅲ在不同时刻下的位移
计算结束时刻，截面Ｉ、Ⅱ、Ⅲ上的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ 应力如图４所示：
蛊
茎 、
Ｒ 翻
０００
００５
０ｌＯ
０１５
０ ２０
Ｏ２５
Ｏ ３０
０ ３５
图４ 截面Ｉ、Ⅱ、Ⅲ的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力图
，２ ５×ｉ０’
００２ ０．０４ ００６ ０ ０８ ０．１０ ０１２ ０】４ Ｏｉ６ ０１８ ０ ２０ ｔ／ｓ
（ａ）
Ｏ
５０
１００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００
ｆ／Ｈｚ
万方数据
第３期
张艳萍等：输液管道流固耦合的响应分析
（ｂ）
Ｉ．４×１００
２×１０
Ｅ ＼
潍 趔 又
１ ０×ｌＯｏ Ｏ．８×１０ ０ ６×１００ ０ ４×１００
摘 要：采用结构有限元方法和流体ｃＦＤ方法，研究变化流速下结构和流体的瞬态响应，实现管道与流体问
的双向耦合，并得到管道位移、水动压力的时间历程曲线。通过ＭＡＴＬＡＢ频域转换得到了结构和流体的响应
频率。
关键词：管道；流体；流固耦合；响应；有限元；船舶