輸液管道顫振失穩(wěn)的時(shí)滯控制.pdf

1、管道運(yùn)輸作為物流輸送的一種有效手段在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中起著重要的作用，是除公路、鐵路、水運(yùn)和航空以外的第五大運(yùn)輸方式。輸液管道系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題一直是影響管道工作的性能，如安全、機(jī)械壽命等的關(guān)鍵因素之一。 輸液管道的振動(dòng)問(wèn)題之所以能引起學(xué)者的興趣，除了該問(wèn)題的廣泛工業(yè)背景和現(xiàn)實(shí)意義之外，還因?yàn)檩斠汗艿郎婕傲鞴恬詈系拇蠖鄶?shù)問(wèn)題，并且物理模型簡(jiǎn)單，系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)，因而便于理論與試驗(yàn)研究的相互協(xié)同。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代管

2、道結(jié)構(gòu)將朝著長(zhǎng)距離、大管徑、高流速的方向發(fā)展，流固耦合振動(dòng)問(wèn)題也將越來(lái)越嚴(yán)重。因此，開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究，進(jìn)一步弄清振動(dòng)的機(jī)理，找出減輕振動(dòng)的辦法有重要的理論意義和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。 本文首先采用兩種方法(第一種方法和Galerkin法)研究懸臂輸液管道的動(dòng)力學(xué)行為，研究發(fā)現(xiàn)：輸液管道系統(tǒng)的固有頻率通常會(huì)隨管內(nèi)流體速度的提高而降低，當(dāng)固有頻率降至某個(gè)特定值時(shí)，就會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的顫振失穩(wěn)。通過(guò)對(duì)兩種方法的比較發(fā)現(xiàn)：伽遼金法存在截?cái)嗾`差，

3、可通過(guò)截取盡量多的模態(tài)來(lái)確保精度，但截取的模態(tài)數(shù)越大，計(jì)算量呈指數(shù)增長(zhǎng)，所以并不能一味追求精度而將模態(tài)數(shù)取得過(guò)大，需要根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)哪B(tài)截?cái)鄶?shù)。 針對(duì)輸液管道顫振失穩(wěn)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)滯主動(dòng)控制策略，目的在于提高輸液管道的臨界流速。建立輸液管道時(shí)滯控制數(shù)學(xué)模型一時(shí)滯偏微分方程，采用Galerkin方法將時(shí)滯偏微分方程離散為時(shí)滯常微分方程組，繼而對(duì)時(shí)滯控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)滯控制系統(tǒng)作動(dòng)器位置的不同，能提高

4、到的最大臨界流速亦不同，當(dāng)作動(dòng)器作用在管長(zhǎng)中心處，控制效果較好；在固定增益的情況下，繪制出控制系統(tǒng)的時(shí)滯—流速穩(wěn)定區(qū)。通過(guò)Matlab Biftool軟件包模擬控制系統(tǒng)的特征根分布情況，研究發(fā)現(xiàn)特征根分布情況與理論分析的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果吻合的相當(dāng)好，說(shuō)明理論分析的可靠性。 對(duì)時(shí)滯控制懸臂輸液管道系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，這既是對(duì)理論分析工作的自然延伸，也是在利用有限差分法進(jìn)行時(shí)滯偏微分方程數(shù)值模擬的創(chuàng)新性嘗試。數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析預(yù)測(cè)