船舶輸流管系振動特性研究.pdf

1、船舶動力裝置系統(tǒng)存在著輸送各種介質(zhì)的管道系統(tǒng)，如壓載水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、燃油輸送系統(tǒng)、滑油輸送系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等，而各種不同管徑的管道縱橫交叉布置在甲板和機(jī)艙里，流體通過泵的作用不斷的在管道內(nèi)流動，這種流體流動過程產(chǎn)生的脈動可能引起管道的振動，進(jìn)而降低管道輸送效率，引起結(jié)構(gòu)振動疲勞，甚至由此導(dǎo)致管系結(jié)構(gòu)破壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，更有甚者可能對船舶安全航行造成威脅。對于潛艇來說，振動引起的噪聲將會降低其隱蔽性，影響航行安全。鑒于此，本文對

2、船舶輸水管道中流體引起的振動問題進(jìn)行了研究，通過分析管道振動產(chǎn)生的原因及影響管道振動的因素，并運(yùn)用有限元法對管系進(jìn)行了模態(tài)分析和強(qiáng)迫振動分析，同時進(jìn)行了試驗驗證，提出相應(yīng)改造措施。主要工作包括： （1）闡述了船舶輸流管道一維流動特性及波動理論，建立了一維波動方程，并運(yùn)用波動理論及其方法，分析了管道內(nèi)液體產(chǎn)生脈動時，管道截面上脈動壓力P和脈動速度V 隨管道截面位置變化的關(guān)系，由此推導(dǎo)出計算管道內(nèi)液柱振動的固有頻率表達(dá)式。并對一端封

3、閉另一端敞開管道（對應(yīng)于船舶上一端接水泵，另一端接船舶水艙，如船舶壓載系統(tǒng)的情況）內(nèi)液柱固有頻率進(jìn)行了分析。 （2）分析了引起管道振動的各種因素，并著重研究了管道流體壓力脈動產(chǎn)生的原因及計算方法，以及由此對管道系統(tǒng)產(chǎn)生的激振力，指出壓力脈動是引起管道振動的主要原因。并模擬一段彎曲管道，應(yīng)用有限元法對輸流管道進(jìn)行流體動力學(xué)分析，計算流體通過彎曲管道時，其壓力、流速的變化及對管道所產(chǎn)生的附加作用力情況。 (3)對輸流管道橫向

4、自由振動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)，并分析了管內(nèi)流體流速與管道系統(tǒng)固有頻率間的關(guān)系，隨著流速的增加，管道的固有頻率降低，當(dāng)流速達(dá)到臨界流速時，管道發(fā)生失穩(wěn)，但在分析船舶輸水管系時，流體流速與臨界流速相比，管道內(nèi)流體的流速很小，由此結(jié)論可知，在計算管系振動時，可不考慮流速對管道固有頻率的影響。分析了用有限元對管道進(jìn)行模態(tài)分析的方法，分別計算了1 DOF和2 DOF約束的充液管道自由、無激勵狀態(tài)下的固有振動頻率。 （4）建造了一段船舶輸水管

5、道實驗系統(tǒng)，通過PRO/E完成幾何建模，建立了輸水管系及其支承的有限元模型，用ANSYS.10軟件對管道系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，計算管道自由、無激勵狀態(tài)下的固有振動頻率。同時分析計算了管道內(nèi)流體流動壓力及流速的分布情況以及流體液柱振動的固有頻率。 （5）實測管道內(nèi)壓力脈動幅值，應(yīng)用有限元法計算了管道內(nèi)液體激振力作用下的振動的響應(yīng)。 （6）對實驗管道系統(tǒng)進(jìn)行了壓力、振動測量，得出其功率譜圖，并對管道系統(tǒng)的振動、壓力脈動信號進(jìn)行了